光纤传感器基本原理

1、光纤传感器基本原理光光 源源信号信号调制调制光纤光纤光纤光纤光探光探测器测器信号信号处理处理外界参量外界参量 光纤强度调制传感器的原理图光纤强度调制传感器的原理图 原理图原理图 若输入输出为同一种单模光纤，若输入输出为同一种单模光纤，S0S0为光纤中的为光纤中的光斑尺寸，则径向位移光斑尺寸，则径向位移d d与功率耦合系数与功率耦合系数T T的关的关系为高斯型曲线，存在下列关系：系为高斯型曲线，存在下列关系：220T=dse220T=dse220T=dse220T=dseT Td dA A最佳传最佳传感区域感区域 原理图原理图 原理图原理图 传传光光束束双双光光纤纤单单光光纤纤原理图原理图 22

2、22/12/112)2(Mmamm表征光纤折射率表征光纤折射率分布的参数分布的参数 纤芯半径纤芯半径 总模式总模式 模式标号模式标号相对折相对折射率差射率差2122212nnn梯度折射率光纤梯度折射率光纤 =2a2/12）（ 阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤 Mma2/12变形器的最佳周期变形器的最佳周期为光纤芯子与包层之间的相对折射率差；为光纤芯子与包层之间的相对折射率差；a a为纤芯半径；为纤芯半径；M M是总模式；是总模式；m m是模式标号；是模式标号； 原理图原理图 fcvcvffs)/1 (/1激光器激光器 f0f0f0 f1f0-f1以以速速度度 v运运动动的的被被测测物物体体f0f混

3、频混频f1ff v)cos(21221222AAAAA： LaaLnnLLLLLL)()()(纵向应变的相位调制纵向应变的相位调制-应变效应应变效应31220)211 (1PnLnk径向应变的相位调制径向应变的相位调制-泊松效应泊松效应11211200)(21)(2PPndadnkaLnk光弹效应的相位调制光弹效应的相位调制)(21331211211230PPPnLnk其中，其中，n 为光纤的纤芯折射率。为光纤的纤芯折射率。a a为光纤的纤芯半径，为光纤的纤芯半径，L L为光纤长度，为光纤长度，20k0nk1211,PP为光纤的光弹系数。为光纤的光弹系数。21,为光纤的径向应变。为光纤的径向应

4、变。3为光纤的纵向应变。为光纤的纵向应变。 )(/0dTdLndTdnLkT原理：原理： 根据双光束相干原理，两个光探测器接收到的光强分别为：根据双光束相干原理，两个光探测器接收到的光强分别为：)cos(1 (0211sII)cos(1(0212sII其中，其中，0 I为光源的光强，为光源的光强，为耦合系数，为耦合系数，s为外界参量引起的相移为外界参量引起的相移由两个光探测器接收到的光强变化，可检测出由两个光探测器接收到的光强变化，可检测出s的变化，进一步得出外界参量。的变化，进一步得出外界参量。原理：原理： 当闭合光路相对惯性空间以转速当闭合光路相对惯性空间以转速转动时，顺、逆时针传播转动时

5、，顺、逆时针传播的光将产生一个非互易性的光程差，由于光程差又引入了两相反的光将产生一个非互易性的光程差，由于光程差又引入了两相反传播的光波之间的时间差，进一步引入相位延迟。传播的光波之间的时间差，进一步引入相位延迟。cANL82其中，其中，A A为光纤圈的面积，为光纤圈的面积，N N为光纤的圈数，为光纤的圈数，为角速度。为角速度。S(t)光的偏振光的偏振)cos(xxxtaE)cos(yyytaEyxaaA幅度差幅度差相位差相位差zByxyx光的偏振光的偏振线偏振线偏振圆偏振圆偏振椭圆偏振椭圆偏振E Ek kk kE EE ExE Ey朝k k方向方向观察逆时针：x - y = /2顺时针：y

6、 - x = /2. .k k理想圆对称光纤中，完全简并，理想圆对称光纤中，完全简并， x x = = y y，两个模式的存在，两个模式的存在，对单模光纤的传输性质及模式的偏振态没有影响。对单模光纤的传输性质及模式的偏振态没有影响。若光纤不是理想的圆对称波导时，若光纤不是理想的圆对称波导时， x x y y，模式的简并性模式的简并性消失，这种现象称为单模光纤的双折射。消失，这种现象称为单模光纤的双折射。光纤中的双折射光纤中的双折射双折射双折射媒质的各向异性，不同方向介电常数不同，折射率不同媒质的各向异性，不同方向介电常数不同，折射率不同光纤双折射光纤双折射LPLPx x0101, LP, LP

7、y y01 01 失去简并失去简并, , x x y y工艺中固有的不完善使光纤偏离理想圆对称，工艺中固有的不完善使光纤偏离理想圆对称，光纤弯曲光纤弯曲随机应力随机应力各向异性各向异性双折射参数双折射参数B B0kByxk k0 0 真空中波数真空中波数表明光纤双折射表明光纤双折射的程度的程度2/EknnnLEkLnn2/）（LEk222)2(sin20 II利用后向瑞利散射的传感技术利用后向瑞利散射的传感技术;基于后向瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感基于后向瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感技术的基础技术的基础,它在它在80年代初期得到了广泛的发展。然而年代初期得到了广泛的发展。然

8、而由于该技术难以克服测量精度低、传感距离短的缺陷由于该技术难以克服测量精度低、传感距离短的缺陷,目前在这方面的研究已鲜有报道。目前在这方面的研究已鲜有报道。强度调制型强度调制型基于拉曼散射的分布式温度传感技术，采用斯托克斯光与反斯托基于拉曼散射的分布式温度传感技术，采用斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比可消除光纤的固有损耗和不均匀性所带来的影响，克斯光的强度比可消除光纤的固有损耗和不均匀性所带来的影响，是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术。对该技术开展研是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术。对该技术开展研究工作的主要有英国的大学，中国的重庆大学和中国计究工作的主要有英国的大学，中国的重庆大学和中国计量学院。量学院。该技术最初是由