新型传感器第四章10ppt课件

1、安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors光光 纤纤 传传 感感 器器 第一节第一节 光纤传感原理光纤传感原理第二节第二节 常见光纤传感器常见光纤传感器安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors一、概述一定规格的玻璃纤维可以作一定规格的玻璃纤维可以作为光波导体而用于通信为光波导体而用于通信 1966年美籍华裔科学家高焜博士第一个年美籍华裔科学家高焜博士第一个 提出：提出：安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Ty

2、pe Sensors安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors光纤结构：主体是二氧化硅，掺杂的作用是提高材料的光折射率。主体是二氧化硅，掺杂的作用是提高材料的光折射率。纤芯直径约纤芯直径约5 57575m m 。一般用纯二氧化硅，也有的掺杂是降低材料的光折射一般用纯二氧化硅，也有的掺杂是降低材料的光折射率，总直

3、径在率，总直径在100100200200m m上下。上下。保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。纤芯纤芯包层包层涂敷层涂敷层尼龙外层尼龙外层纤芯纤芯包层包层涂敷层和外层涂敷层和外层安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors传光原理一）Sin 1 /sin 2 =n2/n1n2n11 c1 c1 c2sin c=n2/n1全反射全反射安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors传光原理二）01 1d n2n1n0安

4、徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors二、光纤的种类二、光纤的种类单模光纤单模光纤1、按材料性质：、按材料性质：玻璃光纤玻璃光纤 耐温度较高耐温度较高, 导光效导光效率佳率佳塑料光纤损耗小，体积小，广泛塑料光纤损耗小，体积小，广泛应用于短距离传输，医疗器械，应用于短距离传输，医疗器械，光纤传感，汽车，光纤照明等领光纤传感，汽车，光纤照明等领域域 2、按折射率分布：、按折射率分布：阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤梯度折射率光纤梯度折射率光纤3、按光纤的传输模式：、按光纤的传输模式：多模光纤多模光纤安徽工程大学安徽工程大学电气工程学

5、院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors三、什么是光纤传感技术？三、什么是光纤传感技术？v 是现代通信的产物，是随着光纤及通信技术的发展是现代通信的产物，是随着光纤及通信技术的发展而逐步发展起来的一门崭新技术。而逐步发展起来的一门崭新技术。由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤中的传播时表征光波的特征参量振幅、相位、光纤中的传播时表征光波的特征参量振幅、相位、偏振态、波长等因外界因素如温度、压力、磁场、偏振态、波长等因外界因素如温度、压力、磁场、电场、位移等的作用而间接或直接地发生变化，从电场、位移等

6、的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感器元件来探测各种待测量物理而可将光纤用作传感器元件来探测各种待测量物理量、化学量和生物量），这就是光纤传感器的基本原量、化学量和生物量），这就是光纤传感器的基本原理。理。光纤传感技术光纤传感技术-利用光纤研制光纤传感器始于利用光纤研制光纤传感器始于1977年年安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors 光纤传感器的特点光纤传感器的特点 7、 综合性价比高。综合性价比高。6、 便于复用，便于成网。便于复用，便于成网。5、 对被测介质影响小，可用于航空航天的对被测介质影响小，可用于

7、航空航天的 复合材料中。复合材料中。 4、 测量对象广泛。测量对象广泛。3、 重量轻、体积小、可挠曲。重量轻、体积小、可挠曲。2、 灵敏度高。灵敏度高。1、 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors第一节第一节 光纤传感器原理光纤传感器原理一、传感原理及分类一、传感原理及分类传光型光纤传感器：非功能型光纤传感器传光型光纤传感器：非功能型光纤传感器 None Function FilterNFF非本征型）非本征型） 原理：利用其它敏感元件测得特征量，由

8、光纤进行数据传输。原理：利用其它敏感元件测得特征量，由光纤进行数据传输。 调制器入射光纤出射光纤光敏器件信信号号特点：是充分利用现有的传感器，便于推广应用。特点：是充分利用现有的传感器，便于推广应用。安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors原理：指利用外界因素改变光纤中光的特征参量，原理：指利用外界因素改变光纤中光的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的，从而对外界因素进行计量和数据传输的，传感型光纤传感器功能型光纤传感器传感型光纤传感器功能型光纤传感器 Function FilterFF） （本征型）（本征型）入射光

9、纤信信号号出射光纤光敏器件特点：传感合一，信息的获取和传输都在光纤之中。特点：传感合一，信息的获取和传输都在光纤之中。安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors 这两类光纤传感器都可再分成光强、相位、偏振态这两类光纤传感器都可再分成光强、相位、偏振态和波长等几种调制形式和波长等几种调制形式.小结：小结：光纤传感器的基本组成：光纤传感器的基本组成：光源、入射光纤、出射光纤、调制器、光电探测器光源、入射光纤、出射光纤、调制器、光电探测器安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type

10、Sensors二、传感器的调制技术二、传感器的调制技术沿某一方向传播的光波可以用平面波的波动方程表示：沿某一方向传播的光波可以用平面波的波动方程表示：E = Asin(kx-t + ) 其中，空间频率其中，空间频率k = 2/。光具有以下基本特性参量：光具有以下基本特性参量：初始相位初始相位：初始相位反映了光波的光程。：初始相位反映了光波的光程。幅值幅值A：振幅：振幅A决定了光的强度，光强度的极大值就是决定了光的强度，光强度的极大值就是A2。振动方向：振幅振动方向：振幅A是一个矢量，有是一个矢量，有 偏振方向。偏振方向。频率：频率：为光的角频率，外部特征表现为颜色。为光的角频率，外部特征表现为

11、颜色。波长波长：同样的光波，在不同折射率的介质中光的波长是：同样的光波，在不同折射率的介质中光的波长是不相等的。不相等的。原理：原理：安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors定义：利用外界物理量改变光纤中光的强定义：利用外界物理量改变光纤中光的强度，通过测量度，通过测量 光强变化来测量外界物理量光强变化来测量外界物理量变化。变化。n通常入射光纤不动，出射光纤平移或转动；n光纤间距大约23m，端面为平面；1、透射式强度调制（一）（一） 、强度调制、强度调制横向转动纵向差动SSDDDDDSS安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电

12、气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors为了得到高的灵敏度和好的线性度，偏置点应当选择在为了得到高的灵敏度和好的线性度，偏置点应当选择在A点。点。设输入、输出光纤均为同一种单模光纤，那么：设输入、输出光纤均为同一种单模光纤，那么：n径向位移径向位移x与功率耦合系数与功率耦合系数T之间近似高斯型曲线的关系：之间近似高斯型曲线的关系：T = exp(x2/s20) 式中，式中，s0为光纤中的光斑尺寸为光纤中的光斑尺寸位移测量范围在位移测量范围在10m以内。以内。安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Senso

13、rs、开关式强度调制、开关式强度调制 入射和出射光纤相对位置固定不动，外界物体运动入射和出射光纤相对位置固定不动，外界物体运动使光强发生变化，外界物体如薄膜或管式压力计、热膨使光强发生变化，外界物体如薄膜或管式压力计、热膨胀元件、液位等。胀元件、液位等。n入射光入射光 ：被透镜准直成半径为：被透镜准直成半径为 r 平行光束；平行光束；n出射光强变化出射光强变化 与挡板位移与挡板位移的关系：与的关系：与/r成比例。成比例。 DrP弹性薄膜安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensorsn假设光栅距假设光栅距5m 、栅宽、栅宽5m；n输

14、出光强随位移发生周期性变化。输出光强随位移发生周期性变化。n减栅宽可提高灵敏度，但降低了测量范围。减栅宽可提高灵敏度，但降低了测量范围。n构造：光栅有两个：一个固定，一个随被测量而移动；构造：光栅有两个：一个固定，一个随被测量而移动；n原理：当光栅运动时，两光栅的投射光强发生变化。原理：当光栅运动时，两光栅的投射光强发生变化。SDrP弹性薄膜安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors3、反射式强度调制、反射式强度调制可测量距离、对象表面反射率、角度等可测量距离、对象表面反射率、角度等为提高光强的耦合效率，可采用大数值孔径光纤为

15、提高光强的耦合效率，可采用大数值孔径光纤非接触、探头小、频响高、线性度好等，其测非接触、探头小、频响高、线性度好等，其测量范围在量范围在100m以内。以内。特点：特点：安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors 4、折射率调制法、折射率调制法n可以做成温度可以做成温度传感器。传感器。n油改变纤芯表面油改变纤芯表面折射率；折射率；可以测量液体的可以测量液体的温度、折射率、温度、折射率、液面等。液面等。n液体折射率液体折射率nt随温度变化；随温度变化；n纤芯折射率纤芯折射率n1不变；不变；n测量水中的含油测量水中的含油量。量。安徽

16、工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors定义：利用外界物理量改变光的偏振特性，通过检测光的定义：利用外界物理量改变光的偏振特性，通过检测光的偏振态的变化来检测物理量。偏振态的变化来检测物理量。1、法拉第效应、法拉第效应(二)、偏振态调制法通入电流，产生磁场，光矢量通入电流，产生磁场，光矢量的方向旋转了一个角度的方向旋转了一个角度 ，P2有光出射。有光出射。式中，式中， I为导线中通过的电流。为导线中通过的电流。n利用利用 = VdLB，可计算，可计算出磁感应强度出磁感应强度 B。P1+-旋旋光光物物质质P2P1、P2偏振偏振片片

17、S光光源源n这种结构可以制成电流传感器。这种结构可以制成电流传感器。又：安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors起偏器：对于一束自然光，其光矢量的振动方向是起偏器：对于一束自然光，其光矢量的振动方向是360360的，为了获得只有一个振动方向的光偏振光），的，为了获得只有一个振动方向的光偏振光），就需要借助于起偏器。起偏器一般是用具有二相色就需要借助于起偏器。起偏器一般是用具有二相色性的介质制作而成的，这种介质只让某一个振动方性的介质制作而成的，这种介质只让某一个振动方向的光矢量透过，这个方向叫做向的光矢量透过，这个方向叫做“

18、透光轴透光轴”，而垂，而垂直与透光轴方向的光矢量或光矢量的分量被吸收。直与透光轴方向的光矢量或光矢量的分量被吸收。安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors克尔盒 1光矢量沿着电场方向，为光矢量沿着电场方向，为O光矢量，折射率为光矢量，折射率为no ；、克尔电光效应、克尔电光效应 2光矢量与电场垂直，为光矢量与电场垂直，为E光矢量，折射率为光矢量，折射率为ne ；n线偏振光沿着与电场垂直的方向通过克尔盒线偏振光沿着与电场垂直的方向通过克尔盒时，分解为两束线偏振光：时，分解为两束线偏振光：+-S起偏器检偏器安徽工程大学安徽工程大

19、学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors、克尔电光效应续、克尔电光效应续1）n设设O光和光和E光折射率为光折射率为no 、 ne，折射率变化，折射率变化n与与电场之间的关系为：电场之间的关系为： K为克尔常数、为克尔常数、 E为电场强度、为电场强度、为真空中光波长。为真空中光波长。克尔盒+-S起偏器检偏器-此为克尔电光效应n两束线偏振光通过克尔盒后产生的光程差两束线偏振光通过克尔盒后产生的光程差为：为：U为外加电压、为外加电压、L为光在克尔盒中的空间长度、为光在克尔盒中的空间长度、 d为电极间距为电极间距其中其中运用安徽工程大学安徽工程大学电气工

20、程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors利用克尔效应可以构成光纤电压传感器。利用克尔效应可以构成光纤电压传感器。n对应的相位差为：对应的相位差为：n若检偏器与起偏器正交，而且与电场方向成若检偏器与起偏器正交，而且与电场方向成45，则出射，则出射光波的光强为：光波的光强为：I= I0 sin (/2)= I0 sin kL (U/d) 、克尔电光效应续、克尔电光效应续2）克尔盒+-S起偏器检偏器安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors3、光压效应、光压效应n光压效应又称作应力双折射。光压

21、效应又称作应力双折射。n压力或张力压力或张力MN方向的折射率和其它方向不同。方向的折射率和其它方向不同。n 设设MN方向上的折射率为方向上的折射率为ne、垂直、垂直MN方向的折射率为方向的折射率为no。n折射率的变化与外加压强折射率的变化与外加压强 P 的关系：的关系：K为物质的压强光学系数。为物质的压强光学系数。MN压力压力光源起偏器补偿片检偏器none其中-此为光压效应安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors 相应的出射光强相应的出射光强 I 为为 3、光压效应续1）n可以构成压力、声、振动、位移等光纤传感器。可以构成压

22、力、声、振动、位移等光纤传感器。若光波通过的物质厚度为若光波通过的物质厚度为l，则产生的光程差，则产生的光程差等于：等于：由此引起的相位差由此引起的相位差为：为：MN压力压力光源起偏器补偿片检偏器none运用安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors(三三)、相位调制法、相位调制法定义：外界物理量改变光纤中光波的相位，通过检定义：外界物理量改变光纤中光波的相位，通过检测相位变化来测量物理量的原理。测相位变化来测量物理量的原理。n借助于光纤干涉仪可以将相位变化转变为光强变化，借助于光纤干涉仪可以将相位变化转变为光强变化，从而最终

23、转变成电信号。从而最终转变成电信号。n光纤中光波的相位由光纤的物理长度、折射率及其分光纤中光波的相位由光纤的物理长度、折射率及其分布、横向几何尺寸决定，压力、张力、温度等能直接布、横向几何尺寸决定，压力、张力、温度等能直接改变上述参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。改变上述参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors1、应力应变效应、应力应变效应n受纵向应力作用，纤芯的长度、直径、折射率都受纵向应力作用，纤芯的长度、直径、折射率都将变化，导致光纤中光波相位变化。将变化，导致光纤中光波相

24、位变化。n经过经过 L长的光纤后，出射光波的相位延迟为：长的光纤后，出射光波的相位延迟为： n 为光纤中光波的传播系数。为光纤中光波的传播系数。n纤芯半径为纤芯半径为 r 的光纤长度的光纤长度L或传播系数或传播系数变化时，变化时，引起光波相位变化引起光波相位变化 ： 1为光纤长度变化引起的相位延迟为光纤长度变化引起的相位延迟(应变效应或纵向应变效应或纵向应变应变)； 2为折射率变化为折射率变化(光弹效应光弹效应)引起的相位延迟；与引起的相位延迟；与 1、 2、 3有关。有关。 3为光纤芯的直径变化为光纤芯的直径变化(泊松效应或横向应变泊松效应或横向应变)引起的引起的相位延迟。相位延迟。 其中：

25、安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensorsn相对于相对于1、 2而言，而言， 3要小得多，可以忽略要小得多，可以忽略不计，因此有：不计，因此有：n其中：其中：式中，式中，k0 = 2 / ；P12、P12为光纤的光弹系数，为光纤的光弹系数， 第一项为径向应变的相位调制项、第一项为径向应变的相位调制项、 第二项为横向应变的相位调制项、第二项为横向应变的相位调制项、 第三项为光弹效应的相位调制项。第三项为光弹效应的相位调制项。安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Senso

26、rs2、温度应变效应、温度应变效应式中，应变式中，应变1、3与光纤材料性质有与光纤材料性质有关。关。在光纤中光是沿横向偏振的，可以仅考虑径向折射率变化，那么：在光纤中光是沿横向偏振的，可以仅考虑径向折射率变化，那么：若用温度变化若用温度变化 T 和相位变化光纤的温度灵敏度来描述，和相位变化光纤的温度灵敏度来描述，则有：则有：n由由 F引起光纤中光波相位延迟为：引起光纤中光波相位延迟为：n将温度变化等效为作用力将温度变化等效为作用力 F 对光纤的应变作用，那么，对光纤的应变作用，那么，作用力作用力 F 将同时影响光纤折射率将同时影响光纤折射率n和长度和长度 L 的变化。的变化。安徽工程大学安徽工

27、程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensorsu需用保偏光纤才能获得好的干涉效果，需用保偏光纤才能获得好的干涉效果，u具有很高的相位调制灵敏度。具有很高的相位调制灵敏度。u探头形式灵活多样，适用于不同的测试环境；探头形式灵活多样，适用于不同的测试环境；n相位调制法具有一下特点：相位调制法具有一下特点：vvv 保偏光纤 vvv偏振保持光纤传输线偏振光，广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域。在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振光偏振方向不变，提高相干信噪比，以实现对物理量的高精度测量。安徽工

28、程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors领结型保偏光纤 椭圆型保偏光纤 保偏光纤 安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors(四四)、频率调制法、频率调制法通过测量多普勒频移量通过测量多普勒频移量 = s - 0实现流体速度的测实现流体速度的测量量n由于余弦函数为偶函数，对于由于余弦函数为偶函数，对于的正负不易断定，因此零的正负不易断定，因此零差测量法只能测量运动大小，差测量法只能测量运动大小，不能测量物体运动方向。不能测量物体运动方向。1、零差法、零差法干涉光的

29、光强干涉光的光强I(t)为：为：n利用频谱分析仪测量光敏利用频谱分析仪测量光敏器件电信号，即可测出频移。器件电信号，即可测出频移。安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors 通过调节声光调制器的调制频率通过调节声光调制器的调制频率1，就可以检测出测量光的多普勒光频移量，就可以检测出测量光的多普勒光频移量s的大小与频移方向。的大小与频移方向。2、外差法、外差法干涉光的光强干涉光的光强I(t)为：为：式中，式中， = s - 1为两束光干涉而形成的为两束光干涉而形成的光强变化的拍频。光强变化的拍频。当当 = s - 1=0时，时，

30、s = 1。安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors第二节第二节 常见光纤传感器常见光纤传感器一、偏振式光纤温度传感器一、偏振式光纤温度传感器安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensorsn光线透过光线透过1/4波片之前，光矢量与其快轴的夹角为波片之前，光矢量与其快轴的夹角为- ）。）。光线穿过波片后再被反射镜反射回来，往返两次通过光线穿过波片后再被反射镜反射回来，往返两次通过1/4波片波片后，光矢量以后，光矢量以1/4波片的快轴对称轴转动波片的快轴对称轴转动-

31、 ）角。）角。n光线第一次穿过石英晶体，被石英晶体左旋，即光线第一次穿过石英晶体，被石英晶体左旋，即顺时针旋转了顺时针旋转了角。角。n迎着光的入射方向观察，迎着光的入射方向观察，y轴是平行于纸面的方向，轴是平行于纸面的方向，F为为1/4波片的快轴方向，它与波片的快轴方向，它与y轴夹角为轴夹角为。设石英晶体。设石英晶体为左旋晶体。为左旋晶体。安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensorsn光线第二次经过石英晶体，再次被左旋光线第二次经过石英晶体，再次被左旋角。注意光线的方向。角。注意光线的方向。n测温范围测温范围18180，分辨率为

32、，分辨率为2。n当当2(-) = 45时，输出光强与时，输出光强与之间的线性度最好。当测之间的线性度最好。当测温的范围确定后，可以通过调整温的范围确定后，可以通过调整1/4波片快轴来满足要求。波片快轴来满足要求。n设透过棱镜的偏振光强度为设透过棱镜的偏振光强度为I 0，返回的光矢量被旋转了，返回的光矢量被旋转了角，角，按照马吕斯定律，返回光线透过偏振棱镜后的光强度按照马吕斯定律，返回光线透过偏振棱镜后的光强度I与原来与原来的光强的光强I 0之间的关系为：之间的关系为：I = I 0cos2(-) + 2(- ) - = 2(- )n光线两次通过石英晶体后，光矢量总的转角为：光线两次通过石英晶体

33、后，光矢量总的转角为：安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors2、反射式光纤位移传感器、反射式光纤位移传感器n当 b(d+2a)/2 tg(sin-1N)时，即输出光纤位于光锥之内，两光纤的耦合最强，接收光强达到最大值。1、基本原理被测表面被测表面2adb探测器光源n输出光纤接收光强等效于输入光纤像发出的光强，有：bb2adn由于 = sin-1N，所以：n当 bd2 tg(sin-1N)时，输出光纤位于光纤像的光锥之外，两光纤的耦合为零，无反射光进入输出光纤；n最大检测范围bmax为a/tg(sin-1N)。安徽工程大学安

34、徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensorsn由于输出光纤芯径很小，常常把光锥边缘与输出光纤芯由于输出光纤芯径很小，常常把光锥边缘与输出光纤芯交界弧线看成直线。交界弧线看成直线。 2、耦合效率n投影光斑与输出光纤端面有一交叠面，交叠面积的大小投影光斑与输出光纤端面有一交叠面，交叠面积的大小决定了输出光纤接收到的光强大小。决定了输出光纤接收到的光强大小。n假定反射面无光吸收，两光纤的光功率耦合效率为：假定反射面无光吸收，两光纤的光功率耦合效率为：式中，弧矢高度式中，弧矢高度 = 2btg(sin-1N) - d。n交叠面积与光纤端面积之比交叠面

35、积与光纤端面积之比M为：为：安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors3、标准光纤结构、标准光纤结构n影响光纤位移传感器的测量范围和灵敏度的主要因素影响光纤位移传感器的测量范围和灵敏度的主要因素是输入光纤和输出光纤端部的光纤分布形态。是输入光纤和输出光纤端部的光纤分布形态。n标准的光纤位移传感器由标准的光纤位移传感器由600根直径根直径0.762的光导纤的光导纤维组成，纤芯是折射率为维组成，纤芯是折射率为1.62的火石玻璃，包层为折射率的火石玻璃，包层为折射率为为1.52的玻璃。光纤采用型结构。的玻璃。光纤采用型结构。光纤分布

36、形态一般有四种光纤分布形态一般有四种安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors三、光纤加速度传感器三、光纤加速度传感器1、干涉型光纤加速度传感器n质量上，质量块m远大于顺变体mc，结构上可简化为简单的二阶质量弹簧系统。n以加速度a运动的质量块对顺变体施加一个轴向力F，并且：n在力F的作用下，顺变柱体产生轴向应变i：n 式中，E为顺变柱体材料的弹性模量，d为顺变柱体的直径。n顺变柱体的径向应变为：n 其中， 为顺变柱体材料的泊松比。n引起光纤长度变化l / l（=）。设光纤匝数为N，那么：n光纤长度的变化可用干涉仪测量，光束的位

37、相变化为：n =l1-0.5n (1-f )p12-f p11n 式中，n为纤芯的折射率；p11，p12为光弹系数；f为纤芯的泊宋比；=2n/。n若定义加速度传感器的灵敏度为/a，那么：安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors2、强度型光纤加速度传感器、强度型光纤加速度传感器n质量块受力F作用时，板簧的变形可表示为：nn 式中：E为板弹簧材料的杨氏模量；n J为板弹簧的惯性矩；n L为板弹簧长度。n对(x)关于x微分，得质量块倾角(x)：n 当 x = L 时nn质量块所受作用力由加速度引起，根据牛顿第二定律：n 式中，K为

38、板弹簧的弹性系数。安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensorsn由于反射镜的倾斜，光斑偏向某一个输出光纤。当全部光线只照射在某一个光纤上时，反射镜的偏转角为最大值max。n由最大倾斜角可以确定本传感器所能测量的最大加速度：n系统的固有频率r为：n 式中，W为宽度、H为厚度。n一般设计要求，质量块承受最大加速度amax时，反射光偏转max，并全部落在一个输出光纤上。若光纤的直径为d，则这时光斑相对于a=0时的移动距离为d/2。n设自聚焦透镜长度为z，透镜材料的折射率n0。假定反射镜与透镜之间只有最小气隙，那么：n加速度传感器可测量

39、的最大加速度实际为：n这种结构的加速度传感器灵敏度高，动态范围大，而且不易受冲击振动和电源波动的影响，最小可可测加速度值小于 10-5m / s2 ，而且整体结构简单，体积小。安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors法拉第效应法拉第效应定义：当偏振光通过某种透明介质时，偏振光的偏振态将以光的传播方向为轴线旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象。例如石英玻璃。在磁场作用下的旋光效应称作法拉第效应或磁致旋光效应。例如稀土玻璃。特性：当线偏振光通过处于磁场下的透明介质时，光线的偏振面光矢量振动方向的偏转角与磁场强度B以及介质的长度L

40、为：= KBL式中，K为维尔德Verdet常数，数值与光波波长及温度有关。例如：已知稀土玻璃的维尔德常数是0.130.27/Gs。0.1T(103Gs)磁场下长10cm的稀土玻璃棒可使偏振光的光矢量偏转22 45。安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors 当一束单色光入射到各向异性介质表面时，一般产生两束折射光，这种现象称为双折射。 两束光中，一束光遵守折射定律，称为寻常光，或O光。另一束光不遵守折射定律，称为非常光，或E光。O光和E光都是线偏振光，O光、E光的折射率分别表示为no，nE， 产生双折射有两种途径，一是利用具有

41、双折射特性的天然材料如石英晶体、方解石晶体等；另一种方法是人为产生。光的双折射光的双折射安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors光纤干涉仪光纤干涉仪马赫 - 泽德光纤干涉仪激光器发出的相干光通过蚀刻或搭接的3dB耦合器分成两个相等的光束，一束为信号臂，另一束为参考臂。外界信号S(t)作用于信号臂。第二个3dB耦合器把两束光再耦合，再分成两束经光纤传送到光探测器。两个光探测器接收到的光强分别为：I1 = 0.5I0(1+coss)I2 = 0.5I0(1- coss)式中，I0为激光源发出的光强a；为耦合系数；s为外界信号 S

42、(t)引起的相位移。可见，马赫 - 泽德干涉仪将信号 S(t)引起的相位移变换为光强的变化。经过适当的信号处理系统能将信号 S(t)从光强中解调检测出来。 迈克尔逊干涉仪 光束被3dB耦合器分成两路入射到光纤，光从末端反射回来并经耦合器输出到探测器。 如果外界信号S(t)作用于信号臂，则在两臂之间产生光程差，并通过测量干涉光强的大小知道光程差大小，从而确定S(t)。 迈克尔逊干涉仪两臂的光程彼此独立，因而可分别对两臂的光采用相位和偏振态的补偿方法。安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors应变应变u长度为 l 的弹性材料，受外

43、力作用引起几何形变 l ，定义材料应变 = l / l 。u材料沿受力方向发生的应变称作纵向应变，可用x表示。u垂直于受力方向发生的应变称作横向应变，可用y表示，并且y = x 。u光纤受外力作用产生的应变分纵向应变3与横向应变1、2 。u对于各向同性光纤材料，1 = 2 。u折射率变化(光弹效应) 引起的相位延迟，与光纤的横向应变1、2、3有关。n应变应变n光纤的应变光纤的应变安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors 当光接收元件与光源之间有相对运动时，光敏器件所接收到的光频率fs与光源本身的光频率f不相同，这种现象成作光

44、的“多普勒效应”。 设光敏器件相对于光源的运动速度为v，则光敏器件所接收到的光频率fs可以简单地表示为：fs = f /(1-v/c) (1+v/c)f 式中：c为光速。光 的 多 普 勒 频 移光 的 多 普 勒 频 移安徽工程大学安徽工程大学电气工程学院电气工程学院 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors偏振分光棱镜偏振分光棱镜n把入射光线的光矢量分解为平行于入射面的分量P分量和垂直于入射面的分量S分量两个部分。n一般情况下，经光学界面折射和反射的光线中，既包含S分量又包含P分量。所包含的两个分量的光强比例可以由菲涅耳公式推导。n按照菲涅耳公式推导，存在这样一个十分独特的入射角B，当光线沿着这个角度入射时，入射光线将被分解为两个纯粹的偏振光，这个角度称作布儒斯特Brewster角。并且：n)n线偏振光入射至偏振分光棱镜，如果入射光的光矢量与纸面平行，则只有透射光而无反射光；n如果