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调制型光纤传感器的工作原理调制型光纤传感器是一种利用光纤作为传感元件的传感器，它通过调制光纤中的光信号来实现对外界物理量的测量。
它的工作原理主要包括光纤传输、光调制和光检测三个部分。
光纤传输是调制型光纤传感器的基础。
光纤是一种具有非常低损耗的传输介质，其内部由一个或多个纤维芯和包围在外的包层组成。
通过光纤，光信号可以在纤芯中以全内反射的方式进行传输。
光纤的纤径一般非常小，通常为几个微米至几十个微米，因此可以方便地安装在不同的环境中。
光调制是调制型光纤传感器的关键步骤。
光调制是指通过改变光信号的某些特性来实现对外界物理量的测量。
常用的光调制方式有幅度调制、相位调制和频率调制等。
其中，幅度调制是最常用的方式，它通过改变光信号的强度来传递传感器所测量的物理量信息。
相位调制则是通过改变光信号的相位来传递信息，频率调制则是通过改变光信号的频率来传递信息。
这些调制方式可以根据具体的应用需求来选择。
光检测是调制型光纤传感器的最后一步。
光检测是指通过光电探测器将调制后的光信号转换为电信号，以便进一步处理和分析。
常用的光电探测器有光电二极管（PD）和光电倍增管（PMT）等。
光电探测器可以将光信号的强度、相位或频率等信息转换为电流或电压信号，进而实现对外界物理量的测量。
调制型光纤传感器的工作原理可以通过一个简单的温度测量实例来说明。
假设我们需要测量一个物体的温度，可以将一个光纤传感器安装在物体表面附近。
当物体的温度发生变化时，光纤传感器会受到温度的影响而发生形变，从而改变光纤中的传输特性。
例如，温度升高会导致光纤的折射率发生改变，进而改变光信号的传输速度。
通过对这种速度变化进行测量和分析，就可以得到物体的温度信息。
调制型光纤传感器通过调制光纤中的光信号来实现对外界物理量的测量。
它的工作原理主要包括光纤传输、光调制和光检测三个部分。
通过合理选择光调制方式和光电探测器，可以实现对各种物理量的测量，例如温度、压力、形变等。
FBG温度传感器——波长调制
1、基本原理
短周期光纤光栅又称为光纤布拉格光栅（FBG）是一种典型的波长调制型光纤传感器这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。
其结构如图所示
基于光纤光栅传感器的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长λB的调制来获取传感
信号，其数学表达式为错误！未找到引用源。
=2n eff A
错误！未找到引用源。
为Bragg波长，A为光栅周期，n为光纤模式的有效折射率。
引起光栅布拉格波长飘移的外界因素如温度、应力等会引起光栅周期A 和纤芯有效折射率的改变。
其中光纤布拉格光栅反射波长随应变和温度的变化可以近似地用方程
其中Δλ是反射波长的变化而λo 为初始的反射波长。
2、传感器结构设计
FBG温度传感器的基本构造如下图所示
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，光纤光栅反射波长的移动与温度的变化成线性关系，通过解调器测量光纤光栅反射波长的移动,便可确定环境温度T。
由于光纤布拉格光栅周期和纤芯的有效折射率会同时受到应变和温度变化的影响。
当进行温度测量的时候，光纤布拉格光栅必须保持在完全不受应变影响的条件下。
即需要对光纤光栅传感部分进行封装，保证传感部分不受到外界应力的影响。
什么是光纤传感器_光纤传感器分类
光纤传感器简介光纤最早是应用于光的传输，适合长距离传递信息，是现代信息社会光纤通信的基石。
光波在光纤中传播的特征参量会因外界因素的作用而间接或直接地发生变化，由此光纤传感器就能分析探测这些物理量、化学量和生物量的变化。
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入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使入射光的某些光学性质（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。
光纤传感器的分类光纤传感器按结构类型可分两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能性（传光型）传感器。
（1）功能型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤（或特殊光纤）作为传感元件，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，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。
典型应用：光纤陀螺、光纤水听器等。
（2）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根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传。
传感器之家
光纤传感器的调制原理
随着光纤和光通信技术的发展，光纤传感器也应运而生。
光纤传感器是以光纤为基础，感测外界物理量变化的一种传感技术。
由于光在传播过程中，由于温度、压力、电磁场等的影响下，其振幅、相位、波长等会发生变化，从而构成强度、波长等的调制，基于这一原理，制造出各种不同的光纤传感器。
下面简要说下这几种调制原理。
一、强度调制。
它是利用测试信号的变化来改变光纤中光的强度，然后通过解调来实现对被测量的测量。
影响光强变化的因素有：光纤的微弯状态、光纤的吸收特性和折射率等。
二、相位调制。
外界信号的变化，使光纤中的光波发生相位改变的调制，常见的相位调制有：功能型调制、萨格奈克调制和非功能型调制。
三、频率调制。
通过检测光波频率或波长的变化，来测量外界信号变化的调制技术，这种调制称为波长调制或频率调制。
频率调制多采用多普勒效应，多用于测量流体的速度。
四、偏振调制。
这里涉及光波的两个物理量：电场矢量和磁场矢量。
它们都是与光波的传播方向相垂直的。
根据这两个物理量的变化，光可以分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、部分偏振光和完全偏振光。
根据这些类型，可以制成各种不同的偏振调制传感器，利用的效应有磁光效应、电光效应和光弹效应。
传感器之家。
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：
式中，是光纤芯层的有效折射率；是包层模式的有效折射率；为芯
层和包层的有效折射率的差。
我们用松香把光纤封装在带细槽的铝制模块内，如上囤所示．这种结构既能起到保护作用，又能灌入溶液，或者是浸入不同折射率的溶液中，以方便折射宰传感实验的进行。
蔗糖溶液的浓度和折射率成线性关系。
因此，我们根据蔗糖溶液浓度和折射率的转换关系(如表1-1所示)，配制了12份样本溶液，用于传感器折射率响应的测试。
表1-1 蔗糖溶液旅度及折射率换算表
结语
这种干涉仪通过不同芯径光纤的交界面实现高阶模式的激发，然后再用同样的结构使具有不同相位的模式之间发生干涉。
其干涉条纹具有相当高的对比度，体现了很大的作为高性能带通滤波器应用的潜力。
同时，参与干涉的高阶模式光的有效折射率受到外界介质折射率的影响，因此这种结构也有作为高灵敏度折射率传感器应用的潜力。
