光纤光栅传感器技术基础知识

光纤光栅传感器技术基础知识石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所许红彬光纤基本常识光纤光栅常识光纤光栅复用技术光纤光栅连接技术光纤光栅（FBG）传感技术基础知识一、光纤基本常识光纤及其传光原理聚氨酯防护层(4mm)纤芯(50mm)包层(125mm)涂覆层(250mm)塑料保护层(1mm)铠护金属保护层(kevlar)(2mm)图2-1光纤结构示意图当光线以各种不同的角度入射到纤芯并射至纤芯与包层的交界面时，光纤在该处有一部分透射，一部分反射。光在界面上无数次反射，呈锯齿状路线在纤芯内向前传播，最后从另一端射出。这就是光纤的传光原理纤芯包层涂覆层护套光纤的基本知识-组成与结构光纤的材料组成与结构：高纯度石英玻璃掺杂少量GE\B\P，细长圆柱形实用结构：有两个同轴区+涂覆层（支撑保护）芯层包层入射光波光纤传光原理——全反射•n1n2•入射角θ123n2n112122211sin,arcsinsincnnnn菲涅尔定律：光纤的分类石英系列光纤（以SiO2为主要材料）按光纤组成材料划分多组分光纤（材料由多组成分组成）液芯光纤（纤芯呈液态）塑料光纤（以塑料为材料）阶跃型光纤（SIF）光纤种类按光纤纤芯折射率分布划分渐变型光纤（GIF）W型光纤单模光纤（SMF）按光纤传输模式数划分芯径多模光纤（MMF）光纤的纤芯折射率剖面分布2b2b2b2c2a2a2annnn1n1n1n2n2n2n30abr0abr0acbr（a）阶跃光纤（b）渐变光纤（c）W型光纤二、光纤光栅基本常识图2-1光纤结构示意图光纤布喇格光栅的结构芯层包层Λ入射光波包层折射率n2芯层折射率n1感光折射率n选择性反射光波9通信波段划分及相应传输媒介频率Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空间波长（m）电力、电话无线电、电视微波红外可见光双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电频段划分传输介质光纤布喇格光栅的制备（印刷法）相位掩模板芯层包层+1级-1级11武汉理工大学中国科学院半导体研究所按周期大小划分为布拉格光栅（FBG：FiberBraggGrating，周期小于1微米）长周期光栅（LPG：LongPeriodGrating，周期大于10微米）光纤光栅的分类提到光栅时，如无特殊指明，一般为短周期光栅布拉格光栅的反射谱长周期光栅的透射谱光纤光栅的分类按调制周期分：均匀光栅和啁啾光栅均匀光栅的折射率调制啁啾光栅的折射率调制均匀光栅的反射光谱啁啾光栅的反射光谱光纤光栅的分类取样光栅按取样方式分：相位取样光栅幅度取样光栅相位取样光栅的折射率调制相位取样光栅的反射谱光纤光栅的分类——幅度取样光栅幅度取样光栅的折射率调制幅度取样光栅的反射谱光纤光栅的分类——相移光栅相移光纤光栅的形成是因为光栅折射率调制在某个位置产生了相位突变，反映在其反射谱上就是打开了一个带宽极窄的透射窗口。(a)π相移位于光栅的中点(b)π/2相移位于光栅的中点光纤光栅的分类按使用的材料分类：单模光纤光栅、多模光纤光栅、光子晶体光纤光栅、保偏光纤光栅、….。光纤传感的基本原理光纤传输的光波的特征参量（如振幅、相位、偏振态、波长等）在外界环境因素（如温度、压力、位移、电场、磁场、转动等）作用下间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。通过测量光纤中传输光波的特征参量的变化，就可以实现对各种环境物理量的测量。TpeBB)()1(光纤光栅基本原理布喇格光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光，此中心波长称之为布喇格波长。布喇格波长决定于光纤纤芯折射率调制的空间周期Λ和调制幅度的大小。用数学公式表示为：effBn2λB为光栅的布喇格波长Neff为光栅的有效折射率Λ为光栅条纹周期。以温度为例，当FBG受外界影响，栅距或有效折射率产生变化时，被FBG反射的布喇格波长B亦产生相应变化；如果将FBG复合于结构内部（如混凝土结构、复合材料结构、冻土结构等），结构的温度变化都会引起FBG的布喇格波长变化，因此可以通过监测FBG的反射波长、实现结构的温度监测。光强波长波长波长入射光谱透射光谱反射光谱光纤光栅的光谱示意图23F宽带光源－Σ可调光纤法-珀腔滤波器压电单元扫描波形S1S2S3SnS1S2S3Sn分布式光纤光栅传感机理三、光纤光栅的复用技术根据光信号的5个特征参数（波长、相位、偏振态、传输方向以及振幅）派生出各类复用方法。依据复用方式的频域、时域和空间特性，从网络拓扑结构的角度，主要分为以下几种：波分复用(WavelengthDivisionMultiplexing:WDM)网络时分复用(TimeDivisionMultiplexing:TDM)网络空分复用(SpatialDivisionMultiplexing:SDM)网络频分复用(frequencyDivisionMultiplexing:FDM)网络相干复用(CoherencedomainMultiplexing:CDM)网络混合复用网络光纤光栅传感复用技术–波分复用(WDM)网络不同反射波长的n个Bragg光栅沿单根光纤排列，分别放置于监测对象的n个不同监测部位，当这些部位的待测物理量发生变化时，各个Bragg光栅反射回来的波长编码信号就携带了相应部位的待测物理量的变化信息，通过接收端的波长探测系统进行解码，并分析Bragg波长位移情况，即可获得待测物理量的变化情况，从而实现对n个监测对象的实时、在线监测。光纤光栅传感复用技术–波分复用(WDM)网络最直接的复用技术能复用的FBG传感器数量，主要取决于光源带宽和待测物理参量的动态范围网络中的FBG各占据不同的频带资源，功率利用效率很高各FBG的带宽互不重叠，避免了串扰现象，信噪比高频带资源有限，复用传感器数量有一定的限制光纤光栅传感复用技术–时分复用(TDM)网络光源按脉冲方式工作，每一个传感光栅都有不同的时延。光源发出一个短脉冲后，波长检测系统能收到多个光脉冲，每个都对应不同的时延和不同的传感光栅。根据时延值就可以区分不同的光栅。光纤光栅传感复用技术–时分复用(TDM)网络避免了网络中的各传感器抢夺有限频带资源的问题，光源带宽和被测对象的动态范围不再是可复用传感器数量的制约因素，可复用的FBG是很多；采用串联拓扑，功率利用效率也很高；随着FBG数目的增大，由于脉冲持续时间和空闲时间之比减小，将导致信号清晰度和信噪比下降，可复用的FBG也要受到限制；复用FBG过多时，不能实时测量；FBG密度受限。光纤光栅传感复用技术–空分复用(SDM)网络每个传感光栅都单独分配一个传输通道，每次仅有一个通道被选通。需测量哪个光栅的特性，将相应的通道接通即可。光纤光栅传感复用技术–空分复用(SDM)网络FBG传感器能够相互独立地、可相互交换地工作，因此串扰效应很小，信噪比较高复用能力不受网络频带资源的限制缺点是功率利用效率较低不能同时监测所有光栅光纤光栅传感复用技术–频分复用(FDM)网络可调谐光源的幅度用频率按三角形线性变化的信号调制，照射时延不同的各个光栅，反射光经探测器转换为电压后再和原始的三角波信号相乘。两个相乘信号有时延，它们对应的调频频率不同，因此会产生拍频信号。频率是随时间线性变化的，因此对同一时延，拍频相等；而对于时延不同的光栅，拍频则不相等。利用拍频的差异就可以实现光栅的复用。光纤光栅传感复用技术–相干复用(CDM)网络各个光栅和反射镜通过耦合器和准直镜构成Michelson干涉仪，一个压电陶瓷(PZT)用来调制两臂的光程差。当反射镜的光程调整到和某个光栅接近，且可调谐滤波器允许该光栅的反射光通过时，在光探测器上可以看到和PZT上调制信号相应的干涉信号。调整反射镜的位置，就可以分别检测不同的传感光栅。四、光纤光栅的连接技术焊接活动接头光纤无源器件-光纤焊接•是一种永久性的连接•基本要求：最短的时间、最低的成本获得最低的稳定插入损耗•永久性的连接——通过熔接技术将两根光纤连接在一起加热•仪器：专用光纤熔接机•熔接操作步骤：光纤熔接机光纤无源器件-光纤焊接•全自动光纤熔接机的7大智能控制功能自动检测端面质量自动对准纤芯与包层自动调整熔接参数自动放电自动检测熔接质量有缺陷自动报警自动估算熔接损耗光纤熔接缺陷、造成熔接失败的原因及处理措施熔接缺陷原因处理措施放电电流过大端面间隔过小减小放电电流适当增大端面间隔放电电流过小端面间隔过大增大放电电流适当减小端面间隔端面不整齐有污物熔接电流过小重新制备端面增大放电电流放电时间过短放电电流过小增大放电电流增大放电时间放电时间过短放电电流过小推进距离较小减小放电电流适当增大端面间隔增大推进距离光纤无源器件-光纤连接器•光纤焊接•光纤连接器•光纤耦合器光纤无源器件-光纤连接器•光纤连接器的重要指标插入损耗回波损耗①球面接触：实现物理零距离接触②非球面接触：微弱后向反射光很难进入纤芯光纤连接器的分类活动光纤连接器的分类方法和类型非常多，例如：按传输媒介的不同：1、常见的硅基光纤的单模、多模连接器；2、其它媒介如塑胶等为传输媒介的光纤连接器按连接头结构型式：FC、SC、ST、LC、D4等等各种型式按光纤端面形状：PC、UPC和APC型按光纤芯数：单芯、多芯（如MT-RJ）型光纤连接器3、不同类型连接器的应用场合长距离通信（如骨干网）：FC、SC；短距离的通信（用户和局域网）：SC、ST；多芯光纤连接器一般只能用于局域网。SC型单模光纤活动连接器FC/APC型单模光纤活动连接器在这种结构中，两个插针体端面被磨成8°倾斜，使反射波不能沿入射波的反方向前进而是逃逸到光纤之外，因此，FC/APC单模光纤活动连接器的反射损耗可达到60dB以上，而最小插入损耗可达到0.3dB。三种应用广泛的活动光纤连接器（1）FC型圆形套筒螺纹结构，使用时需要旋转金属转换器来使两个接头固定在一起。图1.10（2）SC型日本NTT公司研制，外壳一般采用工程塑料制作，采用矩形卡槽结构。图1.11（3）ST型由AT&T公司开发，采用圆形的卡口式结构，在连接的时候需要将外面的转换器旋转大约半圈。图1.12PC/APC根据光纤端面在加工的时候端面和光纤轴线之间的关系，可以把端面分成平面型（PC）和斜面型（APC）两种。PC：加工简单APC：回波损耗较大，可有效抑制回波6、各种活动光纤连接器图片FC（PC）型使用范围:光纤通信网络光纤宽带接入网光纤CATV光纤仪器仪表光纤局域网特点说明：FC连接器最早是由日本NTT研制。FC是FerruleConnector的缩写，表明其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。SC（PC）型使用范围光纤通信网络光纤宽带接入网光纤CATV光纤仪器仪表光纤局域网特点说明:SC型由日本NTT公司开发的光纤连接器。其外壳呈矩形，所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相同，其中插针的端面多采用PC或APC型研磨方式；紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转。此类连接器插拔操作方便，插入损耗波动小，抗压强度较高，安装密度高。ST（PC）型使用范围光纤通信网络光纤宽带接入网光纤CATV光纤仪器仪表光纤局域网特点说明：ST型由日本NTT公司开发的光纤连接器。ST型光纤跳线由两个高精度金属连接器和光缆组成。连接器外部件为精密金属件，包含推拉旋转式卡口卡紧机构。此类连接器插拔操作方便，插入损耗波动小，抗压强度较高，安装密度高。FC（APC）型使用范围：光纤通信网络光纤宽带接入网光纤CATV光纤仪器仪表光纤局域网特点说明：光纤活动连接器的端面接触方式有多种方式，即PC、APC、UPC。APC光纤跳线即倾斜8度;研磨用插芯（AngledPCOpticalConnectors）这是日本精工技研发明的插芯形状，被认定为世界标准。相