光传感--光调制ppt课件

1、第 十一 章光 调 制 技 术 何 谓 光 调 制n光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上,完成这一过程的器件称为调制器。n调制器能使载波光波的参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的振幅、位相、频率、偏振、波长等。承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器系统解调，然后检测出所需求的信息。 1 光强度调制技术一、微弯效应光强度调制技术一、微弯效应光强度调制技术 原 理 利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹在两块具周期性波纹的微弯析构成的变形器中构成调制器。从波导实际的观念来看，当光纤发生弯曲时，传输光会有一部分走漏到包层中去，这种走漏是光纤内发生方式耦合的结果，这些耦合模

2、变为辐射模，呵斥传播光能量的损耗。纤芯中的光向包层逸出的缘由从几何光学来说是由于全反射条件的破坏呵斥的，从波导实际来说那么是光纤的弯曲引起了各种传导方式的耦合，那么构成耦合方式被送入包层中去产生辐射模。 微 弯 调 制 示 意 图 定定 量量 分分 析析微弯效应呵斥的损耗微弯效应呵斥的损耗 可写可写成如下方式成如下方式 式中式中 为齿距，为齿距， 为齿数目，为齿数目， 为变形幅度，为变形幅度， 为纤芯半径，为纤芯半径， 为光纤外半径，为光纤外半径， 为内外层折射为内外层折射率差值。其中任何一个参数改动率差值。其中任何一个参数改动都会起到光强调制的作用。在实都会起到光强调制的作用。在实践问题里，

3、变形器及光纤参数全践问题里，变形器及光纤参数全部固定时，那么可以为部固定时，那么可以为 ),(baxmf mxb)(xg 实 际 测 量 框 图n利用这种调制技术可以直接丈量位移的变化量(变形器上的变形板位移的大小决议光强的衰减程度),而间接丈量的量那么可包括温度，压力，振动，应变等。探测器脱 模 器脱 模 器 脱 模 器 的 作 用n这里脱模器的作用是在进入探测器之前消除掉进入包层中的光以保证只需纤芯中的光才干传到变形器和探测器。n其方法是在几厘米长的包层外边外表上刷上黑漆，这就可以几乎完全吸收掉传入包层中的光或者剥去外包层置于折射率匹配的小盒中。 其它类型其它类型n被测物体挪动引起光纤变形

4、，n 曲率半径随之改动，引起辐n 射模。 其其 它它 类类 型型将光纤绕成多圈螺旋管状，添加变形长度以提高灵 敏 度 微 弯 型 水 听 器n多模光纤绕于带有螺纹的铝管螺纹谷内不会发生变形，而经过纵向槽的那部分光纤将由于外部压力而变形，假设这种压力来自于声波，那么可依此原理制成水听器。脱模器脱模器探测器探测器二、二、 光光 强强 度度 的的 外外 调调 制制 技技 术术n上述微弯调制技术属于内调制，属于功能性调制技术，它是利用光纤本身特性的改动来实现光调制的。n所谓外调制技术，是指调制环节发生在光纤以前的部分，光纤本身的性质并不改动，它只起到传光的作用。此时的光纤分为两部分，即输入光纤和输出光

5、纤，或发送光纤和接纳光纤。n 1、 反射型光强外调制传感器na、原理n由输入光纤出射的光投射到反射面上，其反射光的一部分进入输出光纤，进入多少与反射面位置有关。输入光纤输出光纤反射面 b、 定 量 分 析反射镜面的挪动方向是与光纤探头端面垂直的，反射镜面在其反面间隔 处构成输入光纤的虚象，因此，光强调制造用是与虚光纤和输出光纤的耦合相联络的。设两光纤皆为阶跃折射率光纤，芯径为 ，数值孔径为 ，两光纤垂直间隔为 2 ，并定义dr2AN.).(sin1ANtgT反射型光强外调制传感器表示图反射型光强外调制传感器表示图ad2r输出光纤输入光纤的镜像back 检 测 范 围那么当间隔那么当间隔 时，两

6、光纤的耦合为零，时，两光纤的耦合为零，无反射光进入输出光纤；无反射光进入输出光纤；当当 时，两光纤耦合最强，输出光时，两光纤耦合最强，输出光强达最大值，此时输入光纤的像发出的光锥强达最大值，此时输入光纤的像发出的光锥底面积底面积 将输出光纤端面积全部遮盖，将输出光纤端面积全部遮盖，是一个常数，光锥底面积为是一个常数，光锥底面积为 Tad2Trad222r2)(dT因此最大检测范围是 即检测位移的范围在 和 之间。 Tad2Trad22Trd 定 量 计 算 光 耦 合 系 数假设定量计算光耦合系数，必需先计算输入光纤像的发光锥面子积与输出光纤端面的交叠面积，假设准确计算，那么必需运用gamma

7、方程，非常复杂 。输出光纤a输入光纤反射型光强外调制传感器表示图假设作线性近似，即将锥体边缘与输出光纤芯交界的弧线作为直线处置，那么可得到线性解，在线性近似下，可求得交叠面积与光锥底面积之比为 rrr1cossin11cos111r式中 为交叠面积的高，由 决议： 假定反射镜面无光吸收，两光纤的光功率耦合效率 ，即为交叠面积与光维底面积之比， 的最大值发生在 处。dadT 2F222dTrrFFTad 上述关系式给出了反射式位移传感器的设计根据，假设芯径 ，的阶跃光纤， ，计算结果阐明最大耦合效率 发生于 处。此传感器的固有分辨率好于 。mr2002 5 . 0.ANma100%2 . 7ma

8、xFmd320nm1 这 些 都 是 简 化 处 理 上面的分析作了很多简化处置：除了线性假设不分，还假定了光纤为阶跃型光纤；模谱是均匀一致的，即功率密度在光维底面上是均匀的；反射面平行于光纤端面；反射率为100等。 2、遮光型光强外调制技术n上面所言为反射式，除此之外还有遮光式，一种方法是将发射光纤和接取光纤对准，光强调制信号加在挪动的遮光板上；另一种方法是直接挪动接纳光纤。这两种方式都是使接纳光纤只能收到发送光纤发出的部分光，从而实现光调制。 遮光型光强外调制技术遮光型光强外调制技术n用这种方法可以丈量位移、压力、温度等物理量，这些物理量的变化都可使光强减弱由于闸式要使两光纤间隔大一些，因

9、此光损耗较大，但它可固定两光纤，因此运用可靠。 光闸输入光纤输出光纤 三、三、 折射率光强度调制技术折射率光强度调制技术 反射系数式光强调制技术反射系数式光强调制技术n反射系数与两介质的折射率有关，利用折射率的变化来改动反射系数，那么可到达调制光强的目的，以下图给出了一种典型安装：光源探测器信号处置调制器全反射面1n2n3n调调 制制 机机 理理n由光纤左端入射的光，一部分沿光路前往到探测器。调制机理是：n光纤左端有两个反射面，其中底面的为全反射面镀膜而成，两反射面搭接，斜面反射面与折射率为n3的介质接触，调理斜面反射镜的角度使纤芯光经反射后能垂直入射到全反射面上，那么纤芯光入射到斜反射面时可

10、以部分地透射到的介质中去，由费涅尔公式描画： 其中 为强度反射系数， ，为入射角。可见，假设 介质由于压力或温度的变化引起 微小变化，那么会导致反射系数的变化，从而导致反射光强的改动，利用此原理可设计温度或压力传感器。 221222122)sin(cossincosnnRR13nnn 3n3n2 光 偏 振 调 制 技 术n许多物理效应都会影响或改动光的偏振形状，采用这些效应可设计偏振调制器，下面引见一种典型效应。n法拉弟发现，许多物质在磁场的作用下可使穿过它的平面偏振光的偏振 方 向 旋 转在光的传播方向上加上强磁场时一、法拉弟效应磁致旋光效应一、法拉弟效应磁致旋光效应d振动面旋转的角度 由

11、阅历公式给出： 式中 为静磁通量， 为光所穿越的媒质长度， 是比例因子，称费尔德常数，一种特定媒质的费尔德常数随频率和温度而变。rBdBdr实 际 例 子对于气体， 约为 ，固体和液体为 的量级。 如对于1厘米长的 样品， 高斯的磁场， ，此时 振动面将转动 。r2100131. 0r510OH2410CT20112显然，法拉弟效应可用来设计光调制器，欲提高效率必需每单位长度的资料对光的吸收要尽量小，而偏振面旋转的角度要尽量大，为此，人们研制了许多奇特的铁磁资料，如 eCraw 利用人工生长的钇铁石榴石YIG磁性晶体，它的费尔德数可以到达 (对 波长， 温度范围)。 .CR0 . 9m3 .

12、1C8525 利用法拉第效应测磁场 实 验 装 置 图 调制电流恒定磁场起偏器检偏器 线偏振光从左面进入晶体，横向的直流磁场使YIG晶体在此方向上引起磁化饱和，而总的磁化强度矢量由恒定磁场和线圈磁场所引起可以改动方向，它对晶体轴的倾斜角度正比于线圈中的调制电流。由于法拉弟旋转依赖于磁化强度的轴向分量，所以线圈电源控制了 角，检偏器把这一偏振调制转换为振幅调制。也就是说，要传送的信息作为调制电压加在线圈上，那么出射的激光束以振幅变化的方式携带着信息。该当指出的是，应将法拉弟旋转和旋光性旋转加以区别，所指旋光性旋转，是指入射线偏振光的电场振动面在旋光资料中衔接地旋转的景象。这种景象的一个特点是旋转

13、方身与传播方向有关，当光线正反两次经过一个旋光性物质时，总旋转角度为零，而法拉弟旋转是与光传播方向无关的，正反两次经过法拉弟资料后，总的旋转角度为 。2法拉弟旋转和旋光性旋转之区别这样，为了获得更大的法拉弟效应，可以将放在磁场中的法拉弟资料做成平行六面体，使通光面对光线方向稍偏离垂直位置，并将两面镀成反射膜，只留入口和出口，这样，假设光束在其间反射 次后出射，那么有效旋光厚度为 ，那么偏振面的旋转角度将提高 倍。NNdN高反射膜3 相 位 调 制 一、一、 概概 述述利用光相位调制来丈量某些物理量的开发运用已利用光相位调制来丈量某些物理量的开发运用已有一百多年的历史，不过普通以空间作为干涉光有

14、一百多年的历史，不过普通以空间作为干涉光路的干涉仪体积大，环境条件要求严厉，调整也路的干涉仪体积大，环境条件要求严厉，调整也困难，因此限制了在工业中的运用。困难，因此限制了在工业中的运用。光导纤维的出现为光学干涉仪开辟了宽广的天地，光导纤维的出现为光学干涉仪开辟了宽广的天地，由于用光纤替代自在空间作为干涉光路有两个突由于用光纤替代自在空间作为干涉光路有两个突出的优点：一是减少了干涉仪安装和校准的固有出的优点：一是减少了干涉仪安装和校准的固有困难，可使仪器小型化，块体化。二是可以用加困难，可使仪器小型化，块体化。二是可以用加长光纤的方法使干涉光路对环境参数的呼应灵敏长光纤的方法使干涉光路对环境参

15、数的呼应灵敏度添加。度添加。相位调制是光纤传感器中最根本的调制技术，它的灵敏度极高，据报导，可探 测光程差引起的相位变化对 于 光波，这相当于一个原子核直径的大小。相位调制经常与干涉丈量机并用，构成相位调制的干涉型光纤传感器。光纤干涉传感器被以为是潜在开发灵敏度最高的仪表。m1410m83.0 概概 述述 二、二、 调调 制制 原原 理理n光纤中传导的光，其相位变化取决于外界物理量产生的光纤波导的下面三个参数的变化。n光纤物理长度的变化n轴向应变伸长、热膨胀引起的伸长、泊松比变化引起长度伸长n光纤折射系数及分布的变化温度引起、光弹效应n光纤横截面几何尺寸的变化压力、热膨胀为简化分析，假定分析折

16、射率沿其截面分布不变化，那么光相位调制那么只由光纤长度、折射率大小和横截面尺寸产生。光纤中传播光相位变化可以表示为 dnL 轴向长度变化 产生的相位移 折射率变化 产生的相位移 光纤直径变化 产生的相位移LLnndd其中 此三个要素中 产生的相移表达式比较复杂，与 有关，其大小取决于光纤的构造。 为光纤轴向应变122LLL1nLn2dLd 22dd 外施参量与光相位的关系可由被丈量产生的光纤参量变化来求得，下面以温度来阐明。外施温度对光纤的热影响是最简单的情况。此时可只思索温度对长度和折射率变化而忽略温度引起的直径变化。那么TTnL2 对纯硅资料，热胀温度系数 ，折射率温度系数 ，因此每束光纤

17、升温一开的光相位移为 k/105 . 57kTn/1068. 05rad106三、三、 相相 位位 调调 制制 实实 用用 技技 术术 1、迈克尔逊干涉仪单色光经分束器分为光强相等的两束光：一束射向固定反射镜，然后反射到分束器，被其透射部分，由探测器接纳；另一束入射到可挪动反射镜上，然后反射回分束器，经分束器反射的部分也传到探测器；当光程差小于激光器的相关长度时，传到探测器的两束光那么产生干涉。 迈克尔逊干涉仪表示图激光器固定反射镜探测器可挪动反射镜调制器back两相关光的位相差为 式中 为空气中的光传播常数， 为两相关光的光程差。 02k0k002nk2 可见，可挪动反射镜每挪动 长度，光探

18、测器的输出就从最大值变到最小值，再变到最大值，变化一个周期。假设运用 激光，它能检测的位移大致为 ，即 的位移。206328ANeHem710m131063. 0 2.马赫泽德干涉仪表示图马赫泽德干涉仪表示图固定反射镜光 源探测器可挪动反射镜传感器 与迈克尔逊干涉仪之区别与迈克尔逊干涉仪之区别n1. 它没有光前往到激光器，利于激光 n 器减少不稳定噪声；n2. 从分束器向上也可以获得两束光， n 一为参考光的反射，一为信号光的 n 透射，假设需求，可利用这两束光n 获得第二个输出信号。迈克图固定反射镜光 源探测器可挪动反射镜传感器 3. 塞格纳克干涉仪光源探测器 塞格纳克干涉仪的特点塞格纳克干

19、涉仪的特点n这种干涉仪的特点是，激光束分为反射和透射两束沿相反方向传播，最后集合到分束器回到探测器。n在这种干涉仪中，任何一块反射镜在垂直外表的方向上挪动，两束光的光源变化皆相等，因此不会在探测器上探测到光强之变化。n但是，当将此安装置于一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上时，由于塞格纳克效应，两束传播方向相反的光就会有不同的延迟。 假设平台顺时针方向以速度 转动，那么在顺时针方向传播的光较反时针方向延迟大，此相位延迟是可表为 式中 旋转角速度， 光路围成的面积， 光速， 真空光波长。这样，经过检测光器变化，可知旋转速度，这种技术是设计导航系统中环形光纤陀螺的根底。CA08AC0 4. 法布里

20、珀罗 干涉仪光源传感器探测器 法布里一珀罗干涉仪的特点它由两块半透半反的平行放置的反射镜组成，通常反射率达95以上。激光入射干涉仪没在两个反镜间做多次往返反射，透射出来的平行光束由探测器接纳。它与前三种的主要区别在于前面都是双光束干涉，此为多光束干涉，此时在探测器上察看到的干涉光路的变化为 式中 为反射率 为 相邻光束间的位相差2sin)1(41220RRIIR可见，当 一定时，干涉光强随 而变，当 时，干涉光强有最大值 ，当 时，干涉光强有最小值 。 透射的干涉光强最大与最小之比为 。可见， 越大，干涉光强变化愈显著，分辨率愈高，这是此技术的最大特点，它是最灵敏的位移丈量安装。Rm2 ,4 ,2 , 00I) 12(5 ,3 ,m0