常用的五类光纤传感器基本原理解析 根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传感器都可再分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。 1）强度调制型光纤传感器 基本原理是待测物理量引起光纤中传输光光强的变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。恒定光源发出的强度为I的光注入传感头，在传感头内，光在被测信号的作用下其强度发生了变化，即受到了外场的调制，使得输出光强的包络线与被测信号的形状一样，光电探测器测出的输出电流也作同样的调制，信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号。 这类传感器的优点是结构简单、成本低、容易实现，因此开发应用的比较早，现在已经成功的应用在位移、压力、表面粗糙度、加速度、间隙、力、液位、振动、辐射等的测量。强度调制的方式很多，大致可分为反射式强度调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等等。一般反射式强度调制、透射式强度调制、折射率强度调制称为外调制式，光模式称为内调制式。但是由于原理的限制，它易受光源波动和连接器损耗变化等的影响，因此这种传感器只能用于干扰源较小的场合。 2）相位调制型光纤传感器 基本原理是：在被测能量场的作用下，光纤内的光波的相位发生变化，再用干涉测量技术将相位的变化转换成光强的变化，从而检测到待测的物理量。相位调制型光纤传感器的优点是具有极高的灵敏度，动态测量范围大，同时响应速度也快，其缺点是对光源要求比较高同时对检测系统的精密度要求也比较高，因此成本相应较高。 目前主要的应用领域为：利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器；利用赛格纳克效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)等。
岩体力学复习提纲 一．概念题 1．名词解释： 【（1）岩石；（2）岩体；（3）岩石结构； （4）岩石构造；（5）岩石的密度；（6）块体密度； 【（7）颗粒密度；【（8）容重；【（9）比重； 【（10）孔隙性；【（11）孔隙率；（12）渗透系数；【（13）软化系数；【（14）岩石的膨胀性；（15）岩石的吸水性；（16）扩容；（【17）弹性模量；（18）初始弹性模量；（19）割线弹性模量；（20）切线弹性模量；（21）变形模量； （22）泊松比；（23）脆性度；【（24）尺寸效应； （25）常规三轴试验；（26）真三轴试验；【（27）岩石三轴压缩强度；（28）流变性；【（29）蠕变；（30）松弛； 【（31）弹性后效；【（32）岩石长期强度；（33）强度准则。 【2．岩石颗粒间连接方式有哪几种？ 【3．何谓岩石的水理性？水对岩石力学性质有何影响？ 【4．岩石受载时会产生哪些类型的变形?岩石的塑性和流变性有什么不同?从岩石的破坏特征看，岩石材料可分为哪些类型？ 5．岩石在单轴压缩下典型的应力—应变曲线有哪几种类型，并用图线加以说明。 6．简述循环荷载条件下岩石的变形特征。 7．简述岩石在三轴压缩条件下的变形特征与强度特征。 【8．岩石的弹性模量与变形模量有何区别？ 【9．岩石各种强度指标及其表达式是什么？ 10．岩石抗拉强度有哪几种测定方法？在劈裂法试验中，试件承受对径压缩，为什么在破坏面上出现拉应力破坏？ 11．岩石抗剪强度有哪几种测定方法？如何获得岩石的抗剪强度曲线？ 12．岩石的受力状态不同对其强度大小有什么影响？哪一种状态下的强度较大？ 13．简述影响岩石单轴抗压强度的因素。 14．岩石典型蠕变可划分为几个阶段，图示并说明其变形特征？ 15．岩石流变模型的基本元件有哪几种？各有何特征？
1109020225 周传兴 传感器结构原理 图1-1 基于细芯光纤的全光纤M-Z干涉仪结构示意图 光在SSMF内传播时只存在基模一个模式，光的能量基本被约束在芯层内。由于光纤的芯层直径是决定光传输模式状态的一个重要参数，不同芯径的光纤对光的约束能力不同，因此当光传播到SSMF和TCF交界面的时候，光传输的截止条件发生改变，一部分光被激发为高阶模式的光，和芯层模式光一起，在TCF内传播。到达另一个SSMF和TCF交界面的时候，一部分被激发光重新耦合回芯层，并与芯层的基模光发生干涉，由于不同模式光的有效折射率不同，因此干涉的两束光具有不同的光程差，因此干涉强度随着波长有强弱变化的关系。通过探测干涉条纹某个干涉峰的波长信息，就能找到其变化与环境参量变化之间的关系。奇数阶模式既存在芯层的分量又存在包层的分量。在SSMF中，能量几乎都集中在包层内，而在TCF中，包层的分量被压缩到很小的程度，能量几乎都集中到芯层。这决定了在第二段SSMF芯层内发生干涉时，高阶模分量的能量被大大提升，发生干涉的两束光的能量差被拉近，因此，得到的干涉条纹将有比较好的对比度，很可能得到很深的干涉极小点。TCF中高阶模式这种能量分布情况，会减少基模和高阶模式的有效射射率差，因此得到干涉条纹的自由光谱范围就会比较大，因此得到清晰，单一的干涉图样，能够作为一种简单的带阻滤波器。另外，在该传感器的应用中，也会有较大的工作范围。 在图1-1所示的第二段SSMF处获得的干涉条纹，其干涉峰的位置可以由式1-1得出： （1-1） 式中，是光纤芯层的有效折射率，和光的波长有关；是第j阶包层模式的有效折射率，它不仅和入射光波长有关，而且其受到外界折射率影响；L是插入的TCF的长度； 干涉峰的中心波长。式子表示了当芯层光和包层光传播了距离L以后，引入的光程差为干涉峰中心波长一半的奇数倍。 对式1-1做微分计算，就可以得到中心波长对于外界环境折射率和温度变化的响应：
光纤传感器的制作工艺及工程应用研究 陈涛 深圳太辰光通信股份有限公司广东深圳518040 摘要：光纤传感器是以光纤为基础制作的新型传感器设备，具有抗电磁干扰能力强、电绝缘性好、耐腐蚀、测量范围广、体积小以及传输容量大等优点，常用于检测位移、温度、偏振、压力等，现代光纤传感器能在高压环境下代替人工完成作业，因此被广泛用于医疗、交通、电力、机械、航空航天等各个领域。如今光纤传感技术的应用推动通信技术的飞速发展，在众多产业有重要的地位。基于此，本文将着重分析探讨光纤传感器的制作工艺及其应用要点。 关键词：光纤传感器；制作；应用 1、光纤传感器基本原理概述 光纤传感器主要分为传感型和传光型等两类，其中传感型的传感器主要是利用被测对象的物理和化学的状态变化来引起光纤传输特性的变化，并通过传光特性来检测光纤中所传输光波的强度、相位等的变化，最终确定被测对象的状态。而传光型的传感器主要是利用被测对象的状态变化，引起光变换器件工作状态的变化，通过利用传光特性来检测光变换器中光纤所传输光波参数的变化，最终确定被测对象的状态。 1）典型的光纤传感器光源有发光二极管和半导体激光器；白炽灯也可用于某些化学传感器。2）光纤包括石英光纤、玻璃光纤和塑料光纤，其中石英光纤和玻璃光纤主要用于红外波段，塑料光纤则主要用于可见光波段；在某些传感器中还需要用专门研制的特殊光纤。3）光纤器件是为了使信号被限制在纤芯范围内传输，或是为了改变光的某些参数使其更适合于测量的部件，典型的光纤器件有光纤耦合器、滤波器、衰减器等，在一些简单的光纤传感器中有时没有光纤器件。4）传感元件是根据被测信号来调制光纤传输光参数的部件，它有时候是光纤本身，如拉曼散射式光纤温度传感器。5）探测器是用来对光信号进行检测的器件，一般包括光电二极管、光电三极管、光电池、光电雪崩二极管、光电倍增管等。6）信号处理单元接收光电探测器输出的电信号，将其还原为被测信号，
大学物理实验 光纤技术专题实验 学院 班级 学号 姓名 教师张丽梅 首次实验时间2012年9月17日
浅谈反射式强度型光纤传感器 摘要：本文通过物理实验的经历和收获和查阅相关资料，简要地论述了反射式强度型光纤传感器的工作原理，以及国内外对该类传感器研究现状，指出其存在的问题和解决方法。 关键词：反射式光纤传感器，反射面，强度调制，研究，发展趋势 1引言 通过光纤技术专题实验，我对光纤的结构和一般性质，光纤的耦合、传输及传感特性有了一定的了解，尤其是在做第三个实验“光纤传感”时，对反射式强度型光纤传感器产生了浓厚的兴趣。通过查阅资料等手段，写下了这篇浅显的论文。 2反射式强度型光纤传感器及其原理 反射式强度型光纤传感器（RIM-FOS:Reflective Intensity Modulated Fiber Optic Sensor）具有原理简单、设计灵活、价格低廉等特点，并已在许多物理量
( 如位移、转速、振动等) 的测量中获得成功应用。其结构原理如图1。 图2 与传统传感器是以机- 电测量为基础相比,，光纤传感器则以光学测量为基础。从本质上分析, 光就是一种电磁波, 其波长范围从极远红外的1nm 到极远紫外线的 10nm。电磁波 的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此, 在讨论光的敏感测量时必须考虑光的电矢量E 的振动。通常用下式表示:E=Asin( ωt+")
式中A—电场E 的振辐矢量; ω—光波的振动频率;"— 光的相位; t—光的传播时间。由上式可见, 只要使光 的强度、偏振态( 矢量A的方向) 、频率和相位等参量 之一随波测量状态的变化而变化, 或者受被测量调制, 那么, 我们就有可能通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位的调制等进行解调, 获得我们所需要 的被测量的信息。最简单的反射式强度型光纤传感 ( RIMFOS)由光源、发送光纤、接收光纤、反射面以及 光电探测器组成.在图一中S 为光源, D 为检测器。光 源S 发出的光经发送 光纤束全反射传播, 到达反射面( 被测物) , 射 进入接收光纤束再次全反射传播到达检测器D, 测器D 输出相应的电信号U0。 U0=f( d) 在光纤芯半径r、光纤的数值孔径NA、反射面、 检测器已确定情况下, 输出电压U0 只是位移d 的函数。所以通过分析输出电压U0, 可以得到相应位移d的数值, 这样可以实现非接触微小位移的精密测量。
本技术公开了一种基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，包括激光器模块、高速气流模块、信号采集和数据处理模块以及上位机，激光器模块发射的两路激光位于高速气流流速方向的同一侧，一路顺着高速气流流速方向，一路逆着高速气流流速方向，均和高速气流流速不成90°夹角，位于高速气流后方的信号采集和数据处理模块接收并处理高速气流的吸收光谱二次谐波信号，得到高速气流信息。本技术操作简单、测量精度高，能消除背景信号、激光强度波动和光电放大系数等因素的影响，解决了目前高速气流中测量需要直接接触气体源导致气流受到干扰的难题，能够用于高温、高流速、振动等恶劣环境的检测，从而拓宽了WMS技术的应用范围。 权利要求书 1.一种基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，包括有激光器模块、高速气流模块、信号采集和数据处理模块以及上位机，其特征在于：所述激光器模块包括激光器、激光器驱动电路、控制激光器驱动电路的信号调制和扫描电路、加法电路；还包括设置在激光器输出激光光路上的分束器、两路准直器；所述信号采集和数据处理模块包括位于准直器焦点上的探测器、依次连接探测器的放大电路、信号采集电路和数据处理模块，还包括信号采集控制模块；所述信号调制和扫描电路、激光器驱动电路以及信号采集电路连接信号采集控制模块；所述数据处理模块位于上位机软件内；所述信号调制和扫描电路的输出信号经加法电路处理后作用到激光器驱动电路上，激光器驱动电路控制激光器输出激光，激光器输出激光经分束器和两路准直器器后，位于高速气流流速方向的同一侧，一路顺着高速气流流速方向，一路逆着高速气流流速方向穿过气流，均和高速气流流速不成90°夹角，之后被信号采集和数据处理模块接收，信号采集和数据处理模块接收并处理通过高速气流得到的高速气流吸收光谱二次谐波信号，得到高速气流信息。 2.根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，其特征在于：还包括连接信号采集电路的标准具，对激光器扫描波长进行标定。 3.根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，其特征在于：所述信号调制和扫描电路包括函数信号发生器，用于向加法电路输出选定频率、幅值、相位的正弦波调制信号和锯齿波扫描信号；所述激光器驱动电路包括温度控制电路和电流驱动电路，采用ITC102激光器驱动器，该激光驱动器利用加法电路输出信号控制激光器的输出激光波长与频率，所述激光器为Nanoplus公司的DFB激光器，其输出激光为探测氧气用的波长761nm激光，或探测水汽用的波长1392nm激光。 4.根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，其特征在于：所述高速气流模块为超音速风洞，所述超音速风洞的试验段设置有一个观测窗口，所述观测窗口的两侧分别放置有准直器和探测器。 5.根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，其特征在于：所述的分束器为两等分功率光分束器。 6.根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，其特征在于：所述的信号采集电路采用德国Spectrum公司M2i.4021采集卡， 该采集卡为12位位宽，最高采用速率20Msps。
总第173期2018年第1期 山西化工 SHANXI CHEMICAL INDUSTRY Total 173 No. 1，2018 111DOI：10. 16525/https://www.doczj.com/doc/b46728047.html, l4-1109/tq. 2018. 01. 19基于波长调制光谱技术的在线激光氧气传感器 刘云\王伟峰2%付作伟3 (1.山西省环境监控中心，山西太原030024; 2.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安710054; 3.中创精仪（天津）科技有限公司，天津 300384) 摘要：基于可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS)技术，以中心波长为760. 3 nm的垂直腔面发射激光器 (VCSEL)为核心，开发了一款能快速、灵敏、实时、在线地监测氧气浓度的传感器。根据锁相放大模块对 调制的吸收信号进行解调，得到二次谐波（2f)信号幅值与02浓度的线性函数关系，通过实验数据对该 传感器进行验证。实验分析结果表明，该传感器的线性和抗干扰性均满足要求，响应时间为9 s，最佳积 分时间为18 s，对应的检测限低至质量分数78 X1(T6。该非接触式高灵敏度的在线激光氧气传感器能 实时检测开放光程下的氧气浓度，可应用于对氧气浓度检测要求较高的工业现场，对能源利用率的提高 及生产生活安全的保障意义重大。 关键词：可调谐激光吸收光谱；氧气传感器；在线；开放光程 中图分类号:0652.2 文献标识码:A文章编号：1004-7050 (2018) 01 -0054-04 引言 氧气（〇2)是人类生存的必须条件，其含量与人 体的舒适度、燃料燃烧和安全生产等密切相关。在 低氧环境中，人们会感到头晕、呼吸困难等。作为燃 烧过程的必要气体，一定浓度的〇2能够使可燃物燃 烧更完全，提升能源利用率，从而节约能源并减少环 境污染。工业生产时，需对生产现场内的〇2浓度实 时监测，实现安全生产。例如，煤矿工业的地下作业 时，矿井中的〇2浓度超过安全范围，就有可能引发 爆炸[1]，严重威胁现场人员的生命安全[2]。因此，实 时在线监测氧气的浓度对于提高能源利用率、环境 保护及保障安全生产等方面意义重大。 一直以来，人们对于〇2的检测方法进行了广泛 研究。根据检测原理差异，主要分为顺磁性[3]、原电 池[4]、氧化锆[5]以及光纤[6]等几种传感器，这些检测 方法均涉及化学反应，消耗〇2的同时对设备产生较 大损耗，在线监测误差较大。此外，利用化学方法进 行氧气浓度的检测，灵敏度较低，无法满足实际要 收稿日期：2017-12-19 基金项目：国家自然科学基金青年项目（51504186);陕西省自然科学基础研究计划（2017JM5114)。 作者简介：刘云，男，1978年出生，2002年毕业于北京电力管理干部学院，工程师，现从事污染源在线监控工作。 通讯作者：王伟峰，男，副教授，硕士生导师。求。实际的工业燃烧及煤矿开采现场，气体浓度处 于不断变化中，稍有差池可能酿成大祸，故实时在线 监测氧气浓度有助于减少不必要的损失。因此，探 索一种能满足较高时间分辨率和较高灵敏度的方法 来完成实时在线监测〇2浓度的方法十分必要。 随着激光探测及光谱分析技术的不断发展[7_8]，考虑到在近红外波段氧气的独特吸收特征，基于可 调谐激光吸收光谱技术（TDLAS)的高灵敏度和实 时快速的特征，本文设计制造了一种以TD LA S技 术为理论基础的实时监测氧气浓度的传感器系统，能够满足开放光路上实时监测环境中的〇2浓度，并 能满足稳定快速及高灵敏度等检测要求。 1波长调制光谱技术原理 利用波长调制光谱（WMS)技术搭建系统监测 痕量气体的浓度时，可以减弱光强变化和其他环境 因素的影响，故常用于检测微弱信号。根据朗 伯-比尔定律，一束调制后强度为L U)的激光信号 穿透吸收系数为的待检测氧气样本时，入射光 强1。（0与透射光强K O的关系可用式(1)表述。 K O = i〇⑴e x p[ — a〇)C L](1)式中：C为待测样本的浓度值;L为通过待测样 本中的入射光的光程。 假定入射光的线宽与气体吸收线的线宽（本文 中所使用的分布反馈式（DFB)激光器的线宽为
Vol 3 9 , No. 9,pp 2 70 2 - 2 707 September ! 019 第39卷，第9期2 0 1 9年9月 光谱学与光谱分析 SpectroscopyandSpectralAnalysis 基于波长调制技术的激光器调制特性研究 张步强1!，许振宇X刘建国X夏晖晖1!范雪丽X聂 伟1!，袁 峰"，阚瑞峰1 1.中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，安徽合肥2 30031 2 ?中国科学技术大学，安徽合肥2 300 2 6 摘 要 在流场诊断技术中!可调谐半导体吸收光谱技术(TDLAS)成为主要的诊断技术之一 !其可实现非 接触、原位检测％波长调制(WMS)和直接吸收(DA)是两种最常用的TDLAS 气体传感方法，在目标含量很 低或者极端流场环境下，波长调制技术呈现出更多的优势，检测灵敏度与直接吸收相比可以提高1?2个数 量级％在近红外波长调制技术应用领域，分布反馈式(DFB )半导体激光器成为流场诊断技术的光源选择之 一，无论利用谐波信号(或者归一化谐波信号)的线型拟合，还是选择谐波信号的峰值来反演流场参数，吸收 模型的准确建立均十分重要％在模型建立时！激光器频率-时间响应以及光强-时间响应的准确表示尤为重 要％为解决吸收模型准确建立问题！提出了 一种准确测量激光器调制参数的完整方法！通过实验测量了用于 探测水汽吸收的1 39 2和1 469 nm 激光器的调制特性，研究了分布反馈式激光器的调制参数随调制幅度， 调制频率以及工作温度的变化％根据该方法得到的调制参数，建立吸收模型，测得常温下空气中水汽浓度为 1.97% !直接吸收方法测得浓度为1.99% !验证了该测量方法的准确性％研究表明!调制深度随调制幅度的 增加线性增加！随调制频率的增加非线性单调减小！随工作温度的升高线性增加；激光器的出光强度和频率 同时被调制！强度变化超前频率变化的相位！随调制幅度的变化不明显！随调制频率的增加单调增加！随工 作温度的升高单调减小；归一化一次谐波振幅和二次振幅均随调制幅度的增加而增加！随调制频率的增加 而减小！随工作温度的变化不明显％在吸收光谱应用领域！波长调制技术发挥的作用愈加重要！调制系数与 谐波信号的峰值息息相关！在波长调制技术应用时！选取适当的调制参数！有利于得到合适的谐波信号！可 通过改变调制幅度、调制频率、工作温度得到最优调制系数％研究了近红外分布反馈式半导体激光器的调制 特性！该方法同样适用于不同封装和不同波段激光器调制特性的研究！利于推广吸收光谱技术在各领域的 应用％ 关键词 TDLAS ；波长调制；调制深度；调制幅度；DFB ；吸收模型 中图分类号：O433.1 文献标识码：A DOI ： 10. 3964issn.1000-0593(2019)09-2 70 2-06 引言 可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorp -tion spectroscopy, TDLAS)技术是一种非侵入式光谱测量技 术！具有高选择、高灵敏度、高分辨、信号高保真)12*的特 点；可以同时检测气体的浓度、温度、压强、流速等多参数 流场信息当前被广泛应用在燃烧流场诊断，环境监测, 农业生产等领域45*%其技术主要分为直接吸收(direct absorption, DA)和波长调制(wavelength modulation spec -troscopy, WMS)两种主要技术手段，直接吸收技术主要应用 在吸收较强，所选吸收线相对孤立，受临近干扰吸收比较 弱，信噪比较大的情况对于较弱的吸收，难以获得高的 信噪比；或者在压力升高以后，目标分子本身的展宽变大, 谱线之间相互重叠严重，基线选取困难，非洛伦兹效应变得 严重而波长调制技术对非洛伦兹效应不敏感，由于其本 质是提取快变化特征，对因高压下展宽引起的吸收本底抬升 不敏感, 利于高压流场测量, 该技术更有利于解决这些情况 下的流场参数反演问题其广泛应用在高压燃烧系统(燃 气轮机、内燃机、煤气化炉、爆型燃烧器等91巧检测中％ 在波长调制技术中，波长(频率)被调制的同时，强度也 被调制，调制深度(modulation depth)是主要的参数之一％调 制幅度(高频调制信号峰峰值),调制频率和工作温度都对其 产生影响，并且影响频率调制相对强度调制的相位延迟，同 收稿日期：2 018-07-07,修订日期：2 018-11-2 0 基金项目：国家重点研发计划项目(016YFC0 2 01104)资助 作者简介：张步强！ 1989年生！中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室博士研究生 e-mail : bqzhmg@https://www.doczj.com/doc/b46728047.html,
第５４卷第１０期２００５年１０月１０００．３２９０／２００５／５４（１０）／４６３８．０５物理学报 ＡＣ７ｒＡＰＨＹＳＩＣＡＳＩＮＩＣＡ Ｖ０１．５４，Ｎｏ．１０，Ｏｃｔｏｂｅｒ，２００５ ＠２００５Ｃｈｉｎ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｅ． 信号处理改善波长调制光谱灵敏度的实验研究＊ 邵杰１’２’＋高晓明１’２’袁怿谦１’杨颢２’曹振松１’２’裴世鑫２’张为俊２’１’（中国科学院安徽光学精密机械研究所国家八六三计划大气光学重点实验室，合肥２３００３１） ２’（中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光谱学实验室，合肥２３００３１） （２００４年１２月ｌＯ日收到；２００５年１月２５日收到修改稿） 基于可调谐半导体激光吸收光谱，提出了一种新的信号处理方法用于提高吸收光谱测量的灵敏度．研究结果表明：采用信号处理（ＤＳＰ）可以使波长调制光谱的信噪比提高一个数量级，且测量ｃ０２分子的时候发现一条新谱线．这些信号处理包括多次平均、数字低通滤波以及最ｄｘ－－乘法拟合．由于该方法不需要增加设备的复杂性，所以比其他噪声抑制技术更容易在实验中实施、有更实际的应用价值． 关键词：波长调制，信号处理，半导体激光器，吸收光谱 ＰＡＣｅ：０７６５Ｇ，４２２５Ｂ，４２８０，４２６０Ｆ １．引言 可调谐二极管激光器吸收光谱是灵敏度高、选择性好、响应时间快的一种痕量气体分析方法之一ＨＪ．同时由于最近几年光通讯的迅速发展，使得半导体激光器性能稳定可靠、易调谐、价格适中等特点，因此作为近年来发展起来的一种新型的激光光谱分析法，已经被广泛应用于环境检测、大气科学、痕量分析、光谱测量等领域卜５｜，结合波长调制技术的探测极限可以达到１０～一１０。７的吸收单位№１．虽然原理上认为波长调制光谱仅仅受量子噪声源的制约，而实际上同时也受其他干扰噪声的影响，如：电子噪声、残余振幅调制ｎ１、激光超噪声、标准具干涉效应等ｎ］．目前有各种各样的实验技术用来抑制这些噪声源，如：采用差分电路旧Ｊ、振动［１引、高次谐波探测Ⅲ１等，然而数字信号处理技术在这方面受到很少关注．由于快速数据采集系统的发展以及不昂贵的个人计算机结合适时数字信号处理技术，使可调谐半导体激光光谱仪的灵敏度进一步提高成为可能． 本文讨论了把ＤＳＰ（多次平均、数字带通滤波以及最小二乘法拟合）应用到波长调制光谱技术中，发现波长调制吸收光谱的二次谐波信号灵敏度大大提高，同时选择合适的调制频率使得光谱分辨率也大大提高．而且利用该技术提高波长调制灵敏度有易实施、易更新、不需要增加或改动设备等优点，不失为一种简单、高效的方法． ２．波长调制原理 光通过介质时部分被吸收，由于气体分子的吸收对光谱具有选择性，而且与吸收系数、物质的浓度、通过吸收介质的长度有关，在没有饱和的弱吸收情况下其透过光强满足Ｂｅｅｒ－Ｌａｍｂｅｒｔ法则ｎ２＿１５｜： ，（ｖ）＝，０ｅ一却，（１）其中厶，，分别为激光输入光强和透射光强，仃为气体样品的吸收截面，三为吸收样品的光学长度，Ｊ０为样品的密度． 当激光发射波长在中心波长ｖ。处以调制频率∞。进行调制时，则激光发射波长的瞬时频率为ｖ＝ｖ。＋３ｖｃｏｓ（∞。ｔ），０＂１，１为调制振幅，则通过吸收滞后的激光强度可以表达成余弦Ｆｏｕｒｉｅｒ级数： ，（ｙ，ｔ）＝＞：Ａ。（ｖ）ｃｏｓ（砌。ｔ），（２） ：面 上式中的Ａ。（对／７，＞Ｏ）是不同谐波成份，它可 。国家高科技发展计划激光技术领域基金（批准号：２００２ＡＡ８２５１００）资助的课题＋通讯联系人．Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈａｏｊｉｅ＠ａｉｏｆｍ．ａｃ．ｃｎ
第一章光纤传感器 1.1 概论 1.1.1 光纤传感器技术的形成及其特点 （1）来源 上世纪70年代发展起来的一门崭新的技术，是传感器技术的新成就。 最早用于光通信技术中。在实际光通信过程中发现，光纤受到外界环境因素的影响，如：压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。 （2）特点 灵敏度高、结构简单、体积小、耗电量少、耐腐蚀、绝缘性好、光路可弯曲，以及便于实现遥测等。 1.1.1 光纤传感器的组成与分类 （1）组成 光纤、光源、探测器 （2）分类：一般分为两大类 功能型传感器：利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器。 只能用单模光纤构成。 传光型传感器：光纤仅仅起传输光波的作用，必须在光纤端面或中间加装其它敏感元件才能构成传感器。主要由多模光纤构成。 （a）功能型（b）传光型 图1-1 光纤类型 根据对光调制的手段不同，光纤传感器分为：强度调制型、相位调制型、频率调制型、偏振调制型和波长调制型等。 根据被测参量的不同，光纤传感器又可分为位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动、应变、电压、电流、磁场、化学量、生物量等各种光纤传感器。 举例： 功能型：测温等 传光型：光纤血流计
1.2 光导纤维以及光在其中的传输 1.2.1 光导纤维及其传光原理 (1)芯子：直径只有几十个微米；芯子的外面有一圈包层，其外径约为：m μ200100－ (2)数值孔径：2221max sin n n NA -==θ (3)光纤（或激光）的模：包括横模和纵模 激光的横模：光束在谐振腔的两个反射镜之间来回反射将形成各种光程差的光波存在，这些光波的相互干涉可能使振动加强或减弱。但是只有那些加强的光波才有可能产生振荡。显而易见，这些光波的位相差??必须是π2的整数倍，即 N π?2=? ? ?—光波在谐振腔中经过一个来回时的位相差。同时又知道： λ ?n L 2= ? L —谐振腔的长度； n —腔内介质的折射率； λ—激光波长。 根据上面两个式子得出符合谐振条件的光波波长为 N nL 2N =λ 或谐振频率为 nL Nc 2N = υ 激光的纵模：原则上谐振腔内可以有无限多个谐振频率，每一种谐振频率代表一种振荡方式，成为一个模式。对轴向稳定的光场分布模式通常称为轴模或纵模。 光纤的纵模：沿着芯子传输的光，可以分解为沿轴向与沿界面传输的两种平面波成分。因为沿截面传输的平面波是在芯子与包层的界面处全反射的，所以，每一往复传输的相位变化是π2整数倍时，就可以在界面内形成驻波。像这样的驻波光线组又称为“模”。 “模”只能离散地存在。就是说，光导纤维内只能存在特定数目的“模”传输光波。如果用归一化频率υ表达这些传输模的总数，其值一般在4222υυ—之间。归一化频率 λ πυa N A 2= 能够传输较大υ值的光纤成为多模光纤；仅能传输υ小于2.41的光纤称为单模光纤。二者都称为普通光纤。υ越小，越容易实现单模。
光纤传感器调研报告 胡昆仑5080309785 摘要：本文将就光纤传感器作一份较为详细的调研报告，主要介绍光纤传感器的基本知识，以及一些典型光纤传感器（包含已经投入生产以及研究中）基本原理，为本学期毕业设计作好准备工作。 关键词：光纤，振动，传感器，原理 一、光纤传感器现况： 近20年来,世界范围内用于光纤通讯和光纤传感器的资金正在不断增长。与传统传感器相比，光纤传感器有一些列独特的优点：它可以在强电磁干扰、高温高压、原子辐射、易爆、化学腐蚀等恶劣条件下使用，高灵敏度及低损耗的优点使其用途广泛，例如能够组成空间分布列阵及网络，应用于人体医学、城建监控、环境监测等方面。科学家已提出了四十多种测量对象的几百种光纤传感器，同时也指出了乐观的市场前景。 二、光纤传感器基础： 光纤传感器其基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。 与传统的各类传感器相比，光纤传感器具有以下特点： 1、灵敏度较高； 2、几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器； 3、可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件； 4、可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境。 光纤传感器可分为2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。 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 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。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。 光纤传感器从信号变换上也可以分成强度调制型、相位调制型、波长调制型、偏振态调制型和模式调制型等等。 三、典型光纤传感器及其基本原理：
第二章 岩石破坏机制及强度理论 第一节 岩石破坏的现象 在不同的应力状态下，岩石的破坏机制不同，常见的岩石破坏形式有以下几种 一、拉破坏：岩石试件单向抗压的纵向裂纹，矿柱，采面片帮。特点出现与最大应力方向平行的裂隙。 二、剪切破坏：岩石试件单向抗压的X 形破坏。从应力分析可知，单向压缩下某一剪切面上的切向应力达到最大引起的破坏。 (a ) (b )
三、重剪破坏：即沿原有的结构面的滑动、重剪破坏 主要的机制：岩体受剪切作用或者受拉应力的作用、三向受压情况下多数为剪切应力的作用，侧向压力较小时可能是拉神破坏，实际工程中可能是不同机制的组合，但侧向应力较大时，可以认为剪切应力是岩石重剪破坏的主要破坏机制。 从岩石破坏的现象看，从小到几厘米的岩块到大的工程岩体，破坏形式雷同，并可归纳为两种，拉断与剪坏，因此有一定的规律可寻。 对岩石破坏的研究： 在单向条件下可以从实验得到破坏的经验关系。但是三向受力条件下，不同应力的组合有无穷多种，因此无法仅仅依靠实验得到破坏的经验关系，因此在一般应力状态，对岩石破坏的研究需要结合理论分析和试验研究两个方面。现代关于岩石破坏的理论分析一般归结为、寻求破坏时的主应力之间的关系 123(,)f σσσ= 研究的方法有：理论分析；2、试验研究；3、理论研究结合试验研究。 第二节 岩石拉伸破坏的强度条件 一、最大线应变理论 该理论的主要观点是，岩石中某个面上的拉应变达到临界值时破坏，而与所处的应力状态无关。强度条件为 c εε≤ (2-1) c ε—拉应变的极限值，ε—拉应变。
若岩石在破坏之前可看作是弹性体，在受压条件下σ1>σ2>σ3下， 3ε是最小主应力。按弹性力学有3 3E E σμ εσσ= -12（+），即33E εσμσσ=-12（+）。若3ε<0则产生拉应变。由于E >0，因此产生拉应变的条件是 3σμσσ-12（+）<0，3μσσσ12（+）> 若3ε=0ε<0则产生拉破坏，此时抗拉强度为0t E σε＝?0t E σε＝。 按最大线应变理论30εε≥破坏，即 312()t σμσσσ-+≥ (2-2) 式中0ε是允许的拉应变。 二、格里菲斯理论 格里菲斯理论的主要观点是：材料内微小裂隙失稳扩展导致材料的宏观破坏。 格里菲斯理论的主要依据是：1）、任何材料中总有各种微小微纹；2）、裂纹尖端的有严重的应力集中，即应力最大，并且有拉应力集中的现象；3）、当这种拉应力集中达到拉伸强度时微裂纹失稳扩展，导致材料的破坏。 格里菲斯理论的来源：由玻璃破坏得到的启示。 格里菲斯理论的基本假设为： 1、岩石的裂隙可视为极扁的扁椭圆裂隙； 2、裂隙失稳扩展可按平面应力问题处理； 3、裂隙之间互不影响。 按格里菲斯理论，裂纹失稳扩展条件为 1）、当1330σσ+>时，满足 21313()8()0t σσσσσ-++= (2-2)
岩石的强度理论 （强度判据） 习题课：重点讲几个典型例题，阐述如何利用岩石的强度理论（破坏判据）进行分析问题和解决问题的思路！ 例1：已知巷道墙的主应力σ1=11.5Mpa ，σ2=2.88Mpa ，σ3=-3.10Mpa 。混凝土的单向抗拉强度σt =-0.81Mpa ，单向抗压强度σc =10.5Mpa ，泊松比μ=0.17。试用最大正应变强度理论判据其稳定。 解：由最大正应变强度理论有 t σσσμσ≥+-)(213 c σσμμσ+-≥ 311 得： Mpa 81.081.0Mpa 54.5)88.25.11(17.010.3)(213=-≥=+--=+-σσμσ 又 σ1=11.5Mpa Mpa 64.45.10)10.3(17.017.0113-=+--= +-c σσμμ Mpa 64.4131-=+-≥∴c σσμμ σ 故，该巷道墙不稳定。 例2：混凝土支护基道的力学指标为：φ=51°，C =1Mpa ，抗压强度σc =10.5Mpa ，抗拉强度σt =-0.81Mpa 。又测得拱脚的主应力σ1=12.2Mpa ，σ2=1.84Mpa ，σ3=-0.32Mpa 。试用Mahr 强度理论、八面体强度理论和Griffith 强度判断该巷道拱脚是否稳定？ 解：（1）用Mohr 强度理论判断： φ σσσσφctg 2sin 3131?++-≤C sin φ=sin51°=0.78 93.051ctg 1232.02.12)32.0(2.12ctg 23131=? ??+---=?++-φσσσσC φ σσσσφctg 2sin 3131?++-≤∴C 成立 ∴该巷道拱脚不稳定 （2）用八面体强度理论判断：
光纤传感器介绍 摘要本文介绍了几类常用光纤传感器，具体分析了波长调制型光纤传感器的原理、结构和应用，结合实验对光纤传感器位移实验作了分析。 关键词光纤传感器功能型非功能型波长振幅相位 0引言 光纤传感器，英文名称：optical fiber transducer 。航空科技领域定义其为利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性(强度、相位、偏振态、频率、波长)改变的传感器；机械工程定义其为利用光纤技术和光学原理，将感受的被测量转换成可用输出信号的传感器。 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。 1光纤传感器的特点 与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点如下： （1）抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全。 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。 （2）灵敏度高。 利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。其中有的已由理论证明，有的已经实验验证，如测量转动、水声、加速度、位移、温度、磁场等物理量的光纤传感器。 （3）重量轻，体积小，外形可变。 光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可挠的优点，因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器。这有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。 （4）测量对象广泛。 目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。 （5）对被测介质影响小。 这对于医药生物领域的应用极为有利。