光纤光栅传感器及其发展趋势详解
【摘要】光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术。自1978年加拿大渥太华研究中心利用光纤的光敏效应成功制成第一根光纤光栅以来，光纤光栅传感器便因为体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等特点及其具有本征自相干能力强和能在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势而被广泛应用于各行各业。本文先对光纤光栅传感器的工作原理及其分类进行论述，接着简述光纤光栅传感器的一些重要应用，然后对光纤光栅传感器的研究方向进行简单分析，最后是小结和展望。
【关键词】传感器；光纤光栅传感器；光纤光栅传感技术
一、光纤光栅传感器的工作原理及其分类
光纤光栅是利用光致折射率改变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅传感器目前研究的主要有三种类型：一是利用光纤布喇格光栅（FBG ）背向反射特征制作的传感器；二是利用长周期光纤光栅（LPG ）同向透射特征制作的传感器；三是利用啁啾光纤光栅色散补偿特征制作的传感器。下面将对这三种传感器的传感机理进行简单概述。
1.1 光纤布喇格光栅传感原理
光纤布喇格光栅纤芯轴向的折射率呈现周期性变化，其作用的实质相当于是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。如图1-1所示，当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布喇格条件的波长将产生反射，其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输。
图1-1 光纤布喇格光栅原理图
光纤布喇格光栅反射谱的中心波长B λ满足
Λ=eff n 2B λ
其中，eff n 为有效折射率，Λ为光纤光栅栅距。
光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界条件诸如温度、压力等的作用下，光
纤将产生轴向应变与折射率变化，栅距也随之改变，从而导致反射光波长产生变化。反射谱中心波长的变化与温度T 、应变ε的关系为 εξαλλ?+?+=?)P -(1T )(e f B B
（1）
其中，f α为热膨胀系数，ξ为热光系数，e P 为弹光系数。因此在光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化前后，检测其反射光中心波长的变化，就可通过式（1）得到光纤光栅受到的轴向应力或自身温度的变化情况。光纤布喇格光栅传感器主要研究是对温度、应变和应力的检测。
1.2 长周期光纤光栅传感原理
相对光纤布喇格光栅而言,长周期光纤光栅的周期要长很多，可从几十微米到几百微米。与光纤布喇格光栅传感器的工作原理不同，长周期光纤光栅传感器主要检测其透射波长的变化。其数学模型较为复杂，是以空气为外包层的三层阶跃耦合结构，主要是基模与同向包层模之间的耦合，其损耗峰较宽，有宽阻带滤波特性。长周期光纤光栅传感器具有后向反射率低、带宽宽等特性，对应力、温度、外部折射率变化都有响应，而且对应力、温度变化的响应灵敏度比光纤布喇格光栅传感器要高得多，对横向应力也有感应，是现在光纤光栅传感器的研究重点。
1.3啁啾光纤光栅传感原理
与光纤布喇格光栅传感器的工作原理基本相同，在外界条件的作用下，啁啾光纤光栅传感器除了B λ?的变化以外，还会引起光谱的展宽。啁啾光纤光栅传感器在应变和温度共同作用的情况下有着明显的优势，由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化对反射信号的影响则源于光纤折射率的温度依赖性，仅影响其重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以实现对应变和温度的同时测量。
二、光纤光栅传感系统
光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成，如图2-1所示。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息则通过信号解调系统实时地反映出来。
宽带光源的宽带光经过耦合器进入光纤光栅传感器，传感器的反射波再经过耦合器进入可调谐滤波解调系统，可调谐滤波解调系统对传感器的反射波进行解调。
图2-1 光纤光栅传感系统
在光纤光栅传感中，光源必须满足带宽较宽、输出功率强与稳定性好等条件，以满足分布式传感系统中多点多参量测量的需要。常用的光源的有LED，LD和掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光源。
信号解调主要完成光信号波长信息到电参量的转换，及对通过电参量进行运算处理提取外界信息。光纤光栅传感解调的方法主要有匹配光纤光栅解调法、FP腔长滤波解调法、干涉法等。
三、光纤光栅传感器的应用
光纤光栅传感器具有传输距离远、不受电磁环境干扰、不产生电磁干扰、不对易燃气体构成危险以及能在高温、腐蚀性等恶劣环境下进行工作等优势，在诸如石油、化工、电力、土木工程、交通、医学、航海航空、地质斟探、通讯、自动控制、计量测试等领域得到广泛的应用。
在电力系统中，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，传统传感器由于易受强电磁场的干扰无法在这些场合中使用，光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，从而成为电力工业应用的理想选择。
在民用工程中，适用于民用结构的传感器应具备稳定、较高的灵敏度与适应范围、线性响应、单端口、对结构无影响等特点。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测，或由多个光纤光栅传感器串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，用以实现桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的应力、应变、裂纹、振动、腐蚀等状况的监测。
在石油化工系统中，由于井下环境具有高温、高压、化学腐蚀以及电磁干扰强等特点，使得传统传感器难以在井下很好地发挥作用。然而光纤光栅传感器则由于其体积小，重量轻，易弯曲，抗电磁干扰、抗辐射性能好等优势，特别适合于易燃易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用，因此在油井参数测量中发挥着不可替代的作用。
在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面，由于其环境复杂，影响因素多，使用传统传感器达不到所需要的精度，并且易受外界因素的干扰，而采用光纤光栅传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度，因此在这些领域得到广泛的应用。
四、光纤光栅传感器技术的研究方向
光纤光栅传感及其相关技术的迅速发展满足了各类控制装置及系统对信息的获取与传输提出的更高要求，使得各领域的自动化程度越来越高，目前光纤光栅传感器技术的研究方向是多用途、提高可靠性和稳定性、使其能够适应恶劣环境，下面将用实例做一一说明。
（1）多用途，即表示光纤光栅传感器不仅仅只针对于某一单一的物理量，还能实现对多个物理参量的同时测量。通过将光纤光栅传感器与其他传感器组成混合传感器系统，利用光纤光栅传感器与其他传感器对不同物理参量的灵敏度差异，实现对多个物理参量的同时测量，近几年来有人针对此设想陆续提出了不少研究成果。
例如, 2014年提出一种如图4-1所示的混合传感器系统[1]，由基于丙烯酸酯涂覆层保
偏光子晶体光纤的偏振式光纤传感器、剥去涂覆层的保偏光子晶体光纤传感器、光纤布喇格光栅传感器组合而成，其中光纤布喇格光栅传感器用于测量温度，基于丙烯酸酯涂覆层保偏光子晶体光纤传感器用于测量轴向应变，剥去涂覆层的保偏光子晶体光纤传感器用于测量热应变，由此可以实现对复合材料应变、温度和热应变的同时测量，可用于对复合材料的实时监测。
图4-1 实现对复合材料应变、温度和热应变同时测量的混合传感器系统
2016年也就是最近几天有人提出一种可用于同时测量温度和张力的混合传感器系统[2]，如图4-2所示，该系统将利用拼接两段掺Ge/B光敏光纤的过程中形成的气泡作为法布里-帕罗干涉仪FPI（在-70°C～-20°C间温度灵敏度为0.67pm/°C，压力灵敏度为3.76 pm/με），并直接将拼接后的光纤暴露于248nmKrF准分子激光器刻蚀布喇格光栅FBG（在0με～500με间温度灵敏度和压力灵敏度分别为8.40pm/°C、 1.40pm/με）于其上，通过FP腔与FBG对于温度、压力的灵敏度差异来实现对温度和张力的同时测量。
图4-2 实现对温度和张力同时测量的混合传感器系统
（2）实用化，顾名思义，就是使得光纤光栅传感器技术能更深入地渗透于人们的生活日常中，为人们带来更多的便利。
例如，假肢肢槽接触面的压力分布对日常生活中假肢使用者假肢移动的灵活性与舒适度有着十分重要的影响，2016年有人提出了基于光纤光栅传感器实现假肢肢槽接触面压力测量的衬垫[3]，光纤光栅测量的精确度和可重复性是该传感器相较于其它压力传感器的主要优势，实验过程如图4-3所示。
图4-3 基于光纤光栅传感器实现假肢肢槽接触面压力测量的衬垫实验测量
2016年有人研究被刻蚀成不同口径的单模塑料光纤光栅[4]来增强传感器的灵敏度及生物相容性以便将传感器应用于生物医学，并在此基础上分别提出了测量血压和测量脚压的两种塑料光纤光栅传感器。
2016年有人提出了利用五个薄膜压力传感器结合检测它们工作状态的光纤光栅传感器构成的用于测量航天燃料的混合传感器[5]，该混合传感器系统在乘喷气式飞机A1上进行燃料容量测试呈现良好的线性关系，具有灵敏度高和可重复测量等优势。
现今的实用化研究朝着实用性、产业化及降低成本三个方向并行努力着。
（3）提高可靠性跟稳定性，可靠性跟稳定性一直是衡量光纤光栅传感器性能的两个重要指标，直到现今仍是光纤光栅传感技术努力的方向之一。
例如，光纤布喇格光栅传感器是液体中如石油、液化天燃气等进行检测如压力、振动等物理参数的关键技术，2016年有人对传感器在液体中位置对压力灵敏度的影响进行实验研究[6]，如图4-4所示，以找出传感器最佳的定位从而提高对如石油、液化天燃气等智能监测的可靠性和稳定性。
图4-4 光纤光栅传感器的位置对应变灵敏度影响的实验装置
2016年有人提出了在长周期光纤光栅上镀200nm氧化铝薄膜并进行硅橡胶封装以提高传感器温度灵敏度[7]，该传感器温度灵敏度高达0.77nm/°C。
2011年有人提出了基于掺杂BDK（2，2-二甲氧基-2-苯基苯丙酮）塑料光纤布喇格光栅的高灵敏度温度传感器[8]。由式（1）可看出当隔绝压力影响时布喇格光纤光栅反射峰中心
α、热光系数ξ存在线性关系。塑料光纤的热光系数、热膨胀系波长的移动与热膨胀系数
f
数均比普通的石英光纤要高出至少一个数量级，因此温度的变化对塑料光纤光栅传感器反射峰中心波长的影响要较石英光纤光栅传感器要大得多，温度灵敏度相较而言要高出一个数量级。
（4）使其能够适应恶劣的环境，我们知道在恶劣的环境条件（诸如高温、高压、高辐射、化学腐蚀等）下，进行某些必要的监测是十分困难的，有些在目前技术条件下难以实现，而有些则技术成本过于昂贵，而光纤光栅传感技术由于其体积小、重量轻、抗腐蚀能力强、
抗电磁干扰能力强等等优点而备受关注，而提高其恶劣环境的适应能力也是目前努力的方向之一，而一些新型材料的出现也为某些光纤光栅传感技术的研究提供了可能性。
例如，在2016年有人刚提出一种同步辐射X射线光刻的长周期光纤光栅[9]，其光刻系统如图4-5所示，该光纤光栅对于伽马辐射具有很强的耐辐射性，可作为光纤光栅传感器应用于高剂量核辐射环境（诸如核废料储存设备和核电站安全壳等）下。
图4-5 同步辐射X射线光刻长周期光纤光栅的光刻系统
五、小结与展望
现今，光纤光栅传感技术已经相对成熟，几乎涵盖了国民经济的所有领域，渗透进人们日常生活的方方面面，每一年都会有大量可以预见将会给人们生活带来极大便利的研究成果出现，然而实际的需求是多种多样的，现今光纤光栅传感技术的发展仍然远远不足以能够满足人们的实际需求，更何况虽然现今光纤光栅传感器的研究硕果累累，但只有其中的少数真正应用于人们的日常生活中。所以，光纤光栅传感器的未来发展趋势必将是朝着更微型化、智能化、低功耗、便携式及产业化的方向发展。
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光纤光栅温度传感器 报告
波长调制型光纤温度传感器《光纤传感测试技术》 课程作业报告 提交时间：2011年10月27 日
1 研究背景 （执笔人： ） 被测场或参量与敏感光纤相互作用，引起光纤中传输光的波长改变，进而通过测量光波长的变化来确定北侧参量的传感方法即为波长调制型光纤传感器。 光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。基于光纤光栅的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长B λ的调制来获取传感信息，其数学表达式为： 2B eff n λ=Λ 式中：eff n 为纤芯的有效折射率；Λ是光栅周期。 这是一种波长调制型光纤温度传感器，它具有一下明显优势： （1）抗干扰能力强。由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感，具有很高的可靠性和稳定性。 （2）传感探头结构简单，体积小，重量轻，外形可变，适合埋入大型结构中测量结构内部的应力 、应变及结构损伤，稳定性、重复性好，适用于许多应用场合，尤其是智能材料和结构。 （3）测量结果具有良好的重复性。 （4）便于构成各种形式的光纤传感网络。 （5）可用于外界参量的绝对测量。 （6）光栅的写入技术已经较为成熟，便于形成规模生产。 （7）轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感。 由于以上优点，光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康检测以及能源化工等领域得到了广泛的应用。但是它也存在一些不足之处。因为光纤光栅传感的关键技术在于对波长漂移的检测，而目前对波长漂移的检测需要用较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件，需大功率的宽带光源或可调谐光源，其检测的分辨率和动态范围也受到一定的限制等。 光纤布拉格光栅无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为检测材
光纤光栅传感器的应用
光纤光栅传感器的应用 一、光纤光栅传感器的优势 与传统的传感器相比,光纤Bragg光栅传感器具有自己独特的优点: (1) 传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变, 适合埋入大型结构中, 可测量结构内部的应力、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, 易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高; (3) 具有非传导性, 对被测介质影响小, 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) 轻巧柔软, 可以在一根光纤中写入多个光栅, 构成传感阵列, 与波分复用和时分复用系统相结合, 实现分布式传感; (5) 测量信息是波长编码的, 所以, 光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响, 有较强的抗干扰能力; (6) 高灵敏度、高分辩力。 正是由于具有这么多的优点,近年来,光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测,以及能源化工等领域得到了广泛的应用。 光纤Bragg光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为监测材料和结构的载荷，探测其损伤的传感器。 二、光纤光栅的传感应用 1、土木及水利工程中的应用 土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。 力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康状况监测是非常重要的.通过测量上述结构的应变分布,可以预知结构局部的载荷及健康状况.。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中,对结构同时进行健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等,以监视结构的缺陷情况.。
光纤光栅原理及应用
光纤光栅传感器原理及应用 （武汉理工大学） 1光纤光栅传感原理 光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG 是通过改变光纤芯区折射率，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输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。 图1 FBG 结构及其波长选择原理图 在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。 （1）光纤光栅应变传感原理 光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。 （2）光纤光栅温度传感原理 光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。 反射光谱 入射光谱 投射光谱 入射光 反射光 投射光 包层 纤芯 光栅 光栅周期
2光纤光栅传感器特点 利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。 光纤光栅传感器可测物理量： 温度、应力/应变、压力、流量、位移等。 图2 光纤光栅传感器分布式测量原理 光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰 ● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上 3目前我校已经开展的工作（部分） 3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统 利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。 被测参量 宽带光源 光纤F-P 腔 测点1 测点2 测点3 测点n 波长 光 强 λ1 测点1 λ2 测点2 λ3 测点3 λn 测点n 光源波长
常见光纤光栅传感器工作原理
常见光纤光栅传感器工作原理 光纤光栅传感器的工作原理 光栅的Bragg波长λB由下式决定：λB=2nΛ （1） 式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），还可实现对电场等物理量的间接测量。 1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理 上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。 啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外，还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn／dT），仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。 2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理 长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的
光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。Λ。式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λi，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而LPG适用于多参数传感器。 光纤光栅传感器的应用 1、在民用工程结构中的应用 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。 光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋，由于需要修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的传感臂，并在每一个梁上均安装这两个臂。 两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里－珀罗干涉仪的反射镜，形成全光纤法布里－珀罗干涉仪（FFH），利用低相干性使干涉的相位噪声最小化，这一方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG，其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度效应，所以FFP～FBG实现了同时测量三个量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点。已在5mε的测量范围内，实现了小于1με的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1nε/（Hz）1/2的动态应变灵敏度。
2016年光纤传感器现状研究及发展趋势重点
2016-2021年中国光纤传感器市场深度调查分析及发展趋势研究报告 报告编号:1675509 行业市场研究属于企业战略研究范畴,作为当前应用最为广泛的咨询服务,其研究成果以报告形式呈现,通常包含以下内容:
一份专业的行业研究报告, 注重指导企业或投资者了解该行业整体发展态势及经济运行状况,旨在为企业或投资者提供方向性的思路和参考。 一份有价值的行业研究报告,可以完成对行业系统、完整的调研分析工作,使决策者在阅读完行业研究报告后,能够清楚地了解该行业市场现状和发展前景趋势,确保了决策方向的正确性和科学性。 中国产业调研网 https://www.wendangku.net/doc/9a15964271.html, 基于多年来对客户需求的深入了解, 全面系统地研究了该行业市场现状及发展前景, 注重信息的时效性, 从而更好地把握市场变化和行业发展趋势。 一、基本信息 报告名称:2016-2021年中国光纤传感器市场深度调查分析及发展趋势研究报告 报告编号:1675509←咨询时,请说明此编号。 优惠价:￥ 7650 元可开具增值税专用发票
网上阅 读:https://www.wendangku.net/doc/9a15964271.html,/R_JiXieDianZi/09/GuangXianChuanGanQiWeiLaiFaZhanQ uShi.html 温馨提示:如需英文、日文等其他语言版本,请与我们联系。 二、内容介绍 光纤传感器是以光学量转换为基础,以光信号为变换和传输的载体,利用光导纤维输送光信号的一种传感器。光纤传感器主要由光源、光导纤维、光检测器和附加装置等组成。光源种类很多, 常用光源有钨丝灯、激光器和发光二极管等。光纤很细、较柔软、可弯曲,是一种透明的能导光的纤维。 光纤之所以能进行光信息的传输,是因为利用了光学上的全反射原理,即入射角大于全反射的临界角的光都能在纤芯和包层的界面上发生全反射, 反射光仍以同样的角度向对面的界面入射,这样,光将在光纤的界面之间反复地发生全反射而进行传输。附加装置主要是一些机械部件,它随被测参数的种类和测量方法而变化。 《 2016-2021年中国光纤传感器市场深度调查分析及发展趋势研究报告》在多年光纤传感器行业研究的基础上,结合中国光纤传感器行业市场的发展现状,通过资深研究团队对光纤传感器市场资讯进行整理分析, 并依托国家权威数据资源和长期市场监测的数据库,对光纤传感器行业进行了全面、细致的调研分析。 中国产业调研网发布的《 2016-2021年中国光纤传感器市场深度调查分析及发展趋势研究报告》可以帮助投资者准确把握光纤传感器行业的市场现状,为投资者进行投资作出光纤传感器行业前景预判,挖掘光纤传感器行业投资价值,同时提出光纤传感器行业投资策略、营销策略等方面的建议。 正文目录 第一章光纤传感器产业概述 1.1 光纤传感器定义及产品技术参数
光纤光栅传感器的应用
光纤光栅传感器的应用 光纤布拉格光栅传感器的应用 1。光纤光栅传感器 的优点与传统传感器相比，光纤光栅传感器有其独特的优点:(1)传感头结构简单，体积小，重量轻，形状可变，适合嵌入大型结构中，能够测量结构内部的应力、应变和结构损伤，具有良好的稳定性和重复性； (2)与光纤自然兼容，易于与光纤连接，损耗低，光谱特性好，可靠性高； (3)不导电，对被测介质影响小，具有耐腐蚀和抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境下工作； (4)轻便灵活，可在一根光纤中写入多个光栅组成传感阵列，结合波分复用和时分复用系统实现分布式传感； (5)测量信息为波长编码，因此光纤光栅传感器不受光源光强波动、光纤连接和耦合损耗以及光波偏振态变化的影响，抗干扰能力强。 (6)高灵敏度和分辨率 正是因为它的许多优点。近年来，光纤光栅传感器已经广泛应用于大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测，以及能源和化工等领域。 光纤光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，特别是在测量应力和应变的情况下，具有其他传感器无法比拟的优势。它被认为是智能结构中最有前途的集成在材料内部的传感器，作为监测材料和结构的
载荷和检测其损伤的传感器。 2，光纤光栅的传感应用 1，在土木和水利工程中的应用 土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域 力学参数的测量对于桥梁、矿山、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康监测非常重要。通过测量上述结构的应变分布，可以预测结构的局部载荷和健康状况。光纤布拉格光栅传感器可以预先附着在结构表面或嵌入结构中，同时对结构进行健康检测、冲击检测、形状控制和减振检测，监测结构的缺陷。 另外，多个光纤光栅传感器可以串联成传感网络，对结构进行准分布式检测，传感信号可以由计算机远程控制 (1)在桥梁安全监测中的应用目前，光纤光栅传感器应用最广泛的领域是桥梁安全监测 斜拉桥的斜拉索、悬索桥的主缆和吊杆、系杆拱桥的系杆是这些桥梁体系的关键受力构件，其他土木工程结构的预应力锚固系统，如用于结构加固的锚索和锚杆，也是关键受力构件上述受力构件的应力大小和分布变化最直接地反映了结构的健康状况，因此监测这些构件的应力状态并以此为基础进行安全分析和评价具有重要意义。加拿大卡尔加里附近的 199贝丁顿小道桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993)。16个光纤光栅传感器连接到预应力混凝土支撑的钢筋和碳纤维复合材料钢筋上，对桥梁结构进行长期监测，这在以前被认为是不
光纤传感器论文
摘要 关键词：光纤传感器；介绍；优点；应用 近几年来，物联网发展飞快。光纤通信与光纤传感技术将在物联网领域发挥重要作用。光纤具有宽带特性，可将各种传感器复用到一根光纤，进行检测和传输。由于光纤本身具有电绝缘性好、不受电磁干扰、无火花、能在易燃易爆的环境中，还具有成本低、结构简单、可靠性高等优点，光纤材料用做传感器具有独特的优势。物联网与光纤传感有相辅相成、相互促进的作用。各种光纤传感器有望在物联网中得到广泛应用。 ABSTRACT The Internet of things develop quickly in recent years.Optical fiber communication and optical fiber sensing technology will play an important role in the field of Internet of things.Optical fiber have broadband characteristics, various sensors can be reused to a single fiber to text and transport.Because of the fiber’s good electrical insulation, not subject to electromagnetic interference, no spark, can in inflammable and explosive environment ,also has the advantages of low cost, simple structure, high reliability ,optical fiber materials used for sensor has a unique advantage.The Internet of things with the optical fiber sensing supplement each other and promote each other. All kinds of optical fiber sensor is expected to be widely used in the Internet of things. Keywords：Optical fiber grating sensor; Introduction; Advantages; application
光纤温度传感器
光纤温度传感器 电子092班 张洪亮 2009131041
光纤温度传感器 摘要 本文从光纤和光纤传感器以及光纤温度传感器的发展历程开始详细分析国内外 主要光纤温度测温方法的原理及特点，比较了不同方法的温度测量范围和性能指标以及各自的优缺点。通过研究发现了当前的光纤温度传感器的种类和特点，详细介绍了光纤温度传感器的原理，种类和各自的特点和优缺点。可以根据这些传感器各自特点将各种传感器应用到不同的领域，本文也简要分析了各种光纤温度传感器的运用范围和领域。本文还通过图文并茂的方式比较详细地分析了介绍了空调器的基本结构，工作电气原理和基本的热力学过程。本文对毕业设计主要内容和拟采用的研究方案也做出了详细地介绍分析。 关键词：光纤传感器，光纤温度传感器，运用领域，空调器，空调器原理 1 引言： 光纤温度传感器是一种新型的温度传感器．它具有抗电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、防爆防燃、体积小、重量轻等优点，其中几种主要的光纤温度传感器：分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器更有着自己独特的优点。与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高;是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。它将在航空航天、远程控制、化学、生物化学、医疗、安全保险、电力工业等特殊环境下测温有着广阔的应用前景。在本论文中将详细分析当前光纤温度传感器的主要种类和各自的原理，特点和应用范围。70 年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。1977 年，美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划，这被认为是光纤传感器问世的日子。从这以后，光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。从70 年代中期到 80 年代中期近十年的时间，光纤传感器己达近百种，它在国防军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和日常消费部门都得到实际应用。从目前的情况看，己有一些形成产品投入市场，但大量的是处在实验室研究阶段。光纤传感器与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高; 是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。目前，世界各国都对光纤传感器展开了广泛，深入的研究，几个研究工作开展早的国家情况如下:美国对光纤传感器研究共有六个方面:这些项目分别是: 光纤传感系统;现代数字光 纤控制系统;光纤陀螺;核辐射监控;飞机发动机监控; 民用研究计划。以上计划仅在 1983 年就投资 12-14 亿美元。美国从事光纤传感器研究的有美国海军研究所、美国宇航局、西屋电器公司、斯坦福大学等 28 个主要单位。美国光纤
光纤传感技术
光纤传感器的应用与发展趋势 学生：王超 学号：1049721103105 专业：物理电子学 光在传输过程中，光纤易受到外界环境的影响，如温度、压力等，从而导致传输光的强度、相位、频率、偏振态等光波量发生变化，通过监测这些量的变化可以获得相应的物理量，这就是光纤传感技术。该技术是随着光纤及通信技术的发展而逐步发展起来的一门崭新技术。密集波分复用D W D M 技术、掺铒光纤放大器EDFA 技术和光时分复用OTDR 技术的不断发展成熟，使得光纤传感技术以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，获得了飞速的发展，各种光纤传感器系统层出不穷。 光纤传感器系统的原理 由于光纤不仅作为光波的传播介质，而且光波在光纤中传播时，光波的特征参量( 振幅、相位、偏振、波长等) 会因外界因素（温度、压力、应变、电场、位移等）间接或直接的发生变化，从而可将光纤用作传感元件探测物理量。根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器可分为功能型、非功能型、拾光型三大类。 1、功能型光纤传感器中光纤不仅作为导光介质也是敏感元件，光在光纤内受到被测量物理量的调制。它的特点是结构紧凑、灵敏度高，但它须用特殊光纤和先进的检测技术，因此成本高。光纤陀螺即是典型的功能型光纤传感器。 2、非功能型光纤传感器中光纤仅起导光作用，光照到非光纤型敏感元件上受被测量物理量调制。因其无需特殊光纤及特殊技术，易实现、成本低，但灵敏度也相应较低，常用于灵敏度要求不太高的场合。目前的光纤传感器大多是该类型的。 3、拾光型光纤传感器中光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、 散射的光。如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。 光纤传感器的特点 由光纤传感器的原理我们可以很容易理解它有如下几个特点： （1 ）光纤具有宽波长范围、低衰减的特性，光源、检测器和光学元件的选择余地大，可以适用于不同的应用场合。
光纤温度传感器简介
光纤温度传感器 摘要：本文分析了光纤温度传感器在温度探测中的优势，分别介绍了分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器的工作原理，最后综述了光纤温度感器在现代工业及生活的应用。 关键字：光纤传感温度应用 1引言 在科研和生产中，有很多温度测量问题，传统的温度传感器有热电偶，热电阻温度传感器，热敏电阻温度传感器，半导体温度传感器等等。光纤温度传感器是20世纪70年代发展起来的一种新型传感器。与传统的温度传感器相比，它具有灵敏度高，体积小，质量轻，易弯曲，不产生电磁干扰，不受电磁干扰，抗腐蚀性好等等优点，特别适用于易燃，易爆，空间狭窄和具有腐蚀性强的气体，液体以及射线污染等苛刻环境下的温度检测。 2光纤温度传感器分类 光纤温度传感器按照调制机理可分为相位调制，振幅调制，偏振态调制；按工作原理分，光纤温度传感器可分为功能性和传输型两种。功能型温度传感器中光纤作为传感器的同时也是光信号的载体，而传输型温度传感器中光纤则只传输光信号。传光型与传感型相比，虽然灵敏度稍差，但可靠性高，实用的传感器大多是这种类型。 目前主要的光纤温度传感器包括分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等。 2.1光纤光栅温度传感器 光纤光栅温度传感器是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅来进行测温的。光纤光栅以波长为编码，具有传统传感器不可比拟的优势，近年来光纤光栅成为发展最为迅速，最具代表性的光纤无源器件之一，已广泛用于建筑、航天、石油化工、电力行业等。 光纤光栅温度传感器主要有Bragg光纤光栅温度传感器和长周期光纤光栅传感器。Bragg光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术而形成的全新光纤型Bragg光栅，成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg 光栅效应，其基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器，满足如下光学方程： =2nA 式中：为Bragg波长，A为光栅周期，n为光纤模式的有效折射率。 长周期光纤光栅是一种特殊的光纤光栅，其传光原理是将前向传输的基模耦合到前向传输的包层模中。由于其宽带滤波、极低的背景发射等特点引起人们的重视，是一种新型的宽带带阻滤波器。 光纤温度监测系统主要由光纤光栅传感器、传输信号用的光纤和光纤光栅解调器组成。光纤光栅解调器用于对光纤光栅传感器的信号检测和数据处理，以获得测量结果，传输光纤用于传输光信号，光纤光栅传感器则主要用于反射随温度变化中心波长的窄带光，如图1所示：
光纤温度传感器
光纤温度传感器的种类很多，除了以上所介绍的荧光和分布式光纤温度传感器外，还有光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器以及基于弯曲损耗的光纤温度传感器等等，由于其种类很多，应用发展也很广泛，例如，应用于电力系统、建筑业、航空航天业以及海洋开发领域等等。 分布式光纤温度传感器在电力系统行业的发展 光纤温度传感器在电力系统的应用中得到发展，由于电力电缆温度、高压配电设备内部温度、发电厂环境的温度等，都需要使用光纤传感器进行测量，因此就促进了光纤传感器的不断完善和发展。尤其是分布式光纤温度传感器得到了改善，经过在电力系统行业的应用，从而使其接收信号和处理检测系统的能力都得到了提升。 光纤光栅温度传感器在建筑业的发展 光纤光栅温度传感器由于其较高的分辨率和测量范围广泛等优点，被广泛应用于建筑业温度测量工作中。西方很多发达国家都已普遍采用此系统，进行建筑物的温度、位移等安全指标的测试工作，例如，美国墨西哥使用光栅温度传感器，对高速公路上桥梁的温度进行检测。通过广泛使用，光栅温度传感器所存在的问题，如：交叉敏感的消除、光纤光栅的封装等都得到了解决，因而此系统得到了完善。 航空航天业中的应用发展 航空航天业使用传感器的频率较高，包括对飞行器的压力、温度、燃料等各方面的检测，都需要使用光纤温度传感器进行检测，并且所使用到的传感器数量多达百个，所以对传感器的大小和重量要求很严
格。因此，基于航空航天业对传感器的要求，光纤温度传感器的体积、重量规格方面都经过了调整。2222222分布式光纤温度传感器分布式光纤温度传感器，通常用在检测空间温度分布的系统，其原理最早于1981年提出，后随着科学家的实验研究，最终研制出了此项技术。这种传感器原理发展是基于三种传感器的研究，分别是瑞利散射、布里渊散射、喇曼散射。在瑞利散射（OTDR）和布里渊散射（OTDR）的研究已取得了很大的进展，因此未来的传感器研究热点，将放在对基于喇曼散射（OTDR）的新分布式光纤传感器的研究上。最近，土耳其Gunes Yilmaz开发出了一种分布式光纤温度传感器，此传感器的温度分辨率是1℃，空间分辨率是1.23m。在我国也有很多大学展开了对分布式光纤温度传感器的研究，例如，中国计量大学1997年发明出煤矿温度检测的传感器系统，其检测温度为-49℃～150℃，温度分辨率为0.1℃。 光纤荧光温度传感器 当前最热门的研究，就是针对光纤荧光温度传感器，其是利用荧光的材料会发光的特性，来检测发光区域的温度。这种荧光的材料通常在受到紫外线或红外线的刺激时，就会出现发光的情况，发射出的光参数和温度是有着必然联系的，因此可以通过检测荧光强度来测试温度。世界各国的高校都设计过此类传感器，例如，韩国汉城大学发现10cm的双掺杂光纤，在其915nm的地方所反射出的荧光强度所对应的温度指数是20℃～290℃；我国清华大学借用半导体GaAs原料来吸收光，进而以光随温度改变的原理，研发出了温度范围是0℃～
光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监测中的应用
光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监 测中的应用 姓名：朱少波 学号：U201115536 班级：电气中英1101班 2015年1月23日星期五
摘要：作为20世纪测试领域的重大发明，光纤光栅传感技术得到了快速发展，并已经成 为诸多领域的前沿研究与应用方向。本文主要介绍了相关产业化企业近年来基于光纤光栅感知元件发展起来的系列传感器、部品、重大土木工程结构健康监测的应用以及项目研究与产业化状况。主要包括：光纤光栅系列直接传感器、光纤光栅间接传感器、光纤光栅传感部品（结构）与结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统及其在大型桥梁结构健康监测中的应用。最后，介绍了课题组与相关企业在该方向的项目研究、国际合作与产业化情况，并指出该方向的主要研究与应用方向。 关键词：光纤光栅传感器，桥梁结构，健康监测 1.引言 重大桥梁工程结构的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，对重大桥梁工程结构增设长期的健康监测系统，以监测结构的服役安全状况，并为验证结构设计、施工控制以及研究结构服役期间的损伤演化规律提供有效的、直接的手段，并实时监测其服役期间的安全状况、避免重大事故的发生。结构健康监测已经成为世界范围内重大桥梁结构工程的前沿研究方向。 然而，重大桥梁工程结构和基础设施体积大、跨度长、分布面积大，使用期限长，传统的电学量传感设备组成的长期监测系统性能稳定性、耐久性和分布范围都不能很好地满足实际工程需要。随着智能感知材料的发展,高性能传感器及其测试技术为结构智能健康监测系统的研究与发展提供了崭新的途径，尤其是以光纤光栅为代表的光纤传感元件的出现与发展，更为这一热点课题提供了广阔的生机。光纤通信技术和光纤传感技术在20世纪后半叶至21世纪初期的几十年里日新月异，极大地推动了人类社会的进步。光纤传感技术随着光通信技术的发展应运而生，尤其是光纤光栅的出现不仅给光纤传感技术，而且给相关领域带来了一次里程碑式的革命[1]，使人们可以设计和制作大量基于光纤光栅的新型智能传感器[2]。与传统的各类传感器相比光纤光栅传感器具有以下优点[3]： 1)抗电磁干扰，电绝缘，本质安全 由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤是电绝缘的传输媒质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这一特性使其在高压、强电磁干扰、易燃、易爆的环境中能有效的传感。 2)耐腐蚀 由于光纤表面的涂覆层是由高分子材料组成，承受环境或者结构中酸碱等化学成分腐蚀的能力强，适合于结构的长期健康监测。 3)测量精度高 光纤传感器采用波长调制技术，分辨率可达到波长尺度的皮米量级，对应温度监测中0.1℃与应变监测中1με。光测量及波长调制技术使光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。 4)测量对象广泛
传感器发展趋势
传感器应用的发展现状与研究趋势 1 引言 随着工业数字化、智能化发展，传感器在机械加工，温度监测，可穿戴设备、智能家居、智慧交通中得到了广泛的应用。传感器技术水平在一定程度上反映了一个国家科技现代化的水平，传感器在实现自动化控制及测试控制中发挥着重要的作用。传感器技术在近些年来发展迅速，与计算机技术和通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，近年来，我国传感器市场发展比较迅猛，但是我国传感器技术并不成熟，在国际竞争中并不占优势，传感器市场被德国、美国、日本等工业国家所主导。根据传感器技术的发展趋势，它将由简单的传感器系统向智能化、集成化、微型化、网络化、多样化的复杂传感器系统方向发展。近年来我国传感器产业快速增长，应用模式也日渐成熟。传感器的重要性可说是不言而喻的，它在机械加工，可穿戴设备、智能家居、智能交通等各个领域都有着极为重要的应用。传感器在智能可穿戴设备、智能家居和智能交通的最新应用，以及目前传感器的市场前景、现代科技中，自动化与智能化己经成为新的发展方向，传感器作为自动测量与控制中的关键环节，在社会的生产生活中应用十分广泛，且具有巨大的发展空间[1-3]。 1 传感器的研究现状 1.1 光电传感器技术 光电式传感器是以光为测量媒介、以光电器件为转换元件的传感器，它具有非接触、响应快、性能可靠等卓越特性。随着光电科技的飞速发展，光电传感器己成为光电传感器己成为各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，并在传感器应用中占据着重要的地位，其中在非接触式测量领域更是扮演者无法替代的角色。光电传感器工作时，光电器件负责将光能(红外辐射、可见光及紫外辐射)信号转换为电学信号。光电器件不仅结构简单，且具有响应快、可靠性强等优势，在自动控制、智能化控制等方面应用前景十分广阔。此外，光电传感器除了对光学信号进行测量，还能够对引起光源变化的构件或其它被测量进行信息捕捉，再通过电路对转换的电学信号进行放大和输出[4]。 1.2生物传感器技术 生物传感器的原理主要由两大部分组成:生物功能物质的分子识别部分和转换部分前者的作用是识别被测物质，当生物传感器的敏感膜与被测物接触时，敏感膜上的某种生化活性物质就会从众多化合物中挑选适合于自己的分子并与之产生作用，使其具有选择识别的能九转换部分，是由于细胞膜受体与外界发生了共价结合，通过细胞膜的通透性改变，诱发了一系列的电化学过程，而这种变换得以把生物功能物质的分子识别转换为电信号，形成了生物传感器[5]。 1.3气敏传感器技术 气体传感器是指将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。被测气体的种类
光纤光栅传感器及其发展趋势详解
【摘要】光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术。自1978年加拿大渥太华研究中心利用光纤的光敏效应成功制成第一根光纤光栅以来，光纤光栅传感器便因为体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等特点及其具有本征自相干能力强和能在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势而被广泛应用于各行各业。本文先对光纤光栅传感器的工作原理及其分类进行论述，接着简述光纤光栅传感器的一些重要应用，然后对光纤光栅传感器的研究方向进行简单分析，最后是小结和展望。 【关键词】传感器；光纤光栅传感器；光纤光栅传感技术 一、光纤光栅传感器的工作原理及其分类 光纤光栅是利用光致折射率改变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅传感器目前研究的主要有三种类型：一是利用光纤布喇格光栅（FBG ）背向反射特征制作的传感器；二是利用长周期光纤光栅（LPG ）同向透射特征制作的传感器；三是利用啁啾光纤光栅色散补偿特征制作的传感器。下面将对这三种传感器的传感机理进行简单概述。 1.1 光纤布喇格光栅传感原理 光纤布喇格光栅纤芯轴向的折射率呈现周期性变化，其作用的实质相当于是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。如图1-1所示，当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布喇格条件的波长将产生反射，其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输。 图1-1 光纤布喇格光栅原理图 光纤布喇格光栅反射谱的中心波长B λ满足 Λ=eff n 2B λ 其中，eff n 为有效折射率，Λ为光纤光栅栅距。 光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界条件诸如温度、压力等的作用下，光
光纤传感器的工程应用及发展趋势
光纤传感器的工程应用及发展趋势 摘要：对光纤传感器的应用概况进行了详细综述，总结比较了几种成熟的光纤传感器的优缺点。针对隧道的具体应用，提出了一套点面结合的综合技术解决方案。指出了目前光纤传感器在工程应用上急需解决的一些问题及其发展趋势。 关键词：光纤传感器；光纤光栅；安全监测 一．引言 近年来公路交通基础建设迅速发展，隧道和桥梁工程的建设规模大，环境条件复杂，建设速度快，所以对其长期运行的安全性必须进行在线监测，才能有效预防安全事故的发生，避免造成生命和财产的重大损失。公路隧道和桥梁的地质灾害不仅影响公路交通的安全，造成生命和财产的损失，而且影响经济的快速稳定发展。公路隧道和桥梁发生的灾害主要包括隧道局部的坍塌、渗漏以及火灾，桥梁局部裂缝、崩塌等。传感技术是这些工程安全监测的基础和支柱。而随着工程难度和环境条件日趋复杂，传统的传感技术已愈来愈显示出它的局限性，如抗干扰能力和抗恶劣环境能力差，长期稳定性差，难以实现现场非电、大容量、远程分布式、数字化监测等。光纤传感技术正是在这种背景下，自20世纪70年代初诞生以来，就受到了世界范围内的广泛重视，并取得了持续和快速的发展，成为这些大型工程安全监测的首选传感器。因此，近年来光纤传感器逐渐的代替了电阻应变片传感器，在大型土木工程中获得了广泛的应用[1-4]。 二．应用与发展概况 1989年美国布朗大学的Mendez 等人[5]首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测的可能性。之后，美国、加拿大、英国、德国、日本、瑞士等国，纷纷将光纤传感技术应用于桥梁等建筑物的安全监测。加拿大卡尔加附近的Beddington Trail 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一，16 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。1999 年夏, 在美国新墨西哥Las Cruces 10 号州际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纪录。德国的GFZ Potsdam 开发的光纤光栅应变传感器用于探测岩石构成和岩石工程(包括隧道、洞穴、坑道、深层地基)的静态和动态应变，开发的光纤光栅地震成像系统用于地下煤矿坑道的安全监测等等。欧洲的STABILOS 计划中开发的光纤光栅传感系统用于对瑞士Mont-Terri 隧道和矿井主梁的长期静态位移监测等。近年来，以加拿大渥太华大学和瑞士联邦工学院为代表的分布式布里渊光纤传感技术(BOTDA/BOTDR)成为研究的热点，广泛
实验--光纤光栅传感实验
光纤光栅传感器实验 一、实验目的 1. 了解和掌握光纤光栅的基本特性； 2. 了解和掌握光纤光栅传感器的基本结构、基本原理； 3. 光纤光栅传感测量的基本方法和原理。 二、实验原理 光纤光栅是近年来问世的一种特殊形式的光纤芯内波导型光栅，它具有极为 丰富的频谱特性，在光纤传感、光纤通信等高新技术领域已经展示出极为重要的 应用。特别是在用于光纤传感时，由于其传感机构（光栅）在光纤内部，且它属 于波长编码类型，不同于普通光纤传感的强度型，因而具有其他技术无法与之相 比的一系列优异特性，如防爆、抗电干扰、抗辐射、抗腐蚀、耐高温、寿命长、 可防光强变化对测量结果的影响、体积小、重量轻、灵活方便，特别能在恶劣环 境下使用。光纤光栅传感器可集信息的传感与信息的传输于一体，它极易促成光 纤系统的全光纤化、微型化、集成化以及网络化等等，因此光纤光栅传感技术一 经提出，便很快受到青睐，并作为一门新兴传感技术迅猛崛起。 1. 光纤光栅及其基本特性 光纤光栅的基本结构如图1－1所示。它是利用光纤材料的光折变效应，用 紫外激光向光纤纤芯内由侧面写入,形成折射率周期变化的光栅结构，这种光栅 称之为布喇格（Bragg ）光纤光栅。 这种折射率周期变化的Bragg 光纤光栅满足下面相位匹配条件时，入射光将 被反射： Λ=eff B n 2λ (1) 式中B λ 为Bragg 波长（即光栅的反射波长）， 为光栅周期，eff n 为光纤材料的有效折射率。如果光纤光栅的长度为L ,由耦合波方程可以计算出反射率R 为： 附图1－1 光纤光栅示意图 布喇格光纤光栅 纤芯 入射光 反射光 光纤包层
()R A A sL s sL sL r i ==+002222222()sinh cosh (/)sinh *κκβ? 图1－2 显示了两条不同反射率的布喇格光纤光栅反射谱，附图1－3为实际的 一个布喇格光纤光栅反射谱和透射谱。 其峰值反射率m R 为: ????????Λ?=eff m n nL R 2tanh 2 π (2) 反射的半值全宽度（FWHM ）,即反射谱的线宽值 2 2???? ???+??? ??Λ=?eff B B n n L λλ (3) （1）式中，,eff n Λ是温度T 和轴向应变ε的函数，因此布喇格波长的相对变化量 可以写成： /()(1)B a T Pe λλξε=++- (4) 其中a 、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，；Pe 是有效光弹系数，大 约为0.22。应变ε可以是很多物理量（如，压力、形变、位移、电流、电压、振 动、速度、加速度、流量等等）的函数，应用光纤光栅可以制造出不同用途的传 感头，测量光栅波长的变化就可以计算出待测物理量的变化，所以（4）式是光 栅传感的基本方程。 SGQ-1型光纤光栅传感实验仪是我公司设计的系列实验设备之一。通过本实 验仪的相关实验使学生了解和掌握光纤光栅的基本特性、光纤光栅传感器的基本 附图1－2 曲线κL =2和κL =5的反射谱 附图1－3 布喇格光纤光栅透射
光纤传感器的应用与展望
光纤传感器的应用与展望
光纤传感器的应用与展望 计算机与信息技术 摘要：介绍了光纤传感器的种类及其工作原理，总结了光纤传感技术在农业、医学、军事，及光纤传感器未来的应用与展望。 关键词：光纤传感器农业医学军事应用 背景 近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。在农业、军事、航空领域有着很大的应用。 1.光纤传感器的种类 光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器; 另一类是非功能型（传光型）传感器。按光在光纤中被调制的原理不同，光纤传感器可分为：强度调制型、相位调制型、偏振态调制型、频率调制型、波长调制型等。迄令为止，光纤传感器能够测定的物理量已达七十多种。 1.1功能型（传感型）传感器 功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出被测信号。光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。 1.2非功能型（传光型）传感器 非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化, 光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术；比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。 2.光纤传感器的原理 光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。