光纤传感器设计课件

光纤传感器OpticalFiberSensor

1光纤传感器1目录光纤传感背景光纤传感原理光纤传感应用2目录光纤传感背景2传感器分类3传感器分类3传感器比较4分类内容光纤传感器电类传感器调制参量振幅：吸收、反射等相位、偏振态…..电阻、电容、电感等敏感材料温-光敏、力-光敏、磁-光敏…

温-电敏、力-电敏、磁-电敏…

传输信号光电传输介质光纤、光缆电线、电缆光纤传感器是与电类传感器并行互补的一类新型传感器。传感器比较4分类光纤传感器电类传感器调制参量振幅：吸收、反5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、频率等），因外界因素（如温度、压力、应力、磁场、电场…等）的作用而直接或间接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。优点高灵敏度、高精度、高速度质轻、体小、外形可变环境适应性强；耐腐蚀、无电火花、安全可靠对被测介质影响小被测对象广泛便于复用，便于成网基本原理5光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量（振幅、相位、6温度Temperature压力Pressure应力Strain位移Displacement加速度Acceleration流量Flowrate振动Vibration化学成分Chemicalconcentrations电/磁场ElectricalandMagneticFields转速Rotationrate可测量的物理量6温度Temperature可测量的物理量7强度调制型光纤传感器

IntensityModulationOFS相位调制型光纤传感器

PhaseModulationOFS偏振调制型光纤传感器

PolarizationModulationOFS波长调制型光纤传感器

WavelengthModulationOFS光纤传感器（OFS）分类7强度调制型光纤传感器光纤传感器（OFS）分类8是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。强度调制型传感器8是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等9当一恒定光源的光波IIN注入调制区，在外力场强Is的作用下，输出光波的强度被Is所调制，载有外力场信息的出射光IOUT的包络线与Is形状相同，光（强度）探测器的输出电流ID(或电压)也反映出了作用力场。同理，可以利用其他各种对光强的调制方式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、辐射等来调制入射光，从而形成相应的调制器。9当一恒定光源的光波IIN注入调制区，在外力场强Is的作用10滤模器激光器光探测器信号处理变形器光纤微弯传感器10滤模器激光器光探测器信号处理变形器光纤微弯传感器11

当光线射入微弯曲段的界面上时，入射角将小于临界角。这时一部分光在纤芯和包层的界面上反射；另一部分光则透射进入包层，从而导致光能的损耗。11当光线射入微弯曲段的界面上时，入射角将小于临界角12光纤横向施以微小力使光纤发生微小弯曲，则光纤中传输的波导模式间发生耦合而使能量交换简单地说，当光纤受到弯曲后，有少量的芯模能量会转换成包层模能量而损失掉，通过测量包层模或芯模能量的变化获得外界待测物理量的变化。光纤微弯曲传感器的一个突出优点是光功率维持在光纤内部，这样就可以免除周围环境污染的影响，适宜在恶劣环境中使用。另外，它还有灵敏度较高、结构简单、动态范围宽（超过110dB）、线性度较好、性能稳定等优点。12光纤横向施以微小力使光纤发生微小弯曲，则光纤中传输的波导13功能型调制（光纤既传输又传感）

相位调制型传感器相位变化的检测需要转换为强度的变化----干涉法！13功能型调制（光纤既传输又传感）相位调制14功能型调制

光波通过长度为l的光纤，相位延迟为为光波在光纤中的传播常数可以写成Δa是光纤直径变化，通常较小，可以忽略14功能型调制

光波通过长度为l的光纤，相位延迟为为光15迈克尔逊光纤干涉仪光纤干涉仪（1）LD探测臂参考臂PD信号处理光纤反射端面固定可移动耦合器15迈克尔逊光纤干涉仪光纤干涉仪（1）LD探测臂参考臂P16马赫－增德尔（M－Z）光纤干涉仪光纤干涉仪（2）LD探测臂参考臂干涉条纹耦合器耦合器16马赫－增德尔（M－Z）光纤干涉仪光纤干涉仪（2）LD探测17萨格奈克效应相位调制CW经历的光程为CCW经历的光程为两者的光程差为又可以写成环包围的面积17萨格奈克效应相位调制CW经历的光程为CCW经历的光程为两18萨格奈克效应相位调制对应的相位差0----真空中的波长C0----真空中的光速18萨格奈克效应相位调制对应的相位差0----真空中的波长19偏振调制型光纤传感器

偏振调制型光纤传感器是最复杂同时也是最精巧的传感器.使用法拉第效应（FaradayEffect）通过极化测量磁场极化不是由弯曲、拉伸和扭转引起的法拉第磁光效应：

1845年，法拉第在实验中发现，当一束线偏振光通过非旋光性介质时，如果在介质中沿光传播方向加一外磁场，则光通过介质后，光振动（指电矢量）的振动面转过一个角度θ，这种磁场使介质产生旋光性的现象称为法拉第效应或者磁致旋光效应。19偏振调制型光纤传感器

偏振调制型光纤传感器是最复杂同时也20偏振调制调制型光纤传感器中最典型的例子是高压传输线用光纤电流传感器，其基本原理是前述介绍的法拉第效应（磁光效应）

光纤电流传感器原理示意图光纤电流传感器

20偏振调制调制型光纤传感器中最典型的例子是高压传输线用光纤21当平面偏振光在强度为H的磁场作用下，线偏振光在物质中通过的距离L时电矢量E旋转角为θ。如果这个磁场是由长直载流导线产生的，根据安培环路定律：光纤电流传感器

式中：I—载流导线中的电流强度；r—导线外任一观测点到导线的垂直距离。由此可见，只要根据磁光效应，利用光纤传感器测量出导线外任一点r的磁场强度H，即可得到导线中的电流I。21当平面偏振光在强度为H的磁场作用下，线偏振光在物质中通过22为了利用光纤测量导线中的电流，可以将单模光纤绕在载流导线上，形成一个半径为r的螺线管，光纤螺线管的光纤长度为L。在强度为H的磁场作用下，通过光纤的线偏振光的振动面将会产生的偏转，只要检测出这个偏转角即可知道导线中电流I的大小。

光纤电流传感器

测量范围：50A—2400A

测量准确度：好于0.3%(偏振光磁旋)常数：0.0155minute/A测量相角误差：<6’(0—2400A)

工作电压测试：760.8KV.(一分钟)工作温度：－10－60度典型指标:22为了利用光纤测量导线中的电流，可以将单模光纤绕在载流导线23偏振调制型光纤传感器23偏振调制型光纤传感器分布式光纤传感24分布式光纤传感24准分布式光纤传感原理将呈一定空间分布的相同类型的光纤传感器耦合到一根或多根光纤总线上，通过寻址、解调，检测出被测量的大小及空间分布，光纤总线仅起传光作用。寻址方式时分复用（TDM-TimeDivisionMultiplex)波分复用（WDM-WavelengthDivisionMultiplex)偏分复用（PDM-PolarizationDivisionMultiplex)空分复用（SDM-SpaceDivisionMultiplex)频分复用（FDM-FrequencyDivisionMultiplex)25准分布式光纤传感原理将呈一定空间分布的相同类型的光纤传感器耦时分复用（TDM）光纤对光波的延迟效应来寻址脉宽小于光纤总线上相邻传感器的传输时间光纤总线输入端注入，各传感器距光脉冲发射端距离不同。接收到每个脉冲对应一个传感器，延时对应地址光脉冲变化量反映该点被测量的大小26时分复用（TDM）光纤对光波的延迟效应来寻址26时分复用示意图27时分复用示意图27光时域反射（OTDR）技术OpticalTimeDomainReflectometry28光时域反射（OTDR）技术OpticalTimeDoma散射型光纤传感器利用背向瑞利散射——OTDR利用布里渊散射——B-OTDR利用拉曼散射——R-OTDR29散射型光纤传感器利用背向瑞利散射——OTDR29光纤中的背向散射光分析布里渊散射和拉曼散射在散射前后有频移，是非弹性散射斯托克斯光反斯托克斯光3030光纤中的背向散射光分析布里渊散射和拉曼散射在散射前后有频移，光学声子31光学声子31利用OTDR技术测量光纤沿线背向反射光功率的结果32利用OTDR技术测量光纤沿线背向反射光功率的结果32基于瑞利散射的传感系统后向散射入射光脉冲光源检测器33基于瑞利散射的传感系统后向散射入射光脉冲光源检测器33基于拉曼散射的分布式光纤传感技术斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比和温度关系：Anti-stokes光强会随温度变化。Stokes光强与温度无关其中a为与温度相关的系数优点：两个光强之比，与光源强度无关，因此抗光纤老化和损耗，可保证测温精度。34基于拉曼散射的分布式光纤传感技术斯托克斯光与反斯托克斯光的强传感器系统测温区域Raman散射光两个滤波器光纤中自发拉曼散射的反斯托克斯光与温度紧密相关。常温下(T=300K)其温敏系数为8‰/℃。采用反斯托克斯与斯托克斯比值的分布式光纤温度测量，其结果消除了光源波动、光纤弯曲等因素的影响，只与沿光纤的温度场有关，因此可长时间保证测温精度。35传感器系统测温区域Raman散射光两个滤波器光纤中自发拉曼基于布里渊散射的分布式光纤传感技术BOTDR系统从一端输入泵浦脉冲，在同一端检测返回信号的中心波长和功率。使用方便，但自发布里渊散射信号很微弱，检测困难。在BOTDA中，处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光（泵浦光）与一连续光（探测光）注入传感光纤。利用受激布里渊散射效应，散射光强度更强3636基于布里渊散射的分布式光纤传感技术BOTDR系统从一端输入泵BOTDR——定位原理对一定频谱范围连续不断的进行循环扫描，获得各个时间段上的光谱，并将时间与位置相对应，即可获得沿光纤各位置处的布里渊频谱图，并获得异常的布里渊频移量和散射光功率。3737BOTDR——定位原理对一定频谱范围连续不断的进行循环扫描，几种散射式传感技术的比较应用场合优点缺点OTDR断点、损伤检测连续显示衰减情况有盲区BOTDR应力、温度测量精度和分辨率高要求极窄线宽、可调线宽激光器；交叉干扰；功率低BOTDA应力、温度测量精度和分辨率高，大动态范围系统复杂；两端测量；不能检测断点；交叉干扰ROTDR温度较高测温精度返回的信号弱，大功率光源3838几种散射式传感技术的比较应用场合优点缺点OTDR断点、损伤检波分复用（WDM）通过光纤总线上各传感器的调制信号的特征波长来寻址。宽带光束注入光纤，各个传感器的特征波长不同，通过滤波系统求出被测信号的大小和位置39波分复用（WDM）通过光纤总线上各传感器的调制信号的特征波长波分复用示意图40波分复用示意图404141FBG传感器在隧道

锚杆支护结构监测的应用研究42FBG传感器在隧道

锚杆支护结构监测的应用研究42频分复用和空分复用将多个光源调制在不同的频率上，经过各分立的传感器后汇集在光纤总线上，每个传感器的信息包含在总线信号中的对应频率上。空分复用是将各个传感器的接受光纤的终端按空间位置编码，通过扫描机构控制选通光开光选址。43频分复用和空分复用将多个光源调制在不同的频率上，经过各分立的分布式光纤传感技术的应用4444分布式光纤传感技术的应用4444分布式光纤传感技术的应用——周界防护光缆传感监控系统工程施工实例根据防范的不同场合和要求，光纤可以构成各种形状，环置于需要防范的周界处的适当位置，当入侵者侵入时，系统都会发出告警信号4545分布式光纤传感技术的应用——周界防护光缆传感监控系统工程施工分布式光纤传感技术的应用——管道泄露监测4646分布式光纤传感技术的应用——管道泄露监测4646各种分布式光纤传感技术的应用传感原理传感监测量应用领域B-OTDR应力，温度管道泄露监测，结构健康监测等R-OTDR温度油气油井里温度分布监测、管道泄露监测等M-Z微振动周界防护等Sagnac较有规律的微振动气体管道泄露监测、周界防护等4747各种分布式光纤传感技术的应用传感原理传感监测量应用领域B-O48

光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性调制的一种光纤无源器件，它是利用掺杂（如锗、磷等）光纤的光敏性，通过某种工艺方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂离子相互作用导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性的永久变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤折射率变化部分Λ输入谱传输谱反射谱应变引起波长移动III光纤光栅传感48光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性49宽带光源S1S2S3Sn波长测量系统用户接口一根光纤上可以同时复用多个光纤光栅传感器光纤光栅传感49宽带光源S1S2S3Sn波长测量系统用户接口一根光纤上可50长期工作寿命估计

工作寿命估计经验模型光栅随时间—温度变化光栅退火后寿命延长纤芯内锗扩散—>损耗增大（速度极慢）在环境温度850C时退火光栅和未退火布喇格光栅反射率变化的比较3M质量保证10年50长期工作寿命估计工作寿命估计经验模51光纤光栅型分布式传感系统应用WDM解调器的分布式FBG传感系统宽带光源WDM探测器1探测器213，41，2WDMWDM234探测器3探测器4传感器1传感器2传感器3传感器4折射率匹配液FBG1FBG2折射率匹配液FBG3FBG412341,2,3,451光纤光栅型分布式传感系统应用WDM解调器的分布式FBG传52光纤光栅传感器埋入式应变传感器埋入式温度传感器表面式应变传感器表面式温度传感器52光纤光栅传感器埋入式应变传感器埋入式温度传感器表面式应变53光纤光栅地震检波器技术：成熟的光纤器件光纤光栅传感阻尼系统

可实现的指标：

(1)有效频率范围：10－300Hz(2)主频范围：60－90Hz(3)动态范围：90－110dB(4)阻尼系数：0.7－1.0

(5)工作温度范围:-40－+800C(6)使用寿命:跌落次数大于3000次

(1米高度跌落)53光纤光栅地震检波器技术：可实现的指标：54左图是无振动时的背景噪声，右图出示了当人从传感器周围跑过时的效果图，充分说明了该传感器的性能。光纤光栅地震检波器54左图是无振动时的背景噪声，右图出示了当人从传感器周围跑过55光纤光栅传感器的优势光纤光栅传感器输出的是绝对量，无零飘；体积小，易于安装；抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、可靠性高，可以用于各种潮湿、强电磁干扰的恶劣环境中；感应与传输传感信号的载体为光波，本质安全；在一根光纤中可以串联多个光纤光栅，形成准分布式传感系统；寿命长，适于长期监测；信号传输损失极小，可实现远距离的监测。55光纤光栅传感器的优势光纤光栅传感器输出的是绝对量，无零飘56光纤光栅传感器的应用领域桥梁、大坝、隧道、特殊建筑物的结构健康监测高速公路、铁路、地铁的应力应变分析船体结构与飞行器的结构健康监测电厂、电力线、隧道和石化企业的火灾监控山体滑坡、松动与地震的监测海上石油平台和提升装置的监测井下温度与压力的测量输油管道、天然气管道等泄露、流量与健康状况的监测油罐，蓄水池的温度、液位监测56光纤光栅传感器的应用领域桥梁、大坝、隧道、特殊建筑物的结57光纤周界安全警戒网可埋入地下，也可与传统铁丝网结合使用，具有事件的智能判断和定位功能，适用于：边防线警戒，军营及重要库区的安全警戒57光纤周界安全警戒网可埋入地下，也可与传统铁丝网结合使用，58光纤周界安全警戒网性能指标：高灵敏度的警戒网，工作距离500米～50公里，报警响应：响应时间<4s，长距离工作时定位精度：100m误报率：对固定介质方式≤2次/季度、地埋方式≤2次/年防范距离：50KM报警输出接口：RS485、RS232、USB2.0、继电器干触电可区分紧急警报与非紧急警报、可通过网络、GPRS、手机短信发送报警信息。58光纤周界安全警戒网性能指标：嵌入式传感将传感头以特定的方式与被测材料/结构相结合植入粘接应用需求航空、航天领域的应用智能型士兵智能型降落伞大型建筑物－桥梁、大坝的监测59嵌入式传感将传感头以特定的方式与被测材料/结构相结合59适宜用作嵌入式的传感器类型对嵌入式传感器的要求－对被测材料的性能无影响。机械性能：体积、材质、理化稳定性、与材料的结合能力等传感功能：测量精度、信号处理网络功能：分布式传感、通信、组网等适合的类型：光纤传感器－强度型、相位调制型、FBGs60适宜用作嵌入式的传感器类型对嵌入式传感器的要求－对被测材料的嵌入式光纤传感器制造技术

－光纤与多种材料的结合嵌入铝锭材料的高温蓝宝石光纤嵌入陶瓷材料的光纤61嵌入式光纤传感器制造技术

－光纤与多种材料的结合嵌入铝锭嵌入式光纤传感器制造技术

－光纤与多种材料的结合(续)编织在复合材料中的多模光纤(carbon/resin-epoxy)62嵌入式光纤传感器制造技术

－光纤与多种材料的结合(续)编

需求1、军事应用智能士兵63需求1、军事应用智能士兵63主要问题实现光纤与纺织材料/纤维的自动编织自动编织对光纤的选择性要求被嵌入材料特性对光纤传输特性的理论与实验研究嵌入式传感器

－光纤与复合材料结合技术研究（续）64主要问题嵌入式传感器

－光纤与复合材料结合技术研究（续）646565knittingweaving光纤与复合材料结合技术研究（续）

－自动编织技术66knittingweaving光纤与复合材料结合技术研究（续与PhiladelphiaUniversity合作研究项目

–

对自动织布机的技术改造光纤与复合材料结合技术研究（续）

－自动编织技术67与PhiladelphiaUniversity合作研究光纤与复合材料结合技术研究（续）

－自动编织技术68光纤与复合材料结合技术研究（续）

－自动编织技术68光纤与复合材料结合技术研究（续）

－自动编织技术69光纤与复合材料结合技术研究（续）

－自动编织技术69需求2、航空航天采用了FBG传感器阵列的自适应机翼DaimlerChryslerAG装有FBG气体温度传感器阵列的太空船模型CL-7570需求2、航空航天采用了FBG传感器阵列的自适应机翼装有FBG太空飞船X-38的再入式实验飞行器（NASA图片）传感器布测区域a.分布式温度传感方案b.分布式应力传感方案输出信号沿光纤传输光的背向散射分量光纤温度传感元平面温度场分布输入信号埋入光纤应力传感元输入信号输出信号光纤监测网损伤探测71光纤蒙皮需求2、航空航天（续）71太空飞船X-38的再入式实验飞行器传感器布测区域a.分布式温72Theend!72Theend!光纤传感器OpticalFiberSensor

73光纤传感器1目录光纤传感背景光纤传感原理光纤传感应用74目录光纤传感背景2传感器分类75传感器分类3传感器比较76分类内容光纤传感器电类传感器调制参量振幅：吸收、反射等相位、偏振态…..电阻、电容、电感等敏感材料温-光敏、力-光敏、磁-光敏…

温-电敏、力-电敏、磁-电敏…

传输信号光电传输介质光纤、光缆电线、电缆光纤传感器是与电类传感器并行互补的一类新型传感器。传感器比较4分类光纤传感器电类传感器调制参量振幅：吸收、反77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、频率等），因外界因素（如温度、压力、应力、磁场、电场…等）的作用而直接或间接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。优点高灵敏度、高精度、高速度质轻、体小、外形可变环境适应性强；耐腐蚀、无电火花、安全可靠对被测介质影响小被测对象广泛便于复用，便于成网基本原理5光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量（振幅、相位、78温度Temperature压力Pressure应力Strain位移Displacement加速度Acceleration流量Flowrate振动Vibration化学成分Chemicalconcentrations电/磁场ElectricalandMagneticFields转速Rotationrate可测量的物理量6温度Temperature可测量的物理量79强度调制型光纤传感器

IntensityModulationOFS相位调制型光纤传感器

PhaseModulationOFS偏振调制型光纤传感器

PolarizationModulationOFS波长调制型光纤传感器

WavelengthModulationOFS光纤传感器（OFS）分类7强度调制型光纤传感器光纤传感器（OFS）分类80是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。强度调制型传感器8是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等81当一恒定光源的光波IIN注入调制区，在外力场强Is的作用下，输出光波的强度被Is所调制，载有外力场信息的出射光IOUT的包络线与Is形状相同，光（强度）探测器的输出电流ID(或电压)也反映出了作用力场。同理，可以利用其他各种对光强的调制方式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、辐射等来调制入射光，从而形成相应的调制器。9当一恒定光源的光波IIN注入调制区，在外力场强Is的作用82滤模器激光器光探测器信号处理变形器光纤微弯传感器10滤模器激光器光探测器信号处理变形器光纤微弯传感器83

当光线射入微弯曲段的界面上时，入射角将小于临界角。这时一部分光在纤芯和包层的界面上反射；另一部分光则透射进入包层，从而导致光能的损耗。11当光线射入微弯曲段的界面上时，入射角将小于临界角84光纤横向施以微小力使光纤发生微小弯曲，则光纤中传输的波导模式间发生耦合而使能量交换简单地说，当光纤受到弯曲后，有少量的芯模能量会转换成包层模能量而损失掉，通过测量包层模或芯模能量的变化获得外界待测物理量的变化。光纤微弯曲传感器的一个突出优点是光功率维持在光纤内部，这样就可以免除周围环境污染的影响，适宜在恶劣环境中使用。另外，它还有灵敏度较高、结构简单、动态范围宽（超过110dB）、线性度较好、性能稳定等优点。12光纤横向施以微小力使光纤发生微小弯曲，则光纤中传输的波导85功能型调制（光纤既传输又传感）

相位调制型传感器相位变化的检测需要转换为强度的变化----干涉法！13功能型调制（光纤既传输又传感）相位调制86功能型调制

光波通过长度为l的光纤，相位延迟为为光波在光纤中的传播常数可以写成Δa是光纤直径变化，通常较小，可以忽略14功能型调制

光波通过长度为l的光纤，相位延迟为为光87迈克尔逊光纤干涉仪光纤干涉仪（1）LD探测臂参考臂PD信号处理光纤反射端面固定可移动耦合器15迈克尔逊光纤干涉仪光纤干涉仪（1）LD探测臂参考臂P88马赫－增德尔（M－Z）光纤干涉仪光纤干涉仪（2）LD探测臂参考臂干涉条纹耦合器耦合器16马赫－增德尔（M－Z）光纤干涉仪光纤干涉仪（2）LD探测89萨格奈克效应相位调制CW经历的光程为CCW经历的光程为两者的光程差为又可以写成环包围的面积17萨格奈克效应相位调制CW经历的光程为CCW经历的光程为两90萨格奈克效应相位调制对应的相位差0----真空中的波长C0----真空中的光速18萨格奈克效应相位调制对应的相位差0----真空中的波长91偏振调制型光纤传感器

偏振调制型光纤传感器是最复杂同时也是最精巧的传感器.使用法拉第效应（FaradayEffect）通过极化测量磁场极化不是由弯曲、拉伸和扭转引起的法拉第磁光效应：

1845年，法拉第在实验中发现，当一束线偏振光通过非旋光性介质时，如果在介质中沿光传播方向加一外磁场，则光通过介质后，光振动（指电矢量）的振动面转过一个角度θ，这种磁场使介质产生旋光性的现象称为法拉第效应或者磁致旋光效应。19偏振调制型光纤传感器

偏振调制型光纤传感器是最复杂同时也92偏振调制调制型光纤传感器中最典型的例子是高压传输线用光纤电流传感器，其基本原理是前述介绍的法拉第效应（磁光效应）

光纤电流传感器原理示意图光纤电流传感器

20偏振调制调制型光纤传感器中最典型的例子是高压传输线用光纤93当平面偏振光在强度为H的磁场作用下，线偏振光在物质中通过的距离L时电矢量E旋转角为θ。如果这个磁场是由长直载流导线产生的，根据安培环路定律：光纤电流传感器

式中：I—载流导线中的电流强度；r—导线外任一观测点到导线的垂直距离。由此可见，只要根据磁光效应，利用光纤传感器测量出导线外任一点r的磁场强度H，即可得到导线中的电流I。21当平面偏振光在强度为H的磁场作用下，线偏振光在物质中通过94为了利用光纤测量导线中的电流，可以将单模光纤绕在载流导线上，形成一个半径为r的螺线管，光纤螺线管的光纤长度为L。在强度为H的磁场作用下，通过光纤的线偏振光的振动面将会产生的偏转，只要检测出这个偏转角即可知道导线中电流I的大小。

光纤电流传感器

测量范围：50A—2400A

测量准确度：好于0.3%(偏振光磁旋)常数：0.0155minute/A测量相角误差：<6’(0—2400A)

工作电压测试：760.8KV.(一分钟)工作温度：－10－60度典型指标:22为了利用光纤测量导线中的电流，可以将单模光纤绕在载流导线95偏振调制型光纤传感器23偏振调制型光纤传感器分布式光纤传感96分布式光纤传感24准分布式光纤传感原理将呈一定空间分布的相同类型的光纤传感器耦合到一根或多根光纤总线上，通过寻址、解调，检测出被测量的大小及空间分布，光纤总线仅起传光作用。寻址方式时分复用（TDM-TimeDivisionMultiplex)波分复用（WDM-WavelengthDivisionMultiplex)偏分复用（PDM-PolarizationDivisionMultiplex)空分复用（SDM-SpaceDivisionMultiplex)频分复用（FDM-FrequencyDivisionMultiplex)97准分布式光纤传感原理将呈一定空间分布的相同类型的光纤传感器耦时分复用（TDM）光纤对光波的延迟效应来寻址脉宽小于光纤总线上相邻传感器的传输时间光纤总线输入端注入，各传感器距光脉冲发射端距离不同。接收到每个脉冲对应一个传感器，延时对应地址光脉冲变化量反映该点被测量的大小98时分复用（TDM）光纤对光波的延迟效应来寻址26时分复用示意图99时分复用示意图27光时域反射（OTDR）技术OpticalTimeDomainReflectometry100光时域反射（OTDR）技术OpticalTimeDoma散射型光纤传感器利用背向瑞利散射——OTDR利用布里渊散射——B-OTDR利用拉曼散射——R-OTDR101散射型光纤传感器利用背向瑞利散射——OTDR29光纤中的背向散射光分析布里渊散射和拉曼散射在散射前后有频移，是非弹性散射斯托克斯光反斯托克斯光102102光纤中的背向散射光分析布里渊散射和拉曼散射在散射前后有频移，光学声子103光学声子31利用OTDR技术测量光纤沿线背向反射光功率的结果104利用OTDR技术测量光纤沿线背向反射光功率的结果32基于瑞利散射的传感系统后向散射入射光脉冲光源检测器105基于瑞利散射的传感系统后向散射入射光脉冲光源检测器33基于拉曼散射的分布式光纤传感技术斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比和温度关系：Anti-stokes光强会随温度变化。Stokes光强与温度无关其中a为与温度相关的系数优点：两个光强之比，与光源强度无关，因此抗光纤老化和损耗，可保证测温精度。106基于拉曼散射的分布式光纤传感技术斯托克斯光与反斯托克斯光的强传感器系统测温区域Raman散射光两个滤波器光纤中自发拉曼散射的反斯托克斯光与温度紧密相关。常温下(T=300K)其温敏系数为8‰/℃。采用反斯托克斯与斯托克斯比值的分布式光纤温度测量，其结果消除了光源波动、光纤弯曲等因素的影响，只与沿光纤的温度场有关，因此可长时间保证测温精度。107传感器系统测温区域Raman散射光两个滤波器光纤中自发拉曼基于布里渊散射的分布式光纤传感技术BOTDR系统从一端输入泵浦脉冲，在同一端检测返回信号的中心波长和功率。使用方便，但自发布里渊散射信号很微弱，检测困难。在BOTDA中，处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光（泵浦光）与一连续光（探测光）注入传感光纤。利用受激布里渊散射效应，散射光强度更强108108基于布里渊散射的分布式光纤传感技术BOTDR系统从一端输入泵BOTDR——定位原理对一定频谱范围连续不断的进行循环扫描，获得各个时间段上的光谱，并将时间与位置相对应，即可获得沿光纤各位置处的布里渊频谱图，并获得异常的布里渊频移量和散射光功率。109109BOTDR——定位原理对一定频谱范围连续不断的进行循环扫描，几种散射式传感技术的比较应用场合优点缺点OTDR断点、损伤检测连续显示衰减情况有盲区BOTDR应力、温度测量精度和分辨率高要求极窄线宽、可调线宽激光器；交叉干扰；功率低BOTDA应力、温度测量精度和分辨率高，大动态范围系统复杂；两端测量；不能检测断点；交叉干扰ROTDR温度较高测温精度返回的信号弱，大功率光源110110几种散射式传感技术的比较应用场合优点缺点OTDR断点、损伤检波分复用（WDM）通过光纤总线上各传感器的调制信号的特征波长来寻址。宽带光束注入光纤，各个传感器的特征波长不同，通过滤波系统求出被测信号的大小和位置111波分复用（WDM）通过光纤总线上各传感器的调制信号的特征波长波分复用示意图112波分复用示意图4011341FBG传感器在隧道

锚杆支护结构监测的应用研究114FBG传感器在隧道

锚杆支护结构监测的应用研究42频分复用和空分复用将多个光源调制在不同的频率上，经过各分立的传感器后汇集在光纤总线上，每个传感器的信息包含在总线信号中的对应频率上。空分复用是将各个传感器的接受光纤的终端按空间位置编码，通过扫描机构控制选通光开光选址。115频分复用和空分复用将多个光源调制在不同的频率上，经过各分立的分布式光纤传感技术的应用116116分布式光纤传感技术的应用4444分布式光纤传感技术的应用——周界防护光缆传感监控系统工程施工实例根据防范的不同场合和要求，光纤可以构成各种形状，环置于需要防范的周界处的适当位置，当入侵者侵入时，系统都会发出告警信号117117分布式光纤传感技术的应用——周界防护光缆传感监控系统工程施工分布式光纤传感技术的应用——管道泄露监测118118分布式光纤传感技术的应用——管道泄露监测4646各种分布式光纤传感技术的应用传感原理传感监测量应用领域B-OTDR应力，温度管道泄露监测，结构健康监测等R-OTDR温度油气油井里温度分布监测、管道泄露监测等M-Z微振动周界防护等Sagnac较有规律的微振动气体管道泄露监测、周界防护等119119各种分布式光纤传感技术的应用传感原理传感监测量应用领域B-O120

光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性调制的一种光纤无源器件，它是利用掺杂（如锗、磷等）光纤的光敏性，通过某种工艺方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂离子相互作用导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性的永久变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤折射率变化部分Λ输入谱传输谱反射谱应变引起波长移动III光纤光栅传感48光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性121宽带光源S1S2S3Sn波长测量系统用户接口一根光纤上可以同时复用多个光纤光栅传感器光纤光栅传感49宽带光源S1S2S3Sn波长测量系统用户接口一根光纤上可122长期工作寿命估计

工作寿命估计经验模型光栅随时间—温度变化光栅退火后寿命延长纤芯内锗扩散—>损耗增大（速度极慢）在环境温度850C时退火光栅和未退火布喇格光栅反射率变化的比较3M质量保证10年50长期工作寿命估计工作寿命估计经验模123光纤光栅型分布式传感系统应用WDM解调器的分布式FBG传感系统宽带光源WDM探测器1探测器213，41，2WDMWDM234探测器3探测器4传感器1传感器2传感器3传感器4折射率匹配液FBG1FBG2折射率匹配液FBG3FBG412341,2,3,451光纤光栅型分布式传感系统应用WDM解调器的分布式FBG传124光纤光栅传感器埋入式应变传感器埋入式温度传感器表面式应变传感器表面式温度传感器52光纤光栅传感器埋入式应变传感器埋入式温度传感器表面式应变125光纤光栅地震检波器技术：成熟的光纤器件光纤光栅传感阻尼系统

可实现的指标：

(1)有效频率范围：10－300Hz(2)主频范围：60－90Hz(3)动态范围：90－110dB(4)阻尼系数：0.7－1.0

(5)工作温度范围:-40－+800C(6)使用寿命:跌落次数大于3000次

(1米高度跌落)53光纤光栅地震检波器技术：可实现的指标：126左图是无振动时的背景噪声，右图出示了当人从传感器周围跑过时的效果图，充分说明了该传感器的性能。光纤光栅地震检波器54左图是无振动时的背景噪声，右图出示了当人从传感器周围跑过127光纤光栅传感器的优势光纤光栅传感器输出的是绝对量，无零飘；体积小，易于安装；抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、可靠性高，可以用于各种潮湿、强电磁干扰的恶劣环境中；感应与传输传感信号的载体为光波，本质安全；在一根光纤中可以串联多个光纤光栅，形成准分布式传感系统；寿命长，适于长期监测；信号传输损失极小，可实现远距离的监测。55光纤光栅传感器的优势光纤光栅传感器输出的是绝对量，无零飘128光纤光栅传感器的应用领域桥梁、大坝、隧道