光纤振动传感器
第一章绪论
1.1 引言
自20 世纪70 年代美国Corning 公司制造出第一根低损耗光纤至今，光纤通信技术从实验室走向产业，迅速壮大，并发展成为年产值逾千亿元、当今信息时代的支柱之一。与之相伴生的光纤产业链的另一个分支——光纤传感技术产业，在经历了由零星研究走向集中开发、由军用步入民用、由单点监测走向分布式网络监测之后，近年来正大踏步地走向产业腾飞之路。
随着当今军事、工业、民用等领域自动控制系统的飞速发展，作为系统核心的传感技术在人们的生活中得到了越来越广泛的应用。而伴随对传感性能的不断提高的要求，许多新型的传感器件和方法被不断研制出来。作为传感器件应用的光纤传感器，具备了灵敏度高、动态范围大、不受电磁干扰等突出的优点。在包括强度、频率、波长、偏振调制等多种光纤传感形式当中，相位调制型具有最高的灵敏度，而分布式相位调制型光纤振动传感器则可以实现连续高精度定位传感，具备广阔的应用前景。
1.2光纤传感技术简介
光纤传感器的历史可追溯到上世纪70 年代，那时，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。由于其具有常规传感器所无法比拟的优点和广阔的发展前景，很多国家不遗余力地加大对光纤传感器的研究力度，也涌现出许多成果。但它仍存在诸如价格昂贵、技术不够成熟等瓶颈，这使得它在工程上的应用较少。最近涌现的很多成果无论是在价位上还是技术上都有了新的突破。随着新方法、新工艺不断被引入，大量低价位高性能光纤传感器面世，而光纤与其他学科理论相结合，不仅使光纤传感器在信号检测精度、传输减损、信号处理方面有了很大的提高，而且其应用领域也越加广阔。
1.3光纤传感器的应用
光纤传感器作为一种优势明显的新型传感器不但在高、精、尖领域得到
应用，而且在传统的工业领域被迅速推广，其本身产品也不断推层出新，显示出强大的生命力。可以预见随着制作技术的日益成熟和器件性能的不断提高，不久的将来光纤传感器必将在海洋、化工、土木工程、水利电力等各个领域显示其应用活力。
光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面：城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。在混凝土中嵌人光纤传感器或加强性光纤凝结物在飞机场用干涉型光纤震动传感器系统监测交通
[1][2] 。在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电的定子、转子内的温度检测等。由于电类传感器易受强电磁场的干扰，无法在这些场合中使用，只能用光纤传感器。在石油化工系统、矿井、大型电厂等，需要检测氧气、碳氢化合物、等气体，采用电类传感器不但达不到要求的精度，更严重的是会引起安全事故[3] 。因此，研究和开发高性能的光纤气敏传感器，可以安全有效地实现上述检测。在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面，由于其环境复杂，影响因素多，使用其它传感器达不到所需要的精度，并且易受外界因素的干扰，采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度，可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。目前，我国水源的污染情况严重，临床检验、食品安全检测[4] 手段比较落后，光纤传感器在这些领域具有极好的市场前景。医学及生物传感器、医学临床应用光纤辐射剂量计、呼吸系统气流传感系统、圆锥形微型测量氧气浓度及其他生物参数用探测氢氧化物及其他化学污染物、光纤表面细胞质粒基因组共振生物传感器、生物适应系统应用于海水监测、生化技术、医药。
1.4光纤传感技术的发展
光纤传感技术及其相关技术的迅速发展，满足了各类控制装置及系统对信息的获取与传输提出的更高要求，使得各领域的自动化程度越来越高，作为系统信息获取与传输核心器件的光纤传感器的研究显得更为重要。在上
述两种典型应用中，光纤传感器起着重要作用，有着突出的优点，但也存在着急待解决的问题（如光纤传感器的输出信号会受到光源波动、光纤传输损耗变化、探测器老化等因素的影响．组成光纤传感器各部分元件的本身性能对测量精度的影响等）。认真研究光纤传感器的各组成部分元器件的性能（有效抑制光源波动、减小光纤传输损耗），特别是进一步改进敏感元件的制作工艺及结构、探索新的敏感机理，充分发挥微处理技术和计算机软件功能以改善和补偿光纤传感器的性能，发展数字、集成化和自动化、工程化的新型光纤传感器，研制出适合于网络化应用的光纤传感器阵列及特殊测量要求的新型光纤传感器是今后的研究发展趋势。
光纤传感器的发展趋势有如下几个方面：
（1）光纤光栅传感网：光纤光栅是最近几年发展迅速的光纤无源器件，它在光纤通信、光纤传感等领域都有广阔的应用前景。光纤光栅是用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化）在纤芯内形
成空间相位光栅，其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤光器或反射镜。利用这一特性可构成许多独特性能的光纤无源器件和光纤传感器，例如：光纤激光器、光纤滤波器、光纤波分复用器，以及用于应力、应变、温度等参量检测的光纤传感器和各种（简单或复杂的）光纤传感网。目前已有采用光纤光栅测量应力、应变、温度等参量以及构成光纤生物、化学传感器的许多报道，主要内容是如何提高灵敏度，扩大动态范围。提高灵敏度的途径，包括改变包层材料，改变光纤结构，改变光纤成分等。另外，采用光纤光栅构成多参量传感器和光纤传感网也是目前研究热点之一。
（2）分布式光纤传感网：分布式光纤传感器是指以光纤为传感介质，利用光波在光纤中传输的特性，给出沿光纤长度方向每一点的被测量值。这是光纤特有的一种新型传感器，它可给出大空间里温度或应力等参量的分布值。例如，一个20kin 的分布式温度传感器，可给出20km 内每一点（例如每米或每5m）的温度值构成分布式光纤传感器。这里需要解决两个
问题：一是传感元件能够给出被测量沿空间位置的连续变化值；二是准确给出被测量的所在空间位置。对于前者，可利用光纤中的传输损耗、模耦合、传播的相位差、非线性效应（例如光波的频移）等给出连续分布的测量结果；对于后者，可利光时域反射技术、扫描干涉技术等给出被测量的所在空间位置。
（3）用于智能材料和结构的光纤传感技术：在材料和结构的制造过程中，将传感元件和驱动元件埋入其中，传感元件可对结构的状态参数（如应变、温度、损
伤程度等）进行实时测量；驱动元件可对结构状态作必要的调节或控制，可保证结构安全运行并工作在最佳状态。因为这种结构具有一定的“智能
"，故称为智能结构眨。这种光纤传感器由于具有体积小、损耗低、灵敏度高、抗电磁干扰电绝缘性好、带宽大等优点，可以同时作为传感元件和传输媒质，并实现多点或分布式测量，因而它是最有前途用于智能结构的传感技术，也是国内外目前研究热
1.5本论文研究的主要内容
1、光纤传感器的特点和工作原理
2、光纤振动传感器的基本原理；
3、设计光纤振动传感器，实现声音频谱范围振动的测试。
1.6振动传感测量技术研究现状二十世纪初，研究者们就开始对振动测量技术进行探索研究。在他们不断的研究和实践中，振动测量技术逐渐走向成熟，传感测量方法因其独有的优势也逐步发展起来。振动测量主要是测量振动的重要参数，如振幅、频率、速度、加速度及位移等动态参数。将传感器测得的振动信号进行解调并转换为电信号，接着进行信号放大、滤波等处理工作，再将该信号进行分析、显示的整个过程即为动态测量，振动测量属于动态测型。
振动测量技术随着工程中对振动监测需求的与日俱增而不断发展，涌现出大量高质量的测量设备和先进的测量方法。目前，振动测量的方法主要包括机械式、电气式和光学式三类。
(1)机械式测量方法以杠杆原理为基础，将测得的振动信号放大后直接记录下来。这种测量方法的抗干扰能力较强，但是测量的频率范围较窄，精度较低；多用于测量低频、大振幅振动。
(2)电气式测量方法目前应用较为广泛，它是用电量测试仪来测量振动信
号。
这种测量方法灵敏度较高，但是难以抵抗电磁场的干扰，很难确保生产的安
全性。
(3)光学式测量方法是采用光学传感器，将振动信号的变化转换为光信号的变化来测量。这种测量方法弥补了机械式测量方法和电气式测量方法的缺陷，具有测量精度高、频带宽，响应速度快、抗干扰能力强、远距离测量等诸多优点。
信号的探测、采集和分析是振动测量的核心。计算机技术的飞速发展使信息处理技术有了突飞猛进的提高，数据的采集和处理技术已逐步走向成熟。但是目前在工程中应用较多的振动测量技术主要还是基于传统的机械式测量方法，绝大多数振动测量系统都是采用的电磁类传感器，其灵敏度较低、测量距离短、抗干扰能力差，远远无法满足工程应用的需求，极大地制约了振动测量领域的进一步发展。这主要表现在以下几个方面问：
(1)传统传感器的有效输出是由部分被测能量组成的，这使得传感器的输出能量较小、内阻较高且灵敏度很低。
(2)有的传感器在使用之前需要先将其调零，这使得传感器的长期稳定性降低。
(3)传统传感器的抗干扰能力都不太可观，对常见的随机干扰波都无法起到屏蔽或抑制的作用，并且测量频率范围较窄。
(4)传统传感器不能实现测量的智能化。因此，采用新型振动传感器来改善现有振动监测系统中的缺陷是振动测量技术的关键问题。
振动测量技术的迅速发展以及工程应用中对高精度测量技术的需求，使得研制高性能的振动传感器来进行振动信号的测量成为必然。光纤传感技术的出现使传感器领域有了突飞猛进的发展，目前国内外研究者们已经成功研制出了很多光纤振动传感器，克服了传统振动传感器的诸多缺陷，具有测量精度高、范围广、抗电磁干扰能力强、适合各种恶劣环境等优点，受到了业
内人士的广泛重视。第二章光纤的基本特征
1970 年华裔科学家高馄博士提出了损耗很低的光导纤维的概念以及美国贝尔实验室指出了可在室温下连续工作的半导体激光器，开创了光通信技术的先河。而作为传输光信号的重要基础媒介—光波导，得到了广泛的关注并取得长足的发展。光纤作为各种光电器件的基础结构，对器件的性能要求起着至关重要的作用。随着光学器件的不断发展，诞生出满足各种需要的光纤。
2.1 光纤结构和种类：光纤是一种光信号的传输媒介，是光导纤维的简称。它是工作在光波波段的一种介质波导，通常是圆柱形的。它以光的形式出现的电磁波能量，利用全反射的原理约束在其界面内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的传输特性由其结构和材料决定。
光纤的的基本结构是两层圆柱壮媒质，内层是纤芯，外层是包层。最内层的纤芯是一种截面积很小、质地脆、易断裂的光导纤维，制造材料可以是石英、玻璃或塑料。纤芯的外层由折射率比纤芯小的材料制成。由于纤芯与包层之间存在着折射率的差异，光信号得以通过全反射在纤芯中不断向前传播。光纤的最外层是起保护作用的外套。通常是将多根光纤扎成束并裹以保护层制成多芯光缆。
图一光纤结构光波在光纤中传输时，由于纤芯边界的限制，其电磁场解不连续。这种不连续的场解称为模式。
光纤的分类方法有很多种。
按传播模式的数量可以分为单模光纤和多模光纤。只能传输一种模式的光纤称为单模光纤，能同时传输多种模式的光纤称为多模光纤。
按纤芯折射率分布的方式可以分为阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤。
前者纤芯的折射率是均匀的，在纤芯和包层的分界面处，折射率发生突
变；后者折射率是按一定的函数关系随光纤中心径向距离而变化的。
按传输的偏振态，单模光纤有可进一步分为非保偏光纤和偏振保持光纤。其差别是前者不能传输偏振光，而后者可以。
按制造的材料分，光纤有：（1）高纯度熔石英光纤，其特点是材料的光传输损耗低，有的波长可低到0.2dB/km，一般小于1dB/km；（2）多组分玻璃纤维，其特点是芯-包层折射率可在较大范围内变化，因而有利于制造大数值孔径的光纤，但材料损耗大，在可见光波段一般为1dB/m；（3）塑料光纤，其特点是成本低，缺点是材料损耗大，温度性能较差；（4）红外光纤，其特点是可透过近红外（1~5um）或中红外（~10um）的光波；（5）液芯光纤，特点是纤芯为液体，因而可满足特殊需要；（6）晶体光纤，特点是纤芯为单晶，可用于制造各种有源和无源光纤器件。
2.2
第三章光纤传感器的特点和工作原理
3.2.光纤传感器的特点
近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方(如高温区)，或者对人有害的地区(如核辐射区)，起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。
光纤传感器有极高的灵敏度和精度、固有的安全性好、抗电磁干扰、高绝缘强度、耐腐蚀、集传感与传输于一体、能与数字通信系统兼容等优点，光纤传感器受到世界各国的广泛重视。光纤传感器已用于位移、振动、转动、压力、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度等70 多个物理量的测量并且在生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面有广泛的应用前景。
总体来说光纤传感器具有许多优点，概括如下：
(1)高灵敏度：例如目前用的马赫一泽德光纤干涉仪能检测0.1 rad 的
相位
差，若光源的波长为1Pm，相当于 10 11m 光程差。即采用干涉型光纤传感器可测非常小的物理量。
(2)抗电磁干扰：一般电磁辐射频率比光波频率低的多，所以在光纤中传播的光不受一般电磁噪声的影响，此外光纤中的渐衰场只限于在包层中离纤芯数微米处，而通常光纤包层都在10 am 以上，因此在多芯光缆中纤芯间具有良好的抗电磁串音性能。
(3)电绝缘性和化学稳定性：光纤本身是一种化学性能稳定的高绝缘物质，且敏感元件可以做成电绝缘和电无源元件，因此光纤传感器不仅化学稳定性好，而且电绝缘性能也高，特别适用于电力工业和化学工业中需要高压隔离和易燃易爆的恶劣环境。
(4)良好的安全性：光纤传感器的敏感元件是电无源的，故在生物体内测量时，不存在漏电和电击的危险。故近年来医用光纤传感器十分活跃。
(5)可分布式测量：一根光纤可以准确测出沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息，从而可以实现长距离连续测控，并由此形成具备一定规模的监测网，提高监测水平。
(6)传输容量大：由于光纤可以传输大容量信息，因此以光纤为母线，收集各传感点的信息来代替笨重的多芯水下电缆。并且通过复用技术，还可以实现准分布式的光纤监测。
(7)使用寿命长：光纤的主要材料是石英玻璃(塑料光纤一般比较少见)，外裹高分子材料的包层，这使得它具有相对于金属传感器更大的耐久性。尤其是在土木工程中，地下水是一个不可回避的重要问题，光纤的这种特性减弱了地下水对传感器的腐蚀影响，从而提高使用寿命。
(8)轻细柔韧便于安装埋设：光纤的这一特性，使它在埋入混凝土的过程中，避免了匹配的问题，便于安装埋设。此外，光纤损耗小、频带宽，具有高的数据传输率，并且具有几何形状灵活，易于远距离监控和多功能传感等优点，使得它在建筑桥梁、电力工程、煤炭化工、地质探矿、石油勘探、地震波检测、医疗卫生、军事制导等领域有着极为重要的应用。
3.3 光纤传感器的工作原理光纤对许多外界参数有一定的敏感效应。研究
光纤传感原理就是研究如何应用光纤的这些效应，研究光在调制区内与外界被测参数的相互作用，实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能，这是光纤传感器的核心。在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。显然，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界干扰越小越好。但是，在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化，将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变化。因此，人们发现如果能测出光波参数的变化，就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。光纤传感技术是用光纤对某些物理量的敏感特性，将外界物理量转换成可以直接测量的信号的技术。由于光纤不仅可以作为光波的传播媒质，而且由于光波在光纤中传播时表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、应变、磁场、电场、位移、转动等)的作用而直接或间接发生变化，从而也可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。图2 是光纤传感器的原理结构图。光纤传感器通常由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等参量在光纤传输中都可能会受外界影响而发生改变，特别如温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、
弯曲、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时，都会使这些参量发生相应变化。光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小。
3.4 光纤传感器的分类：光纤传感器可以探测的物理量很多，已实现的光纤传感器物理量测量达70 余种【5】。然而，无论是探测哪种物理量，其工作原理无非都是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测，从而得到被测物理量。光纤传感器按其作用不同可分为两种类型：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高。典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。
非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术；比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。
光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长
（颜色）调制光纤传感器。
光纤传感器按被测对象的不同，又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。
在各种光纤传感器中，光纤干涉型传感器以其简单的结构和较高的灵敏度在实验研究、实际应用中占据了较高的位置。在光学测量领域，干涉测
量技术是物理量检测中最为精确的技术之一。光纤干涉型传感器，也被称为相位调制型光纤传感器。其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器：利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等【6】。20 世纪70年代低损耗光纤出现以后，光纤干涉型传感器的研制有了长足进展，并很快得到实际应用。利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以获得极高的灵敏度。其开发应用已经有一百多年的历史，广泛应用于高分辨率实验室测量装置。早期的光学干涉仪感测部分是用传统光学元件组成，具有受待测量影响而改变光特性的功能，如温度、压力、振动等。但是，以自由空间作为干涉光路的一般干涉仪，由于其体积大，空气易受环境温度、声波和振动的影响，使干涉测量不稳定、准确度低，同时调整也较困难，所以限制了它在一般场合下的实用性。目前的干涉仪都是以光纤为感测部分，光纤直接受待测量作用而改变其中传导光的特性。用光纤代替自由空间作干涉光路的光纤干涉仪有两个突出的优点：一是减少了干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，并可使干涉仪小型化；二是可以用加长光纤的方法使干涉光路对环境参数的响应灵敏度增加。这样，传统的光学干涉仪从实验室中走了出来，并成为高机械强度和精密灵活的生产现场使用的仪表。利用单模光纤作为光路的干涉仪，可以排除相干光在空气中传播带来的空气扰动及声波的干扰而引起的空气中光程的变化造成的光学干涉仪工作不稳定性。光纤光波干涉可以把相位的变化转变为光能的变化。因而，光纤传感器可进行由光波相位变化和光纤干涉两部分组成的相位调制，以克服光探测器不能直接感受相位变化的不足。利用逆压电效应，将电信号转变为光纤几何尺寸的变化来实现相位调制或解调。相位调制光纤传感器是以被测量引起敏感光纤内传播的光波产生相位变化，再利用干涉测量技术把相位的变化变换成光强的变化，来进行传感测量。在光纤干涉仪中，采用了相位调制光纤应变传感器、光纤电流传感器、光声气体光纤传感器和位移光纤传感器等。
第四章锥形光纤的结构和传光特性：
4.1 锥形光纤的结构
通常锥形光纤的加工方法有两种：腐蚀法和融拉法。前者的特点是光纤包层直径沿传播逐渐减小，而纤芯直径除了在小端附近时逐渐变小，其余部分基本不变。后者可以看成在锥形区域内包层和纤芯的直径沿纤轴方向均逐渐变小，包层和纤芯的直径之比保持恒定。这里讨论的是后者的锥形光纤。
本论文中所用的锥形光纤是通过对普通单模阶跃石英光纤进行拉锥制造而成，因此其传输特性与普通单模光纤的传输特性类似，研究的依据也来源于普通光纤的分析方法。
图1 锥形光纤的几何剖面图
锥形光纤的几何剖面图如图1所示。其中l 是光锥长度，A是光锥锥度，a是光纤锥的粗端半径，b 是尖端半径。通过简单计算可得锥形光纤几何参数之间的关系:
arctan a b（1）其它参数已经设定的情况下，尖端直径越大，A 越大; 光纤的锥形过渡区越短，即l 值越小相对的锥角A就越大，锥形变化也就越尖锐。
在实验中用自制的热拉伸装置把光纤侧面拉成直锥形，锥形光纤顶端锥体的角度及其变化愈大愈光滑，锥形过渡区越短，传输效率就越高。
4.2 锥形光纤的特性
锥形光纤因其特有的结构，在进行光的传输以及与LD等光源或其他器件耦合时也表现出许多与圆柱形光纤不同的特性，如低的传输损耗和高的耦合效率。
4.2.1 锥形光纤的传输损耗 根据光在光纤中的传输和损耗理论， 光在圆柱形光纤中传输时， 沿轴向单位长度 的反射次数 n 和每次反射所引起的传输损耗 k 分别为：
11 n AB dctan
k 10lg
其中， d 为光纤内径； θ为激光光束与光纤轴线的夹角； ρ为光纤内反射膜 的反射率。可见 ，单位长度上的反射次数越多， 激光能量的损耗就越多。图 2 是激光光束在圆柱形光纤中传播时的示意图。
图2 光在圆柱形光纤中的传播
光在锥形光纤中传播时的示意图如图 3所示
图 3 光在光纤锥中的传播示意图
假定锥形光纤的锥度夹角为 2 ，激光光束的入射角为 ，激光在第一和第二 次反射之间沿轴向所传输的距离为 x 1 ，第二和第三次之间反射所传输的距离为 x 2 ，依次为 x3 x n 。通过几何计算可得到： x 1 x 2 x3 x n 。激光在单位 长度的锥形光纤中的反射次数 [ 3 ] 为：
把式(4) 与式 (2) 相比较可以看出， 激光在锥形光纤中的反射次数少于在圆柱 光纤中的反射次数，并且，由于反射角的增大，在相同的传播距离内，激光走过
的路程减少了。这样一来，激光在锥形光纤中的损耗要小于在圆柱光纤中的2) 3
)
n
1 tan(
2 ) tan x 1 d (4)
损耗。另外，激光在圆柱光纤中反射时每次反射的入射角不变，而在锥形光纤中第n次反射时的入射角为：
n 2 [ (2n 1) ] (5)
入射角随反射次数的增加而增大，反射率也逐渐增大。从以上看出，锥形光纤在传输激光能量时，既可以减少激光光束在光纤中的反射次数，还使激光在传输过程中入射角逐渐增大，从而缩短了光束传播的路径，也增大了反射率，使得该光纤的传输损耗进一步降低，远小于同类型的圆柱形光
应用
光纤水听器
光纤传感器和水声换能器在海洋技术上具有极大的应用价值和潜在的应用价值。
光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器，它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换为光信号，并通过光纤传至信号处理系统转换为声信号信息。相比传统水听器具有灵敏度高、响应带宽宽、不受电磁干扰等特点，广泛用于军事和石油勘探、环境检测等领域，具有很大的发展潜力。
光纤水听器按原理可分为干涉型，强度型，光栅型等。干涉型光纤水听器关键技术已经逐步发展成熟，在部分领域形成产品；光纤光栅水听器则是
当前研究热点。研究的关键技术涉及光源、光纤器件、探头技术、抗偏振衰落技术、抗相位衰落技术、信号处理技术、多路复用技术以及工程技术等。
光纤水听器按传感原理分为强度型、干涉型和光纤光栅型等。强度型光纤水听器，根据光纤微弯损致使
光功率变化。干涉型光纤水听器基于光学干涉，通过水中声波对光纤的压力而改变的光纤纤芯折射率或长度所引起的光纤中传播光束光程变化，通过检测其相位得到水声信息。光纤光栅型光纤水听器基于原理，其传感光栅周围的应力随水中声压变化。
光纤水听器研究始于上世纪70年代末美国海军实验室，各发达国家相继
投入了大量人力物力做研究，取得了很多成果。在军事应用上，随着潜艇噪声降低，电声纳探测灵敏度接近极限值，光纤水听器将大有用武之地。我国的光纤水听器研究也已取得较大进展，在一些技术指标上达到国际水平，但主要处于理论和实验阶段，实用化、工程化光纤水听器还未见报道。
第四章结论随着光纤传感技术的发展，光纤传感器因其体积小、重量
轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、本质安全等优点而获得了广泛应用。光纤振动传感器主要有光纤光栅型和干涉型两种类型的传感器。由于光纤光栅型的传感器传感性能主要由其基材的性能所决定，测量频率范围较低；而干涉型振动传感器结构复杂，易受外部环境干扰，不适合在检测现场应用。两种振动传感器都具有成本较高，解调比较复杂的缺点。为了解决目前光纤振动传感器所存在的问题，本文设计了一种新型的光纤传感器实现振动的测量。此光纤振动传感器是以拉锥型单模光纤为基础制作的一种光纤振动传感器，将传感器粘贴在被测物体上实现对被测物体振动的测量。具有结构简单，易于制作，测量频带宽，解调成本较低等优点，是一种很具发展潜力的光纤振动传感器。
传统的压电陶瓷类传感器受电磁干扰比较严重，在强电场环境下其有效性受到很大制约，因此对于基于光纤的振动检测技术的研究具有重要意义。光纤振动传感器目前主要是光纤干涉仪类型，它的优点是灵敏度很高，缺点是结构复杂，成本高，易受温度漂移和外界干扰的影响。本文介绍的光纤振动传感器具有成本低、结构简单、不受温度漂移影响的特点，
它以单模锥形光纤作为基本结构，通过在拉锥过程中改变一些结构参数，使之对外界环境（压力、振动等）有较灵敏的响应，从而实现对这些信号的检测。
文献综述——光纤振动传感器
中国计量学院 毕业设计（论文）文献综述 学生姓名：徐婷学号： 0800403238 专业：光电信息工程 班级： 08光电2 设计（论文）题目： 光纤振动传感器的设计 指导教师：李裔 二级学院：光学与电子科技学院 2011年 3 月07日
光纤振动传感器的设计 文献综述 一、概述： 光纤传感器的历史可追溯到上世纪70 年代，那时，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。由于其具有常规传感器所无法比拟的优点和广阔的发展前景，很多国家不遗余力地加大对光纤传感器的研究力度，也涌现出许多成果。但它仍存在诸如价格昂贵、技术不够成熟等瓶颈，这使得它在工程上的应用较少。最近涌现的很多成果无论是在价位上还是技术上都有了新的突破。随着新方法、新工艺不断被引入，大量低价位高性能光纤传感器面世，而光纤与其他学科理论相结合，不仅使光纤传感器在信号检测精度、传输减损、信号处理方面有了很大的提高，而且其应用领域也越加广阔。 光纤传感器作为一种优势明显的新型传感器不但在高、精、尖领域得到应用，而且在传统的工业领域被迅速推广，其本身产品也不断推层出新，显示出强大的生命力。可以预见随着制作技术的日益成熟和器件性能的不断提高，不久的将来光纤传感器必将在海洋、化工、土木工程、水利电力等各个领域显示其应用活力。 二、光纤传感器的特点和工作原理： a。光纤结构和种类： 光纤是一种光信号的传输媒介。 光纤的结构：最内层的纤芯是一种截面积很小、质地脆、易断裂的光导纤维，制造材料可以是石英、玻璃或塑料。纤芯的外层由折射率比纤芯小的材料制成。由于纤芯与包层之间存在着折射率的差异，光信号得以通过全反射在纤芯中不断向前传播。光纤的最外层是起保护作用的外套。通常是将多根光纤扎成束并裹以保护层制成多芯光缆。 图一光纤结构 光纤的种类：1）按纤芯和包层的材质：玻璃光纤、塑料光纤。2）按折射率的变化：阶跃型、渐变型（聚焦光纤）。3）按传播模式：单模光纤、多模光纤。 b。光纤传感器的特点 近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程
光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监测中的应用
光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监 测中的应用 姓名：朱少波 学号：U201115536 班级：电气中英1101班 2015年1月23日星期五
摘要：作为20世纪测试领域的重大发明，光纤光栅传感技术得到了快速发展，并已经成 为诸多领域的前沿研究与应用方向。本文主要介绍了相关产业化企业近年来基于光纤光栅感知元件发展起来的系列传感器、部品、重大土木工程结构健康监测的应用以及项目研究与产业化状况。主要包括：光纤光栅系列直接传感器、光纤光栅间接传感器、光纤光栅传感部品（结构）与结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统及其在大型桥梁结构健康监测中的应用。最后，介绍了课题组与相关企业在该方向的项目研究、国际合作与产业化情况，并指出该方向的主要研究与应用方向。 关键词：光纤光栅传感器，桥梁结构，健康监测 1.引言 重大桥梁工程结构的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，对重大桥梁工程结构增设长期的健康监测系统，以监测结构的服役安全状况，并为验证结构设计、施工控制以及研究结构服役期间的损伤演化规律提供有效的、直接的手段，并实时监测其服役期间的安全状况、避免重大事故的发生。结构健康监测已经成为世界范围内重大桥梁结构工程的前沿研究方向。 然而，重大桥梁工程结构和基础设施体积大、跨度长、分布面积大，使用期限长，传统的电学量传感设备组成的长期监测系统性能稳定性、耐久性和分布范围都不能很好地满足实际工程需要。随着智能感知材料的发展,高性能传感器及其测试技术为结构智能健康监测系统的研究与发展提供了崭新的途径，尤其是以光纤光栅为代表的光纤传感元件的出现与发展，更为这一热点课题提供了广阔的生机。光纤通信技术和光纤传感技术在20世纪后半叶至21世纪初期的几十年里日新月异，极大地推动了人类社会的进步。光纤传感技术随着光通信技术的发展应运而生，尤其是光纤光栅的出现不仅给光纤传感技术，而且给相关领域带来了一次里程碑式的革命[1]，使人们可以设计和制作大量基于光纤光栅的新型智能传感器[2]。与传统的各类传感器相比光纤光栅传感器具有以下优点[3]： 1)抗电磁干扰，电绝缘，本质安全 由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤是电绝缘的传输媒质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这一特性使其在高压、强电磁干扰、易燃、易爆的环境中能有效的传感。 2)耐腐蚀 由于光纤表面的涂覆层是由高分子材料组成，承受环境或者结构中酸碱等化学成分腐蚀的能力强，适合于结构的长期健康监测。 3)测量精度高 光纤传感器采用波长调制技术，分辨率可达到波长尺度的皮米量级，对应温度监测中0.1℃与应变监测中1με。光测量及波长调制技术使光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。 4)测量对象广泛
光纤光栅传感器的应用
光纤光栅传感器的应用 一、光纤光栅传感器的优势 与传统的传感器相比,光纤Bragg光栅传感器具有自己独特的优点: (1) 传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变, 适合埋入大型结构中, 可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等, 稳定性、重复性好; (2) 与光纤之间存在天然的兼容性, 易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高; (3) 具有非传导性, 对被测介质影响小, 又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点, 适合在恶劣环境中工作; (4) 轻巧柔软, 可以在一根光纤中写入多个光栅, 构成传感阵列, 与波分复用和时分复用系统相结合, 实现分布式传感; (5) 测量信息是波长编码的, 所以, 光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响, 有较强的抗干扰能力; (6) 高灵敏度、高分辩力。 正是由于具有这么多的优点,近年来,光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测,以及能源化工等领域得到了广泛的应用。 光纤Bragg光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为监测材料和结构的载荷，探测其损伤的传感器。 二、光纤光栅的传感应用 1、土木及水利工程中的应用 土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。 力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康状况监测是非常重要的.通过测量上述结构的应变分布,可以预知结构局部的载荷及健康状况.。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中,对结构同时进行健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等,以监视结构的缺陷情况.。
常见光纤光栅传感器工作原理
常见光纤光栅传感器工作原理 光纤光栅传感器的工作原理 光栅的Bragg波长λB由下式决定：λB=2nΛ （1） 式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，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，通过测量物理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。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。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。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），还可实现对电场等物理量的间接测量。 1、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，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啁啾光纤光栅传感器。 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啁啾光纤光栅除了△λB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，啁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。 2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理 长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的
光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。Λ。式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i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△λi，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。 光纤光栅传感器的应用 1、在民用工程结构中的应用 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。 光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋，由于需要修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的传感臂，并在每一个梁上均安装这两个臂。 两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里－珀罗干涉仪的反射镜，形成全光纤法布里－珀罗干涉仪（FFH），利用低相干性使干涉的相位噪声最小化，这一方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG，其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度效应，所以FFP～FBG实现了同时测量三个量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点。已在5mε的测量范围内，实现了小于1με的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1nε/（Hz）1/2的动态应变灵敏度。
常用的五类光纤传感器基本原理解析
常用的五类光纤传感器基本原理解析 根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传感器都可再分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。 1）强度调制型光纤传感器 基本原理是待测物理量引起光纤中传输光光强的变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。恒定光源发出的强度为I的光注入传感头，在传感头内，光在被测信号的作用下其强度发生了变化，即受到了外场的调制，使得输出光强的包络线与被测信号的形状一样，光电探测器测出的输出电流也作同样的调制，信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号。 这类传感器的优点是结构简单、成本低、容易实现，因此开发应用的比较早，现在已经成功的应用在位移、压力、表面粗糙度、加速度、间隙、力、液位、振动、辐射等的测量。强度调制的方式很多，大致可分为反射式强度调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等等。一般反射式强度调制、透射式强度调制、折射率强度调制称为外调制式，光模式称为内调制式。但是由于原理的限制，它易受光源波动和连接器损耗变化等的影响，因此这种传感器只能用于干扰源较小的场合。 2）相位调制型光纤传感器 基本原理是：在被测能量场的作用下，光纤内的光波的相位发生变化，再用干涉测量技术将相位的变化转换成光强的变化，从而检测到待测的物理量。相位调制型光纤传感器的优点是具有极高的灵敏度，动态测量范围大，同时响应速度也快，其缺点是对光源要求比较高同时对检测系统的精密度要求也比较高，因此成本相应较高。 目前主要的应用领域为：利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器；利用赛格纳克效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)等。
光纤式温度传感器的设计
J I A N G S U U N I V E R S I T Y 学院名称： 专业班级： 学生姓名： 学生学号： 2011 年 6 月
光纤式温度传感器的设计 一、设计的目的 通过利用水银的遮光性，以及水银的热胀冷缩性能,当水银达到一定的液位时，从而遮住光纤的传输路线。这达到光纤传输跳跃，通过信号的终断输出到到外输接口的，以达到预期目的。 二、光纤导光的原理 光是一种电磁波，一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论中指出的：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间，可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象，这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此，我们采用几何光学的方法来分析。 由图2-1可以看出：入射光线AB 与纤维轴线OO 相交为θi 入射后折射(折射角为θj ) 至纤芯与包层界面C 点，与C 点界面法线DE 成θk 角，并由界面折射至包层，CK 与DE 夹角为θr 。 图2-1 光纤导光示意图 由图2-1可得出 j i n n θθsin sin 10= （2-1） r k n n θθs i n s i n 21= （2-2） 由（2-1）式可推出 j i n n θθs i n )(s i n 01= 因k j θθ-=090 所以
k k k i n n n n n n θθθθ2 1010 01sin 1cos )90sin()(sin -==-= （2-3） 由（2-2）式可推出 r k n n θθs i n )(s i n 12=并代入（2-3）式得 21 201)s i n (1s i n r i n n n n θθ-= k n n n θ2 22210 s i n 1-= （2-4） （2-4）式中n 0为入射光线AB 所在空间的折射率，一般皆为空气，故10≈n ；n 1为纤芯折射率，n 2为包层折射率。当叫n 0＝1，由(2-4)式得 = i θs i n r n n θ2 2221s i n - （2-5） 当090=r θ的临界状态时，0i i θθ= 2 2210s i n n n i -=θ （2-6） 纤维光学中把(2-6)式中0sin i θ定义为“数值孔径”NA(Numerical Aperture )。由于n 1与n 2相差较小，即n 1+n 2≈2n 1，故(2-6)式又可因式分解为 ?≈2s i n 10n i θ (2-7) 式中121)(n n n -=?称为相对折射率差。 由（2-5）式及图2-1可以看出： 090=r θ时， NA i =0sin θ或NA i arcsin 0=θ,聚光能力的容量。 090>r θ时，光线发生全反射，由图2-1夹角关系可以看出NA i i arcsin 0 =<θθ。 090
光纤振动传感技术综述
光纤振动传感技术综述 摘要：随着设备朝着大型化、高速化的发展，振动引起的问题更为突出，需要 解决的问题更为迫切，也对振动测试与振动分析技术的研究提出了越来越高的要求。用光纤振动传感器取代常规的振动传感器，尤其是在一些具有强电磁干扰等 环境恶劣的特殊场合，己成为发展的趋势，不同类型、不同原理的光纤振动传感 技术对于振动检测领域的发展有着非常重要的现实意义。本文对光纤振动传感技 术的全球专利申请脉络进行了详细梳理，并通过专利数据统计分析，认识了光纤 振动传感技术的专利申请状况、研究热点以及核心技术的发展，为光纤振动传感 技术的后续审查工作打下了坚实的基础。 关键词：光纤；光栅；振动；传感；解调；分布式 一、引言 振动问题是近代物理学和科学技术众多领域中的重要课题。目前比较成熟的 振动加速度传感器主要为动圈式、压电式、涡流式和微机电系统等电类传感器， 上述类型的传感器都存在易受电磁干扰的问题，应用受到一定的限制。由于光纤 不仅可以作为光波的传输介质，而且光波在光纤中传播的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）会因外界因素（如温度、压力、磁场等）的作用而发生变化。 用光纤振动传感器取代常规的振动传感器，尤其是在一些具有强电磁干扰等环境 恶劣的特殊场合，己成为发展的趋势。本文旨在通过梳理光纤振动传感技术的全 球专利申请，通过专利数据统计分析，认识了解光纤振动传感技术的专利申请状况、研究热点以及核心技术的发展，为光纤振动传感技术的审查工作打下一定的 基础。 二、专利分析 本文在中国专利文摘数据库（CNABS）和世界专利文摘库（SIPOABS）中，筛 选从1969年6月25日至2017年12月22日申请的国内外专利申请。将从以下 三个方面对光纤振动传感技术的专利进行分析： （1）专利申请发展趋势状况分析 全球范围内关于光纤振动传感技术的专利申请共计1268项，其中向中国专利局提交的国内申请为857项。图1示出了光纤振动传感技术的全球、国内和国外 的专利申请量的发展趋势，从图中可以清楚地看到：光纤传感技术发展中经历了 主要三个阶段，即：1980年以前，光纤传感技术的研究主要停留在理论阶段，以强度调制型光纤传感器的研究为主；从1980年后，开始大规模研究光纤传感技术，出现了大量不同的光纤传感原理和光纤检测技术；进入2000后，各种技术 和器件的研究已基本成熟，光纤传感器开始进入了商业化的进程，光纤传感进入 实用阶段。 图1.专利申请量的发展趋势 对于国外申请而言，尽管他们对于光纤振动传感技术的研究起步很早，但是 总体来看其发展一直呈现较为平稳状态，起伏不大；对于国内申请而言，呈现出 的趋势与国外申请有很大的不同，尽管国内的第一件申请出现的时间较晚，但是 后期发展势头尤为迅猛。 （2）专利申请地域分布状况分析 图2示出了光纤振动传感技术专利申请的国别/地区分布情况，显而易见，中 国是该领域最大的申请来源国；日本是该领域的第二大申请来源国，剩余的部分
光纤光栅传感器的应用
光纤光栅传感器的应用 光纤布拉格光栅传感器的应用 1。光纤光栅传感器 的优点与传统传感器相比，光纤光栅传感器有其独特的优点:(1)传感头结构简单，体积小，重量轻，形状可变，适合嵌入大型结构中，能够测量结构内部的应力、应变和结构损伤，具有良好的稳定性和重复性； (2)与光纤自然兼容，易于与光纤连接，损耗低，光谱特性好，可靠性高； (3)不导电，对被测介质影响小，具有耐腐蚀和抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境下工作； (4)轻便灵活，可在一根光纤中写入多个光栅组成传感阵列，结合波分复用和时分复用系统实现分布式传感； (5)测量信息为波长编码，因此光纤光栅传感器不受光源光强波动、光纤连接和耦合损耗以及光波偏振态变化的影响，抗干扰能力强。 (6)高灵敏度和分辨率 正是因为它的许多优点。近年来，光纤光栅传感器已经广泛应用于大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测，以及能源和化工等领域。 光纤光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，特别是在测量应力和应变的情况下，具有其他传感器无法比拟的优势。它被认为是智能结构中最有前途的集成在材料内部的传感器，作为监测材料和结构的
载荷和检测其损伤的传感器。 2，光纤光栅的传感应用 1，在土木和水利工程中的应用 土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域 力学参数的测量对于桥梁、矿山、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康监测非常重要。通过测量上述结构的应变分布，可以预测结构的局部载荷和健康状况。光纤布拉格光栅传感器可以预先附着在结构表面或嵌入结构中，同时对结构进行健康检测、冲击检测、形状控制和减振检测，监测结构的缺陷。 另外，多个光纤光栅传感器可以串联成传感网络，对结构进行准分布式检测，传感信号可以由计算机远程控制 (1)在桥梁安全监测中的应用目前，光纤光栅传感器应用最广泛的领域是桥梁安全监测 斜拉桥的斜拉索、悬索桥的主缆和吊杆、系杆拱桥的系杆是这些桥梁体系的关键受力构件，其他土木工程结构的预应力锚固系统，如用于结构加固的锚索和锚杆，也是关键受力构件上述受力构件的应力大小和分布变化最直接地反映了结构的健康状况，因此监测这些构件的应力状态并以此为基础进行安全分析和评价具有重要意义。加拿大卡尔加里附近的 199贝丁顿小道桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993)。16个光纤光栅传感器连接到预应力混凝土支撑的钢筋和碳纤维复合材料钢筋上，对桥梁结构进行长期监测，这在以前被认为是不
光纤温度传感器
光纤温度传感器 电子092班 张洪亮 2009131041
光纤温度传感器 摘要 本文从光纤和光纤传感器以及光纤温度传感器的发展历程开始详细分析国内外 主要光纤温度测温方法的原理及特点，比较了不同方法的温度测量范围和性能指标以及各自的优缺点。通过研究发现了当前的光纤温度传感器的种类和特点，详细介绍了光纤温度传感器的原理，种类和各自的特点和优缺点。可以根据这些传感器各自特点将各种传感器应用到不同的领域，本文也简要分析了各种光纤温度传感器的运用范围和领域。本文还通过图文并茂的方式比较详细地分析了介绍了空调器的基本结构，工作电气原理和基本的热力学过程。本文对毕业设计主要内容和拟采用的研究方案也做出了详细地介绍分析。 关键词：光纤传感器，光纤温度传感器，运用领域，空调器，空调器原理 1 引言： 光纤温度传感器是一种新型的温度传感器．它具有抗电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、防爆防燃、体积小、重量轻等优点，其中几种主要的光纤温度传感器：分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器更有着自己独特的优点。与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高;是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。它将在航空航天、远程控制、化学、生物化学、医疗、安全保险、电力工业等特殊环境下测温有着广阔的应用前景。在本论文中将详细分析当前光纤温度传感器的主要种类和各自的原理，特点和应用范围。70 年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。1977 年，美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划，这被认为是光纤传感器问世的日子。从这以后，光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。从70 年代中期到 80 年代中期近十年的时间，光纤传感器己达近百种，它在国防军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和日常消费部门都得到实际应用。从目前的情况看，己有一些形成产品投入市场，但大量的是处在实验室研究阶段。光纤传感器与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高; 是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。目前，世界各国都对光纤传感器展开了广泛，深入的研究，几个研究工作开展早的国家情况如下:美国对光纤传感器研究共有六个方面:这些项目分别是: 光纤传感系统;现代数字光 纤控制系统;光纤陀螺;核辐射监控;飞机发动机监控; 民用研究计划。以上计划仅在 1983 年就投资 12-14 亿美元。美国从事光纤传感器研究的有美国海军研究所、美国宇航局、西屋电器公司、斯坦福大学等 28 个主要单位。美国光纤
光纤光栅传感器的封装
光纤光栅传感器的封装 光纤光栅是一种新型的光无源器件，它通过在光纤轴向上建立周期性的折射率分布来改变或控制光在该区域的传播行为和方式。其中，具有纳米级折射率分布周期的光纤光栅称为光纤布喇格光栅（即FBG ，若非特别声明，下文中的光纤光栅均指光纤布喇格光栅）。光纤光栅因具有制作简单、稳定性好、体积小、抗电磁干扰、使用灵活、易于同光纤集成及可构成网络等诸多优点，近年来被广泛应用于光传感领域。 经过近十几年来的研究，光纤光栅的传感机理己基本探明，用于测量各种物理量的多种结构光纤光栅传感器己被制作出来。目前，光纤光栅传感器可以检测的物理量包括温度、应变、应力、位移、压强、扭角、扭知(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率及浓度等。 一、光纤光栅的封装技术 由于裸的光纤光栅直径只有125m μ，在恶劣的工程环境中容易损伤，只有对其进行保护性的封装(如埋入衬底材料中)，才能赋子光纤光栅更稳定的性能，延长其寿命传感器才能交付使用。同时，通过设计封装的结构，选用不同的封装材料，可以实现温度补偿，应力和温度的增敏等功能，这类“功能型封装”的研究正逐渐受到重视。 1、 温度减敏和补偿封装 由于光纤光栅对应力和温度的交叉敏感性，在实际应用中，经常在应力传感光栅附近串联或并联一个参考光栅，用于消除温度变化的影响。这种方法需要消耗更多的光栅，增加了传感系统的成本。若用热膨胀系数极小且对温度不敏感的材料对光纤光栅进行封装，将很大程度上减小温度对应力测量精确性的影响。 另外，采用具有负温度系数的材料进行封装或设计反馈式机构，可以对光纤光栅施加一定应力，以补偿温度导致的布喇格波长的漂移，使0/λλ?的值趋近于0。对于封装的光纤布喇格光栅而言，其波长漂移λ?与应变ε和温度变化T ?的关系式可表示为式(1),基于弹性衬底材料的光纤光栅温度补偿关系式为 ()1 s e a a a T p ξε++-=?- （1） 式中：(1/)(/)n dn dT ξ=；(1/)(/)e p n dn d ε=-；(1/)(/)a L dL dT =。实验表明，采用负温度系数的材料对光纤光栅进行封装，可以在20~44-℃温度区获得波长变化仅为0.08nm 的温度补偿效果。 2、应力和温度的增敏封装 光纤布喇格光栅的温度和应变灵敏度很低，灵敏度系数分别约为2 1.1310-?nm/℃和31.210/nm με-?，难以直接应用于温度和应力的测量中。对光纤光栅进行增敏性封装，可实现微小应变和温度变化量的“放大”，从而提高测量精度，同时，亦使传感器的测量范围得以扩展。 2．1温度增敏封装 在无应变条件下，由式(2)得 0[(1)()]e s a p a a T λλξ?=++--? （2）
光纤光栅传感器封装技术
光纤光栅传感器的封装技术
摘要 光纤布拉格光栅传感器是一种新型的光纤传感器，它利用的是布拉格波长对温度、应变敏感的原理.及传统的电学传感器相比,它还具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、复用性强等优点。正因为这些独特的优点，光纤布拉格光栅越来越多的被应用到大型结构、电力、安防、石化、医学、矿井、军事等领域，其中，最引人瞩目的是光纤光栅温度传感器在长距离测温系统中的应用。随着中国物联网发展战略的实施，光纤传感领域的研究和产业化面临着巨大的机遇和挑战。 本文综述了光纤光栅温度传感器的传感原理,光纤光栅传感器封装技术分类，分为保护性封装，敏化封装，以及补偿性封装，列举了三个封装技术的实例，对他们的封装结构,封装中的技术工艺,以及封装后的一些参数进行了介绍。
目录 1、绪论 (44) 1.1 光纤光栅传感器封装技术概述 (44) 2、光纤光栅传感原理 (55) 2.1光纤光栅传感器的结构和原理 (55) 2.2光纤光栅传感技术的类型简介 (66) 3.光纤光栅传感器封装技术分类 (77) 3.1保护性封装 (77) 3.2 敏化封装 (88) 3.3补偿性封装 (88) 4.封装技术实例 (99) 4.1光纤光栅温度传感器抗应变串扰封装 (99) 4.2Polyimide（聚酰亚胺）光纤光栅温度传感器的封装 (1212) 4.3镀铜光纤光栅的全金属封装 (1313) 参考文献 (1616)
1、绪论 1.1 光纤光栅传感器封装技术概述 光纤光栅是普通光纤经过特殊的光学工艺处理后，使纤芯折射率沿轴向，呈现周期性规律分布的物理结构，其实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)光滤波器或反射镜。通过人为改变光纤光栅结构的分布，我们可以主动控制光在光纤中的传播行为，光纤光栅结构的多样化可以使其光谱响应特显得非常丰富.同时，光纤光栅具有结构简单、器件微型化、带宽范围广、耦合性好、附加损耗小、可及其他光纤器件融成一体等特点,除此之外光纤本身具有轻质、电绝缘、柔韧、抗电磁干扰、径细、化学稳定等优点，使得光纤光栅在光纤传感、全光通信、光信息处理等领域具有巨大的应用前景。 光纤光栅传感器是以布拉格条件为基础，以光纤光栅为载体,发展起来的一种本征波长调制型传感器。光纤光栅传感器是利用透射或反射谱波长峰值的变化，进而实现对物理量的测量.透射（反射）谱波长及光栅纤芯的有效折射率及折射率调制周期密切相关。当外界应变及温度发生变化时,光纤光栅的纤芯折射率及折射率调制周期就随之变化，然后影响光纤光栅的透射（反射)谱峰值波长的移动，通过测量Bragg峰值波长的移动量，实现对外界物理量变化的测量,上述即是光纤光栅传感器的基本工作原理。光纤光栅传感器可以实现对应变、温度、压力、电流、振动等基本物理量测量。 利用光纤光栅进行传感，需要适当的封装技术，增加其敏感度，以利于检测解调。在某些情况下，我们不希望温度仁或应变、压力）对布拉格波长产生影响,就要对光栅进行减敏封装，降低它对温度仁或应变、压力）的灵敏度.这两种技术统称敏化技术。目前，一些敏化技术已经在实际中得到应用，但还有相当一部分停留在实验室阶段。 利用光纤光栅进行传感面临的又一难题是温度、应变交叉敏感问题。温度和应变都能引起布拉格波长的漂移，从单一的波长漂移量，我们无法区分其中哪些是温度变化引起的，哪些是应变引起的。这给我们出了很大的难题。要实现光纤光栅传感器的实用化，就必须采用各种封装技术,或者剔除温度的影响，或者实现温度、应变双参数及多参数的同时测量。 光纤光栅传感技术适合应用在很多恶劣的环境中,但由于光纤纤细柔软，容易被损坏，因此需要采用一些封装方法,保护光栅. 在实用中对光纤光栅进行恰当的封装非常必要,封装工艺的好坏直接影响到光纤光栅传感器能否从实验室走向实用,对光纤光栅封装技术进行研究,设计更好的封装结构和工艺尤为重要.
光纤振动传感器的研究
第三章光纤振动传感器的研究 随着光纤和光电子器件技术研究的不断深入，光纤传感技术得到了突飞猛进的发展。由于光纤传感器的体积小、质量轻、精度高、响应快、动态范围宽、响应快等优点，并且它具有良好的抗电磁干扰、耐腐蚀性和不导电性，所以在很多领域都应用广泛。光纤传感器发展到现在，已经可以探测很多的物理量，给人们的生活带来了极大的益处。其中探测的物理量有电压、电流、加速度、流速、压力、温度、位移、生物医学量及化学量等等。光纤振动传感器就是这些中的一员。光纤振动传感器的出现已有30来年的历史，它是测量振动信号的。最初的光纤振动传感器是采用干涉式的结构[2]，利用振动产生的光纤应变导致干涉仪信号臂的相位发生变化，但这种传感器结构比较复杂，不利于复用。 由于振动在自然界、人们生活中及各个重大工程中普遍存在，所以研究人们对振动的测量十分关注。本章将对几种常用的光纤振动传感器的结构设计、信号解调方法所存在问题，进行分析与讨论，继而可以更好的设计新的振动传感器，为设计做好准备工作。 3.1几种典型的光纤振动传感器的设计 查阅了众多文献资料，归纳了几种典型的光纤振动传感器的结构原理，主要有光强调制型、相位调制型、光纤布拉格光栅波长调制型、偏振态调制型等几种形式。 3.1.1相位调制型光纤振动传感器的原理及结构 利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量的传感器，称为相位调制传感型光纤传感器。由于位相调制传感器具有非常高的灵敏度，它是所有光纤传感器中最为人所知的。一般地说，这种传感器运用一个相干激光光源和两个单模光纤。光线被分束后入射到光纤。如果干扰影响两根相关光纤的其中一根、就会引起位相差，这个位相差可精确地检测出。位相差可用干涉仪测量。有四种干涉仪结构。它们包括：马赫—泽德尔、迈克尔逊、法布里—帕罗和赛格纳克干涉仪，其中马赫—泽德尔和赛格纳克干涉仪分别在水听器和陀螺上应用非常广泛。 下面是基于光纤Sagnac干涉原理。A和B是干涉仪的两个传感臂，起到传输光的作用。C是一段被绕成圆环状的光纤，是用来接收或感应外接信息的变化，2 2光纤3dB耦合器被用来分解和合成干涉光束。注入的光经过耦合器被分为两束，一束光由A到C再到B，最后传回到耦合器中；另一束由B到C再到A，最后传回到耦合器中，两束光相遇产生干涉。
最新光纤传感器的应用研究
光纤传感器的应用研 究
光纤传感器的应用研究 孙义才 2011301510103 电科三班 摘要：光纤传感技术是一门新的科学技术，也是信息社会的一个重要技术基础，在当代高科技中占有十分重要的位置。该技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术和密集型前沿技术。本课题主要了解光纤导光的基本原理及其在传感技术上应用的物理基础，重点研究光纤传感器敏感的物理量、光纤传感器的基本类型及其相关应用。 关键词：传感器；光纤通信；禁带宽度；光纤传感温度计；光纤传感压强计。 1.序言 光纤传感技术是二十世纪七十年代左右随着光纤通信技术的萌芽而迅速建立起来的，通过以光波这一载体并光纤这一媒质，起到具有感知与信号传输的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 现阶段，光纤传感领域在世界中的发展大致分为两大方面：应用开发与相关原理性研究。 2.1光纤传感器的结构原理 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。 可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。
光纤光栅传感器及其发展趋势详解
【摘要】光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术。自1978年加拿大渥太华研究中心利用光纤的光敏效应成功制成第一根光纤光栅以来，光纤光栅传感器便因为体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等特点及其具有本征自相干能力强和能在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势而被广泛应用于各行各业。本文先对光纤光栅传感器的工作原理及其分类进行论述，接着简述光纤光栅传感器的一些重要应用，然后对光纤光栅传感器的研究方向进行简单分析，最后是小结和展望。 【关键词】传感器；光纤光栅传感器；光纤光栅传感技术 一、光纤光栅传感器的工作原理及其分类 光纤光栅是利用光致折射率改变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅传感器目前研究的主要有三种类型：一是利用光纤布喇格光栅（FBG ）背向反射特征制作的传感器；二是利用长周期光纤光栅（LPG ）同向透射特征制作的传感器；三是利用啁啾光纤光栅色散补偿特征制作的传感器。下面将对这三种传感器的传感机理进行简单概述。 1.1 光纤布喇格光栅传感原理 光纤布喇格光栅纤芯轴向的折射率呈现周期性变化，其作用的实质相当于是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。如图1-1所示，当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布喇格条件的波长将产生反射，其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输。 图1-1 光纤布喇格光栅原理图 光纤布喇格光栅反射谱的中心波长B λ满足 Λ=eff n 2B λ 其中，eff n 为有效折射率，Λ为光纤光栅栅距。 光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界条件诸如温度、压力等的作用下，光
光纤光栅的封装
光纤光栅传感器的封装设计 一、高温光纤光栅温度传感器的封装设计 1.实用化高温光纤光栅温度传感器的设计要求 a.高温光纤光栅的自身要求 高温光纤光栅在高温环境下进行长期工作时，要求其反射率不会发生大幅度的衰减。 b.应用环境的要求 传感器的结构设计要能够便于实际的工程安装，尽量避免安装环境的差异导致传感器特性的改变，如外界应力作用于传感器导致光纤光栅的波长漂移、反射率下降等负面影响。同时要确保正常的现场施工不会对传感器和连接的光缆造成严重破坏，要能够保证信号的正常采集与传输。 c.使用寿命的要求 传感器的寿命与传感器的应用环境直接相关，高温环境将大幅度地缩减传感器的寿命。因此，在确保传感元件自身寿命的前提上，要尽量减小因封装技术给传感器寿命带来的负面影响。封装高温光纤光栅传感器的各种材料都要能够承受高温环境的长期考验，尤其需重视胶水的高温稳定性。 2.实用化高温光纤光栅温度传感器的设计思路 高温光纤光栅温度传感器的封装工作主要分为：材料的选择、封装结构的设计、相关的封装工艺。 a.材料的选择 在选择封装材料时，要确保他们在高温环境下的稳定性。 1）胶水的选择 Fireplace Sealant ST-1260 是一种单组份中性结构胶，具有防火阻燃、抗位移、高强度等优良特性。对玻璃、金属、陶瓷等有良好的粘附力，其邵氏硬度为60A，拉伸强度为8 MPa，良好的抗UV 性，防火阻燃等级达UL94-V0 级，温度工作范围从-40°C 到1260°C。因此，Fireplace Sealant ST-1260 胶可以用于光纤光栅尾纤的固定以及传感器的密封。 托马斯耐高温胶（THO4098）是一种单组份粘稠高温胶水，低温加热固化型，固化后表面平整、光洁、无气泡，可用于光纤光栅两侧尾纤的固定。其温度工作范围为-66~460°C，粘接强度高，韧性好、抗冲击等。适应范围广，耐高温、压
光纤温度传感器简介
光纤温度传感器 摘要：本文分析了光纤温度传感器在温度探测中的优势，分别介绍了分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器的工作原理，最后综述了光纤温度感器在现代工业及生活的应用。 关键字：光纤传感温度应用 1引言 在科研和生产中，有很多温度测量问题，传统的温度传感器有热电偶，热电阻温度传感器，热敏电阻温度传感器，半导体温度传感器等等。光纤温度传感器是20世纪70年代发展起来的一种新型传感器。与传统的温度传感器相比，它具有灵敏度高，体积小，质量轻，易弯曲，不产生电磁干扰，不受电磁干扰，抗腐蚀性好等等优点，特别适用于易燃，易爆，空间狭窄和具有腐蚀性强的气体，液体以及射线污染等苛刻环境下的温度检测。 2光纤温度传感器分类 光纤温度传感器按照调制机理可分为相位调制，振幅调制，偏振态调制；按工作原理分，光纤温度传感器可分为功能性和传输型两种。功能型温度传感器中光纤作为传感器的同时也是光信号的载体，而传输型温度传感器中光纤则只传输光信号。传光型与传感型相比，虽然灵敏度稍差，但可靠性高，实用的传感器大多是这种类型。 目前主要的光纤温度传感器包括分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等。 2.1光纤光栅温度传感器 光纤光栅温度传感器是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅来进行测温的。光纤光栅以波长为编码，具有传统传感器不可比拟的优势，近年来光纤光栅成为发展最为迅速，最具代表性的光纤无源器件之一，已广泛用于建筑、航天、石油化工、电力行业等。 光纤光栅温度传感器主要有Bragg光纤光栅温度传感器和长周期光纤光栅传感器。Bragg光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术而形成的全新光纤型Bragg光栅，成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg 光栅效应，其基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器，满足如下光学方程： =2nA 式中：为Bragg波长，A为光栅周期，n为光纤模式的有效折射率。 长周期光纤光栅是一种特殊的光纤光栅，其传光原理是将前向传输的基模耦合到前向传输的包层模中。由于其宽带滤波、极低的背景发射等特点引起人们的重视，是一种新型的宽带带阻滤波器。 光纤温度监测系统主要由光纤光栅传感器、传输信号用的光纤和光纤光栅解调器组成。光纤光栅解调器用于对光纤光栅传感器的信号检测和数据处理，以获得测量结果，传输光纤用于传输光信号，光纤光栅传感器则主要用于反射随温度变化中心波长的窄带光，如图1所示：
光纤传感实验报告
光纤传感实验报告 1、基础理论 1.1 光纤光栅温度传感器原理 1.1.1 光纤光栅温度传感原理 光纤光栅的反射或者透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，而外 界温度的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或 透射峰波长的变化，这是光纤光栅温度传感器的基本工作原理。 光纤 Bragg 光栅传感是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射Bragg 波长光谱的检测,实现被测结构的应变和温度的绝对测量。由耦合模理论可知,光纤光栅的Bragg 中心波长为 式中Λ为光栅的周期 ;neff 为纤芯的有效折射率。外界温度对 Bragg 波长的影响是由热膨胀效 应和热光效应引起的。由公式 (1)可知 ,Bragg 波长是随和而改变的。当光栅所处的外界环境 发生变化时 ,可能导致光纤光栅本身的温度发生变化。由于光纤材料的热光效应,光栅的折射率会发生变化 ;由于热胀冷缩效应 ,光栅的周期也会发生变化 ,从而引起和的变化 ,最终导致 Bragg 光栅波长的漂移。 只考虑温度对Bragg 波长的影响 ,在忽略波导效应的条件下,光纤光栅的温度灵敏度为 式中 F 为折射率温度系数;α为光纤的线性热膨胀系数;p11 和 p12 为光弹常数。 由式 (2) 可知光纤光栅受到应变作用或当周围温度改变时，会使n eff 和发生变化，从而引起 Bragg 波长的移动。通过测量Bragg 波长的移动量，即可实现对外部温度或应变量的测量。 1.1.2 光纤光栅温度传感器的封装 为满足实际应用的要求,在设计光纤光栅温度传感器的封装方法时,要考虑以下因素:(1)封装后的传感器要具备良好的重复性和线性度;(2)必须给光纤光栅提供足够的保护,确保封装结构要有足够的强度 ;(3)封装结构必须具备良好的稳定性 ,以满足长期使用的要求。为了能够有效起到增敏作用一般采用合金、钢、铜、铝等热膨胀系数大的材料对光纤光栅进行封装。 1.1. 2.1 蝶形片封装