第十章光纤传感技术—4

1、第10章 光纤传感技术 光纤传感技术是伴随光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为介质、感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术。光纤传感器始于1977年，经过30多年的研究，光纤传感器取得了积极的进展，目前正处在研究和应用并存的阶段。它对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着重要的作用。随着新兴学科的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。 本章在简要介绍光纤传感器原理、组成及分类的基础上，重点讨论光纤传感的光调制方式及相应的光纤传感器，最后对分布式光纤传感器作简要介绍。10.4 光偏振调制型光纤传感器 偏振调制型光纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息

2、的传感器。偏振调制是指被测量通过一定的方式使光纤中光波的偏振面发生规律性偏转(旋光)或产生双折射，从而导致光的偏振特性变化，通过检测光偏振态的变化即可测出外界被测量。有利用光在磁场中介质内传播的法拉第(Faraday)效应做成的电流、磁场传感器;利用光在电场中的压电晶体内传播的普克尔(Pockels)效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器等。这类传感器可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高。10.4.1 光偏振调制原理1.1.非功能型光偏振调制非功能型光偏振调制（1） 旋光性图图10.32 10.32 旋光

3、性示意图旋光性示意图 非功能型偏振调制是利用某些透明介质本身的自然旋光特性对光纤中光的偏振态实现调制。线偏振光经过某些介质后其振动方向发生旋转的现象，即介质的旋光性。如图10. 32所示，旋光介质是旋光材料溶液。旋光性存在于结晶材料(如石英晶体)以及一些有机非结晶材料(如糖溶液)中。由于旋光材料溶液的旋光性与溶液的浓度有关，因此可以旋光性测量旋光材料溶液的浓度。另外，可以利用晶体的旋光性，对温度、压力等测量。应注意介质的旋光性是互易的，即如果偏振光从一个方向通过介质，且偏振方向旋转一个角度，则该偏振光沿相反方向通过介质时，偏振方向将与正向通过介质时旋转一个大小相等方向相反的角度。(2)非功能型

4、偏振调制图图10.33 10.33 非功能型偏振调制光纤传感器非功能型偏振调制光纤传感器 非功能型偏振调制光纤传感器一般由发射光纤、调制盒和接收光纤及相应的光源、探测器与信号处理电路组成。调制盒分透射式和反射式两种，如图10.33所示。图10.33 (a)为透射式的原理结构示意图，由起偏器、1/2波片、功能材料、检偏器组成。图10.33(b)为反射式的原理结构示意图。功能材料可以是具有自然旋光特性的介质，如石英晶体、含糖水溶液等。不同的功能材料，用于敏感不同的物理量。例如，利用石英晶体旋光性随温度变化的规律敏感温度，利用糖的水溶液测量含糖度等。2.2.功能型光偏振调制功能型光偏振调制 功能型光

5、偏振调制主要是利用光纤的磁光、电光、光弹等物理效应来实现被测量对光纤中光波偏振态的调制。磁光效应导致旋光现象，电光效应和光弹效应导致双折射现象。(1)法拉第效应(磁光效应) 某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振动面会发生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量E旋转角B与光在物质中通过的距离L和磁场强度H成正比，即LVLHHdLV0(10.16)式中，v为物质的弗尔德常数。利用法拉第效应可以测量磁场，其测量原理如图10.34所示。 法拉第效应和旋光的重要区别在于法拉第效应没有互易性，如果线偏振光一次通过介质旋转角，则偏振光沿相反方向返回时将再旋转B角，因此，两次通过介质总的旋转2角，而不像

6、在旋光性介质中那样为零。(2)普克尔效应(一次电光效应) 当压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电场时，晶体将呈现双折射现象，这种现象被称为Pockels效应，如图10.35所示。由于双折射正比于所加电场的一次方，所以普克尔效应又称为线性电光效应。在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为dLVdne030(10.17)式中，n0为正常折射率；de为电光系数；V为加在晶体片上的电压；为光波长；L为晶体长度；d为场方向晶体厚度。图图10.36 10.36 光弹效应光弹效应在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力的材料将会使光产生双折射现象，其折射率的变化与应力相关，这种现象称为光弹效应，

7、如图10. 36所示。由光弹效应产生的偏振光相位变化为KpL2(10.18)式中，K为物质光弹性常数;p为施加在物体上的压强;L为光波通过材料的长度。(3)光弹效应此时，图10.36中检偏器出射光强为KpLIII2020sin2sin(10.19)利用物质的光弹效应可以构成压力、振动、位移等光纤传感器。10.4.2 光偏振态的检测 由于探测器不能直接探测光的偏振态，需要将光偏振态的变化转换为光强信号直接测量，或转换为光相位移利用干涉法测量。转换为光强信号的办法有两种，即单光路法和双光路法，如图10.37所示。 单光路法即正交偏振鉴别法，就是在输出端加置偏振方向与起偏器P1的偏振方向正交的检偏器

8、P2,P2对输出偏振光的偏振方向进行鉴别，如图10.37(a)所示。设输人光强为I0,则输出光强I为20sinII (10.20) 式中，为偏振面偏转角。从检测方法看，这种方法与光强调制相似。图图10.37 10.37 光偏振态检测光偏振态检测 双光路法用沃拉斯登棱镜WP将偏振器P2输出的正交偏振分量分开两路输出，分别为探测器Dl和D2接收，如图l0.37(b)所示。则Dl和D2接收到的光强信号分别为)45(sin)45(cos2020IIII(10.21)经信号处理系统加、减和除后直接得到偏振面的偏转角，即)arcsin(212121IIII(10.22)10.4.3 偏振调制型光纤传感器应

9、用(1)光弹性式光纤压力传感器 利用光弹性效应测量压力的原理及传感器结构如图10.38所示。LED发出的光经起偏器后成为线偏振光。当有与人射光偏振方向呈45的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与人射光偏振方向相垂直方向上的光强，即可测出压力的变化。其中1/4波片用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。 为了提高传感器的精度和稳定性，图10.39为另一种检测方法的结构。输出光用偏振分光镜分别检测出两个相互垂直方向的偏振分量;并将这两个分量经“差/和”电路处理，即可得到与光源强度及光纤损耗无关的输出。该传感器的测量范围为l03-l06 Pa，精度为1 %，理论

10、上分辨力可达1.4 Pa。这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度。 偏振调制型光纤传感器中最典型应用是高压传输线用光纤电流传感器，其基本原理是法拉第效应(磁光效应)。当线偏振光在强度为H的磁场作用下，线偏振光在物质中通过的距离L时电矢量E旋转角大小由(10.16)式决定。根据安培环路定律由长直载流导线产生的磁场H：式中，I为载流导线中的电流强度；r为导线外任一观测点到导线的垂直距离。由此可见，根据磁光效应，利用光纤传感器测量出导外任一点r的磁场强度H，即可得到导线中的电流I。利用光纤测量导线中的电流，可以将单模光纤绕在载流导线上，形成一个半径为r的螺线管，光纤螺线

11、管的光纤长度为L。在强度为H的磁场作用，通过光纤的线偏振光的振动面将会产生的偏转，只要检测出这个偏转角即可知道导线中电流I的大小，如图10.40所示。rIH2(10.23)图图10.40 10.40 光纤电流传感器光纤电流传感器 目前常采用将振动面偏转角的信变换成光的强度后再进行测量。当光纤材料和光纤螺线管确定后，由激光器出射后经起偏器所形成的线偏振光，经显微镜耦合通过光纤到达检偏器的振动面偏转角仅与电I有关（实际上是电流在半径r处所产生的磁场H）：IrVLVLH2(10.24) 设载流导线中的电流I=0，线偏振光振动方向在检偏器处的与Y轴平行，检偏器P(普通检偏器)的方位为，如图10.41所示；I0的方位为，在P上的投影(即光探测器的输出信号强度)为J，则)22cos(12)(cos222EE