第十章光纤传感技术—5教案分析.ppt

第10章 光纤传感技术 光纤传感技术是伴随光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为介质、感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术。光纤传感器始于1977年，经过30多年的研究，光纤传感器取得了积极的进展，目前正处在研究和应用并存的阶段。它对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着重要的作用。随着新兴学科的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。 本章在简要介绍光纤传感器原理、组成及分类的基础上，重点讨论光纤传感的光调制方式及相应的光纤传感器，最后对分布式光纤传感器作简要介绍。 10.5 光波长调制型光纤传感器 光纤传感器的波长调制就是利用外界因索改变光纤中光能量的波长分布或者说光谱分布，通过检测光谱分布来测量被测参数，由于波长与颜色直接相关，波长调制也叫颜色调制。其原理如图10.22所示，光源发出的光能量分布为Pi(λ)，由人射光纤耦合到传感头S中，在传感头S内，被测信号S0(t)与光相互作用，使光谱分布发生变化，输出光纤的能量分布为Po(λ)，由光谱分析仪检测出Po(λ)，即可得到S0(t)。 图10.42 波长调制原理图 通常波长调制方式有:利用黑体辐射进行波长调制、利用磷光(荧光)光谱的变化进行波长调制、利用滤光器参数的变化来进行波长调制和利用热色物体的颜色变化进行波长调制等几种。这几种方式本质上是光强调制，前面已做介绍，这里就不重复。 近20年来，尤其近几年迅速发展起来的光纤光栅滤光技术为功能型光波长调制技术开辟了新的前景。下面对光纤光栅在光纤传感器中的应用进行介绍。 由第3章可知，在FBG中，满足Bragg条件的人射光将被FBG反射，反射光波中心波长λB=2neffΛ，即Bragg波长。由于光纤光栅的栅距Λ是沿光纤轴向分布的，当FBG所处环境的温度、应力、应变或其他物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过被测量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。 温度、应力和应变的变化引起的中心波长漂移可表示为： (1)光纤布拉格光栅(FBG)传感器的工作原理 10.5.1 光纤光栅光波长调制原理 式中，ε为外加应变,μ为横向形变系数(泊松比)，Pij为光弹性张量的普克尔压电系数，α为光纤材料的热膨胀系数，ΔT为温度变化量。 如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率neffl、neffr变化不同，可实现对磁场的直接测量。磁场诱导的折射率变化为 (10.28) (10.27) 式中，V为弗尔德常数，H为被测磁场，λ为工作波长。对应的左右旋极化波中心反射波长λBl和λBr为： (10.29) 通过测定λB的漂移，就可得到磁场H的变化信息。 此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。通过在光栅上涂覆特定的功能材料(如压电材料)，还可实现对电场等物理量的间接测量。 (2)啁啾光纤光栅传感器的工作原理 上面介绍的光栅传感器系统中光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。一种较好的方法就是采用惆啾光纤光栅传感器。 啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下惆啾光纤光栅除了ΔλB的变化外，还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，惆啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性(dn/dT)仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。 (3)长周期光纤光栅(LPG)传感器的工作原理 长周期光纤光栅(LPG)的周期一般有数百微米，长度为1-30 cm，折射率调制深度远小于10-4。LPG在特定的波长上把纤芯的光耦合进包层: (10.30) 式中，nco为纤芯的折射率，ncl(m)为m阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层/空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测ΔλL，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而LPG适用于多参数传感器。 10.5.2 波长调制的解调方法 光纤光栅传感器的解调系统技术比较复杂，近来人们研究了各种波长分析器以完成λB位移的检测。关于波长