lctr6-2波长调制型

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1、光纤光栅 波长调制型光纤传感器 Fiber Optic Sensors Lecture 6-2 Mins Fiber Optic Sensors 4.1 波长调制机理 引起波长变化光谱特性随外界物理量而变化 荧光、磷光、黑体辐射等大多数为 非 功能型 光纤光栅功能型 光纤光栅反射镜 应用领域通信、传感、信息处理 光通信器件 半导体激光器、光纤激光器 光纤放大器、滤波器 波分复用 /解复用器 色散补偿 传感 光学信息补偿光学 Fourier变换、相位阵列天线 Mins Fiber Optic Sensors 传感应用 光纤光栅传感器 优点： 抗干扰能力强，稳定、可靠 传感头结构简单、体积小 测量

2、重复性好 可实现绝对测量 便于规模生产、成网 不足：解调 系统昂贵、动态范围 受限 Mins Fiber Optic Sensors 应用实例 Mins Fiber Optic Sensors 应用范围 Mins Fiber Optic Sensors 应用范围 Mins Fiber Optic Sensors 应用例 Sensor for landslide movement (B-OTDR) Three anchors (FBG) Mins Fiber Optic Sensors 应用范围 日本女子大学百年館外観（建設時） Mins Fiber Optic Sensors 应用例锚杆压力应

3、变监测 长期维护 耐腐蚀寿命长 锚键锚体的应变监测 Anchor tendon Anchor Body FBG 标准应变测试仪 FBG 应变传感器 锚杆长 40m Mins Fiber Optic Sensors Mins Fiber Optic Sensors 光栅标准具 Bragg波长： 对于啁啾光栅： 干涉条纹的占空比： 2B effn 0() 22 llz C z z 2 / ( 2 )B e ffn sp Mins Fiber Optic Sensors 光纤传感器与智能材料 传统材料 强度 要求 现代材料 “ 自检 ” 的功能 获得材料及结构的整体性、环境条件等信息 确定系统的运行

4、情况、可靠性 确定 剩余寿命 提出 “ 智能材料与结构 ” 的概念 在材料和结构的制造过程中埋入传感元件和 驱动元件 Mins Fiber Optic Sensors 智能结构对传感器的特殊要求 微型化：保证传感器的埋入 不 会影响材料的 性能（或影响很小） 高可靠：确保智能材料在整个 “ 服役期 ” 能 正常有效地运行 网络化：以实现多路复用或空间分布式测量 使传感系统可获取 较大空间范围 内的传感信 息 光纤传感器 Mins Fiber Optic Sensors 可用于智能结构的光纤传感器 点式传感器 光纤 FP传感器、光纤 Bragg光栅传感器等。 优点：传感头尺寸小 结构尺寸 缺点：

5、只局限于检测一个很小截面内的某一参量的值。 积分式传感器 可用于测量一定范围内某一参量的平均值 例如：光纤干涉仪（ MZ干涉仪、 Michelson干涉仪等）可用于测量 光纤长度范围内应变或温度的平均值。用单根高双折射光纤构成的光 纤偏振干涉仪也属于积分式传感器 分布式传感器 可沿空间位置连续测量单、多参量的传感器。 主要特征参量是空间分辨率和灵敏度 非线性效应分布式光纤传感器；高双折射光纤构成的分布式光纤 压力传感器等 Mins Fiber Optic Sensors 光纤传感器用于智能结构的一些问题 光纤传感器的复用 由多个点式传感器和（或）多个积分式传感器， 和（或）多个分布式传感器构成

6、的一个复杂的 传感系统 与智能结构的兼容性 在智能结构中的分布 在智能结构中应用的工艺研究 Mins Fiber Optic Sensors 传光型波长调制光纤传感器 荧光、磷光光谱 关键 光源和频谱分析器的性能 系统的稳定性和分辨率 光源：白炽灯、汞弧灯 频谱分析仪：光栅、棱镜分光计；干涉和染料滤光器 稳定性 : 比值运算，补偿系统误差 主要应用 -医学、化学等领域。 人体血气的分析、 pH值检测 指示剂溶液浓度的化学分析 磷光和荧光现象分析 黑体辐射分析 法布里一帕罗滤光器等 调制器 被测参量 分光计 信号处理 输出 入射光纤 出射光纤 Mins Fiber Optic Sensors 光

7、纤 pH值传感器 基本原理 化学指示剂对被测溶液的 颜色 反应 探头结构 指示剂的透明度 红色区域对 pH值非常敏感 在绿色区域却与 pH值无关 Mins Fiber Optic Sensors 设计实例 绿光 (1 558nm)作为调制检测光，红光 (2 630nm)作参考光 L为试剂长度； pH pK， (pH酸碱度， pK酸碱平衡常数 ) 稳定性条件 光源和光探测器有足够高的 温度 稳定性 准确度 pH值在 7-7.4的范围内仪器具有 0.01的分辨率 血液的 pH值 采用不同的化学指示剂，可测量不同 pH值范围的溶液。 ( 1 0 )10 c LRk Mins Fiber Optic Sensors 光纤磷光传感器 原理 : 稀土磷光体 的磷光光谱随温度变化而改变 测量方法： 频谱不同的光电二极管 0.1 的分辨率，准确度为 滤光片 Mins Fiber Optic Sensors 传感头设计 Mins Fiber Optic Sensors 黑体温度计 非接触式测温技术：测量物体的 热辐射能 量 表面温度 探头结构 2 1 5 01( , ) 1 C TE T C e Mins Fiber Optic Sensors 光纤血气传感器 血气值 氧分压（ M） 二氧化碳分压（ pc） 氢离子浓度（ pH）