光检测技术2015-2016秋星期三第二节

2015-2016(秋)星第二节三教3111光检测技术光检测技术第一部分第二部分第三部分光电探测器光检测方法典型光电信息系统2015-2016(秋)星第二节三教3111第三部分典型光电信息系统光检测技术第九章

光纤传感系统第十章

光通信系统第十一章

光度、色度及其测量光检测的要素：光、媒介和环境有时，媒介即环境有时，媒介沉浸在环境中实现光检测的基本过程：光与媒介相互作用以及环境对媒介的影响规律光-媒介-环境的相互作用再辅以必要的检测方法和检测系统42015-2016(秋)星第二节三教3111第九章

光纤传感系统§

9-1

光纤的基本特性§

9-2

光纤传感系统§

9-3

光纤传感网光检测技术光纤的种类：单模光纤：标准单模、零色散、色散位移、大模场、保偏多模光纤：普通多模、少模、OAM等微结构光纤：布拉格光纤、光子晶体等……玻璃光纤、塑料光纤……传能光纤……67光纤的温度灵敏度S–

定义：光通过单位长度的单模光纤，温度变化10C

产生的相位延迟变化对熔石英光纤，热膨胀系数：折射率随温度的变化:光纤长度为

L=1m

，温度变化

10C

时，相位延迟：106raddL

5107

/

CLdT

dn

1105

/

CdTS

dL

d

T

Ld

T

ndTS

2

n

(

d

L

dn

)

632.8nm熔石英折射率

n=1.46，波长11.468105

)=2.3+31.5=33.8S

2

1.46

(5107

0.6328106光纤的拉应变特性：

ΔL–

折射率变化：–

熔石英：光纤的轴向伸长，折射率减小相位变化n

n3

(

p

(

p

p

))

L12

12

112

L弹光系数

泊松比n

1.46,

p11

0.12,

p12

0.27,

0.16n

0.22

L

n

L

2

n

L

(1

0.22)

0.78

2

nL

–

弹性模量：70GPa：

光纤发生1%形变9光纤的弯曲特性G.652

单模光纤：最小弯曲半径30mmG.657

单模光纤：最小弯曲半径：7.5mm/5mm..102015-2016(秋)星第二节三教3111第九章

光纤传感系统光检测技术§

9-1

光纤的基本特性§

9-2

光纤传感系统§

9-3

光纤传感网12光纤光纤传感原理及系统强度调制型相位调制型波长调制型偏振态调制型分布式传感器及传感网…13光纤传感的基本原理：光在光纤中传输时，光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（温度、压力、磁场、电场、位移、转动等）的作用间接或直接的发生改变利用光纤作为敏感元件（不仅仅是传输媒质）光纤传感器分类：传感型（测量、传输）、传光型（只是传输）按照特征参量/按照待测物理量14抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全灵敏度高重量轻、体积小、外形可变测量对象广泛对被测介质影响小便于复用、便于成网成本低15光纤光纤传感原理及系统强度调制型相位调制型波长调制型偏振态调制型分布式传感器及传感网…光参量变化：强度（振幅）改变振幅的方法：反射法透过法模式功率分布折射率强度调制光吸收法物理量光参量变化光学系统提取物理量光检测1617反射法透过法模式功率分布折射率强度调制利用反射光强与位移关系X方向位移变型转角垂直方向18透过法位移测量：如图19利用光纤的弯曲损耗20改变光纤周围的折射率油气水三相流持气率测井仪气相、液相检测链路?–

光纤折射率1.472122光纤光纤传感原理及系统强度调制型相位调制型波长调制型偏振态调制型分布式传感器及传感网…相位变化-多采用

结构灵敏度高灵活多样对象广泛常用的 结构:MZI

、Sagnac逊光纤FP白光解调方式：零差、外差23利用光纤的温度灵敏特性:如何提高稳定性?如何提高灵敏度?11.46105

)=2.3+31.5=33.8S

2

1.46

(5107

0.632810624光源为宽谱光源测量位移测量温度测量光纤折射率？25OLCR最早形成于70年代，利用低相干光 原理测量反射光的幅度和相对相位，从而获取传输介质的 信息相干长度：26顺、逆向光程差相移N圈相移?光纤陀螺的精度：10e-6

deg/hLcw

2R

Rcw

ccwtcwLccw

2RRccw

cccwtccw时延n

2tv

2tc

8Acc

2

4

Ac

2ccw

cccwt

tcw

tccw

2R

2R

ccw

cccw

2R2R27光纤FP光纤FP：温度传感器：电压传感器2829光纤光纤传感原理及系统强度调制型相位调制型波长调制型:FBG偏振态调制型分布式传感器及传感网…参量改变波长-光纤布拉格光栅（FBG）Typical

strain

response

~1

pm/Typical

temperature

response

~10

pm/oC30光纤光栅在光通信、光传感有广泛应用。–

基本特性：均匀光纤Bragg光栅具有严格均匀的周期性折射率调制，它的Bragg中心波长为B

2gneff–

其中

g

为光栅的周期，neff是光纤中

模式有效折射率。2.内容1）光纤光栅的紫外光写入技术（参见《光纤光栅制作》）2）光纤光栅的应变传感器3132光源：宽谱光源、扫频光源、单频光源检测：光谱仪、光电二极管检测方法：宽谱光源+光谱仪：直接探测FBG反射/透射光谱扫频光源+光电二极管：改变光源波长、探测FBG光谱单频光源+光电二极管：检测功率，但是有波长移动方向问题调制单频光源+光电二极管……当材料在外力作用下发生形变时，分子间因相互作用力发生改变而产生相对位移并导致介质密度变化。介质中存在弹性形变时，介质的折射率将发生变化，这就是弹光效应。光纤光栅的应力微调是拉伸和弹光效应共同作用的结果由 可知，考虑简单拉伸情况，其应力状态为B

2

gneff

。

n

n

拉伸形变看相位检测

L

L33

n

?34应力微调结果为:

n

n

0.22

0.78

波长的相对微调量是应变0.78

倍。对于加拉力的情况：Ep 0

.

78

再由2T

bP

(b为光纤的半径)则拉力:0

.

7835*

E

b

2T

对标准通讯光纤，当＝1552

nm

，调谐量当＝1552

nm

，调谐量E

7.3

*

10

10

p

,

b

62

.5

m

,a＝1nm

时，

T

0.739

N,

合75

.38

克＝5nm

时，T

3.695

N

,合377.04

克36压力拉力温度折射率……侧边抛磨光纤光栅出现反射谱中的双峰现象在实验中观察到，只在侧边抛磨光纤光栅的抛磨区的左半部分或右半部分覆盖折射率液时，会在侧边抛磨光纤光栅的反射谱中出现双反射峰。将光栅区长度为10mm的光纤光栅在右半部分大约5mm的长度内的一侧包层抛磨掉57um，得到如图示的侧边抛磨光纤光栅。部分侧边抛磨光纤光栅光栅区出现双反射峰现象图3-4部分光栅区浸入折射率液前后布拉格反射峰的变化overlaid

liquid

1.42981583.5401583.4601584.4701584.450overlaid

liquid

1.43381583.5401584.2101583.5101584.210overlaid

liquid

1.44181583.5401583.9401583.5301583.9701583.5401583.9501583.5401583.970overlaid

liquid

1.4459四种不同液体分别覆盖传感器侧边抛磨区前后布拉格反射谱传感器实验装置图两个布拉格反射峰随轴向应力变化的演变F＝0gF＝20gF＝40gF＝70g0.30.50.70.91.11.31.51.71.92.32.10200

400

600

800

1000

1200Microstrain/μεΔλ/

nm线性(n=1.4479)线性(n=1.4459)线性(n=1.4439)线性(n=1.4418)线性(n=1.4398)线性(n=1.4378)线性(n=1.4358)线性(n=1.4338)线性(n=1.4318)线性(n=1.4298)线性(n=1.4198)线性(n=1.4079)2.32.11.91.71.51.31.10.90.70.50.31.405

1.41

1.415

1.42

1.425

1.43

1.435

1.44

1.445

1.45R

e

f

r

active

indexΔλ/nm折射率变化对两个布拉格反射峰差值的影响轴向应变对覆盖不同折射率液时反射峰差值的影响在温度为恒定室温条件下，两个布拉格反射峰的差值在测量误差范围内几乎不随轴向应变的变化而变化，而仅随折射率的变化而变化，这表明此光纤折射率传感器测量折射率时对外界应力变化不敏感，这提高了折射率测量的可靠性和精度。将1.4439、1.4418、1.4398三种Cargille聚合物液分别覆盖传感器一段抛磨区，改变环境温度，得到三种聚合物液的双反射峰波长或波长差随温度变化的关系曲线。1520253540451583.41583.61583.81584.01584.21584.41584.61584.8wavelength

/

nm30temperature1.4398

left

peak1.4398

rigth

peak1.4418

left

peak1.4418

rigth

peak1.4439

left

peak1.4439

rigth

peak1520253540450.40.50.60