光纤机械量传感器重点课件

第六章光纤机械量传感器第六章光纤机械量传感器1光纤机械量传感器可分为传光型(非功能型)和传感型(功能型)两类。其调制方式可以是光强调制、相位调制、偏振调制以及频率调制等。

传光型强度调制光纤传感器使用的调制技术分外调制和内调制。外调制技术由外加敏感元件控制光源传输到探测器的光量。外加敏感元件可以是透射式的．拆射率式的和反射式的。光纤机械量传感器可分为传光型(非功能型)和传感型(功能型)2

透射式敏感元件对传输光的影响，实际上是一种对被测物理量的模拟及开关测量。透射式敏感元件对传输光的影响，实际上是一种对被测物理量的模3

反射式光纤敏感元件通常是由入射光传输光纤和反射光收集光纤制成一光纤束。反射式光纤敏感元件通常是由入射光传输光纤和反射光收集光纤制4

强度调制光纤传感器的内调制技术是指无需外加敏感元件，而靠改变光纤自身的传输特性来实现传输光强度调制。其中最典型的是利用微弯效应实现光强调制。当光纤存在微弯曲时，光纤芯中的传导模就会逸出到包层成为包层模，从而使传输光能量衰减。如果光纤的微弯曲是由外施力或压力产生的，接收光强变化就与生成光纤形变的物理量有关。强度调制光纤传感器的内调制技术是指无需外加敏感元件，而靠改56.2光纤位移传感器光纤位移传感器可分为外调制式和内调制式两类。

6.2.1外调制式位移传感器

透射式位移传感器，采用两根同样芯径的光纤，并将两根光纤的端面靠近装配到一起。光从一根光纤输出，通过两根光纤间微小空隙，进入另一根光纤。6.2光纤位移传感器光纤位移传感器可分为外调制式和6光纤机械量传感器重点课件7光纤机械量传感器重点课件86.2.2内调制式位移传感器

利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式光纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移，从而使光纤发生微弯变形，改变模式锅台，纤芯中的光部分透人包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的强度也不同、从而实现了光强度的调制。由于光强与位移之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤位移传感器.6.2.2内调制式位移传感器利用微弯效应制作的位移传9理论和实验都已证明，使光纤沿轴向产生周期性微弯时，传播常数为和的模之间就会产生光功率的耦合。波纹板周期的长度Λ与传播常数间满足下式：理论和实验都已证明，使光纤沿轴向产生周期性微弯时，传播常数为10He—Ne激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤的一端。此光纤没有被复层，数值孔径等于0.22.在变形器前5cm长的光纤上除上黑色涂料，以便消除包层模中的光。He—Ne激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤的一端。此光11变形器由两块有机玻璃波纹板组成，每块波纹板共有5个波纹，每个波纹的长度为3M。变形器的一块波纹板可通过千分表用手动调节的方法使它相对另一块产生位移。另一块板可用压电式变换器产生动态位移。变形器由两块有机玻璃波纹板组成，每块波纹板共有5个波纹，每个12用体积为1cm3的灌满甘油的检测器检测包层模中的光信号。该检测器的6个内表面安装着6个太阳能电池。检测器的直流输出用数字式毫伏表读数、而交流输出用锁相放大器检测．并由记录仪记录放大器的输出。用体积为1cm3的灌满甘油的检测器检测包层模中的光信号。该检13传感器的技术指标:1．灵敏度2．线性度3．噪声4．信噪比传感器的技术指标:146.2.3相位干涉式位移传感器

Mach-Zehnder光纤干涉仪是应用较为广泛的一种干涉仪。可以用于测量位移，其工作原理如图5—226.2.3相位干涉式位移传感器Mach-Zehnd15

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外施力可以直接产生传感臂光纤长度L和直径d变化以及折射率n变化。为了改善光纤对压力的传感灵敏度，通常在包层外再涂复一层特殊材料。传感臂上涂复材料具有“增敏”特性，而参考光纤涂复材料对传感量具有“去敏”特性。这样可以有效提高检测信噪比。当光纤表面涂复对其它物理量敏感的材料时，例如磁致伸缩材料、铝导电膜和压电材料等，则可以实现对其它物理量，如磁场、电流、电压等的检测。外施力可以直接产生传感臂光纤长度L和直径d变化以及折射率n176.3光纤压力和水声传感器

测量压力和水声，通常可以采用反射式或微弯型光强调制光纤传感器，也可以采用相位调制光纤传感器和偏振调制光纤传感器。6.3光纤压力和水声传感器

测量压力和水声，通常可以采用186.3.1全内反射光纤压力传惑器6.3.1全内反射光纤压力传惑器196.3.2微弯曲光纤水声传感器6.3.2微弯曲光纤水声传感器206.3.3动态压力传感器

这种压力传感器的灵敏度极高，有很大的实用价值．尤其适用于微声压的测量，对测量空间尺寸受限场合应用更是优越。它的工作带宽从直流可到20MHz.6.3.3动态压力传感器这种压力传感器的灵敏度极高，216.3.4偏振调制光纤压力和水声传感器6.3.4偏振调制光纤压力和水声传感器226.4光纤应变传感器采用脉冲传输时间法可以测量自由空间光路的长度。这种方法通过测量光信号到达靶体又反射回来所占用的时间来确定光经过的距离。用光纤做测量光路，传输时间法可适用于任意弯曲光路及其变化的测量。6.4光纤应变传感器采用脉冲传输时间法可以测量自由空间23系统的振荡周期为式中L是光纤长度；Ng=c/Vg是光纤群速度折射率；τel是放大器、鉴别器和导线产生的电延迟时间，系统的振荡周期为式中L是光纤长度；Ng=c/Vg是光纤群速度24如果忽略材料色散，即Ng＝N，由弹性光学理论可以求得式中Pij是平均应变光弹系数；γ是材料的泊松比。如果忽略材料色散，即Ng＝N，由弹性光学理论可以求得式中Pi256.5光纤表面粗糙度传感器

用光纤测量表面粗糙度，主要是利用它对光信导的传输特性。6.5光纤表面粗糙度传感器用光纤测量表面粗糙度，主要是26光纤机械量传感器重点课件27光纤机械量传感器重点课件28光纤机械量传感器重点课件296.6光纤加速度传感器

加速度有各种形式．如直线加速度，曲线加速度及振动加速度等。光纤加速度传感器最适合测量微小振动加速度。6.6光纤加速度传感器加速度有各种形式．如直线加速度，306.6.1振动加速度传感器原理当低频振动时，Δx与惯性力成比例．即与物体的振动加速度成比例。当振动频率提高到振动子的固有振动频率时，产生共振。这时距离x与加速度不存在比例关系。如果振动频率再进一步提高．重物就停止振动，呈现相对静止状态。只有位移。6.6.1振动加速度传感器原理当低频振动时，Δx与惯性力316.6.2相位调制光纤加速度传感器6.6.2相位调制光纤加速度传感器32让加速度计的外壳以加速度a垂直向上运动，那么在加速该物体所需的作用力F的作用下，上面的一段光纤伸长ΔL，下面的光纤则缩短ΔL。这一过程可表示为式中A是光纤的横截面积。ΔT是每根光纤中拉应力变化的幅度；系数2是由于存在两根伸长和缩短光纤。E是光纤的杨氏模量。让加速度计的外壳以加速度a垂直向上运动，那么在加速该物体所需33光束通过光程L的相移可用下式表示光束通过光程L的相移可用下式表示34光纤机械量传感器重点课件35光纤机械量传感器重点课件366.7光纤振动传感器

光纤振动传感器常用于现场监测，测量的频率范围为20~200Hz，测量的振幅为数微米到百分之几微米，6.7光纤振动传感器光纤振动传感器常用于现场监测，测量376.7.1相位调制光纤振动传感器6.7.1相位调制光纤振动传感器38光纤机械量传感器重点课件39*光纤光栅传感器光纤光栅传感器(FBG)是利用Bragg波长对温度、应力的敏感特性而制成的一种新型的光纤传感器。

*光纤光栅传感器光纤光栅传感器(FBG)是利用Bragg40光纤光栅工作原理λ1λ2…λn芯层包层Λ包层折射率n2芯层折射率n1感光折射率nλ1λ2…λn光纤光栅工作原理λ1λ2…λn芯层包层Λ包层折射率n241芯层包层+1级-1级紫外掩模写入法相位掩模板芯层包层+1级-1级紫外掩模写入法相位掩模板421、光纤布喇格光栅原理光纤布喇格光栅的原理是由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式祸合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性，图5.1表示了其折射率分布模型。整个光纤曝光区域的折射率分布可表示为：1、光纤布喇格光栅原理43式中F(r,φ,z）为光致折射率变化函数，具有如下特性：式中a1为光纤纤芯半径；a2为光纤包层半径，相应的n1为纤芯初始折射率；n2为包层折射率；△n(r,φ,z）为光致折射率变化；△nmax为折射率最大变化量。因为制作光纤光栅时需要去掉包层，所以这里的n3一般指空气折射率。之所以式中出现r和φ坐标项，是为了描述折射率分布在横截面上的精细结构。式中F(r,φ,z）为光致折射率变化函数，具有如下特性：式44为了给出F(r,φ,z）的一般形式，必须对引起这种折射率变化的光波场进行详尽分析。目前采用的各类写入方法中，紫外光波在光纤芯区沿径向的光场能量分布大致可分为如下几类：均匀正弦型、非均匀正弦型、均匀方波型和非均匀方波型。从目前的实际应用来看，非均匀性主要包括光栅周期及折射率调制沿Z轴的渐变性、折射率调制在横截面上的非均匀分布等，它们分别可以采用对光栅传播常数kg修正——与Z相关的渐变函数φ(z)，以及采用△n(r）代表折射率调制来描述。为了给出F(r,φ,z）的一般形式，必须对引起这种折射率变化45为了更全面地描述光致折射率的变化函数，可以直接采用傅里叶级数的形式对折射率周期变化和准周期变化进行分解。基于这些考虑，可以采用下列一般性函数来描述光致折射率变化：式中Fo(r,φ,z）表示由于纤芯对紫外光的吸收作用而造成的光纤横向截面曝光不均匀性，或其他因素造成的光栅轴向折射率调制不均匀性，并有Fo(r,φ,z）max＝l,这些不均匀性将会影响到传输光波的偏振及色散特性；为了更全面地描述光致折射率的变化函数，可以直接采用傅里叶级数46kg＝2π／Λ为光栅的传播常数；Λ为光栅周期；q为非正弦分布（如方波分布）时进行傅里叶展开得到的谐波阶数，它将导致高阶布喇格波长的反向耦合；aq为展开系数；φ(z)为表示周期非均匀性的渐变函数。正因为φ(z)的渐变性，我们可以将它看作一“准周期”函数。kg＝2π／Λ为光栅的传播常数；Λ为光栅周期；q为非正47对包含有φ(z)的非正弦分布也进行了类似于周期函数的傅里叶展开可以得到光栅区的实际折射率分布为

该式即为光纤布喇格光栅的折射率调制函数，它给出了光纤光栅的理论模型，是分析光纤光栅特性的基础。对包含有φ(z)的非正弦分布也进行了类似于周期函数的傅里叶展482、光纤布喇格光栅传感原理

光纤光栅纤芯中的折射率调制周期由下式给出：这里λUV是紫外光源波长，θ是两相干光束之间的夹角。2、光纤布喇格光栅传感原理这里λUV是紫外光源波长，θ是49由于周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响。因此，如果宽带光波在光栅中传播时，入射光能在相应的频率上被反射回来，其余的透射光谱则不受影响，光纤光栅就起到反射镜的作用。这类调谐波长反射现象首先是由威廉•布喇格爵士给出解释的，因而这种光纤光栅被称为布喇格光纤光栅，其反射条件被称为布喇格条件。在Bragg光栅中，反射的中心波长由下式确定：由于周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响。因此，如50

其中neff是光纤芯区有效折射率。Λ是光纤光栅的栅距即周期。只有满足布拉格条件的光波才能被布喇格光栅反射。对上式取微分可得：

从式中可以看出，当外界的应力发生改变时，将会导致光纤光栅的Λ或者neff的改变，因而检测光纤光栅中心反射波长的变化，可以获知外界应力的变化。

51设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为β0和β1，如果满足布喇格相位匹配条件：

其中Λ为光栅周期，则一个波的能量可以耦合到另一个波中去。在反射型滤波器中，我们假设传播常数为β0的光波从左向右传播，如果满足条件：设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为β0和β1，如果满52则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去。设β0=2πneff/λ0，其中λ0为输入光的波长，neff为波导或光纤的有效折射率。也就是说，如果λ0=2neffΛ，光波将发生反射，这个波长λ0就称作布喇格波长。则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反53紫外掩模写入法相位掩模板芯层包层+1级-1级紫外掩模写入法相位掩模板芯层包层+1级-1级54光纤光栅的栅距Λ可通过改变写入光栅的两相干紫外光束的相对角度得到调整，从而可以制作出不同反射波长的Bragg光栅。光纤光栅的栅距Λ可通过改变写入光栅的两相干紫外光束的相对角度55光纤光栅应变传感器的基本原理是：当光栅周围的应力或者应变发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率发生变化，从而产生光栅Bragg信号的波长位移△λ，通过监测Bragg波长位移情况，即可获得栅周围的应力或者应变变化情况。由外界应力引起光纤光栅轴向应变和折射率变化造成光栅布拉格反射波长移动，由下式给出：这里λB是光栅布拉格反射波长，△λB为在外界应力作用下光栅布拉格反射波长移动量，ε是光纤轴向应变，可表示为：光纤光栅应变传感器的基本原理是：当光栅周围的56在实际应用中，ε是个很小的量，为此引入应变量的10-6，με作为光纤光栅度量单位。在实际应用中，ε是个很小的量，为此引入应变量的10-6，μ57FBG所具有的多传感器复用能力，使它在准分布测量、多参数组合测量等方面显现了非常诱人的前景，因而在复合材料固化监控、大型土建结构内部应变分布及大型电力设备内部温度分布状态监控等方面具有广泛的应用前景。

FBG所具有的多传感器复用能力，使它在准分布测量、多参数组合58光连接器调制解调器显示仪表计算机使用现场控制室内传输光缆连接光缆FBG探头光纤光栅监测报警系统结构示意图光连接器调制解调器显示仪表计算机593、光纤布喇格光栅解调原理光纤布喇格光栅的解调有多种方法，下面介绍匹配光纤光栅解调法。匹配光纤光栅检测信号的基本原理如下图所示，其中左图为传感光栅与解调光栅的配置，右图为两光栅的反射谱及检测到的信号．3、光纤布喇格光栅解调原理60选用一个与传感光纤光栅FBG1参数相近的光纤光栅FBG2（匹配光栅）作为检测光栅，使两个光栅的反射谱部分重叠，即设置合适的偏置．传感光纤光栅的输出信号为检测光纤光栅的输入信号。输出信号、输入信号都隐含在光纤光栅的反射谱和透射谱中。

选用一个与传感光纤光栅FBG1参数相近的光纤光栅FBG61当传感光纤光栅受到应变的微扰时，其输出的反射谱在一定范围内漂移，如左图所示；解调光栅的反射谱是相对固定的，传感光栅的输出反射谱输入给解调光栅时，只有与两光栅的反射谱重叠部分相对应的范围内的光波才可能被反射，而重叠部分的面积与反射谱的光强度成正比．

当传感光纤光栅受到应变的微扰时，其输出的反射谱在一定范围内漂62当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器探测到的光信号较大，反之则较小，即检测器检测到的光强是检测光纤光栅FBG1和匹配光纤光栅FBG2两个光谱函数的卷积。随着FBG1上的微扰，在FBG2的反射谱中可检测到相对应的一定光强度的光信号。当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器探测到的光信号较大，反之63F-P腔波长滤波解调原理法布里—珀罗腔(F-P腔)的光学原理是多光束干涉，在一定波长范围内，若以平行光入射到F-P腔,则只有满足相干条件的某些特定波长产生相干极大，原理如图1所示,由于光的入射产生了多个反射光束1，2，3，..和多个透射光束，，..，其透射光强:

其中δ为相邻两光束相位差

F-P腔波长滤波解调原理其中δ为相邻两光束相位差64当相位差δ=2kπ(k=1,2,3...)时，入射光完全透射，透射光最强。因此解调装置多采用调谐腔长的方法，在透射光强达到最大值时可求出入射波长。

当相位差δ=2kπ(k=1,2,3...)时，65调制解调器工作原理简图调制解调器工作原理简图66光纤光栅分布传感技术是先进传感技术发展的新阶段，它满足了现代结构监测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求。

光纤光栅不仅具有光纤的小巧、柔软、抗干扰能力强、集传感与传输于一体、易于制作和埋入等优点，而且光栅具有波长分离能力强、对环境干扰不敏感、传感精度和灵敏度极高、能绝对数字测量和精确定位的优点。

光纤光栅分布传感技术是先进传感技术发展的新阶段，它满足了现代67特别是它可实现分布传感，即在一根光纤上根据应用要求刻写多个不同布喇格波长的光栅，在光纤一端实现所有光栅信号的检测；同时能进一步集合成分布传感网络系统，可广泛应用于对工程结构的应力、应变、温度等参数以及内部裂缝、变形等参数的实时在线、分布式检测。特别是它可实现分布传感，即在一根光纤上根据应用要求刻写多个不68目前，应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。加拿大卡尔加里附近的BeddingtonTrail大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一（1993年），16个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测，这在以前被认为是不可能的。目前，应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。加拿大691999年夏，在美国新墨西哥LasCruces10号周济高速公路的一座钢结构桥梁上，安装了120个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器最多的记录。这座桥梁于1970年建成，现在已经出现了许多疲劳裂纹。这套光纤光栅传感系统不仅可以对标准车辆进行探测和计数，而且可以测量车辆的速度和重量，有了此系统，就能监视动态荷载引起的结构响应、退化和损坏，了解桥梁对交通响应的长期变化。

1999年夏，在美国新墨西哥LasCruces10号周济高70美国巴特勒县建造的全复合材料桥梁埋入了光纤光栅应变传感器，可有规律的监视桥梁的荷载响应和长期性能。佛蒙特大学用光纤光栅传感器监测沃特伯里佛蒙特钢构架大桥。俄勒冈哥伦比亚河谷的Horsetailfall桥也安装了28个光纤光栅传感器来监视桥梁结构情况。美国巴特勒县建造的全复合材料桥梁埋入了光纤光栅应变传感器，可71德国德累斯顿附近的预应力混凝土桥、比利时跟特环城运河预应力混凝土桥梁、瑞士洛桑附近的Vaux箱形梁高架桥、瑞士温特图尔的Storck桥、加拿大温尼伯湖附近的Taylor桥都使用了光纤光栅传感器进行监测。德国德累斯顿附近的预应力混凝土桥、比利时跟特环城运河预应力混72武汉理工大学光纤中心作为国家唯一的光纤传感技术工业试验基地，依托在国内技术领先的优势和本校在工程结构、光电子学、信息科学、材料科学等领域的多学科优势，以结构工程监测技术为突破口，以工程应用为根本，从九十年代初期在国内率先开展了研究，取得了一系列的研究成果，成功地开发出多种光纤传感监测系统。武汉理工大学光纤中心作为国家唯一的光纤传感技术工业试验基地，731.

深圳市民中心大厦光纤光栅智能健康监测系统；2.

襄樊汉江四桥锚索光纤光栅应力监测系统；3.

宝钢一炼钢厂吊车行架光纤光栅应力分布测量系统；4.

巴东长江大桥双塔光纤光栅和应力施工监测系统长期智能健康监测系统；5.

海口世纪大桥光纤光栅长期健康监测系统；6.

贵阳冷饭盒大桥光纤光栅预应力施工监控系统及长期智能健康系统。光纤机械量传感器重点课件74SYG—E光纤光栅解调实验仪

1概述SYG—E光纤光栅实验仪是用于光纤光栅解调实验的专用仪器。该实验仪外接不同的光栅传感探头就可以进行不同的光栅解调实验，例如当它外接光栅测温探头时可以进行光栅温度实验，外接光栅应力探头时可进行光栅应力实验。SYG—E光纤光栅解调实验仪

1概述75光纤机械量传感器重点课件762工作原理本实验仪的结构框图如下所示，从宽带光源发出的光经祸合器传送到FBG传感器。FBG传感器反射回的光经过耦合器引入到可调谐F—P腔中。通过调节螺旋测距仪，使透过F—P腔的光的波长发生改变。若F—P腔的透射波长与FBG的反射波长重合，则探测器能探测到最大光强，根据此刻的螺旋测距仪的读数，通过查找“刻度一波长对照表”，就可得到被测光栅的中心波长。

2工作原理77

SYG—E光纤光栅实验仪结构框图

SYG—E光纤光栅实验仪结构框图78波长调节部分的核心为一个可调谐的法布里—泊罗腔（F—P腔）。两个光纤的端面和中间的空气可以构成一个F—P腔，当一定波长范围的光平行入射到F—P腔时，只有满足相干条件的某些特定波长的光才能发生干涉，产生相干极大。利用F—P腔的这个特性可以对FBG传感器的反射波长进行检测。两光纤的端面间的距离可调时该F—P腔构成一个可调谐的F—P腔，反射波长可变。波长调节部分的核心为一个可调谐的法布里—泊罗腔（F—P腔79(1）操作步骤

将电源线接好，开启电源开关；接土用于温度或应力实验的光纤光栅接头，并且将探头放入被测介质中；从大到小调节波长旋钮，注意观察实验仪面板显示的数值；当出现了光