光纤光栅传感器技术基础光纤光栅传感器技术基础知识知识 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 (4 mm)纤芯 (50 mm)包层 (125 mm)涂覆层(250 mm)塑料保护层(1 mm)铠护金属保护层 (kevlar) (2 mm)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）芯层芯层包层包层入射光波入射光波 光纤传光原理光纤传光原理 —— 全反射全反射• • n1 1> > n2 2• • 入射角入射角>θ>θ1 23n2n1 光纤的分类 石英系列光纤（以石英系列光纤（以SiOSiO2 2为主要材料）为主要材料） 按光纤组成材料划分按光纤组成材料划分 多组分光纤（材料由多组成分组成）多组分光纤（材料由多组成分组成） 液芯光纤（纤芯呈液态）液芯光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤（以塑料为材料）塑料光纤（以塑料为材料） 阶跃型光纤（阶跃型光纤（SIFSIF））光纤种类光纤种类 按光纤纤芯折射率分布划分按光纤纤芯折射率分布划分 渐变型光纤（渐变型光纤（GIFGIF）） W W型光纤型光纤 单模光纤（单模光纤（SMFSMF）） 按光纤传输模式数划分按光纤传输模式数划分 芯径芯径 多模光纤（多模光纤（MMF MMF ）） 光纤的纤芯折射率剖面分布 2b 2b 2b 2c 2a 2a 2a n n n n1 n1 n1 n2 n2 n2 n3 0 a b r 0 a b r 0 a c b r （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光纤布喇格光栅的结构芯层芯层包层包层Λ Λ入射光波入射光波包层折射率包层折射率 n n2 2芯层折射率芯层折射率 n n1 1感光折射率感光折射率 n n选择选择性反射光波性反射光波 通信波段划分及相应传输媒介通信波段划分及相应传输媒介频率频率 Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空间波长（自由空间波长（m））电力、电力、无线电、电视无线电、电视微波微波红外红外可见光可见光双铰线双铰线同轴电缆同轴电缆光纤光纤卫星卫星/微波微波AM无线电无线电FM无线电无线电频段频段划分划分传传输输介介质质9 光纤布喇格光栅的制备（（印刷法）印刷法）印刷法）印刷法）相位掩模板相位掩模板芯层芯层包层包层+1+1级级-1-1级级 武汉理工大学11 中国科学院半导体研究所 按周期按周期大小大小划分为划分为布布拉拉格格光光栅栅（（FBGFBG：：Fiber Fiber Bragg Bragg GratingGrating，，周周期期小小于于1 1微微米米 ））长长周周期期光光栅栅（（LPGLPG：：Long Long Period Period GratingGrating，，周周期期大大于于1010微微米米））光纤光栅的分类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布拉格光栅的反射谱长周期光栅的透射谱长周期光栅的透射谱 光纤光栅的分类按按调调制制周周期期分分：：均均匀匀光光栅栅和啁啾光栅和啁啾光栅均匀光栅的折射率调制均匀光栅的折射率调制啁啾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均匀光栅的反射光谱啁啾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：取样光栅按取样方式分：相位取样光栅相位取样光栅幅度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折射率调制相位取样光栅的反射谱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折射率调制幅度取样光栅的反射谱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)(a) π π 相移位于光栅的中点相移位于光栅的中点 (b) π / 2 (b) π / 2 相移位于光相移位于光栅的中点栅的中点 光纤光栅的分类按按使使用用的的材材料料分分类类：：单单模模光光纤纤光光栅栅、、多多模模光光纤纤光光栅栅、、光光子晶体光纤光栅、保偏光纤光栅、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 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：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。
光光强强波波长长波波长长波波长长入射光入射光谱谱透射光透射光谱谱反射光反射光谱谱光光纤纤光光栅栅的光的光谱谱示意示意图图 F宽带光源光源－Σ可可调光光纤法法-珀腔珀腔滤波器波器压电单元元扫描波形描波形S S1 1S2S2S3S3SnSnS1S1S S2 2S S3 3S Sn n分 布 式光 纤 光 栅 传 感 机 理23 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(Wavelength Division Multiplexing: WDM)网络时分复用(Time Division Multiplexing: TDM)网络空分复用(Spatial Division Multiplexing: SDM)网络频分复用(frequency Division Multiplexing: FDM)网络相干复用(Coherence domain Multiplexing: 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、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，信噪比高频带频带资源资源有限有限，，复用复用传感器数量有一定的传感器数量有一定的限制限制 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；随着随着FBGFBG数目的增大，由于脉冲持续时间和空闲时间之数目的增大，由于脉冲持续时间和空闲时间之比比减小减小，，将导致信号清晰度和信噪比下降将导致信号清晰度和信噪比下降，，可复用的可复用的FBGFBG也要受到也要受到限制限制；；复用复用FBGFBG过多时，不能实时测量；过多时，不能实时测量；FBGFBG密度受限。
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缺点是功率利用效率较低较低不能同时监测所有光栅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Ø自动检测端面质量Ø自动对准纤芯与包层Ø自动调整熔接参数Ø自动放电Ø自动检测熔接质量Ø有缺陷自动报警Ø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熔接缺陷原因原因处理措施处理措施放放电电流流过大大端面端面间隔隔过小小减小放减小放电电流流适当增大端面适当增大端面间隔隔放放电电流流过小小端面端面间隔隔过大大增大放增大放电电流流适当减小端面适当减小端面间隔隔端面不整端面不整齐有有污物物熔接熔接电流流过小小重新制重新制备端面端面增大放增大放电电流流放放电时间过短短放放电电流流过小小增大放增大放电电流流增大放增大放电时间放放电时间过短短放放电电流流过小小推推进距离距离较小小减小放减小放电电流流适当增大端面适当增大端面间隔隔增大推增大推进距离距离 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Ø插入损耗Ø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 光光纤连接器的分接器的分类 活活动光光纤连接器的分接器的分类方法和方法和类型非常多，例如：型非常多，例如：l 按按传输媒介的不同：媒介的不同： 1、常、常见的硅基光的硅基光纤的的单模、多模模、多模连接器；接器； 2、其它媒介如塑胶等、其它媒介如塑胶等为传输媒介的光媒介的光纤连接器接器l 按按连接接头结构型式：构型式： FC、、SC、、ST、、LC、、D4等等各种型式等等各种型式l 按光按光纤端面形状：端面形状： PC、、UPC和和APC型型l 按光按光纤芯数：芯数： 单芯、多芯（如芯、多芯（如MT-RJ）型光）型光纤连接器接器3、不同、不同类型型连接器的接器的应用用场合合 n 长距离通信（如骨干网）：距离通信（如骨干网）：FC、、SC；；n 短距离的通信（用短距离的通信（用户和局域网）：和局域网）：SC、、ST；；n 多芯光多芯光纤连接器一般只能用于局域网。
接器一般只能用于局域网 SC型单模光纤活动连接器型单模光纤活动连接器 FC/APC型单模光纤活动连接器型单模光纤活动连接器 在在这种种结构中，两个插构中，两个插针体端面被磨成体端面被磨成8°倾斜，使反射波斜，使反射波不能沿入射波的反方向前不能沿入射波的反方向前进而是逃逸到光而是逃逸到光纤之外，因此，之外，因此，FC/APC单模光模光纤活活动连接器的反射接器的反射损耗可达到耗可达到60dB以上，而以上，而最小插入最小插入损耗可达到耗可达到0.3dB 三种三种应用广泛的活用广泛的活动光光纤连接器接器 （（1））FC型型 圆形套筒螺形套筒螺纹结构，使用构，使用时需要旋需要旋转金属金属转换器来使两个接器来使两个接头固定固定在一起 图 1.10 （（2））SC型型 日本日本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型型 由由AT&T公司开公司开发，采用，采用圆形的卡口式形的卡口式结构，在构，在连接的接的时候需要将外面的候需要将外面的转换器旋器旋转大大约半圈。
半圈图 1.12 PC/APC 根据光根据光纤端面在加工的端面在加工的时候端面和光候端面和光纤轴线之之间的关系，可以的关系，可以把端面分成平面型（把端面分成平面型（PC）和斜面型（）和斜面型（APC）两种 PC：加工：加工简单APC：回波：回波损耗耗较大，可有效抑制回波大，可有效抑制回波6、各种活、各种活动光光纤连接器接器图片片 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Ferrule Connector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 型由日本型由日本NTT公司开发的光纤连接器其外壳呈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矩形，所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相型完全相同，其中插针的端面多采用同，其中插针的端面多采用PC或或APC型研磨方式；紧固方型研磨方式；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 型由日本型由日本NTT公司开发的光纤连接器公司开发的光纤连接器 ST 型光纤跳线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光纤跳线即倾斜光纤跳线即倾斜8度度;研磨用插芯研磨用插芯（（Angled PC Optical Connectors）这是日本精工技研发明）这是日本精工技研发明的插芯形状，被认定为世界标准相比较的插芯形状，被认定为世界标准相比较UPC或或PC型，有较型，有较低的插入损耗和高的回波损耗低的插入损耗和高的回波损耗 SC（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，光纤活动连接器的端面接触方式有多种方式，APC光纤跳线光纤跳线;研磨用插芯（研磨用插芯（Angled PC Optical Connectors））这是精工技研发明的插芯形状，被认定为世界标准相比较这是精工技研发明的插芯形状，被认定为世界标准相比较UPC或或PC型，有较低的插入损耗和高的回波损耗型，有较低的插入损耗和高的回波损耗 LC（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： LC型连接器是著名型连接器是著名Bell（贝尔）研究所研究开发出来的，（贝尔）研究所研究开发出来的，采用操作方便的模块化插孔（采用操作方便的模块化插孔（RJ）闩锁机理制成。
其所采用的）闩锁机理制成其所采用的插针和套筒的尺寸是普通插针和套筒的尺寸是普通SC、、FC等所用尺寸的一半，为等所用尺寸的一半，为1.25mm它压缩了整个网络中面板、墙板及配线箱所需要的它压缩了整个网络中面板、墙板及配线箱所需要的空间目前，在单模空间目前，在单模SFP方面，方面，LC类型的连接器实际已经占据类型的连接器实际已经占据了主导地位，在多模方面的应用也增长迅速连接器了主导地位，在多模方面的应用也增长迅速连接器 MU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： MU（（Miniature unit Coupling）连接器是以目前使用最多的）连接器是以目前使用最多的SC型连接器为基础，由型连接器为基础，由NTT研制开发出来的世界上最小的单芯光纤研制开发出来的世界上最小的单芯光纤连接器，连接器外部件为精密塑料件，包含推拉式插拔卡紧机构连接器，连接器外部件为精密塑料件，包含推拉式插拔卡紧机构该连接器采用该连接器采用1.25mm直径的套管和自保持机构，其优势在于能实直径的套管和自保持机构，其优势在于能实现高密度安装。
利用现高密度安装利用MU的的l.25mm直径的套管，直径的套管，NTT已经开发了已经开发了MU连接器系列随着光纤网络向更大带宽更大容量方向的迅速发连接器系列随着光纤网络向更大带宽更大容量方向的迅速发展和展和DWDM技术的广泛应用，对技术的广泛应用，对MU型连接器的需求也将迅速增长型连接器的需求也将迅速增长 MTRJ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： MTRJ连接头是采用连接头是采用AMP公司专利生产的连接头，连接公司专利生产的连接头，连接稳定可靠稳定可靠MTRJ 型光纤跳线由两个高精度塑胶成型的连接器型光纤跳线由两个高精度塑胶成型的连接器和光缆组成连接器外部件为精密塑胶件，包含推拉式插拔卡和光缆组成连接器外部件为精密塑胶件，包含推拉式插拔卡紧机构 D4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： D4连接器是旧款的连接器的一种，带有定位环和压力控制弹簧。
插针直径为2.0mmD4压接型连接器的主体为黄铜镀镍材料，并可选择多种颜色的尾套D4适配器也已经有厂家提供 E2000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： E-2000连接器系列是少有的几种装有弹簧闸门的光纤连接器， 并不受到磨损当拔出连接器时，闸门就会自动关闭，可以保护插针不受灰尘的污染，因此保护了因网络故障和有害激光造成的损害连接器易安装，有推拉锁紧设置，当它完全插入时，会听到“ 喀“的一声 E-2000连接器有单模和多模，两种都是PC端面另一种产品是被研磨成角度8度的APC根据需要，也有紧凑型号，供高密度环境使用安全高速传送弹簧闸门保护氧化锆陶瓷插针推拉锁紧设置，易安装，具有颜色编码 SMA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： SMA型光纤连接器用于局域网（LAN）、低速系统、布线安装和测试设备 常用活动连接器活动光纤连接器习惯指：两个连接插头+转换器跳线：一根光纤两端装上插头•FC——插入损耗最小，我国有FC的标准•SC-NTT，矩形截面，无需螺纹锁定，体积小，适用多芯光缆安装•ST-插入损耗大，回波损耗小，价格低 各种跳线 各种跳线 各种跳线 光纤耦合器•定义：能使传输中的光信号在特殊结构发生耦合，并再进行分配的器件•作用：减少光纤用量和连接头的数量• 传感：分束和混合光信号的双重作用•分类： 光纤耦合器•分类： 光纤耦合器 光纤耦合器 光纤耦合器 光 纤 光 栅 传 感 器 的 优 点* * 光学数字传感器，长期稳定性好。
光学数字传感器，长期稳定性好光学数字传感器，长期稳定性好光学数字传感器，长期稳定性好抗干扰性强，可靠性抗干扰性强，可靠性高，特别适合工程测量高，特别适合工程测量 * 光纤光栅尺寸小，集传感与传输于一体光纤光栅尺寸小，集传感与传输于一体光纤光栅尺寸小，集传感与传输于一体光纤光栅尺寸小，集传感与传输于一体易于制作及埋易于制作及埋 入材料结构内部，且入材料结构内部，且影响小，影响小，适用各种工程应用场合适用各种工程应用场合 * 传感精度和灵敏度高传感精度和灵敏度高传感精度和灵敏度高传感精度和灵敏度高, , , , 能进行精确定位能进行精确定位能进行精确定位能进行精确定位 * 可分布测量，可分布测量，可分布测量，可分布测量，便于构成各种形式的光纤传感网络和阵列便于构成各种形式的光纤传感网络和阵列 * * 可对外界多参量的绝对测量可对外界多参量的绝对测量可对外界多参量的绝对测量可对外界多参量的绝对测量（在对光栅进行标定后）在对光栅进行标定后） * 传感信号可远距离传输，传感信号可远距离传输，传感信号可远距离传输，传感信号可远距离传输，便于实现实时、测量便于实现实时、测量 * 使用方便、简单。
使用方便、简单77 2016.03.21欢迎批评指正！谢谢！许红彬 15833113800xuhongbin@ 。