光纤传感课件ch5_光纤传感器基本原理

1、光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术第五章 光纤传感器根本原理5.1 引引 言言光纤传感技术是伴随着光通信技术的开展而逐步光纤传感技术是伴随着光通信技术的开展而逐步形成的。形成的。 在光纤通信中，光纤被用作远距离传输光波在光纤通信中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。显然，在这类应用中，光纤传输的信号的媒质。显然，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界干扰越小越好。但是，在实际的光光信号受外界干扰越小越好。但是，在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素影响，如温传输过程中，光纤易受外界环境因素影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤度、压力、电磁场等外界条件的变

2、化将引起光纤光波参数如光强、相位、颜率、偏振、波长等的光波参数如光强、相位、颜率、偏振、波长等的变化。因此，人们发现如果能测出光波参数的变变化。因此，人们发现如果能测出光波参数的变化，就可以知道导致光波参数变化的各种物理量化，就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，的大小， 于是产生了光纤传感技术。于是产生了光纤传感技术。光纤测量与传感技术光光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优独特的优点点，如，如灵敏度高灵敏度高，抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好，抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接，结构简单，防爆，光路有

3、可挠曲性，便于与计算机联接，结构简单，体积小，重量轻，耗电少体积小，重量轻，耗电少等。等。由于有这些优点，因而逐渐在科研和其他领域获得广泛由于有这些优点，因而逐渐在科研和其他领域获得广泛的应用。的应用。下面看看传感器的定义光纤测量与传感技术一、传感器的定义国家标准国家标准(GB7665-87)对传感器对传感器(Transducer/Sensor)的定义：的定义： 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。成可用输出信号的器件或装置。教科书教科书对其定义：对其定义： 传感器是一种传感器是一种以一定的精确度把被测量转换以一定的精确度把被

4、测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的量的测量装置。测量装置。 光纤测量与传感技术 传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件那么是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 二、传感器的组成被测量敏感元件传感元件信号调节转换电路辅助电源电量光纤测量与传感技术以测量汽车油箱中汽油液位的装置为例以测量汽车油箱中汽油液位的装置为例 光纤测量与传感技术描述传感器输入 输出关系的方法：数学模型 根本特性指标 传感器的根本特性输出输入关系特性三、传感器的根本特性2012.nn

5、yaa xa xa x根本特性分为：静态特性和动态特性。光纤测量与传感技术 静态模型静态模型一 传感器的静态特性 主要静态特性指标主要静态特性指标光纤测量与传感技术2012.nnyaa xa xa x35135.ya xa xa x2424.ya xa x1ya x静态模型光纤测量与传感技术.55331xaxaxay.44221xaxaxayxay1nnxaxaxaay.2210如：采用差动结构获得的特性曲线光纤测量与传感技术传感器主要静态特性指标传感器主要静态特性指标1、线性度、线性度2、灵敏度、灵敏度3、迟滞、迟滞4、重复性、重复性5、零点漂移、零点漂移6、温度漂移、温度漂移光纤测量与传感

6、技术二 传感器的动态特性定义定义:传感器的动态特性是指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。目的目的: 研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及改善措施。时域时域：瞬态响应法频域频域：频率响应法 光纤测量与传感技术1. 瞬态响应特性指标时间常数时间常数时间常数是描述一阶传感器动态特性的重要参数，越小，响应速度越快。 二阶传感器阶跃响应的典型性能指标可由以下图表示，tr：上升时间ts：响应时间tp：峰值时间：超调量光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术2. 频率响应特性指标 频带 传感器增益保持在一定值内的频率范围，即对数幅频

7、特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围，称为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。 时间常数 用时间常数来表征一阶传感器的动态特性，越小，频带越宽。 固有频率n 用固有频率n来表征二阶传感器的动态特性。光纤测量与传感技术u光纤传感器按传感原理可分为：光纤传感器按传感原理可分为： 功能型功能型和和非功能型非功能型。u光纤传感器还可光纤传感器还可按被调制的光波参数按被调制的光波参数划分。划分。 光纤传感器分类光纤传感器分类光纤测量与传感技术 1 1功能型全光纤型光纤传感器功能型全光纤型光纤传感器 功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，

8、所以也称传感型光纤传感器把光纤作为敏感元件，所以也称传感型光纤传感器，或全光纤传感器。，或全光纤传感器。 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤的光纤( (或特殊光纤或特殊光纤) )作传感元件，将作传感元件，将“传和传和“感感合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素还利用光纤在外界因素( (弯曲、相变弯曲、相变) )的作用下，其的作用下，其光学特性光学特性( (光强、相位、偏振态等光强、相位、偏振态等) )的变化来实现的变化来实现“传和传和“感的功能。因此，传感器中光纤是连续感的功能。因此，

9、传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器光纤测量与传感技术 2 2非功能型或称传光型光纤传感器非功能型或称传光型光纤传感器 非功能型光纤传感器是利用其它敏感元非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号。所以也称输来自远处或难以接近场所的光信号。所以也称为传光型传感器或混合型传感器。为传光型传感器或混合型传感器。 光纤仅起导光作用，只光纤仅起导光作用，只“传不传不“感，感，对外界信息的对外

10、界信息的“感觉功能依靠其他物理性质的感觉功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，本需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，本钱低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太钱低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。高的场合。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤光纤测量与传感技术由于，在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：由于，在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述： u 强度调制光纤传感器强度调制光纤传感器u 相位调制光纤传感器相位调制光纤传感器u 频率调制光纤传感器频率调制光纤

11、传感器u 偏振调制光纤传感器偏振调制光纤传感器u 波长波长(颜色颜色)调制光纤传感器调制光纤传感器 光纤传感器按被调制的光波参数光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为不同可分为下面按此分类进行介绍其传感调制原理下面按此分类进行介绍其传感调制原理光纤测量与传感技术5.2 强度调制机理强度调制机理 光纤测量与传感技术 反射式强度调制反射式强度调制 这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用.NAtgTda1sin2光纤测量与传感技术输出光纤端面受光锥照输出光纤端面受光锥照射的外表所占的百分比射的外表所占的百分比为为光纤测量与传感技术被输出光纤接

12、收的入射光功率百分数为被输出光纤接收的入射光功率百分数为(F被称为被称为耦合效率耦合效率)22oiPrFPrdT 2dTarr光纤测量与传感技术d光纤芯直径 2r=200m孔径NA=0.5光纤间距离 a100m光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术透射式强度调制透射式强度调制此为动光纤式光强调制模型，用来测量位移、压力、温度等此为动光纤式光强调制模型，用来测量位移、压力、温度等物理量。这些物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光物理量。这些物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离纤错开一段距离, 光强度调制器的线性度和灵敏度都很好。光强度调制器的线性度和灵敏度都很好。光纤测量与传感

13、技术采用双透镜系统使入射采用双透镜系统使入射光纤在出射光纤上聚焦，光纤在出射光纤上聚焦，遮光屏在垂直于两透镜遮光屏在垂直于两透镜之间的光传播方向上下之间的光传播方向上下移动。这种传感器光耦移动。这种传感器光耦合计算方法与反射式传合计算方法与反射式传感器是一样的。在上述感器是一样的。在上述的简化分析限定范围内，的简化分析限定范围内，图图a中可移动遮光屏中可移动遮光屏及两透镜的半径为及两透镜的半径为r的光的光柱相交叠面积占光斑面柱相交叠面积占光斑面积的百分比积的百分比可表示为：可表示为：光纤测量与传感技术 不用透镜的两光纤不用透镜的两光纤直接耦合系统图直接耦合系统图b，结构虽然，结构虽然简单，但也

14、能很好简单，但也能很好地工作。只是接收地工作。只是接收光纤端面只占发射光纤端面只占发射光纤发出的光锥底光纤发出的光锥底面的一局部，使光面的一局部，使光耦合系数减小，灵耦合系数减小，灵敏度也降低一个数敏度也降低一个数量级量级 (r/dT)2。光纤测量与传感技术利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器通过一对光栅遮光利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器通过一对光栅遮光屏的透射率，从屏的透射率，从50(当两个屏完全重叠时当两个屏完全重叠时)变到零变到零(当一个屏当一个屏的不透明条完全覆盖住另一个屏的透明局部的不透明条完全覆盖住另一个屏的透明局部)。在此周期性结。在此周期性结构范围内，光的输出强度是周期性的。

15、而且它的分辨率在光构范围内，光的输出强度是周期性的。而且它的分辨率在光栅条纹间距的栅条纹间距的10-6数量级以内。这是能够构成很灵敏、很简数量级以内。这是能够构成很灵敏、很简单、高可靠的位移传感器的根底。单、高可靠的位移传感器的根底。光纤测量与传感技术光模式强度调制两个模的传播常数分别两个模的传播常数分别为为和和，当，当= - = 2/相位失配为零，模间耦相位失配为零，模间耦合到达最正确。合到达最正确。当光纤状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其中有当光纤状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些些导波模导波模变成了变成了辐射模辐射模，从而引起损耗，从而引起损耗，这就是微弯损耗。这就

16、是微弯损耗。修正书上公式光纤测量与传感技术 变形器的位移改变了弯曲处的模振幅，从而产变形器的位移改变了弯曲处的模振幅，从而产生强度调制。生强度调制。 对于对于抛物线抛物线(或平方律或梯度或平方律或梯度)折射率分布折射率分布的光的光纤。变形器的临界空间周期为纤。变形器的临界空间周期为对于对于阶跃折射率分布阶跃折射率分布的光纤的光纤光纤测量与传感技术 光纤由变形器引起微弯变形时，纤芯中的光有一局部逸出到包层。假设采取适当的方式探测光强的变化，那么可知道位移的变化量，据此可以制作出温度、压力、振动、位移、应变等光纤传感器。最高阶芯模与辐射模耦合的周期maM光纤测量与传感技术光纤传播模式的改变，光纤传

17、播模式的改变，还可以改变光纤模斑斑还可以改变光纤模斑斑图，依据模斑图形的变图，依据模斑图形的变化也可进行光模式强度化也可进行光模式强度调制。多模光纤出射的调制。多模光纤出射的远场光斑就像一个切开远场光斑就像一个切开的的“西瓜，西瓜，“亮、亮、“黑无规那么地相间黑无规那么地相间变化。变化。光纤测量与传感技术折射率强度调制 许多物理量如温度、压力、应变等) 可以引起物质折射率的变化实现光强调制。这种调制方式有很多种，但归纳起来有下到三种情况：(1) 利用光纤折射率的变化引起传输损耗变化传输损耗变化的光强调制；(2) 利用折射率的变化引起渐逝波耦合变化渐逝波耦合变化的光强调制；(3) 利用折射率的变

18、化引起光纤光强反射系数改光纤光强反射系数改变变的透射光强调制。光纤测量与传感技术 一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同。在温度恒定时，包层折射率不同。在温度恒定时，包层折射率n2与纤芯折与纤芯折射率射率n1之间的差值是恒定的。当温度变化时，之间的差值是恒定的。当温度变化时， n2 、 n1之间的差发生变化，从而改变传输损耗。之间的差发生变化，从而改变传输损耗。因此，因此，以某一温度时接收到的光强为基准，根以某一温度时接收到的光强为基准，根据传输功率的变化可确定据传输功率的变化可确定温度的变化温度的变化。 一、光纤折射率变化型一、光纤折射率变化型光纤测量与

19、传感技术利用这一原理可以构成温度报警装置。这类传感器具有电绝缘性好、防爆性强、抗电磁干扰等特点。因此，它适用于大型电机、液化天然气罐及火警等报警系统。光纤测量与传感技术 二、渐逝波耦合型二、渐逝波耦合型 通常，渐逝波在光疏媒质中深入距离有几通常，渐逝波在光疏媒质中深入距离有几个波长时，能量就可以忽略不计了。如果采用个波长时，能量就可以忽略不计了。如果采用一种方法使惭逝场能以较大的振幅穿过光疏媒一种方法使惭逝场能以较大的振幅穿过光疏媒质，并伸展到附近的折射率高的光密媒质材料质，并伸展到附近的折射率高的光密媒质材料中，能量就能穿过间隙，这一过程称为受抑全中，能量就能穿过间隙，这一过程称为受抑全反射

20、。反射。 d、n2、L的稍有变化，光探测器的接收的稍有变化，光探测器的接收光强就有明显变化。光强就有明显变化。dn2光纤测量与传感技术 以下图是利用受抑制全反射原理建立的渐逝场耦合传感器。我们知道全反射界面还存在渐逝场，由于两光纤端面充分靠近，渐逝场还是能耦合到另一光纤中去。 X1的稍有变化，光探测器的接收光强就有明显变化。光纤测量与传感技术三、反射系数型三、反射系数型光纤测量与传感技术 由菲涅尔反射公式，可以计算在由菲涅尔反射公式，可以计算在n1、n3介质界面上反射系数反射系数式中，式中，R为平行偏振方向的强度反射系数，为平行偏振方向的强度反射系数，R为垂直偏振方向的强度反射系数；为垂直偏振

21、方向的强度反射系数；n=n3n1 ，为入射光波在界面上的入射角为入射光波在界面上的入射角。光纤测量与传感技术 由上面反射系数的菲涅尔公式知道，当光波以大于临界角入射到n1、n3介质的界面上时，假设n3介质由于压力或温度的变化引起n3的微小改变，相应会引起反射系数的变化，从而导致反射光强的改变，利用这一原理可以设计出压力或温度传感器。光纤测量与传感技术光吸收系数强度调制光吸收系数强度调制一、利用光纤的吸收特性进行强度调制一、利用光纤的吸收特性进行强度调制 x射线、射线、射线等射线等辐射线会使光纤材料的吸收辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而构成强损耗增加，使光纤的输出功率

22、降低，从而构成强度调制辐射量传感器。度调制辐射量传感器。改变光纤材料成分可对不改变光纤材料成分可对不同的射线进行测量。如选用铅玻璃制成光纤，它同的射线进行测量。如选用铅玻璃制成光纤，它对对x射线、射线、 射线、中子射线最敏感，用这种方法射线、中子射线最敏感，用这种方法做成的传感器既可用于卫星外层空间剂量的监测，做成的传感器既可用于卫星外层空间剂量的监测，也可用于核电站、放射性物质堆放处辐射量的大也可用于核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监测。面积监测。光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术 多功能数字核辐射多功能数字核辐射仪仪(带报警带报警)900+多功能多功能数字核辐射仪数字核辐射仪(带报

23、带报警警)900+，可用来进行，可用来进行、外表污染测量、也可外表污染测量、也可以测量以测量和和射线的剂量射线的剂量率。率。 用于广泛用在日用于广泛用在日常辐射监测，制药厂，常辐射监测，制药厂，实验室，发电厂，采石实验室，发电厂，采石场，紧急状况营救站，场，紧急状况营救站，金属处理厂，地下油田金属处理厂，地下油田和供油管道装备，环境和供油管道装备，环境保护，警察局等部门。保护，警察局等部门。光纤测量与传感技术 盖革计数器Geiger counter又叫盖革-米勒计数器Geiger-Mller counter，是一种用於探测电离辐射的粒子探测器，通常用於探测粒子和粒子，也有些型号盖革计数器可以探

24、测射线及X射线。非光纤传感非光纤传感光纤测量与传感技术 二、利用半导体的吸收特性进行强度调制 大多数半导体的禁带宽度Eg都随着温度T的升高而几乎线性地减小。它们的光吸收边的波长将随着T的升高而变化。参见课本p1684月月27日课程结束点日课程结束点光纤测量与传感技术5.3 相位调制机理u 利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以获得极高的灵敏度。获得极高的灵敏度。u 相位调制光纤传感器的根本传感原理是：通过相位调制光纤传感器的根本传感原理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干预测量技术把相

25、位变化转换发生变化，再用干预测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。为光强变化，从而检测出待测的物理量。光纤测量与传感技术传统光相位调制测量仪器特点： 利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以获得极高的灵敏度。其开发应用已有一百多年的历史， 广泛应用于高分辨率实验室测量装置。但是，以自由空间作干预光路的一般干预仪，由于其体积大、空气易受环境温度、声涉及振动的影响，使干预测量不稳定、准确度低，同时调整也较困难。故限制了它在一般场合下的实用性。 用光纤代替由空间作干预光路的光纤干预仪有两个突出的优点：一是减少了干预仪长臂的任何安装和校准的固有困难， 并可使干预仪小型化；二是可以用

26、加长光纤的方法使干预仪光路对环境参数的响应灵敏度增加。这样，传统的光学干预仪从实验室中走了出来，并成为高机械强度和精密灵活的生产现场使用的仪器。光纤测量与传感技术相位调制相位调制一、应力应变效应一、应力应变效应 当光纤受到纵向当光纤受到纵向(轴向轴向)的机械应力作用时，的机械应力作用时，光纤的光纤的长度长度、芯径芯径、纤芯折射率纤芯折射率都将发生变化，都将发生变化，这些变化将导致光波的相位这些变化将导致光波的相位 的变化的变化。被测能量场作用，使光纤内传播的光波相位发生被测能量场作用，使光纤内传播的光波相位发生变化变化 相位调制！应力和温度相位调制！应力和温度光纤测量与传感技术式中，式中，a为

27、光纤芯的半径；为光纤芯的半径；第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟(应变效应应变效应)；第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟(光隙效应光隙效应)；第三项那么表示光纤的半径改变所产生的相位延迟第三项那么表示光纤的半径改变所产生的相位延迟(泊松效应泊松效应)。光纤测量与传感技术 1纵向应变引起的相位变化纵向应变引起的相位变化光纤测量与传感技术 2径向应变引起的相位变化径向应变引起的相位变化 不考虑泊松效应时不考虑泊松效应时有有光纤测量与传感技术 实现纵向、径向应变最简便的方法是，采用一个空实现纵向、径向应变最简便的方法

28、是，采用一个空心的压电陶瓷圆柱筒心的压电陶瓷圆柱筒(PZT)，在这个圆柱筒上缠绕一圈或，在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈光纤，并在多圈光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号其径向或轴向施加驱动信号，由于，由于PZT筒的筒的直径随驱动信号变化，直径随驱动信号变化，故缠绕在其上的故缠绕在其上的光纤也随之光纤也随之伸缩伸缩。光纤承受到应力，光波相位随之变化。光纤承受到应力，光波相位随之变化。光纤测量与传感技术二、温度应变效应二、温度应变效应仅仅考虑考虑径向径向折射率变化折射率变化时，其相位随温度变化为时，其相位随温度变化为光纤测量与传感技术光纤干预仪光纤干预仪 光纤相位传感器要求有相应的干预仪来完光纤相位传

29、感器要求有相应的干预仪来完成相位检测过程。对于一个相位调制干预型光成相位检测过程。对于一个相位调制干预型光纤传感器，敏感光纤和干预仪缺一不可。敏感纤传感器，敏感光纤和干预仪缺一不可。敏感光纤完成相位调制任务，干预仪完成相位光纤完成相位调制任务，干预仪完成相位光光强的转换任务。强的转换任务。把相位变化转换为光强变化把相位变化转换为光强变化 干预仪！干预仪！光纤测量与传感技术u 在光波的干预测量中，传播的光波可能是两束或多束在光波的干预测量中，传播的光波可能是两束或多束相干光。相干光。u 例如，设有光振幅分别为例如，设有光振幅分别为A1和和A2的两个相干光束。的两个相干光束。如果其中一束光的相位由

30、于某种因素的影响受到调制，如果其中一束光的相位由于某种因素的影响受到调制，那么在干预域中产生干预。干预场中各点的光强可表那么在干预域中产生干预。干预场中各点的光强可表示为示为式中，式中，是相位调制引起的两相干光之间的相位差。是相位调制引起的两相干光之间的相位差。 如果检测出干预光强的变化，那么可确定两光束如果检测出干预光强的变化，那么可确定两光束间相位的变化，从而得到待测物理量的大小。间相位的变化，从而得到待测物理量的大小。光纤测量与传感技术一、迈克尔逊一、迈克尔逊(Michlson)光纤干预仪光纤干预仪两相干光的相位差为：0002224klll以一个3 dB 耦合器取代了分束器。光纤光程取代

31、了空气光程，而且以敏感光纤作为相位调制元件。光纤测量与传感技术二、马赫二、马赫泽德泽德(MachZehnder)光纤干预仪光纤干预仪这种干干预仪具有与迈克尔逊干预仪不同的独特优点，它没有或很少有光返回到激光器。光返回到激光器会造成激光器的不稳定噪声，对干预测量不利。光纤测量与传感技术 保证全光纤干预仪的工作点稳定是比较困难的。在零保证全光纤干预仪的工作点稳定是比较困难的。在零差检测方式中，需要保证两光纤臂间的正交状态。所以系差检测方式中，需要保证两光纤臂间的正交状态。所以系统要求环境温差不能太大。统要求环境温差不能太大。光纤测量与传感技术“正交状态是指干预仪的两臂光波间的相对相位为正交状态是指

32、干预仪的两臂光波间的相对相位为90。正交检测。正交检测方式的优点是探测相位灵敏度最高。方式的优点是探测相位灵敏度最高。相位正交工作点相位正交工作点光纤测量与传感技术三、赛格纳克三、赛格纳克(Sagnac)光纤干预仪光纤干预仪干预仪装在一个可绕垂干预仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的直于光束平面轴旋转的平台上，且平台以角速平台上，且平台以角速度度转动时，根据赛格转动时，根据赛格纳克效应，两束传播方纳克效应，两束传播方向相反的光束到达光探向相反的光束到达光探测器的延迟不同。测器的延迟不同。假设平台以顺时针方向假设平台以顺时针方向旋转，那么顺时针方向旋转，那么顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光

33、较逆时针方向传播的光延迟。传播的光延迟。光纤测量与传感技术相位延迟量可表示为相位延迟量可表示为式中，式中，A是光路围成是光路围成 的面积；的面积；光纤测量与传感技术 光纤陀螺仪光纤陀螺仪22222200022112442222248cwccwR NR NRR NNAtttR NR Nc Rc Rc Rc RcccRccNAtcNAtTc 光纤测量与传感技术 四、法布里珀罗(Fabry-Perot)光纤干预仪 由两块局部反射、局部透射、平行放置的反射镜组成。在两个相对的反射镜外表镀有反射膜，其反射率通常达95以上。多光束干预！多光束干预！光纤测量与传感技术 法布里法布里珀罗干预仪是多光束干预。根

34、据多光珀罗干预仪是多光束干预。根据多光束干预的原理，探测器上探测到的干预光强的束干预的原理，探测器上探测到的干预光强的变化为变化为透射的干预光强的最大值与最小值之比透射的干预光强的最大值与最小值之比光纤测量与传感技术它与一般法布里它与一般法布里珀罗干预仪的区别在于以光纤珀罗干预仪的区别在于以光纤光程代替空气光程，以光纤特性变化来调制相位光程代替空气光程，以光纤特性变化来调制相位代替以传感器控制反射镜移动实现调相。代替以传感器控制反射镜移动实现调相。光纤测量与传感技术解：解：根据光波相位公式根据光波相位公式 有：有：2n L2ddnn dLLdTdTL dT由上式可求出由上式可求出单位长度上单位

35、长度上温度温度变化变化1oC时时的相位变化。的相位变化。代入条件得代入条件得67210 101.456 5 100.6328dLdTm 忽略忽略那么对那么对1m光纤，当温度变化光纤，当温度变化1度后导致的移动条纹数为度后导致的移动条纹数为610 1010/2115.8160.63280.6328dmLmLdTm5月月9日课程结束点日课程结束点光纤测量与传感技术u 强度调制光纤传感器强度调制光纤传感器u 相位调制光纤传感器相位调制光纤传感器u 1. 相位调制；相位调制； 2. 光纤干预仪光纤干预仪u 频率调制光纤传感器频率调制光纤传感器u 波长波长(颜色颜色)调制光纤传感器调制光纤传感器u 偏振

36、调制光纤传感器偏振调制光纤传感器 反射式强度调制反射式强度调制 透射透射式强度调制式强度调制 光模式光模式强度调制强度调制 折射率强度调制折射率强度调制 光吸收系数光吸收系数强度调制强度调制光纤传感器的机理：光纤传感器的机理：光纤测量与传感技术5.4 频率调制机理u 采用频率调制技术可以对采用频率调制技术可以对有限的几个物理量有限的几个物理量进行测量。譬如速度。进行测量。譬如速度。u 它主要是利用运动物体反射或散射光的它主要是利用运动物体反射或散射光的多普多普勒频移勒频移效应来效应来检测其运动速度检测其运动速度。多普勒效应：多普勒效应：多普勒效应是为纪念多普勒效应是为纪念Christian D

37、oppler而命名的，他于而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。年首先提出了这一理论。 他认为他认为声声波频率在声源移向观察者时变高，而在声源远离观察者波频率在声源移向观察者时变高，而在声源远离观察者时变低。时变低。 光纤测量与传感技术设光源设光源S和观察者和观察者O处于同一位置。如果频率为处于同一位置。如果频率为f的光照射在的光照射在相对速度为相对速度为v的运动物体上，那么观察者的运动物体上，那么观察者O接收到的运动物体接收到的运动物体反射光频率反射光频率f1为为1 221211cos11cos1cosvvvvffffccccO光纤测量与传感技术 当光源当光源S和观察者和观察者O处于相

38、对静止的二个位置时，可当作处于相对静止的二个位置时，可当作双重多普勒效应来考虑。先考虑从光源双重多普勒效应来考虑。先考虑从光源S到运动体到运动体P，再，再考虑从运动体考虑从运动体P到观察者到观察者O。1121212121cos1cos1cos1cos1(coscos)vffcvffcvvfccvfc光纤测量与传感技术光纤多普勒技术光纤多普勒技术u 根据多普勒频移原理，采用根据多普勒频移原理，采用激光作为光源的激光作为光源的测量技术测量技术是研究流体流动的有效手段。是研究流体流动的有效手段。u 它的主要持点是它的主要持点是空间分辨率高空间分辨率高，光束不干扰光束不干扰流动性流动性，并具有，并具有

39、跟踪快速变化跟踪快速变化的能力。的能力。u 多普勒技术多普勒技术通过测量通过测量光频差光频差，来反推出流体，来反推出流体运动的速度。运动的速度。频率变化！频率变化！光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术u现在来讨论一下检测信号的光功率计算方法。流体中现在来讨论一下检测信号的光功率计算方法。流体中运动体的返回信号大小取决于运动体的返回信号大小取决于背向散射光强背向散射光强、媒质衰媒质衰减减和和光纤接收面积光纤接收面积及及数值孔径数值孔径。返回进入光纤的总功率返回进入光纤的总功率Pr光纤测量与传感技术u 强度调制光纤传感器强度调制光纤传感器u 相位调制光纤传感器相位调制光纤传感器u 频率调制光纤传感

40、器频率调制光纤传感器u 波长波长(颜色颜色)调制光纤传感器调制光纤传感器u 偏振调制光纤传感器偏振调制光纤传感器光纤传感器的机理：光纤传感器的机理：光纤测量与传感技术5.5 波长调制机理波长调制机理 波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能型传感器。器多为非功能型传感器。光纤测量与传感技术光纤光纤pH探测技术探测技术 这种技术利用化学指示剂对被测溶液的这种技术利用化学指示剂对被测溶液的颜色反响来测量溶液的颜色反响来测量溶液的pH值。值。光纤测量与传

41、感技术 采用双波长工作方式的目的是为了消除测量采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中多种因素所造成的误差。取绿光中多种因素所造成的误差。取绿光(558nm)作作参参考光考光，红光，红光(630 nm)作为作为调制检测调制检测光，探测器接光，探测器接收到的绿光与红光强度的吸收比值为收到的绿光与红光强度的吸收比值为R, pH值与值与R的关系为：的关系为：式中，式中，c、k为常数；为常数；L为试剂长度为试剂长度, pHpK，其中其中pH是酸碱度是酸碱度, pK是酸碱平衡常数。是酸碱平衡常数。光纤测量与传感技术光纤磷光探测技术光纤磷光探测技术光纤测量与传感技术 两个光电二极管的两个光电二极管的敏感波

42、长不同，一个对敏感波长不同，一个对540 nm的光敏感，另一的光敏感，另一个对个对630 nm的光敏感。的光敏感。经光电二极管转换成电经光电二极管转换成电信号，再经过电子电路信号，再经过电子电路进行信号处理，得到进行信号处理，得到相相对光强与温度变化的特对光强与温度变化的特性曲线性曲线。经校正可以得。经校正可以得到到输出相对光强与温度输出相对光强与温度呈线性关系呈线性关系。光纤测量与传感技术光纤黑体探测技术光纤黑体探测技术 通过测量物体的热辐射能量确定物体外通过测量物体的热辐射能量确定物体外表温度是非接触式测温技术。物体的热辐射能表温度是非接触式测温技术。物体的热辐射能量随温度提高而增加。对于

43、理想量随温度提高而增加。对于理想“黑体辐射黑体辐射源发射的光谱能量可用热辐射的根本定律之一源发射的光谱能量可用热辐射的根本定律之一普朗克普朗克(Plank)公式表述。公式表述。 所谓所谓“黑体、就是能够完全吸收入射辐射，黑体、就是能够完全吸收入射辐射，并具有最大发射率的物体。并具有最大发射率的物体。2/5101( , )(1)cTETCe光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术 光纤黑体探测技术。就是以黑体做探头，利用光纤传光纤黑体探测技术。就是以黑体做探头，利用光纤传输热辐射电磁波光，不怕电磁场干扰，质量轻输热辐射电磁波光，不怕电磁场干扰，质量轻 灵敏度高，体积小，探头可以做到灵敏度高，体积小，

44、探头可以做到0.1mm。光纤测量与传感技术光纤法布里光纤法布里泊罗滤光技术泊罗滤光技术式中，式中，d是法布里是法布里泊泊罗标准具厚度；罗标准具厚度；n是标是标准具平行板内的介质折准具平行板内的介质折射率；射率；是反射光的相是反射光的相位跃变位跃变。F-T标准具的间隔厚度随物理量变化而改变，从而引起反射带峰值所对应波长的移动。光纤测量与传感技术u 强度调制光纤传感器强度调制光纤传感器u 相位调制光纤传感器相位调制光纤传感器u 频率调制光纤传感器频率调制光纤传感器u 波长波长(颜色颜色)调制光纤传感器调制光纤传感器u 偏振调制光纤传感器偏振调制光纤传感器光纤传感器的机理：光纤传感器的机理：光纤测量

45、与传感技术5.6 偏振调制机理u光波是一种横波，它的光波是一种横波，它的光矢量是与传播方向垂直光矢量是与传播方向垂直的。的。u如果光波的光矢量如果光波的光矢量方向方向始终不变，只是它的始终不变，只是它的大小大小随位随位相改变，这样的光称相改变，这样的光称线偏振光线偏振光。光矢量与光的传播方。光矢量与光的传播方向组成的平面为线偏振光的向组成的平面为线偏振光的振动面振动面。u如果光矢量的如果光矢量的大小大小保持不变，而它的保持不变，而它的方向方向绕传播方向绕传播方向均匀地转动，光矢量末端的轨迹是一个圆，这样的光均匀地转动，光矢量末端的轨迹是一个圆，这样的光称称圆偏振光圆偏振光。u如果光矢量的如果光

46、矢量的大小和方向都在有规律地变化大小和方向都在有规律地变化，且光矢，且光矢量的末端沿着一个椭圆转动，这样的光称量的末端沿着一个椭圆转动，这样的光称椭圆偏振光椭圆偏振光。光纤测量与传感技术kEH偏振光的表示法圆偏振光圆偏振光线偏光线偏光椭椭圆圆偏偏振振光光光纤测量与传感技术强度为强度为I0的偏振光，通过检的偏振光，通过检偏器后，透射光的强度为：偏器后，透射光的强度为： I=I0 cos2其中其中为检偏器的偏振化方为检偏器的偏振化方向与入射偏振光的偏振化方向与入射偏振光的偏振化方向之间的夹角。向之间的夹角。AII0马吕斯定律马吕斯定律光纤测量与传感技术为线偏振光的振动方向为线偏振光的振动方向OM与

47、检偏器透振方向与检偏器透振方向ON间的夹角。间的夹角。 cos0AA 22020cos AAII 0I20IMo一束光强为一束光强为I0的自然光透过检偏器，透射光强为的自然光透过检偏器，透射光强为I0 /2解释解释I=I0 cos20AOMN光纤测量与传感技术光的双折射现象光的双折射现象在许多光纤系统中，尤其是包含单模光纤的那些系统，偏振起着重要作用。许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态，有些效应可引起双折射现象。所谓“双折射现象，就是对于光学性质随方向而异的一些晶体，一束入射常分解为两束折射光的现象。光通过双折射，媒质的相位延迟是输入光偏振状态的函数。光纤偏振调制技术可用于温度、压力、振动

48、、机械形变、电流和电场等检测。然而，目前主要应用还是监测强电流。本节将侧重介绍几种在偏振调制中常用的物理效应并讨论其偏振调制机理。现介绍双折射现象。现介绍双折射现象。光纤测量与传感技术天然的方解石晶体天然的方解石晶体是双折射晶体是双折射晶体AB光的双折射现象光的双折射现象一束自然光射向石英、一束自然光射向石英、方解石等各向异性介方解石等各向异性介质时，其折射光有两质时，其折射光有两束，这种现象称为束，这种现象称为双双折射现象折射现象。光纤测量与传感技术补充知识：补充知识：双折射晶体中的双折射晶体中的寻常光和非寻常光寻常光和非寻常光ordinary rays and extra-ordinray

49、 rays 光纤测量与传感技术一、双折射一、双折射(birefringence)的寻常光和非寻常光的寻常光和非寻常光光纤测量与传感技术光通过光通过双折射晶体双折射晶体光纤测量与传感技术u 寻常光线o光(ordinary rays)u -服从折射定律的光线u 非常光线e光(extra-ordinary rays)u -不服从折射定律的光线u 一般情况，非常光线不在入射面内u 实验证明：O 光和 e 光均为偏振光。光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术二、尼科耳棱镜光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术三、产生双折射的原因光纤测量与传感技术普普克耳克耳效应电场相关效应电场相关 各向异

50、性晶体中的普克耳效应是一种重要的各向异性晶体中的普克耳效应是一种重要的电光效应。电光效应。 当强电场施加于光正在穿行的各向异性晶体当强电场施加于光正在穿行的各向异性晶体时，所引起的时，所引起的感生双折射感生双折射正比于所加电场的一次正比于所加电场的一次方方，称为线性电光效应，或，称为线性电光效应，或普克耳普克耳效应。效应。不同方向的折射率不一样！不同方向的折射率不一样！光纤测量与传感技术折射率椭球方程折射率椭球方程1232222212nznynx对于双轴晶体，主折射率对于双轴晶体，主折射率 ；对于单轴晶体，主折射率对于单轴晶体，主折射率 为寻常光折射率，为寻常光折射率， 为非常光折射率。为非常

51、光折射率。321nnnonnn21enn 3光纤测量与传感技术 晶体的两端设有电极，并在两极间加一个电场。晶体的两端设有电极，并在两极间加一个电场。外外加电场平行于通光方向，这种运用称为纵向运用加电场平行于通光方向，这种运用称为纵向运用，或，或称称为纵向调制。为纵向调制。 对于对于KDP类晶体，晶体折射率的变化类晶体，晶体折射率的变化n与电场与电场E的的关系由下式给定关系由下式给定光程差为光程差为引起的相位变化引起的相位变化61光纤测量与传感技术1BGO调制器晶体；调制器晶体；21/4 波长片波长片3检偏器；检偏器；4电压传感器测头；电压传感器测头；5多模光导纤维；多模光导纤维；6一光检测器；

52、一光检测器；7运算器；运算器；8一输出信号；一输出信号；9一光源；一光源；10光耦合器；光耦合器；11起偏器起偏器输出光强：输出光强：线偏振光变成椭圆偏振光线偏振光变成椭圆偏振光光纤测量与传感技术 当晶体的当晶体的通光方向垂直于外加电场时称为横向运用通光方向垂直于外加电场时称为横向运用，这时产生的电光效应称为这时产生的电光效应称为横向电光效应横向电光效应。 晶体中两正交的平面偏振光由于电光效应产生的相晶体中两正交的平面偏振光由于电光效应产生的相位差为位差为光纤测量与传感技术克尔效应电场相关克尔效应电场相关 克尔效应也称为克尔效应也称为平方电光效应平方电光效应。它发生在一它发生在一切物质中切物质

53、中。当外加电场作用在。当外加电场作用在各向同性各向同性的透明物的透明物质上时，质上时，各向同性物质的光学性质发生变化各向同性物质的光学性质发生变化，变，变成成具有双折射现象的各向异性特性具有双折射现象的各向异性特性，并且与单轴，并且与单轴晶体的情况相同。晶体的情况相同。光纤测量与传感技术 克尔效应克尔效应当外电场撤消当外电场撤消时，这种性质时，这种性质立即消失，因立即消失，因此，也称为此，也称为电电致双折射现象致双折射现象。外加电场方向与光传播方向外加电场方向与光传播方向垂直时，将产生垂直时，将产生o光和光和e光。光。两光通过厚度为两光通过厚度为l 的液体时，的液体时，光程差为：光程差为：M

54、M0I20IN+ -cc20()eol nnklE假设去掉盒内电场，那么没有假设去掉盒内电场，那么没有光从光从N透出。整个系统起透出。整个系统起“光光开关的作用。开关的作用。通过控制外加电压，可调节输出的通过控制外加电压，可调节输出的光脉冲的长短和频率，把电讯号转光脉冲的长短和频率，把电讯号转变成光讯号。由于光电效应几乎没变成光讯号。由于光电效应几乎没有惯性，电讯号的控制速度可达有惯性，电讯号的控制速度可达10-9 m/s。“光开关光开关,“光调制器、光调制器、“光断续器有极快的速度启闭光光断续器有极快的速度启闭光路或调制光强，目前广泛应用于高路或调制光强，目前广泛应用于高速摄影、电影、电视和

55、激光通讯等速摄影、电影、电视和激光通讯等许多领域。许多领域。光纤测量与传感技术两偏振光波的光程差为两偏振光波的光程差为两光波间的相位差两光波间的相位差光纤测量与传感技术法拉第效应磁场相关法拉第效应磁场相关 许多物质许多物质在磁场的作用下在磁场的作用下可以可以使使穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转，这种现象称为这种现象称为磁致旋光效应磁致旋光效应或或法拉第法拉第效应效应。光纤测量与传感技术旋光现象旋光现象A 旋光现象旋光现象偏振光通过某些透明物质后，其振动面方向将以光的传播方偏振光通过某些透明物质后，其振动面方向将以光的传播方向为轴线转过一定的角度向为轴线转过一定的角度，这种现象称为，这种现象称为旋光现象。旋光现象。能够产生旋光现象的物质称为能够产生旋光现象的物质