光纤机械量传感器.ppt

光纤机械量传感器
内调制式位移传感器
利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式光纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移，从而使光纤发生微弯变形，改变模式锅台，纤芯中的光部分透人包层，造成λn
芯层
包层
Λ
包层折射率 n2
芯层折射率 n1
感光折射率 n
λ1
λ2 …λn
芯层
包层
+1级
-1级
紫外掩模写入法
相位掩模板
1 、光纤布喇格光栅原理
光纤布喇格光栅的原理是由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式祸合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性，图 表示了其折射率分布模型。整个光纤曝光区域的折射率分布可表示为：
式中 F(r,φ,z）为光致折射率变化函数，具有如下特性：
式中 a1 为光纤纤芯半径； a2为光纤包层半径，相应的 n1为纤芯初始折射率；n2为包层折射率； △n(r,φ,z）为光致折射率变化； △nmax 为折射率最大变化量。因为制作光纤光栅时需要去掉包层，所以这里的n3一般指空气折射率。之所以式中出现r和φ坐标项，是为了描述折射率分布在横截面上的精细结构。
为了给出F(r,φ,z）的一般形式，必须对引起这种折射率变化的光波场进行详尽分析。目前采用的各类写入方法中，紫外光波在光纤芯区沿径向的光场能量分布大致可分为如下几类：均匀正弦型、非均匀正弦型、均匀方波型和非均匀方波型。从目前的实际应用来看，非均匀性主要包括光栅周期及折射率调制沿 Z 轴的渐变性、折射率调制在横截面上的非均匀分布等，它们分别可以采用对光栅传播常数 kg 修正——与 Z 相关的渐变函数φ(z)，以及采用 △n(r）代表折射率调制来描述。
为了更全面地描述光致折射率的变化函数，可以直接采用傅里叶级数的形式对折射率周期变化和准周期变化进行分解。基于这些考虑，可以采用下列一般性函数来描述光致折射率变化：
式中Fo(r,φ,z）表示由于纤芯对紫外光的吸收作用而造成的光纤横向截面曝光不均匀性，或其他因素造成的光栅轴向折射率调制不均匀性，并有Fo(r,φ,z）max＝ l , 这些不均匀性将会影响到传输光波的偏振及色散特性；
kg＝ 2π／Λ为光栅的传播常数；Λ为光栅周期； q 为非正弦分布（如方波分布）时进行傅里叶展开得到的谐波阶数，它将导致高阶布喇格波长的反向耦合； aq为展开系数；φ(z)为表示周期非均匀性的渐变函数。正因为φ(z)的渐变性，我们可以将它看作一“准周期”函数。
对包含有φ(z)的非正弦分布也进行了类似于周期函数的傅里叶展开可以得到光栅区的实际折射率分布为
 
该式即为光纤布喇格光栅的折射率调制函数，它给出了光纤光栅的理论模型，是分析光纤光栅特性的基础。
2 、光纤布喇格光栅传感原理
 
光纤光栅纤芯中的折射率调制周期由下式给出：
这里λUV是紫外光源波长， θ是两相干光束之间的夹角。
由于周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响。因此，如果宽带光波在光栅中传播时，入射光能在相应的频率上被反射回来，其余的透射光谱则不受影响，光纤光栅就起到反射镜的作用。这类调谐波长反射现象首先是由威廉•布喇格爵士给出解释的，因而这种光纤光栅被称为布喇格光纤光栅，其反射条件被称为布喇格条件。在Bragg光栅中，反射的中心波长由下式确定：
其中 neff 是光纤芯区有效折射率。 Λ是光纤光栅的栅距即周期。只有满足布拉格条件的光波才能被布喇格光栅反射。对上式取微分可得：
从式中可以看出，当外界的应力发生改变时，将会导致光纤光栅的Λ或者neff的改变，因而检测光纤光栅中心反射波长的变化，可以获知外界应力的变化。
设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为β0和β1，如果满足布喇格相位匹配条件：
其中Λ为光栅周期， 则一个波的能量可以耦合到另一个波中去。
在反射型滤波器中，我们假设传播常数为β0的光波从左向右传播，如果满足条件：
则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去。
设β0=2πneff/λ0，其中λ0为输入光的波长，neff为波导或光纤的有效折射率。也就是说，如果
λ0=2neffΛ，
光波将发生反射，这个波长λ0就称作布喇格波长。
紫外掩模写入法
相位掩模板
芯层
包层
+1级
-1级
光纤光栅的栅距Λ可通过改变写入光栅的两相干紫外光束的相对角度得到调整，从而可以制作出不同反射波长的Bragg光栅。
光纤光栅应变传感器的基本原理是：当光栅周围的应力或者应变发生变化时，将导致光栅周