光纤传感器基本原理

1、第五章光纤传感器的基本原理，5.1人光纤传感技术随着光通信技术的发展而逐步形成。光纤传感器灵敏度高，电磁干扰，抗腐蚀，电绝缘性好，防爆，光路具有抗折功能，与计算机连接方便，结构简单，体积小，重量轻，功耗低。光纤传感器可根据传感原理分为功能型和非功能型。功能性光纤传感器利用光纤本身的特性作为敏感组件，因此也称为传感式光纤传感器或全光纤传感器。非功能性光纤传感器感受到使用其他敏感组件测量的变化，光纤仅将来自远距离或难以接近的地方的光信号传输到传输介质。因此，也称为传播传感器或混合传感器。光纤中传输的光波可以用以下形式的方程来描述：光纤传感器是根据调制的光波参数进行强度调制的光纤传感器相位调制的光纤

2、传感器频率调制的光纤传感器偏振调制的光纤传感器波长(颜色)调制的光纤传感器，5.2强度调制机制，5.2.1反射强度调制，仅在光纤本身中起光作用的非功能光纤传感器。输出光源面暴露的表面的百分比是测量输出光子接收的入射光力的百分比(f称为耦合效率)、5.2.2透射式强度调制、移动、压力、温度等物理量的动态光强度调制模型。由于这种物理量的变化，接收光纤的轴相对于发送光纤视差一定的距离，并且光强度调制器的线性度和灵敏度都很好。利用双透镜系统，入射光在出射光中聚焦，遮光在两个透镜之间垂直的光波导方向上上下移动。这种传感器光耦合计算方法与反射传感器相同。在上述简化分析限制内，比率/r是可移动着色和两个镜头

3、门半径为r的光热重叠区域的百分比。不使用镜头的两个光纤直接耦合系统结构简单，但运行良好。但是，接收光纤端面仅占据从发射光纤发射的光锥底部的一部分，因此光耦合系数减小，灵敏度降低一个级别(r/dT)2。利用两个周期结构的光栅阴影传感器。通过一对光栅着色的透射率从50%(两个屏幕完全重叠时)更改为0(一个屏幕的不透明条完全复盖另一个屏幕的透明部分时)。在此周期性结构范围内，光的输出强度是周期性的。其分辨率在矿山条纹间距的10-6个以内。这是配置高度敏感、简单、高可靠性位移传感器的基础。衍生自操作1，图5-2的几何关系，然后关系2，图5-2，已知光纤芯直径2r=200um，数据光圈NA=0.5，光纤

4、间距a=100um。如果函数F(d)的最大斜率是该系统的灵敏度，则耦合功率F根据d改变什么值？5.2.3光模式强度调制，两种模式的传播常数分别为和，=-=2/相位失配0时，模式之间的精度最佳。当光纤之间的状态发生变化时，在光纤中发生模式耦合，其中一些导波模式成为发射模式，从而发生损失，变形器的位移将改变万谷中的模式振幅，从而产生强度调制。具有抛物线(或平方律或梯度)折射率分布的光纤。变形器的临界空间周期对于阶跃光纤来说，光纤传播模式可能发生变化，光纤模式斑点图可能发生变化，模式强度调制也可能发生。多模式光纤发射的远场光斑，如果剪切，就等于“西瓜”、“亮”、“黑”变得不规则。5.2.4折射率强度

5、调制，第一，纤维折射率变化一般纤维芯和包层折射群温度系数。温度恒定的话，包层折射率N2和核心折射率n1的差异是恒定的。温度变化时，N2、n1之间的差异发生变化，传输损失发生变化。因此，基于在特定温度下接收的亮度，传输功率的变化决定温度的变化。第二，消失波耦合类型普通。消亡波在光明媒体中，当深人的距离有几个波长时。能量是可以忽略的。如果一种方法能使害羞振幅变大，通过光索成介质，扩展到附近折射率高的光介质，能量就能通过间隙，这种过程称为抑制前。l表示一对单模或多模光纤的相互作用长度，d表示核心之间的距离。光包变薄或完全脱落，足以制作消光场耦合。如果d、l或N2发生轻微变化，则光探测器的接收强度将发

6、生显着变化，从而启用光强度调制。该原理已应用于水听器。3，反射系数类型，菲涅耳反射公式，类型，r/平行偏振方向的强度反射系数，r垂直偏振方向的强度反射系数；N=n3/n1，是界面上入射光波的入射角。5.2.5光吸收系数强度调制1、利用光纤的吸收特性的强度调制x射线、射线等放射线线增加光纤材料的吸收损耗，减少光纤的输出功率，构成强度调制辐射量传感器。改变光纤材料成分可以测量不同的射线。使用纤维制作的铅玻璃时，对x射线、伽马射线、中子最敏感，用这种方法制作的传感器既可以用于卫星的外层空间容量监测，也可以用于核电站、放射性物质堆栈的辐射量监测。第二，利用半导体吸收特性的强度调制大多数半导体的带隙Eg

7、几乎随温度t的增加而线性减小。它们光吸收边的波长随着t的增加而变化。使用5.3相位调制机制、光相位调制，某些物理量测量可以获得很高的灵敏度。相位调制光纤传感器的基本传感原理是，通过比萨能量场的作用，引导光纤内传播的光波相位的变化，然后利用干涉测量技术将相位变化转换为亮度的变化，检测测量出的物理量。5.3.1相位调制1，应力应变效应光纤受到纵向(轴)机械应力时，引起光波相位变化的纤维的长度、芯径、芯折射率都将发生变化。其中a是光纤核心的半径。第一个项目表示光纤长度变化导致的相位延迟(应变效应)。第二个表示因感应折射率变化而引起的相位延迟(齿隙效果)。第三项表示光纤半径变化导致的相位延迟(泊松效应

8、)。1 .纵向变形引起的相位变化，2 .径向变形引起的相位变化不考虑泊松效应，实现纵向和径向变形的最简单方法是使用中空压电陶瓷圆柱(PZT)将一个或多个圆纤维缠绕在此圆柱上，然后在半径或轴向应用驱动信号，使PZT圆柱的直径根据驱动信号发生变化，因此缠绕光纤也随之扩展。光纤受到应力时，光波相位发生变化。2，仅考虑温度-应变效应、半径折射率变化时，温度变化引起的相位需要适当的干涉仪来完成相位检测过程。敏感光纤和干涉仪对相位调制干涉光纤传感器不可缺少。敏感光纤完成相位调制操作，干涉仪完成相位-亮度的转换操作。在光波的干涉测量中传播的光波可以是两束以上的干涉光。例如，具有A1和A2的光源振幅的两个一致

9、的梁。当其中一个光相位在特定因素的影响下调制时，干扰域发生干扰。干涉领域各点的亮度可以用第一、迈克尔逊光纤干涉仪、第二、马赫-泽德光纤干涉仪来表示，要保证所有光纤干涉仪工作点的稳定性更为困难。在零次检测方法中，必须保证两种光纤臂之间的正交状态。因此，系统要求环境温差不能太大。“，“正交状态”是指干涉仪的双臂光波之间的相对相位为90。正交检测方法的优点是检测相位灵敏度最高。3，塞格纳克(Sagnac)光纤干涉仪，干涉仪安装在可以垂直于光束平面轴旋转的平台上，当平台以角速度旋转时，两个传播方向相反的光束到达光探测器的延迟不同。平台顺时针旋转时，顺时针传播的灯光比逆时针传播的灯光延迟。拓扑延迟可以表

10、示为。表达式中，a是光路环绕的面积；光纤陀螺、4、法布里-珀罗光纤干涉仪由两部分反射、部分透射、平行放置的镜子组成。反射膜通常镀在反射率大于95%的两个相对镜面表面上。法布里-珀罗干涉仪是多光束干涉。根据多波束干涉的原理，探测器检测到的干涉强度的变化是透射干涉强度的最大值和最小值的比率，与普通方法布里珀干涉法不同，用光纤射线代替空气光路，用传感器控制反射镜移动来调制相位，从而调制相位。可以使用5.4频率调制机制、频率调制技术测量有限的几种物理量。主要利用运动物体的反射或散射光的多普勒频移效果检测运动速度。设定光源和观察者在同一位置。当频率为f的光照射相对光速为v的移动物体时，观察者接收的移动物

11、体反射率f1变为，并且当光源和观察者处于相对静止的两个位置时，被视为双多普勒效应。从光源到运动体，从运动者到观察者都考虑在内。5.4.1光纤多普勒技术是根据多普勒频移原理将激光用作光源的测量技术，是研究流体流动的有效手段。主要保留点具有高空间分辨率，梁在不妨碍流动性的情况下跟踪快速变化的能力。现在讨论信号检测的光功率计算方法。流体中运动物体的返回信号大小取决于背向散射强度、介质衰减和光纤接收区域和数值孔径。返回到进入光纤的总功率pr，5.5波长调制机制波长调制光纤传感器主要利用传感探头的光学光谱特性随外部物理量变化的特性实现。这些传感器大部分是非功能传感器。5.5.1光纤pH检测技术利用化学指

12、示剂对被测试溶液的颜色反应来测量溶液的pH值，采用双波长操作方式的目的是消除测量中多种因素引起的误差。以绿光(558nm)为调制探测光，以红色(630 nm)为基准光，探测器接收的绿光与红光强度的吸收比为R，pH与R的关系，在表达式中。c，k是常数；l是试剂长度，=pH-pK。其中ph是ph，PK是酸碱平衡常数。5.2光磷光检测技术，两个光电二极管的敏感波长对其他540 nm的光敏感，而另一个对630 nm的光敏感。将光电二极管转换为电信号，通过电子电路进行信号处理，得到相对光强和温度变化的特性曲线。修正的输出可以得到相对亮度和温度之间的线性关系。5.5.3光纤黑体检测技术通过测量物体的热辐射

13、能量，将物体表面温度确定为非接触温度测量技术。物体的热辐射能量随着温度的增加而增加。理想的“黑体”辐射源发射的光谱能量表示了热辐射基本定律之一的普朗克公式。所谓的“黑体”是完全吸收入射辐射热，发射率最大的物体。光纤黑体探测技术。用黑体制作探针，利用光纤传输热辐射波，不怕电磁场的干扰，质量轻。灵敏度高，体积小，探针可达0.1毫米。5.5.4光纤fabry-polo滤波技术，类型，d为fabry-polo标准厚度；n 是具有平行板的介质折射率的标准。是反射光的相位跳跃。5.6光波是一种偏振调制机制，光的矢量与传播方向垂直。如果光波的光矢量方向始终是恒定的，那么只要其大小随着位的变化而变化，这种光就

14、称为线性偏振。由光源矢量和光源传播方向组成的平面是直线偏振光的振动曲面。如果光源矢量的大小保持不变，并且其方向绕传播方向均匀旋转，则光源矢量端点的轨迹为圆形，称为圆极化。如果光源矢量的大小和方向都发生了规则更改，并且光源矢量的末端沿椭圆旋转，则这种光源称为椭圆偏振。圆偏振，线偏振，马吕斯定律强度I0的偏振，通过偏振器后透射光的强度为I=I0 cos2。其中是偏振器的偏振化方向和入射偏振光的偏振化方向之间的角度。是线性偏振的振动方向OM和偏振器的透射方向ON之间的角度。I=I0 cos 2，天然方解石晶体是双折射晶体，A，B，光的双折射现象，自然光是石英，方解石等5.6.1普朗克效应各向异性晶体

15、中，普克耳效应是重要的电光效应。当强电场施加在光通过的各向异性晶体上时，感应双折射与附加电场的一侧成正比，称为线性电光效应或分形效应。折射率椭球方程，双萃取晶体的主要折射率；对于单个晶体，主折射率通常是光折射率，非常光折射率。如果沿光源轴入射，则o光源和e光源的折射率相同，因此折射是无可比拟的。普通光源(o形光源)和极光源(e形光源)，普通光源：对于晶体的所有方向具有相同的折射率，简单地说，在入射曲面内传播称为o形光源。非常光：其折射率(即波速)取决于方向，不一定在入射面内传播，简称为电子光。o光振动方向垂直于由相应光线(从晶体)和光轴组成的平面。e光振动方向平行于由相应光线(从晶体)和光轴组

16、成的平面。如果光轴在入射面内，实验结果表明o光、e光都在入射面内传播，并且振动方向相互垂直。A、B、光轴的某些决定内有确定的方向。在此方向上，o光和e光以相同的速度传播，此方向称为晶体的光轴。M，M ，N ，N，说明：沿光轴方向入射的射线不会通过晶体分割成两条射线，而是仍然沿入射方向。特征方向。有光轴的决定，称为单轴决定。例如方解石、石英等。有两个光轴的决定称为双轴决定。例如：云母、黄黄等。光轴，光轴，晶体两端有电极，磁极之间有一个电场。外部电场与光的方向平行，这种应用称为纵向使用或纵向调制。对于KDP晶体，晶体折射率变化 n和电场e的关系为光路差、半波电压、1-BGO调制器的确定；2-1/4

17、波片3-偏置探测器；4电压传感器探头；5-多模光导纤维；6光电探测器；7-运算符；8输出信号；九盏灯；103354光电耦合器；11-偏置是当晶体的光的方向垂直于外部电场时，称为横向操作，此时产生的电光效应称为横向电光效应。在晶体中，两个正交平面偏振成为电光效应引起的相位差，晶体的半波电压在下面给出，5.6.2 Kerr效应Kerr效应也称为平方电光效应。发生在所有物质中。应用的电场作用于等向性透明材料，改变了各向同性材料的光学特性，成为具有双折射现象的各向异性特性，与单轴晶体的情况相同。Kerr效应，外部电场退出时，此特性立即消失，因此也称为电诱导双折射现象。光轴是电场强度的方向，通过厚度为l的液体的阳光，光的区别是：如果去掉盒子里的电场，n就不会漏光。整个系统充当“光开关”