实验五 反射式光纤位移传感器 一、实验目的 了解反射式光纤位移传感器的结构，学习和掌握最简单、最基本的光纤位移传感器的原理和应用。 二、基本原理 反射强度调制式光纤传感器具有准确、结构简单、价格低廉等优点，广泛应用于各种位移、压力和温度传感器中。反射式光纤位移传感器的基本结构如图5-1所示，其中发射光纤通常由一根光纤构成，接收光纤有时候由单根光纤构成，而有些时候为了提高光的接收效率也经常由多根光纤构成。本实验采用的传光型光纤，它是由两根光纤的一端熔合后组成的Y 型光纤，一根作为发射光纤，端部与光源相接发射光束；另一根作为接收光纤，端部与光电转换器相接接收反射光。两根光纤熔合后的端部是工作端也称传感探头，截面为半圆分布即D 型结构。由光源发出的光传到端部出射后再经被测体反射回来，由另一束光纤接收光信号经光电转换器转换成电压信号。 图5-1 反射式光纤位移传感器示意图 传光型光纤反射式位移传感器的发射调制方法，可用等效分析法来分析。首先，画出接收光纤关于反射体的镜像，然后计算出该镜像接收光纤在发射光纤纤端光场中所接收到的光强值，最后将该光强值乘以反射体的反射率R ，作为传感器的最后输出光强。如图5-2中的a 图所示。 接收光纤的镜像坐标即它的等效坐标位置为F （2z ，d ），这里z 为发射接收光纤的端面与反射体之间的距离，d 为发射光纤轴心到接收光纤轴心之间的距离，由此可以获得接收光纤接收到的光强为： ]] )/(1[exp[])/(1[)(2 2/30202222/3020c c tg a z a d tg a z RI z I θζσθζσ+-?+= 其中，0I 为光源的光强，σ为表征光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃折射率光纤，它的值为1，0a 为光纤的纤芯半径，ζ为光源种类及光源与光纤耦合情况有关的调制参数， c θ为发射光纤的最大出射角。此函数的曲线形状如图5-2中的b 图所示。 reflector
仪器与电子学院实验报告 （操作性实验） 班级： 学号： 学生姓名： 实验题目：反射式光纤位移传感器特性实验 一、实验目的 1）掌握反射光纤位移传感器工作原理； 2）掌握反射光纤位移传感器静态特性标定方法。 二、实验仪器及器件 光纤、光电转换器、光电变换器、电压表、支架、反射片、测微仪。 三、实验内容及原理 反射式光纤位移传感器的工作原理如图3所示，光纤采用Y 型结构，两束多模光纤一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别作为接收光纤和光源光纤，光纤只起传输信号的作用。当光发射器发生的红外光，经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到位移量。 图1 反射式光纤位移传感器原理及输出特性曲线 四、实验步骤 1、观察光纤结构：本仪器中光纤探头为半圆型结构，由数百根光导纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。 2、将原装电涡流线圈支架上的电涡流线圈取下，装上光纤探头，探头对准镀铬反射片( 即
电涡流片)。 3、振动台上装上测微仪，开启电源，光电变换器Vo端接电压表。旋动测微仪，带动振 动平台，使光纤探头端面紧贴反射镜面，此时Vo输出为最小。然后旋动测微仪，使反射镜面离开探头，每隔0.5mm取一Vo电压值填入下表，作出V—X曲线。 4、根据所测数据求出平均值后，在坐标纸上画出输出电压-位移特性曲线（分前坡和后坡）， 计算灵敏度S=，并在坐标纸上画出V—X关系线性、灵敏度、重复性、迟滞曲线。 五、实验测试数据表格记录 表1 六、实验数据分析及处理 1、线性度： 图2 线性曲线
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。
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。
五、注意事项 1.不得随意摇动和插拔面板上的各种元器件，以免造成实验仪不能正常工作。 2.光纤传感器弯曲半径不得小于5㎝，以免折断。 3.旋动螺旋测微丝杆尾帽中出现咔咔声表示不能继续前进，不能超过其量程。 4.在使用过程中，出现任何异常情况，必须立即关机断电以确保安全。 5.不得用手触摸反射面，以免影响实验结果。 六、实验操作 1）光路与机械系统组装调试实验 1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 图3 光纤传感器安装示意图 2.将发射和接收部分接入电路，探测器输出信号处理电路不接调零电路，输出端U0接入电路板上电压表。 3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 4.选择智能可调档位200mv或者2v档位。 5.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，观察电压表显示变化，并分析。 6.关闭电源。 2）发光二极管驱动实验1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 2.仅仅把发射部分接入电路。 3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 4.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，观察电压表显示变化，并分析。 5.关闭电源。 3）光电探测器PD接收实验 1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 2.仅仅把接收部分接入电路。 3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 4.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，观察电压表显示变化，并分析。 5.关闭电源。 4）光纤位移传感器输出信号放大处理实验 1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 2.将发射和接收部分接入电路，探测器输出信号处理电路接调零电路，输出端U0接入电压表。 3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 4.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面某一距离后维持不动，调节增益旋钮，观察电压表显示变化，并分析。 5.关闭电源。 5) 光纤位移传感器输出信号误差补偿电路 1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座 7
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/3211448753.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
反射式光纤位移传感器实验报告 一、实验内容 1、按照光路图搭建各类光学元件 2、用螺丝固定两侧推平移平台，侧推平移台装在滑块上，然后采用 FC=FC对接法兰连接半导体激光输出接口与塑料反射式传感光纤，塑 料反射式光鲜FC端口与功率计感应端口通过光纤法兰座固定。 3、塑料反射式传感光纤螺纹端夹持固定可调棱镜支架中，并调节可调 棱镜支架的调节旋钮使出射的光路与导轨平行。 4、调节反射镜与反射式光纤跳线之间距离，使得反射端紧贴反射镜， 调节旋钮使得反射光与入射光重合达到反射镜与光路垂直，直到显示 的功率接近0值。 5、固定反射镜与可调棱镜的位置，旋转沿光轴方向（导轨方向）xuan 转侧推平移台尺杆，使反射镜远离光纤发光端，并记录位移-功率值数 据并绘制实验图，在曲线图中线性最好的那一段可作为实际位移传感 器应用。 二、实验结果 三、实验分析 如图，线性较好的第一段（即位移在0-0.3mm间）满足线性化，可作为实际位移传感应用。反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到接收光纤，最后由光电
转换器接收，转换器接受到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。
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，
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。
本技术属于激光光谱技术领域，具体是一种基于WMRF新模型的免定标波长调制光谱气体检测方法。解决了目前用于气体浓度检测的免定标波长调制光谱技术存在的精度不高的技术问题。本技术采用了一个0.02cm1自由光谱区的标准具来分析调制信号引起的波长变化WMRF，观察到了幅度线性变化的一次谐波分量和幅度为常数的二次谐波分量，提出了一个描述WMRF的新模型。用此新模型，系统可以得到更精确的拟合结果，较以往系统，无需增加硬件模块以及人为操作，只需要在程序上进行改进，有利于开发应用。本技术技术方案简单，操作方便，不需要花费很多的人力及物力，其成本和使用方便程度容易被大多数应用部门所接受。 技术要求 1.一种基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法，采用如下装置：函数发生器(1)，与函数发生器(1)的两个信号输出端相连接的加法器 (2)、与加法器(2)信号输出端相连接的激光控制器(3)以及由激光控制器(3)控制的DFB激光器(4)；DFB激光器(4)的出射光路上设有分束器(5)，分束器(5)的一个出射端顺次设有第一准直镜(6)、气体吸收池(8)以及第一光电探测器(10)；分束器(5)的另一个出射端顺次设有第二准直镜(7)、标准具(9)以及第二光电探测器(11)；所述第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)的信号输出端均连接有电脑(12)；函数发生器(1)的第三个信号输出端与电脑(12)连接；其特征在于，所述气体探测方法包括如下步骤：(a)探测前采用下式： F(cos(ωt))＝(at+b)cos(ωt)+ccos(2wt+θ)拟合WMRF函数，式中a，b，c、θ均为待定常数，均与使用的DFB激光器(4)有关；通过标准具(9)探测得到DFB激光器(4)的波长变化v以及三角波扫描引起的波长变化vpoly，二者之差得到F(cos(ωt))的值，结合该值并根据上式进行拟合，进而得到 a，b，c、θ四个系数的数值，也即拟合得到WMRF函数；(b)测量待测气体吸收后的光强信号，对吸收光强信号进行一次谐波解调和二次谐波解调，进而得到R2f/R1f；同时利用通过标准具透射峰拟合得到的vpoly和步骤(a)中得到的WMRF函数可以得到波长随时间的变化v，结合波长随时间的变化v、无吸收光强信号以及不同的气体浓度值这三个量并利用比尔朗博定律可以模拟得到模拟吸收光强，模拟吸收光强经过一次谐波解调和二次谐波解调，就可以得到模拟吸收光强的一次谐波解调信号和二次谐波解调信号，进而得到关于模拟吸收光强一次谐波解调信号的绝对幅度值Rs1f和二次谐波解调信号的绝对幅度值Rs2f，从而有Rs2f/Rs1f；(c)电脑(12)在相应软件的支持下判断Rs2f/Rs1f和R2f/R1f是否达到最佳拟合，如果是，则得到拟合浓度值，如果不是，代入另一个浓度值，重复拟合过程，直到得到拟合浓度值，该拟合浓度值就是待测气体的浓度值。 2.如权利要求1所述的基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法，其特征在于，所述标准具(9)为0.02cm-1自由光谱区的标准具。 3.如权利要求1或2所述的基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法，其特征在于，步骤(a)中拟合a，b，c、θ四个系数时采用的是最小二乘法。 4.如权利要求1或2所述的基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法，其特征在于，所述的一次谐波解调和二次谐波解调均通过电脑(12)内设的数字锁相放大器程序完成。 技术说明书 基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法
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
课程教学大纲 课程名称（中文）：激光光谱学与光谱测量技术 课程名称（英文）：Laser spectroscopy and spectral detection technique 课程性质：（通识必修、通识选修、学科基础、专业必修、专业选修、教师教育）专业必修 学分：2 学时：36 ，其中理论学时：36 ，实践（实验）学时：0 授课对象：电子科学与技术 授课语言：中文 开课院系：物理与材料科学学院 课程网址：(没有请填写“无”)无 撰写人：邓莉 审定人：无 一、课程简介（中文） 《激光光谱学与光谱测量技术》是电子科学技术的专业必修课程。该课程围绕激光光谱学基本原理及检测方法展开。知识点涵盖基础光学、原子物理学、非线性光学、光电子技术等学科领域。本课程主要突出激光光谱学基本原理、基础知识与基本方法，让学生了解激光光谱新技术与发展方向，为本科生掌握激光光谱学基础知识及起步相关专业方向研究奠定扎实基础。本课程适用于具有一定光学、原子物理基础的高年级学生学习，总学时为36学时左右（每周2学时，共1学期）。 课程简介（英文）
Laser spectroscopy and spectral detection technique is the required course for the students of Electronic Science Technique major. This course mainly revolves around the basic principles and the measurement methods of laser spectroscopy. All the knowledges are related with basic optics, atomic physics, nonlinear optics and electric technique. This course can help students gain the new techniques and the development of the laser spectroscopy, meanwhile is to lay a solid foundation for the students’ further study. It is suitable for the students who have already learned optics and atom ic physics. This course has about 36 hours in total (2 hours per week,18 weeks in one semester). 二、课程目标 通过本课程的学习，使学生对各种光谱测量技术的原理，实现方法，技术技巧有比较全面的了解。对各种光谱学技术学习的过程中，可以培养学生根据实际问题结合物理原理提出解决方案思维能力，提升全面思考方案可行性并不断优化方案的理念。 三、教学内容、学时分配和作业要求 第一章光谱学基础知识（学时2） 本章总结了光谱学的基础知识。首先在了解光本性的基础上，介绍光与物质相互间的作用。基于能级跃迁理论，揭示光谱中所反映的物质能级信息，光谱的宽度和线型表征光谱的重要参数。
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/3211448753.html,
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：