光纤传感技术3功能型

各各

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（既传又感

。这种结构易于被带电粒子或高能射线激发到高振动态然后迅速(～几个ns)退激而发光。虽然在发光衰减前(～10-12s)由于和相邻分子的碰撞损失过剩的振动能使得发射光谱向长波方向位移，但在绝大多数闪烁体中发射光谱与吸收(激发)光谱 收。因此在实际应用中,要在闪烁物质(x)中加入杂质(y,z),它们一般也是闪烁物质,但与x相比具有较低的激发态。加入杂质后,x发出的荧光光子γx会被第一种杂质y吸收,释放出具有更大波长的光子γy;γy还会发生和γx相同的过程，把荧光变到波长更大的范围。最终被探 以塑料闪烁光纤为例,芯层材料主要是PS(聚苯乙烯)或PVT(聚乙烯 加荧光闪烁物质，折射率n1约1.60,涂层折射率n2约1.49，由于荧光发射的各向异性，在芯层中产生的闪烁光只有很小一部分[～(1-n2/n1)<10%]播，传输效率很低，需要有光电倍增管等光放大装置探测。有些闪烁光纤，除了上述两层外,最外面还有一层不透明吸收光的物质,主要用以吸收离开光纤的荧光，因8000光子每MeV能量。由于光纤构成的探测器具有空间分辨率好,时间分辨小,对磁场不灵敏,机械可塑性强等优点,因此在高能物理中有着广泛的应用。 谱仪是正负电子对撞机组是由高能物理和国内17所大学和研究机构及、、韩国和英国的物理学家和组成的。 (CERN)建设的目LHC(LargeHadronCollider)。它的 长基线中微子振荡实验，利用KEK12GeV质子同 西欧中心中微子发送到意大利Gran利用2000吨重的乳胶寻迹设备开展中微子振荡实验项目（OscillationProjectwithEmulsionTrackingApparatus，简称OPERA）西欧中心将高能中微子束流送到730公里以 GranSasso ，那里组装OPERA探测器。该实验有包括西欧中心、 19791979年G.J.Mullor提出利用衰减全内反射 量的原 一般认为，当发生全反射时，不存在在全反射发生时，光疏介质中波的表达式可写为（推导过程略 光光疏界面上全反射时，光疏介质中沿界面法线的平均能流密度，即没有能量向光疏介质的 ；但光疏介质中沿表面的平均能流密度零，即有能量沿光疏介质的表面层 ，其振幅随进入光疏介质的深度而作减。数个波长的表面层。破坏此条件破坏此条件——

19021902Wood19581958年Turbader首先对金属薄膜采用光的全反射激励的方法观察SPR1968年德国物理学者Otto

现象既衰减全反射(ATR)，给出SPR激发条件并设计了以棱镜为基体的Otto 1993膜，获得更为的SPR光谱膜 smon表面等离子体波现象是一种发生在金属与电介质界面上的物理光电磁波的激励下，表面等离子体发生现象。它对附着在金属表面电介质的折射率变化非常敏感。表面等离子体波技术在物理学和薄膜科学 smon smonsmonWave，SPW）。SPW实际上是约束在金属和介质表面上的一种电磁波，它沿着金 smon垂直于方向的平面内可以分解为垂直于入射面的和平行于入射面的两个分量。相应地TM波)。由于S偏振光的电场与界面平行，因此电子的运动并无

smon smon

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外界扰动（应力应变、振动、温度变化等 光的：满足一定条件的两列相干光波相遇叠加，在叠加区域某些点的光振动始终加强，某些点的光振动始终减弱，即在区域内振动强度有稳定的空间获得稳定的必要条件是：（1）两束光的频率相同；（2）两束光的振动定的相位差，从而不能形成的关系。这个长度就是相干长度。反映的是光谱的 大大降 装置的复杂程 M-M-和F-、等““白光 灵敏度高（波长量级灵敏度高（波长量级易受外界环境干扰（如易受外界环境干扰（如温度变化 型型型测振动（速度型测振动（速度 区别于经 ：参考面和测量面均变 36 光路3光路3光路4被信号S(t)调 被信号S(t+τ)调曲线（强度-时间积分＝位 微分＝加速 光纤法珀仪是在光纤中出两个反射面形成一在两个端面分别反射形成多光束，也称为法珀。 腔体为传感光纤，光在腔体内的传输损耗很小本征型（内腔本征型（内腔非本征型（外腔非本征型（外腔

间。然后轴所指示的方向。 条 原理在1975年就提出来，并于1976年首次用于光纤通信领域

SOFO（法语Surveillanced’OuvragesparFibresOptiques的字母意为光纤结构监测）光纤监测系统由传感器、数仪、数据分析软件和附属设备（换箱、连接盒、光缆和连接器等）组成。读数仪是便携电脑 数据用作进一步分析。SOFO量系基于相干 测原理其传器长标距（Long-gauge光纤变形传感器，典型传感器长度范围为从250mm到10m。 ＝＝2a L L

L<L1<L2< X<X12<X23<X34<

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场的方向决定，与光线的方向无关。 为导线上绕的光纤圈数 型

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多普勒于1842较高(蓝移(blueshift))移(redshift))速度。波在波λ，波速为c，观察者移动速度为v：（c）/λ，如果观察者远离波源，则（v-c）/λ。

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法 光敏性折射率随光强的发生相应变化的特性。在纤芯内形成的空间相窄带的滤波镜或反射镜通信、光纤传感等领域有着广阔的应用前景。Ge掺。 的Melt等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入1993年，Hill等人又提出了相位模板侧向写入技术，使光纤光栅真正 有关;稳定受限,此法目前基本不与分波阵面法目前使潜力有接触式和非接 1、0、1级三个方向的衍射光1、- 振幅掩模

对简单,成栅周

无法制作出一阶反射波主要用于位于1550nm附近的光制作长周纤布喇格光栅,对光学系期光纤光统的要求很高。栅。 1550nm附近的光纤布法 硅玻璃光纤光栅塑料光纤光栅 I型：由连续UV光或者能量较弱的UV光脉冲光敏光纤形II型：一般由高能量的UV光脉冲在高掺杂锗光纤中写入，折射率变化较大，约为10-3数量级。优点是只需单个脉冲就IIA型（III型）：性介于I型和II型之间。

波长光谱的检测,实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量。当光栅周温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时,将导致光栅周期或纤芯折的变化,从而产生光栅反射光信号的波长位移,通过监测物理量变化前后光栅波长位移的情况,即可获知待测物理量的变化情况。 ~0.64pm/~6.8pm/~1pm/~10pm/~1.2pm/~13pm/

输通道所构成的分布式的网络系统，典型代表为布光纤光栅（FBG）。

统的传感器相比,光纤光栅传感器具有自己独特的优点:(1)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,光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高;(3)非传导性,对测介质小,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)柔合,实现分布式传感;(5)量信是波长码的,所以,光纤栅传感不受有较强的 能力;(6)高灵敏度、高分辩力。 的光纤光栅传感器可以检测的物理量有:温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓 长周期光纤光栅（longperiodfibergrating，LPFG）是在光纤布 FBG传感器是通过外界参量对Bragg中心波长BraggBragg波长λ处出现峰值。光栅受到外部物理场的作用时,其栅距ΛBragg光栅不同的是,对LPFG而言其生 的心波长取于纤芯包层的折射率差和光栅周期Λ,外界条件包括环境温度、对光纤施加的应力、环境率、光栅弯曲等的改变都会引起纤芯和包层折射率的变化以及光栅周期Λ的可以看到,LPFG心波长仅与纤芯参数有关,而,与包层折射率有使得LPFG用于多数传感器。

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法 ，量方法，它是基于光纤工程中广泛应用的光时域反(OTDR)进 于一身，光纤上任意一段既是敏感单又是其它敏感单元的信传输通纤 光时域反射技术 (Bragg)衍射条件) Scattered ScatteredT,T,T, 发生弹性碰撞所引起的,散射光的频率与入射光的频率相同。喇曼效应的传感技术。光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰撞,喇曼散射,长大于入射光为 光,小于入射光为反斯托光。 光与反 光的强度比和温有很大关系。利用 效应,发 ,料特性主要受温度和应变, Optical Ramanoptical Brillouinoptical Brillouinoptical )

光光强Ias Is之比和温度T常数,c为真空中的光速,v 平移，k为玻尔兹曼常数,T

由于ROTDR直接测量的是 处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光一连续光入传感光纤,当泵浦光与探测光的频差与光纤中某区域的频移相等时,在该区域就会产生放大(受激)效应,两光束相互之间发生能量转移。由于频移与温度、应变存性关系,因此,对两激光器的频率进行连续调节的同时,通过检

增益型;当脉冲光的频率低脉冲光转移,这种传感方式称为布

OTDR在光通信中主要有以下五个方面的应用:1)光纤断点、光纤接头松动等故障的查找;2)测量光纤长度;3)测量光纤总损耗、平均损耗;4)测量连接器、连接点的损耗;5)测量连接器的回波损耗。基于OTDR和其类似原理的光纤传感器目前主要用于应变和温度测、建筑物健康监测、通信类光纤光缆的质量监测和等；将传感器做成嵌入式系统放入建筑物、桥梁、大