光纤传感调制技术-文档资料

1、1第第9章章 光纤传感调制技术光纤传感调制技术燕山大学光电子系2光纤传感的理论基础光纤传感的理论基础v光光效应：光光效应： 多普勒效应多普勒效应 萨格纳克效应萨格纳克效应 拉曼和布里渊效应拉曼和布里渊效应v光电效应：光电效应： 外光电效应外光电效应 内光电效应内光电效应v电光效应电光效应 鲍格鲁斯效应鲍格鲁斯效应 电光克尔效应电光克尔效应 古亭古亭-鲍鲁鲍鲁 底歇效应底歇效应v磁光效应磁光效应 法拉第效应法拉第效应 磁光克尔效应磁光克尔效应 科顿科顿-蒙顿效应蒙顿效应燕山大学光电子系3(1) 光纤的传感器中的作用光纤的传感器中的作用v功能型功能型v非功能型非功能型v拾光型拾光型 燕山大学光电子

2、系4(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器v光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是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。敏感元件，光在光纤内受被测量调制。v优点：结构紧凑、灵敏度高。优点：结构紧凑、灵敏度高。v缺点：须用特殊光纤，成本高，缺点：须用特殊光纤，成本高，v典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。 燕山大学光电子系5(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器v光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感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。元件上受被测量调制。v优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，优点：无需特殊光纤及其

3、他特殊技术， 比较容易实现，成本低。比较容易实现，成本低。v缺点：灵敏度较低。缺点：灵敏度较低。v实用化的大都是非功能型的光纤传感器。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。燕山大学光电子系6(c) 拾光型光纤传感器v 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光 或被其反射、散射的光。或被其反射、散射的光。v 典型例子：典型例子：光纤激光多普勒速度计光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器辐射式光纤温度传感器燕山大学光电子系7第第9 9章章 光纤传感调制技术光纤传感调制技术v从光信号调制方式的角度分类，光纤传感器可分为光从光信号调制方式的角度分类，光纤传感器可分为

4、光强调制型、频率调制型、相位调制型及偏振调制型。强调制型、频率调制型、相位调制型及偏振调制型。v其中，光强调制型光纤传感器在一般工程测量中因结其中，光强调制型光纤传感器在一般工程测量中因结构简单、测量范围大而应用较多，而在对测量精度要构简单、测量范围大而应用较多，而在对测量精度要求较高的场所，则采用相位型和偏振型调制光纤传感求较高的场所，则采用相位型和偏振型调制光纤传感器。随着科学技术的高速发展，对传感器的精度、稳器。随着科学技术的高速发展，对传感器的精度、稳定性及小型化的要求越来越高。因此，相位调制型及定性及小型化的要求越来越高。因此，相位调制型及偏振调制型光纤传感器是目前研究和开发的主要对

5、象。偏振调制型光纤传感器是目前研究和开发的主要对象。燕山大学光电子系89.1 光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器19.2 相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器29.3 偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器 3 9.4 频率调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器 4 燕山大学光电子系99.1 9.1 光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器v光强调制型光纤传感器是用被测信号调制光强，使光强调制型光纤传感器是用被测信号调制光强，使探测器接收到的光强随被测信号的变化而变化，这探测器接收到的光强随被测信号的变化而变化，这类光纤传感器称为类光纤传感器称为光强调制型光纤传感器。光强调制型光纤传

6、感器。v光强调制型光纤传感器具有结构简单，易于实现等光强调制型光纤传感器具有结构简单，易于实现等优点。常用的类型有：微弯型、蚀刻型、遮光型和优点。常用的类型有：微弯型、蚀刻型、遮光型和缠绕型。缠绕型。微弯型微弯型、蚀刻型蚀刻型遮光型遮光型缠绕型缠绕型9.1.1 9.1.2 9.1.39.1.4 燕山大学光电子系109.1 9.1 光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器 利用被测量的作用改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量被测量，利用被测量的作用改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量被测量，称为强度调制。其原理如图所示。称为强度调制。其原理如图所示。 当一恒定光源的光波当一恒定光源的

7、光波I IN注入调制区，在外力场强注入调制区，在外力场强Is的作用下，输出光波的的作用下，输出光波的强度被强度被Is所调制，载有外力场信息的出射光所调制，载有外力场信息的出射光 IOUT 的包络线与的包络线与Is形状相同，光形状相同，光（强度）探测器的输出电流（强度）探测器的输出电流ID(或电压或电压)也反映出了作用力场。同理，可以利用也反映出了作用力场。同理，可以利用其他各种对光强的调制方式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、其他各种对光强的调制方式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、辐射等来调制入射光，从而形成相应的调辐射等来调制入射光，从而形成相应的调制器。制器。强度

8、调制是光纤强度调制是光纤传感器使用最早的调制传感器使用最早的调制方法，其特点是技术简方法，其特点是技术简单可靠、价格低廉。可单可靠、价格低廉。可采用多模光纤，光纤的采用多模光纤，光纤的连接器和连接器和耦合耦合器均已商器均已商品化。光源可采用品化。光源可采用LED和白炽灯等非相干光和白炽灯等非相干光源，探测器一般用光电二极管、三极管和光电池等。源，探测器一般用光电二极管、三极管和光电池等。 燕山大学光电子系119.1.1 微弯型 光纤的弯曲能够使光从纤芯射入包层而产生损耗，微弯型光纤传感光纤的弯曲能够使光从纤芯射入包层而产生损耗，微弯型光纤传感器就是根据光纤弯曲时纤芯中的光注入包层的原理研制成的

9、，微弯型光器就是根据光纤弯曲时纤芯中的光注入包层的原理研制成的，微弯型光纤传感器如图纤传感器如图9.19.1所示。所示。 在无外力作用时，光纤输出端光强为一常量；当被测面受外力作用在无外力作用时，光纤输出端光强为一常量；当被测面受外力作用时，将产生变形，光纤的弯曲状况发生变化，光在光纤中传输所经过的时，将产生变形，光纤的弯曲状况发生变化，光在光纤中传输所经过的路程和入射角发生变化，则光传输时的损耗也发生变化。路程和入射角发生变化，则光传输时的损耗也发生变化。图图9.1 9.1 微弯型光纤传感器微弯型光纤传感器燕山大学光电子系12 微弯效应造成的损耗微弯效应造成的损耗可写成如下形式：可写成如下形

10、式： (9.1) 式中，式中，K 为比例系数；为比例系数；l 为齿距；为齿距；m为齿数目；为齿数目；x 为变形幅度；为变形幅度；a 为纤心半径；为纤心半径；b 为光纤外半径；为光纤外半径； 为内、外层折射率的差值。为内、外层折射率的差值。 在实际问题中，变形器及光纤参数全部固定在实际问题中，变形器及光纤参数全部固定时，则可以认为时，则可以认为 (9.2)( , , , , )Kf l m x a b( )kg x燕山大学光电子系139.1.2 蚀刻型 蚀刻型光纤传感器如图蚀刻型光纤传感器如图9.29.2所示。当外力作用在蚀刻后的所示。当外力作用在蚀刻后的多模光纤上时，光纤长度的变化将引起折射率

11、和模量系数的多模光纤上时，光纤长度的变化将引起折射率和模量系数的变化，进而将引起功耗的变化，此变化大于未蚀刻光纤的功变化，进而将引起功耗的变化，此变化大于未蚀刻光纤的功耗的变化，且蚀刻得越深，功耗越多。耗的变化，且蚀刻得越深，功耗越多。 图图9.2 蚀刻型光纤传感器蚀刻型光纤传感器v 实验结果表明，光纤长实验结果表明，光纤长度变化与功耗成正比，度变化与功耗成正比，光纤长度变化的灵敏度光纤长度变化的灵敏度与蚀刻深度成正比。与蚀刻深度成正比。燕山大学光电子系149.1.3 9.1.3 遮光型遮光型 遮光型光纤传感器如图遮光型光纤传感器如图9.39.3所示。所示。 遮光型光纤传感器是将发射光纤和输出

12、光纤对准，遮光型光纤传感器是将发射光纤和输出光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光板上使接收光纤只能接光强调制信号加在移动的遮光板上使接收光纤只能接收到发送光纤发出的部分光，从而实现光调制。收到发送光纤发出的部分光，从而实现光调制。图图9.3 遮光型光纤传感器遮光型光纤传感器燕山大学光电子系159.1.4 缠绕型 缠绕型光纤传感器是将传感光纤缠绕在被测物缠绕型光纤传感器是将传感光纤缠绕在被测物体上或者由两根或多根多模光纤相互缠绕绞合而成体上或者由两根或多根多模光纤相互缠绕绞合而成的，如图的，如图9.49.4所示。所示。 随着被测物体的变形，光纤的曲率、节距都在随着被测物体的变形，光纤的曲率、节距

13、都在随之变化，光纤的输出光强随之变化，以此来计算随之变化，光纤的输出光强随之变化，以此来计算被测量的变化。被测量的变化。 图图9.4 缠绕型光纤传感器缠绕型光纤传感器燕山大学光电子系169.1.5 微小的线性位移和角位移调制方法微小的线性位移和角位移调制方法 这种调制方法使用两根光纤，一根为光的入射光纤，另一根为光被调制这种调制方法使用两根光纤，一根为光的入射光纤，另一根为光被调制后的出射光纤，如下图所示。两根光纤的间距为后的出射光纤，如下图所示。两根光纤的间距为23m，端面为平面，两者，端面为平面，两者对置。通常入射光纤固定，外界作用（如压力、张力等）使得出射光纤作横对置。通常入射光纤固定，

14、外界作用（如压力、张力等）使得出射光纤作横向或纵向位移或转动，于是出射光纤输出的光强被其位移所调制。向或纵向位移或转动，于是出射光纤输出的光强被其位移所调制。 若入射和出射光纤均采用相同性能的单模光纤，径向位移若入射和出射光纤均采用相同性能的单模光纤，径向位移 d 与功率耦合与功率耦合系数系数 T 之间存在下列关系：之间存在下列关系：式中式中S0为光纤中的为光纤中的光斑尺寸；光斑尺寸；T和和d的的关系为高斯型曲线。关系为高斯型曲线。这种调制方法可以这种调制方法可以测量测量10m以内的以内的位移量。位移量。202SdcT 燕山大学光电子系179.1.6 吸收特性的强度调制吸收特性的强度调制 x、

15、射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而可以构成强度调制器，用来测量各种辐射量，其原理如下图低，从而可以构成强度调制器，用来测量各种辐射量，其原理如下图(a)所示。所示。用不同材料制成的光纤对不同射线的敏感程度是不一样的，由此还可以鉴别用不同材料制成的光纤对不同射线的敏感程度是不一样的，由此还可以鉴别不同的射线。例如铅玻璃光纤对不同的射线。例如铅玻璃光纤对x、射线和中子射线特别灵敏，并且这种材射线和中子射线特别灵敏，并且这种材料的光纤在小剂量射线照射时，具有较好的线性，可以测量射线的辐射剂量。料的光纤在小剂量射

16、线照射时，具有较好的线性，可以测量射线的辐射剂量。燕山大学光电子系189.2 相位调制型光纤传感器 相位调制型光纤传感器主要是利用光干涉原理相位调制型光纤传感器主要是利用光干涉原理来完成信号的检测。来完成信号的检测。 由于测试装置的结构和原理不同，相位调制型由于测试装置的结构和原理不同，相位调制型光纤传感器又有麦克尔逊光纤传感器又有麦克尔逊(Michelson)(Michelson)干涉型、马干涉型、马赫赫- -曾德尔曾德尔(Mach-Zehnder)(Mach-Zehnder)干涉型、塞格纳克干涉型、塞格纳克(Sagnac)(Sagnac)型及法布里型及法布里- -珀罗珀罗(Fabry-Pe

17、rot)(Fabry-Perot)干涉型光干涉型光纤传感器。纤传感器。 此外还有相位关系检测的布拉格光栅此外还有相位关系检测的布拉格光栅(Bragg-(Bragg-Grating)Grating)型、模间干涉型等光纤传感器。型、模间干涉型等光纤传感器。燕山大学光电子系19 9.2.1 麦克尔逊干涉型光纤传感器 麦克尔逊麦克尔逊(Michelson)(Michelson)干涉型光纤传感器干涉型光纤传感器的原理图如图的原理图如图9.59.5所示。所示。 图图9.5 麦克尔逊干涉型光纤传感器原理图麦克尔逊干涉型光纤传感器原理图燕山大学光电子系20麦克尔逊麦克尔逊(Michelson)干涉型光纤传感器

18、的工作干涉型光纤传感器的工作原理：原理：光源光源(激光器激光器)发出的光经耦合器后分成发出的光经耦合器后分成两路，一路经参考臂（光纤）到达反射镜两路，一路经参考臂（光纤）到达反射镜M1，经经M1反射后的光反向传输再经光纤耦合器到反射后的光反向传输再经光纤耦合器到达光探测器，这束光称为参考光；另一路经传达光探测器，这束光称为参考光；另一路经传感臂到反射镜感臂到反射镜M2，被，被M2反射的光沿传感臂反反射的光沿传感臂反向传输经耦合器传输至光探测器，这束光称为向传输经耦合器传输至光探测器，这束光称为信号光。信号光。燕山大学光电子系21 传感臂放置在被测场，被测量的变化将传感臂放置在被测场，被测量的变

19、化将引起传感光纤的长度发生变化，则光在光纤引起传感光纤的长度发生变化，则光在光纤内部传输时的相位随之变化。内部传输时的相位随之变化。 当参考光与信号光相遇时将发生干涉，当参考光与信号光相遇时将发生干涉，干涉光的相位是被测量的函数，即干涉后光干涉光的相位是被测量的函数，即干涉后光束的相位受被测量的调制。通过光探测器输束的相位受被测量的调制。通过光探测器输出的信号经解调可得到被测量。出的信号经解调可得到被测量。燕山大学光电子系22 麦克尔逊干涉型光纤传感器中的干涉光属于两麦克尔逊干涉型光纤传感器中的干涉光属于两光束干涉，若两束反射光的幅度分别为光束干涉，若两束反射光的幅度分别为A A1 1, A,

20、 A2 2，这两，这两束反射光的相位差为束反射光的相位差为，则光电探测器接收到的光，则光电探测器接收到的光强的数学表达式为强的数学表达式为 (9.3) (9.3) 由于由于 ，则，则 (9.4) (9.4) 因此，如果因此，如果L随被测量变化，则光电探测器输随被测量变化，则光电探测器输出的电信号随被测量的变化而变化。出的电信号随被测量的变化而变化。22det12122cos()IAAA ALnkLLnkLknL燕山大学光电子系23 这种传感器有两个特点：这种传感器有两个特点： 其一是信号光纤与参考光纤在同一环境中，受环境其一是信号光纤与参考光纤在同一环境中，受环境的影响小；的影响小； 其二是光

21、的发出与接收在同一侧，属单端操作。使其二是光的发出与接收在同一侧，属单端操作。使用时可放在被测体的内部形成智能结构，也可放在用时可放在被测体的内部形成智能结构，也可放在被测体的外部，长期预留。被测体的外部，长期预留。燕山大学光电子系249.2.2 马赫-曾德尔干涉型光纤传感器 马赫马赫- -曾德尔曾德尔(Mach-Zehnder)(Mach-Zehnder)干涉型光纤传感干涉型光纤传感器与麦克尔逊干涉型光纤传感器的器与麦克尔逊干涉型光纤传感器的结构相似结构相似，都是，都是由两根光纤由两根光纤( (双臂双臂)信号光纤和参考光纤组成，信号光纤和参考光纤组成，如图如图9.69.6所示。所示。图图9.

22、6 马赫马赫-曾德尔干涉型光纤传感器原理图曾德尔干涉型光纤传感器原理图燕山大学光电子系25 光源发出光后经过光纤耦合器光源发出光后经过光纤耦合器1 1分两路至参考光纤分两路至参考光纤和信号光纤中。信号光纤中的光信号在传输过程中受被和信号光纤中。信号光纤中的光信号在传输过程中受被测信号调制成为信号光；参考光纤的光不经过调制直接测信号调制成为信号光；参考光纤的光不经过调制直接作为参考光。两束光再次相遇时发生干涉形成干涉光，作为参考光。两束光再次相遇时发生干涉形成干涉光，此干涉光经光电转换变为与被测信号成比例的电信号。此干涉光经光电转换变为与被测信号成比例的电信号。燕山大学光电子系26 马赫马赫-

23、-曾德尔干涉型与麦克尔逊干涉型光纤传感曾德尔干涉型与麦克尔逊干涉型光纤传感器中的干涉光均属于器中的干涉光均属于双光束干涉双光束干涉，由麦克尔逊干涉，由麦克尔逊干涉型光纤传感器得到的干涉光计算公式型光纤传感器得到的干涉光计算公式(9.3)(9.3)与公式与公式(9.4)(9.4)可用于马赫可用于马赫- -曾德尔干涉型光纤传感器。曾德尔干涉型光纤传感器。 马赫马赫- -曾德尔干涉型与麦克尔逊干涉型光纤传感曾德尔干涉型与麦克尔逊干涉型光纤传感器的不同点在于：器的不同点在于： (1) (1)信号光纤可在被测环境中，而参考光纤可在其他信号光纤可在被测环境中，而参考光纤可在其他环境中；环境中；(2)(2)

24、光的发射与接收在传感器的两端，属双光的发射与接收在传感器的两端，属双端操作。端操作。燕山大学光电子系27 这种传感器于这种传感器于2020世纪世纪8080年代被广泛研究。研究年代被广泛研究。研究结果表明，这种传感器的优点是灵敏度高，且由于结果表明，这种传感器的优点是灵敏度高，且由于它提供了两个输出信号，从而能避免向激光腔的光它提供了两个输出信号，从而能避免向激光腔的光反馈。反馈。 但它也具有两个缺点但它也具有两个缺点：一是它所用的光纤较多，使：一是它所用的光纤较多，使用及安装都比较麻烦；二是它需要一个参考光纤，用及安装都比较麻烦；二是它需要一个参考光纤，而一般情况下它不和测量光纤安在同一位置，

25、这就而一般情况下它不和测量光纤安在同一位置，这就使得输入臂与输出臂不对称，从而导致测量的不稳使得输入臂与输出臂不对称，从而导致测量的不稳定，环境对其影响较大，限制了这种传感器的应用。定，环境对其影响较大，限制了这种传感器的应用。燕山大学光电子系28 随着研究的不断深入，随着研究的不断深入，2020世纪世纪9090年代涌现出年代涌现出了多种衍生方案，如利用光在双折射单模光纤的了多种衍生方案，如利用光在双折射单模光纤的快、慢轴上传输速度不同的原理构成传感器，其快、慢轴上传输速度不同的原理构成传感器，其典型结构如图典型结构如图9.79.7所示。所示。图图9.7 双折射单模光纤马赫双折射单模光纤马赫-

26、曾德尔传感器曾德尔传感器燕山大学光电子系29 双折射单模光纤马赫双折射单模光纤马赫- -曾德尔传感器的工作原理：曾德尔传感器的工作原理： 它使用了一对双折射单模光纤，当一束正交线性偏振的它使用了一对双折射单模光纤，当一束正交线性偏振的频率子波被分为两路射入信号光纤和参考光纤，信号臂中频率子波被分为两路射入信号光纤和参考光纤，信号臂中1 1和和 2 2子波相位被测量调制。子波相位被测量调制。 调制后沿信号光纤快轴输出的调制后沿信号光纤快轴输出的2 2子波在光电检测器子波在光电检测器D D1 1处处与参考臂中沿快轴传输的与参考臂中沿快轴传输的1 1子波进行光学差拍，同时信号臂子波进行光学差拍，同时

27、信号臂中沿慢轴传输的中沿慢轴传输的1 1子波与参考臂中沿慢轴传输的子波与参考臂中沿慢轴传输的2 2子波在另子波在另一光电检测器一光电检测器D D2 2处差拍，两差拍电流又被送入相位解调器，处差拍，两差拍电流又被送入相位解调器，进而得到被测量的变化规律。进而得到被测量的变化规律。 其灵敏度较单个的其灵敏度较单个的MachZehnderMachZehnder干涉型光纤传感器的灵干涉型光纤传感器的灵敏度提高了敏度提高了6 6倍。缺点是系统复杂，造价高。倍。缺点是系统复杂，造价高。燕山大学光电子系309.2.3 塞格纳克干涉型光纤传感器 塞格纳克塞格纳克(Sagnac)(Sagnac)干涉型光纤传感器

28、的原理图如图干涉型光纤传感器的原理图如图9.89.8所示。激光器输出的光经耦合器后分为两部分，这两所示。激光器输出的光经耦合器后分为两部分，这两束光分别从两端耦合进入一个多匝（多环）单模光纤环，束光分别从两端耦合进入一个多匝（多环）单模光纤环，在光纤中相向传播再回到耦合器会合相干，干涉条纹经耦在光纤中相向传播再回到耦合器会合相干，干涉条纹经耦合器的另一臂输出至光探测器检测，即可解调出环路的角合器的另一臂输出至光探测器检测，即可解调出环路的角速度。速度。 图图9.8 塞格纳克干涉型光纤传感器原理图塞格纳克干涉型光纤传感器原理图4 ALc燕山大学光电子系319.2.4 9.2.4 法布里法布里-

29、-珀罗干涉型光纤传感器珀罗干涉型光纤传感器 法布里法布里- -珀罗珀罗(Fabry-Perot)(Fabry-Perot)干涉型光纤传感器干涉型光纤传感器的特点：的特点：采用单根光纤利用多束光干涉来检测被测采用单根光纤利用多束光干涉来检测被测量。避免了前两种传感器所需双根光纤配对的问题，量。避免了前两种传感器所需双根光纤配对的问题，且比且比MichelsonMichelson型光纤传感器更适合于低频率变化型光纤传感器更适合于低频率变化信号的测量。信号的测量。 因此，这种传感器从因此，这种传感器从2020世纪世纪8080年代诞生至今一年代诞生至今一直为主要开发和研究的对象。直为主要开发和研究的对

30、象。 Fabry-Perot(F-P) Fabry-Perot(F-P)型光纤传感器可分为本征、型光纤传感器可分为本征、非本征两种。非本征两种。燕山大学光电子系321 1本征本征F-PF-P型光纤传感器型光纤传感器如图如图9.99.9所示为本征所示为本征F-PF-P型光纤传感器。型光纤传感器。 图图9.9 本征本征F-P型光纤传感器型光纤传感器燕山大学光电子系33 这种传感器的传感头的特点为：这种传感器的传感头的特点为： (1) (1)光纤光纤F-PF-P腔是由一段光纤和两个端面上的反射镜腔是由一段光纤和两个端面上的反射镜构成的。若两个反射镜的反射率不同，则称为非对构成的。若两个反射镜的反射率

31、不同，则称为非对称本征称本征F-PF-P干涉腔；若两个反射镜的反射率相同，则干涉腔；若两个反射镜的反射率相同，则称为对称本征称为对称本征F-PF-P干涉腔；干涉腔； (2) (2)构成构成F-PF-P腔的一段光纤与传光光纤为同一种光纤，腔的一段光纤与传光光纤为同一种光纤，便于光纤便于光纤F-PF-P腔与传光光纤的连接。腔与传光光纤的连接。 (3) (3)所设计的所设计的F-PF-P腔的性价比高，入射光与诸束出射腔的性价比高，入射光与诸束出射干涉光在干涉光在F-PF-P腔的同侧，便于安装使用；腔的同侧，便于安装使用；燕山大学光电子系34(4) (4) 使用一条光纤完成信号光与参考光的传输，使传使

32、用一条光纤完成信号光与参考光的传输，使传感器结构简单、体积小、成本低，特别适用于恶劣的感器结构简单、体积小、成本低，特别适用于恶劣的监测环境，它的前景十分乐观。监测环境，它的前景十分乐观。 光纤光纤F-PF-P干涉腔是由一段光纤的两个端面上所镀的干涉腔是由一段光纤的两个端面上所镀的反射面形成的。这里以非对称本征反射面形成的。这里以非对称本征F-PF-P干涉结构为例，干涉结构为例，介绍其工作原理，并推导其数学表达式。介绍其工作原理，并推导其数学表达式。燕山大学光电子系35 光射入光纤光射入光纤F-P干涉腔后反射与折射的示意图如图干涉腔后反射与折射的示意图如图9.11所示。图中，入射光的振幅为所示

33、。图中，入射光的振幅为E；频率为；频率为；初；初相为相为 ；干涉腔的反射面；干涉腔的反射面M1在介质在介质1侧的反射比为侧的反射比为 ，在介质在介质2侧的反射比为侧的反射比为r1，r1= ；反射面；反射面M2在介质在介质2侧的反射比为侧的反射比为r2，在介质，在介质3侧的反射比为，侧的反射比为，r2= ；由；由介质介质1到介质到介质2的透射比为的透射比为t1，由介质，由介质2到介质到介质1的透射的透射比为比为 ，由介质，由介质2到介质到介质3的透射比为的透射比为t2。01r1r2r1t燕山大学光电子系36图图9.11 光射入光射入F-P腔后的折射与反射腔后的折射与反射燕山大学光电子系37 由图

34、由图9.119.11可知，反射光（或透射光）中任何两束可知，反射光（或透射光）中任何两束光的光程差或相位差是相同的，设第一次反射光的初光的光程差或相位差是相同的，设第一次反射光的初相为，第一束透射光的初相为，任两束光间的相位差相为，第一束透射光的初相为，任两束光间的相位差为，则反射光合成振幅的复数形式为为，则反射光合成振幅的复数形式为jj()11 1 2j1 21ee1etErEt t rrr1111j()j()j(2 )j(3 )22 3R111 2111 2111 2eeeetttteErEttrEttrrEttr r (9.5)燕山大学光电子系38透射光合成振幅的复数形式为透射光合成振幅

35、的复数形式为j()1 2j1 2e1etEt tr r2222j()j()j()j()2 23 3T121212121 2121 2eeeetttteEttEttrrEttr rEttrr (9.6)反射光的光强为反射光的光强为(9.7)22222*21 1 21 1 1 1 21 1 1 2RRR121 21 2()22cos()1()2cosEt t rE t t rrrE t t rrIeeErrrrr 燕山大学光电子系39透射光的光强为透射光的光强为 (9.8)2*1 2TTT21 21 2()1()2cosEt tIeerrrr由于，由于， ， 则式则式(9.7)和式和式(9.8)可

36、写为可写为 (9.9)(9.10)21 111t tr 11rr 222222122 2121 2R221 21 21 21 2( )2cos 2cos 1 ()2cos1 ()2cosE rrrrE rrrrIrrrrrrrr221T21 21 211()2cosErIrrrr燕山大学光电子系40令令 ，透射光的干涉结果为，透射光的干涉结果为 (9.11)(9.11) (9.12)(9.12)20IE220121 2R21 21 2(2cos )1()2cosI rrrrIrrrr201T21 21 2(1)1()2cosIrIrrrr燕山大学光电子系41 式式(9.11)(9.11)与式与

37、式(9.12)(9.12)为为F-PF-P腔两反射面反射率为腔两反射面反射率为任意值时反射光和透射光的数学模型。当任意值时反射光和透射光的数学模型。当 时，可近似为两束光干涉，其表达式为时，可近似为两束光干涉，其表达式为 (9.13) (9.13) 同理同理, ,由于由于=knL其表达式为其表达式为 22R0121 2(2cos )II rrrr2212 1rrLnkLLnkL(9.14)(9.14)燕山大学光电子系422 2非本征非本征F-PF-P型光纤传感器型光纤传感器 非本征非本征F-PF-P型光纤传感器如图型光纤传感器如图9.10(a)9.10(a)所示所示图图9.10 非本征非本征F

38、-P型光纤传感器型光纤传感器燕山大学光电子系43 这种传感器的传感头的特点为：这种传感器的传感头的特点为：v光纤光纤F-PF-P腔是由两段光纤的两个端或一根光纤的腔是由两段光纤的两个端或一根光纤的一个端面和另一个被测面构成。若两个反射面要一个端面和另一个被测面构成。若两个反射面要平等放置，且一般情况下在两个面上镀上反射率平等放置，且一般情况下在两个面上镀上反射率相同反射镜面。由于两个反射面间是空气，故称相同反射镜面。由于两个反射面间是空气，故称为非本征为非本征F-PF-P干涉干涉(EFPI)(EFPI)。v其他特点与本征其他特点与本征F-PF-P结构相同。其数学表达式与结构相同。其数学表达式与

39、本征的数学表达式类似，这里不再累述。本征的数学表达式类似，这里不再累述。 燕山大学光电子系44v随着研究的不断深入，近年来又出现了双随着研究的不断深入，近年来又出现了双F-PF-P腔传腔传感器，其结构如图感器，其结构如图9.129.12所示。它可以方便地探测加所示。它可以方便地探测加载方向，具有实用价值。载方向，具有实用价值。图图9.12 双双F-P腔传感器结构腔传感器结构 燕山大学光电子系45 这类传感器的缺点是制作工艺难度较大，如光这类传感器的缺点是制作工艺难度较大，如光纤端面镀反射镜的加工、传感头中带有反射镜的光纤端面镀反射镜的加工、传感头中带有反射镜的光纤与光纤的连接等问题目前还无文献

40、详述。尽管如纤与光纤的连接等问题目前还无文献详述。尽管如此，它们仍是最有希望被广泛应用的光纤传感器。此，它们仍是最有希望被广泛应用的光纤传感器。 在麦克尔逊在麦克尔逊(Michelson)(Michelson)干涉型、马赫干涉型、马赫- -曾德尔曾德尔(Mach-Zehnder)(Mach-Zehnder)干涉型、塞格纳克干涉型、塞格纳克(Sagnac)(Sagnac)型及法布型及法布里里- -珀罗珀罗(Fabry-Perot)(Fabry-Perot)干涉型传感器四种干涉结构中，干涉型传感器四种干涉结构中，以以F-PF-P干涉结构最为简单。干涉结构最为简单。 燕山大学光电子系46 F-PF-

41、P干涉结构的主要优点是：干涉结构的主要优点是： (1)F-P (1)F-P干涉结构只用一根光纤就可以实现传感与传干涉结构只用一根光纤就可以实现传感与传光两种功能，因而光路体积小，调整较为简单；光两种功能，因而光路体积小，调整较为简单； (2) (2)光纤光纤F-PF-P干涉腔是由两个平行反射端面构成的，干涉腔是由两个平行反射端面构成的，当入射光进入当入射光进入F-PF-P腔后发生多次反射形成多束反射光腔后发生多次反射形成多束反射光与透射光。由于任何两束反射光与透射光。由于任何两束反射光( (或透射光或透射光) )都满足都满足干涉条件，因此干涉条件，因此 相遇时会发生干涉，且相遇时会发生干涉，且

42、F-PF-P结构的结构的干涉光光强相对于相位差的灵敏度干涉光光强相对于相位差的灵敏度I/I/ 比其他比其他干涉结构都高；干涉结构都高；燕山大学光电子系47 (3)F-P(3)F-P结构只有短短的腔体感受外界环境的变化，因结构只有短短的腔体感受外界环境的变化，因此若对腔体合理设计，它的抗干扰能力就会比其他干此若对腔体合理设计，它的抗干扰能力就会比其他干涉结构高得多；涉结构高得多； (4) (4)由于由于F-PF-P结构测量时的灵敏度高，简单的信号处理结构测量时的灵敏度高，简单的信号处理电路就可满足测试要求，所以整个系统调整简单、价电路就可满足测试要求，所以整个系统调整简单、价格相对较低。这些特点

43、使格相对较低。这些特点使F-PF-P干涉型光纤传感器成为当干涉型光纤传感器成为当今国际上研究的重点之一。今国际上研究的重点之一。燕山大学光电子系489.2.5 9.2.5 布拉格光栅型光纤传感器布拉格光栅型光纤传感器 Bragg Bragg光栅是应用特殊的技术制作成的纤心折射光栅是应用特殊的技术制作成的纤心折射率周期变化的一段光纤。率周期变化的一段光纤。 当光通过光栅时，由于纤心折射率的周期性变当光通过光栅时，由于纤心折射率的周期性变化而产生反射。化而产生反射。一般说来，除满足一般说来，除满足BraggBragg波长条件的波长条件的入射光外的其他光波均被滤掉。入射光外的其他光波均被滤掉。光栅的

44、光栅的BraggBragg波长为波长为 (9.15) (9.15) 式中，式中，为折射率变化的周期；为折射率变化的周期；ne为纤心的有效折为纤心的有效折射率。射率。 Be2n 燕山大学光电子系49 当当和和 ne中的任一个发生变化时都将引起光栅波中的任一个发生变化时都将引起光栅波长的移动，即长的移动，即 (9.16)eeBeeeBee22nnnnnnnn 由式由式(9.16)(9.16)可知，当光纤长度产生变化时，则将可知，当光纤长度产生变化时，则将产生产生和和ne的变化，通过测量的变化，通过测量 的变化就可以得到的变化就可以得到待测量。待测量。B 利用利用Bragg光栅测量应变的结构框图如图

45、光栅测量应变的结构框图如图9.13所示，所示，它 在 低 频 应 变 扰 动 下 的 应 变 的 分 辨 率 为它 在 低 频 应 变 扰 动 下 的 应 变 的 分 辨 率 为0.006 。/Hz燕山大学光电子系50图图9.13 利用利用Bragg光栅测量应变的结构框图光栅测量应变的结构框图燕山大学光电子系519.2.6 9.2.6 模间干涉型光纤传感器模间干涉型光纤传感器 模间干涉型光纤传感器是近几年出现的新型传模间干涉型光纤传感器是近几年出现的新型传感器，它利用光纤中不同模式的光信号的传播速度感器，它利用光纤中不同模式的光信号的传播速度不同而产生相位差的原理来实现被测信号的检测。不同而产

46、生相位差的原理来实现被测信号的检测。设两个不同的传播常数分别为设两个不同的传播常数分别为 和和 ，传播常数，传播常数之差为之差为 ，则光通过长为，则光通过长为L L的光纤后，模间的相位的光纤后，模间的相位差为差为 (9.17)(9.17) 模间相位差的变化为模间相位差的变化为 (9.18) (9.18) vvuvuvLuvuvuvL L 燕山大学光电子系52 模间干涉型光纤传感器的典型结构图如图模间干涉型光纤传感器的典型结构图如图9.149.14所示。它的特点是仅需要一根光纤，光路简单，对所示。它的特点是仅需要一根光纤，光路简单，对光源的要求不高；但这种传感器需要的电信号处理光源的要求不高；但

47、这种传感器需要的电信号处理电路比较复杂，要求在多种信号中选出所需的信号。电路比较复杂，要求在多种信号中选出所需的信号。图图9.14 模间干涉型光纤传感器的典型结构图模间干涉型光纤传感器的典型结构图燕山大学光电子系539.3 偏振调制型光纤传感器光波是横波。光振动的电场矢量光波是横波。光振动的电场矢量E E和磁场矢量和磁场矢量H H和光线传和光线传播方向播方向s s正交。按照光的振动矢量正交。按照光的振动矢量E E、H H在垂直于光线平面在垂直于光线平面内矢端轨迹的不同，又可分为内矢端轨迹的不同，又可分为线偏振光线偏振光（又称平面偏振（又称平面偏振光）、光）、圆偏振光、椭圆偏振光圆偏振光、椭圆偏

48、振光和和部分偏振光部分偏振光。利用光波。利用光波的这种偏振性质可以制成光纤的偏振调制传感器。的这种偏振性质可以制成光纤的偏振调制传感器。 光纤传感器中的偏振调制器常利用光纤传感器中的偏振调制器常利用电光、磁光、光弹电光、磁光、光弹等等物理效应。在解调过程中应用检偏器。物理效应。在解调过程中应用检偏器。 燕山大学光电子系549.3 偏振调制型光纤传感器 偏振调制型传感器能较好地克服马赫偏振调制型传感器能较好地克服马赫- -曾德尔曾德尔干涉型光纤传感器的缺点。偏振调制型传感器中的干涉型光纤传感器的缺点。偏振调制型传感器中的偏振调制主要是采用光弹效应和光纤的双折射，根偏振调制主要是采用光弹效应和光纤

49、的双折射，根据关系式据关系式 实现被测量的传感。这里，实现被测量的传感。这里，是偏振光的相位，是偏振光的相位， 是给定模在光纤中的传播常数，是给定模在光纤中的传播常数，L L 是光纤测量部是光纤测量部分的长度。分的长度。LL (9.19)燕山大学光电子系55 如图所示，当如图所示，当压电晶体受光照压电晶体受光照射并在其正交方射并在其正交方向上加以高电压，向上加以高电压，晶体将呈现双折晶体将呈现双折射现象射现象普克普克耳效应。在晶体耳效应。在晶体中，两正交的偏中，两正交的偏振光的相位变化：振光的相位变化：调制原理 9.3.1普克耳（Pockels）效应燕山大学光电子系56平面偏振光通平面偏振光通

50、过带磁性的物过带磁性的物体时，其偏振体时，其偏振光面发生偏转，光面发生偏转，这种现象称为这种现象称为法拉第磁光效法拉第磁光效应，光矢量旋应，光矢量旋转角：转角：9.3.2.法拉第磁光效应光纤燕山大学光电子系57在垂直于光波传播在垂直于光波传播方向施加应力，材方向施加应力，材料将产生双折射现料将产生双折射现象，其强弱正比于象，其强弱正比于应力。这种现象称应力。这种现象称为光弹效应。偏振为光弹效应。偏振光的相位变化光的相位变化：9.3.3.光弹效应燕山大学光电子系58 图图9.159.15为偏振调制型光纤传感器的原理图。图中，为偏振调制型光纤传感器的原理图。图中，激光器发出的线偏振光经光学准直器、

51、激光器发出的线偏振光经光学准直器、1/41/4波片成为波片成为圆偏振光，再经透镜聚光后进入光纤。光纤的测量部圆偏振光，再经透镜聚光后进入光纤。光纤的测量部分与被测面相连（一般采用粘贴或埋入结构）。分与被测面相连（一般采用粘贴或埋入结构）。图图9.15 偏振调制型光纤传感器的原理图偏振调制型光纤传感器的原理图燕山大学光电子系59 由光波导理论可知，作用在光纤上的应变将改变由光波导理论可知，作用在光纤上的应变将改变光纤心的折射率，从而改变在光纤输出的圆偏振光光纤心的折射率，从而改变在光纤输出的圆偏振光的偏振方向。这样，被测对象的应变将使检偏器处的偏振方向。这样，被测对象的应变将使检偏器处光波偏振方

52、向变化光波偏振方向变化，而且可以推得，而且可以推得和和为线性关为线性关系。而检偏器的输出为系。而检偏器的输出为 。I0为光纤输为光纤输出光强的最大值。显然，光电检测器的输出与结构出光强的最大值。显然，光电检测器的输出与结构应变的关系为余弦关系。这种结构的特点也是仅需应变的关系为余弦关系。这种结构的特点也是仅需要一根光纤，但光路相对复杂，它需要起偏器和检要一根光纤，但光路相对复杂，它需要起偏器和检偏器。偏器。0 = cosII燕山大学光电子系60 频率调制频率调制 利用外界作用改变光纤中光的波长或频率，通过检测光纤中光的波长或利用外界作用改变光纤中光的波长或频率，通过检测光纤中光的波长或频率的变

53、化来测量各种物理量频率的变化来测量各种物理量,这两种调制方式分别称为波长调制和频率调制。这两种调制方式分别称为波长调制和频率调制。波长调制技术比强度调制技术用得少，其原因是解调技术比较复杂。波长调制技术比强度调制技术用得少，其原因是解调技术比较复杂。 频率调制技术目前主要利用多普勒效应来实现。光纤常采用传光型光纤。频率调制技术目前主要利用多普勒效应来实现。光纤常采用传光型光纤。光学多普勒效应告诉我们：当光源光学多普勒效应告诉我们：当光源S发射出的光，经运动的物体散射后，观察发射出的光，经运动的物体散射后，观察者所见到的光波频率者所见到的光波频率f l相对于原频率相对于原频率f 0发生了变化，如

54、图所示。发生了变化，如图所示。S为光源，为光源，N为为运动物体，运动物体，M为观察者所处的位置，若物体为观察者所处的位置，若物体N的运动速度为的运动速度为，其运动方向与，其运动方向与NS和和MN的夹角分别为的夹角分别为1和和2，则从，则从S发出的光频率发出的光频率f 0经运动物体经运动物体N散射后，观散射后，观察者在察者在M处观察到的运动物体反射的频率为处观察到的运动物体反射的频率为f l，根据多普勒效应，它们之问有，根据多普勒效应，它们之问有如下关系：如下关系： (式中式中c为光速）为光速） 2101coscos1cff9.4 频率调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器燕山大学光电子系6121

55、01coscos1cff证明：设在运动的物体证明：设在运动的物体N上观测到的光波频上观测到的光波频率为率为f /，则，则 2101cos1ccffM点观测到从运点观测到从运动物体动物体N上发出上发出的光波频率：的光波频率： 2211cos1ccff221222102221011coscoscoscos11cos11cos1ccccfccccff由于由于c，所以可以忽略式中的平方项。，所以可以忽略式中的平方项。 与机械波不同，光与机械波不同，光波（电磁波）存在波（电磁波）存在横向多普勒效应。横向多普勒效应。燕山大学光电子系62 根据上述的近似公式，可以设计出激光多普勒光纤流速测量系统，如下根据上

56、述的近似公式，可以设计出激光多普勒光纤流速测量系统，如下图所示。设激光光源频率为图所示。设激光光源频率为f 0，经半反射镜和聚焦透镜进入光纤射入到被测物，经半反射镜和聚焦透镜进入光纤射入到被测物流体，当流体以速度流体，当流体以速度运动时，根据多普勒效应，其向后散射光的频率为运动时，根据多普勒效应，其向后散射光的频率为f 0+f或或f 0-f（视流向而定），向后散射光与光纤端面反射光（参考光）经聚焦透镜（视流向而定），向后散射光与光纤端面反射光（参考光）经聚焦透镜和半反射镜，由检偏器检出相同振动方向的光，探测器检测出端面反射光和半反射镜，由检偏器检出相同振动方向的光，探测器检测出端面反射光f 0

57、与与向后散射光向后散射光f 0+f或或f 0-f的差拍的拍频的差拍的拍频f，由此可知流体的的流速。，由此可知流体的的流速。 激光器半反射镜透镜透镜探测器分析器光纤光纤多普勒流速测量系统检偏器起偏器燕山大学光电子系63强度型强度型(振幅型振幅型)光纤传感器光纤传感器 v反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器 v 反射式光纤位移传感器结构简单、设计灵活、反射式光纤位移传感器结构简单、设计灵活、性能稳定、造价低廉、能适应恶劣环境性能稳定、造价低廉、能适应恶劣环境,在实际在实际工作中得到了广泛应用。反射式光纤位移传感工作中得到了广泛应用。反射式光纤位移传感器结构示意图如图器结构示意图如图6.7(a)所示。由光源发出的所示。由光源发出的光经发射光纤束传输入射到被测目标表面光经发射光纤束传输入射到被测目标表面,目标目标表面的反射光由与发射光纤束扎在一起的接收表面的反射光由与发射光纤束扎在一起的接收光纤束传输至光敏元件。光纤束传输至光敏元件。 燕山大学光电子系64v