ch9光纖傳感器及其應(yīng)用

1、第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用1第第9章章 光纖傳感器及其應(yīng)用光纖傳感器及其應(yīng)用 靈敏度較高；靈敏度較高；幾何形狀具有良好的適應(yīng)性，可制成任意形狀的光纖傳感器幾何形狀具有良好的適應(yīng)性，可制成任意形狀的光纖傳感器；可以傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；可以傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高溫等惡劣環(huán)境。抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高溫等惡劣環(huán)境。容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：光纖傳感器：將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參光纖傳感器：將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相

2、互作用，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、度、波長(zhǎng)、頻率頻率、相位等）發(fā)生變化，再經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)、相位等）發(fā)生變化，再經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。 應(yīng)用：應(yīng)用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、磁、聲、壓力、溫度、加速度、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流電流和應(yīng)變等物理量的測(cè)量和應(yīng)變等物理量的測(cè)量 。第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用2一、光導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理一、光導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理 光纖的結(jié)構(gòu)如圖所示。纖芯,由某種類型的玻璃或塑料制成；包層,由特性與纖芯略有不同的玻璃或塑料制成

3、9.1 光導(dǎo)纖維基本知識(shí)光導(dǎo)纖維基本知識(shí)纖芯：石英玻璃，直徑纖芯：石英玻璃，直徑5 575um75um，以二氧化硅為主，以二氧化硅為主，摻雜微量元素；摻雜微量元素；包層：直徑包層：直徑100100200um200um，也是玻璃，但折射率略低于也是玻璃，但折射率略低于纖芯；纖芯；涂敷層：硅酮，隔離雜光；涂敷層：硅酮，隔離雜光；第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用3在光纖中, 光的傳輸限制在光纖中, 并隨光纖能傳送到很遠(yuǎn)的距離, 光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射全內(nèi)反射。根據(jù)斯涅爾定律,光線在兩種不同介質(zhì)的分界面上會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象,折射定律為 （a a）折射角大于入射角：折射角大于入射角：（b b）臨界狀態(tài)：臨界

4、狀態(tài)： （c c）全反射全反射 ：1122sinsinnn022190arcsin(/)cnn1c12第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用4包層n2纖芯n1cc根據(jù)全內(nèi)反射原理,設(shè)計(jì)光纖纖芯的折射率光纖纖芯的折射率n1要大于包層的折要大于包層的折射率射率n2。掠射角(入射角的余角)c的光線:纖芯折射到包層中,不能傳播很遠(yuǎn)；掠射角c（臨界角）的光線：發(fā)生全反射第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用5各種裝飾性光導(dǎo)纖維 第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用6二、光纖的幾個(gè)重要參數(shù)二、光纖的幾個(gè)重要參數(shù) 1.數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑(NA) 數(shù)值孔徑是反映纖芯接收光量的多少反映纖芯接收光量的多少,標(biāo)志光纖接標(biāo)志光纖接收性能的一個(gè)重要參數(shù)收

5、性能的一個(gè)重要參數(shù)。定義為:光從空氣入射到光纖輸入端面時(shí),處在某一角錐內(nèi)的光線一旦進(jìn)入光纖,就將被截留在纖芯中,此光錐半角()的正弦稱為數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑?？蓪?dǎo)出2212NAnn 反映纖芯接收光量的多少，標(biāo)志光纖的接收性能。反映纖芯接收光量的多少，標(biāo)志光纖的接收性能。 意義：意義：無(wú)論光源發(fā)射功率有多大，只有入射角處于無(wú)論光源發(fā)射功率有多大，只有入射角處于2c的的光椎角內(nèi)，光纖才能導(dǎo)光。光椎角內(nèi)，光纖才能導(dǎo)光。第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用7大的數(shù)值孔徑：有利于耦合效率的提高。大的數(shù)值孔徑：有利于耦合效率的提高。但數(shù)值孔徑太大，光信號(hào)畸變也越嚴(yán)重。但數(shù)值孔徑太大，光信號(hào)畸變也越嚴(yán)重。 如入射角過(guò)大，

6、如入射角過(guò)大， 光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。 光纖的光纖的NA越大，表明它的集光能力越強(qiáng)，一般希望有大越大，表明它的集光能力越強(qiáng)，一般希望有大的數(shù)值孔徑，因?yàn)榈臄?shù)值孔徑，因?yàn)榇蟮臄?shù)值孔徑有利于光纖的聚光能力，大的數(shù)值孔徑有利于光纖的聚光能力，有利于光源和光纖之間耦合效率的提高。有利于光源和光纖之間耦合效率的提高。 如石英光纖數(shù)值孔徑如石英光纖數(shù)值孔徑0.2NA0.4。 2. 傳播模式傳播模式1222120022()()aaVnnNA式中,a為纖芯半徑,0為入射光在真空中的波長(zhǎng)根據(jù)電介質(zhì)中電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程，考慮到光纖圓柱形根據(jù)電介質(zhì)中電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程，考慮到光

7、纖圓柱形波導(dǎo)和纖芯波導(dǎo)和纖芯-包層界面處的幾何邊界條件，則只存在波動(dòng)包層界面處的幾何邊界條件，則只存在波動(dòng)方程的特定方程的特定(離散離散)解。允許存在的不同的解代表許多離散解。允許存在的不同的解代表許多離散的沿波導(dǎo)軸傳播的波。每一個(gè)允許傳播的波稱為一個(gè)模。的沿波導(dǎo)軸傳播的波。每一個(gè)允許傳播的波稱為一個(gè)模。實(shí)際中常用由麥克斯韋方程導(dǎo)出的歸一化頻率實(shí)際中常用由麥克斯韋方程導(dǎo)出的歸一化頻率n作為確作為確定光纖傳輸模數(shù)的參數(shù)。定光纖傳輸模數(shù)的參數(shù)。n的值可以由纖芯半徑的值可以由纖芯半徑r、傳傳輸光波波長(zhǎng)輸光波波長(zhǎng)l及光纖的數(shù)值孔徑及光纖的數(shù)值孔徑NA確定，即確定，即第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用9 光纖V

8、值越大,則光纖所能允許傳輸?shù)哪Ｊ?不同的離散波)數(shù)越多。當(dāng)V值低于2.404時(shí),只允許一個(gè)波或模式在光纖中傳輸。即圓柱波導(dǎo)的“單模條件”是12221202()2.404ann第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用10 在光導(dǎo)纖維中傳播模式很多對(duì)信息傳輸是不利的在光導(dǎo)纖維中傳播模式很多對(duì)信息傳輸是不利的。因?yàn)橥还庑盘?hào)采取很多模式傳播,就會(huì)使這一光信號(hào)分為不同時(shí)間到達(dá)接收端的多個(gè)小信號(hào),從而導(dǎo)致合成信號(hào)的畸變。第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用11 3.傳播損耗傳播損耗 光在光纖的傳播過(guò)程中由于材料的吸收、散射和彎材料的吸收、散射和彎曲處的輻射損耗曲處的輻射損耗等的影響,不可避免地要有損耗。通常用衰減率A表示傳播損

9、耗。1010lg(/)IIAdB kml式中,l為光纖長(zhǎng)度,I0為輸入端光強(qiáng),I1為輸出端光強(qiáng)。第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用12 在一根衰減率為10dB/km的光纖中,當(dāng)光傳輸1km后,光強(qiáng)將下降到入射光強(qiáng)的1/100,3dB/km衰減率相當(dāng)于經(jīng)過(guò)1km后,光強(qiáng)減小到入射光強(qiáng)的一半(因?yàn)閘g0.5=-0.3)。目前傳播損耗可達(dá)0.16dB/km。第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用13三、三、 光纖的類型光纖的類型 1.按折射率變化類型分類按折射率變化類型分類光纖的類型（折射率、傳輸模式）光纖的類型（折射率、傳輸模式）1 1）按折射率）按折射率a a）階躍型）階躍型 纖芯與包層的折射率是突變的；纖芯與包層

10、的折射率是突變的；b b）漸變型）漸變型 纖芯中心處折射率最大，由中心向外纖芯中心處折射率最大，由中心向外折射率逐漸變小到包層折射率。折射率逐漸變小到包層折射率。 n (r)n 2n 1(a)階躍折射率光纖折射率分布n (r)rr漸變折射率光纖纖芯包層(b)第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用14傳輸模式：光沿光纖傳播的途徑和方式。傳輸模式：光沿光纖傳播的途徑和方式。單模光纖單模光纖 指階躍型光纖中，內(nèi)芯直徑很小，光纖的傳播模式很少，指階躍型光纖中，內(nèi)芯直徑很小，光纖的傳播模式很少，原則上只能傳遞一種模式的光纖。原則上只能傳遞一種模式的光纖。2. 按傳播模式分類按傳播模式分類這類光纖傳輸性能好(常用于干

11、涉型傳感器),制成的傳感制成的傳感器較多模傳感器有更好的線性、更高的靈敏度和動(dòng)態(tài)測(cè)器較多模傳感器有更好的線性、更高的靈敏度和動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍量范圍。但單模光纖由于纖芯太小、制造、連接和耦合都很困難第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用15 多模光纖多模光纖:通常是指階躍光纖中纖芯尺寸較大(大部分為幾十微米)、傳播模式很多的光纖。這類光纖性能較差,帶寬較窄,但由于芯子的截面大,容易制造,連接耦合也比較方便。這種光纖常用于強(qiáng)度型傳感器。 第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用163.按用途分類按用途分類 普通光纖普通光纖:是指用于光纖通信的單模和多模光纖。 非通信光纖非通信光纖:是指特殊用途的非通信光纖。如低雙折射率光纖、高

12、雙折射率光纖、涂層光纖、激光光纖和紅外光纖等。4、按材料：、按材料：玻璃光纖玻璃光纖塑料光纖塑料光纖第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用179.2 光纖傳感器的工作原理光纖傳感器的工作原理 光纖傳感器就是將光纖自身作為敏感元件，直接光纖傳感器就是將光纖自身作為敏感元件，直接接收外界的被測(cè)量。被測(cè)量可引起光纖的長(zhǎng)度、折接收外界的被測(cè)量。被測(cè)量可引起光纖的長(zhǎng)度、折射率、直徑等方面的變化，從而使得在光纖內(nèi)傳輸射率、直徑等方面的變化，從而使得在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獗徽{(diào)制。的光被調(diào)制。用被測(cè)量調(diào)制入射光波用被測(cè)量調(diào)制入射光波的某一參數(shù)，使其隨之的某一參數(shù)，使其隨之變化，然后對(duì)已調(diào)制的變化，然后對(duì)已調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

13、光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用18系統(tǒng)組成部件：系統(tǒng)組成部件：光發(fā)送器（LED、LD等）光接收器（PD）光纖耦合器：分路分路/合路器件合路器件信號(hào)處理系統(tǒng)光纖(a)(b)第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用19光纖終端盒光纖終端盒尾纖，只有一端有連接頭，而另一尾纖，只有一端有連接頭，而另一端是一根光纜纖芯的斷頭，通過(guò)端是一根光纜纖芯的斷頭，通過(guò)熔熔接接與其他光纜纖芯相連，常出現(xiàn)在與其他光纜纖芯相連，常出現(xiàn)在光纖終端盒內(nèi)，用于連接光纜與光光纖終端盒內(nèi)，用于連接光纜與光纖收發(fā)器。纖收發(fā)器。第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用20強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器相位調(diào)制光纖傳感器、頻

14、率調(diào)制光頻率調(diào)制光纖傳感器纖傳感器、偏振調(diào)制光纖傳感器偏振調(diào)制光纖傳感器和波長(zhǎng)波長(zhǎng)(顏色顏色)調(diào)制光纖傳調(diào)制光纖傳感器感器。光纖傳感器可以探測(cè)的物理量很多，已實(shí)現(xiàn)的光纖傳感器所測(cè)量的物理量達(dá)70余種。非功能型光纖傳感器：非功能型光纖傳感器：利用其它敏感組件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，傳輸來(lái)自遠(yuǎn)外或難以接近場(chǎng)所的光信號(hào)，所以也稱為傳光型傳感器或混合型傳感器。 功能型光纖傳感器：功能型光纖傳感器：利用光纖本身的特性把光纖作為敏感組件，所以也稱傳感型光纖傳感器，或全光纖傳感器；光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)調(diào)制的光波參數(shù)不同又可分為：光纖傳感器分類：光纖傳感器分類：第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用

15、21一、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 待測(cè)物理量引起光纖中的傳輸光強(qiáng)變化，通過(guò)檢測(cè)待測(cè)物理量引起光纖中的傳輸光強(qiáng)變化，通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)量的測(cè)量光強(qiáng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)量的測(cè)量 。光源強(qiáng)度為Ii傳感頭被測(cè)信號(hào)的作用使強(qiáng)度發(fā)生變化(受到了外場(chǎng)的調(diào)制) 輸出光強(qiáng)I0的包絡(luò)線與被測(cè)信號(hào)的形狀一樣信號(hào)處理電路再檢測(cè)出調(diào)制信號(hào)，就得到了被測(cè)信號(hào)。第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用221、反射式光纖位移傳感器、反射式光纖位移傳感器：光纖分為兩部分：輸入光纖和輸出光纖，亦可稱為發(fā)送光纖和接收光纖。這種傳感器的調(diào)制機(jī)理：輸入光纖將光源的光射向被測(cè)物體表面，再?gòu)谋粶y(cè)面反射到另一根輸出光纖中，其光強(qiáng)的大

16、小隨被被測(cè)表面與光纖間的距離而變化。 非功能型光纖傳感器，光纖本身只起著傳光作用非功能型光纖傳感器，光纖本身只起著傳光作用第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用23光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理(a)光源光敏元件接收光束發(fā)射光束被測(cè)目標(biāo)探頭到被測(cè)目標(biāo)平面距離B2CAB1(b)光源光敏元件發(fā)射光束接收光束被測(cè)目標(biāo)當(dāng)光纖探頭端部緊貼被測(cè)件時(shí),發(fā)射光纖中的光不能反射到接收光纖中去,接收光纖中無(wú)光信號(hào);當(dāng)被測(cè)表面逐漸遠(yuǎn)離光纖探頭時(shí),發(fā)射光纖照亮被測(cè)表面的面積越來(lái)越大,于是相應(yīng)的發(fā)射光錐和發(fā)射光錐和接收光錐重合面積接收光錐重合面積B1越來(lái)越大越來(lái)越大,因而接收光纖端面上被照亮的B2區(qū)也越來(lái)越大,有一個(gè)線性增長(zhǎng)的輸出

17、信號(hào); 結(jié)構(gòu)及原理結(jié)構(gòu)及原理:反射型反射型接收光纖接收光纖發(fā)送光纖發(fā)送光纖光纖光纖探頭探頭第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用24 當(dāng)整個(gè)接收光纖被全部照亮?xí)r,輸出信號(hào)就達(dá)到了位移-輸出信號(hào)曲線上的“光峰點(diǎn)”,光峰點(diǎn)以前的這段曲線叫前前坡區(qū)坡區(qū);當(dāng)被測(cè)表面繼續(xù)遠(yuǎn)離時(shí), 被反射光照亮的B2面積大于C, 部分反射光沒(méi)有反射進(jìn)接收光纖, 接收到的光強(qiáng)逐漸減小,光敏輸出器的輸出信號(hào)逐漸減弱,進(jìn)入曲線的后坡區(qū)后坡區(qū)。輸出位移光峰坡前后坡O微米級(jí)的位移測(cè)量可用于距離較遠(yuǎn)而靈敏度、線性度和精度要求不高的測(cè)量測(cè)量表面狀態(tài)第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用25發(fā)射光纖與接收光纖的分布光纖探頭的端部光纖探頭的端部,發(fā)射光纖與接收光

18、纖分布發(fā)射光纖與接收光纖分布:隨機(jī)分布隨機(jī)分布;半球形對(duì)開(kāi)分布半球形對(duì)開(kāi)分布;共軸內(nèi)發(fā)射分布共軸內(nèi)發(fā)射分布;第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用26光纖位移傳感器的一個(gè)典型范例：光纖位移傳感器的一個(gè)典型范例： 發(fā)射、接收各300根光纖組成一根0.762mm的光纜。光纖內(nèi)芯是折射率為1.62的火石玻璃,包層是折射率為1.52的玻璃。光纜的后部被分成兩支,一支用于發(fā)射光,一支用于接收光。光源是2.5V的白熾燈泡,而接收光信號(hào)的敏感元件是光電池。光敏檢測(cè)器輸出與接收到的光強(qiáng)成正比的電信號(hào)。對(duì)于每0.25m位移產(chǎn)生1V的電壓輸出,分辨率是0.025m。第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用27遮斷型遮斷型發(fā)送光纖發(fā)送光纖接

19、收光纖接收光纖第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用282、光纖測(cè)壓傳感器、光纖測(cè)壓傳感器在光纖位移傳感器探頭前加上一個(gè)膜片構(gòu)成的。光源光源發(fā)射光纖發(fā)射光纖膜片位移發(fā)生變化膜片位移發(fā)生變化反射反射接收光纖接收光纖PD對(duì)中套管光纖厚的膜片0.254 mm膜片管2.7693.9374.826第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用293、微彎光纖傳感器、微彎光纖傳感器(功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器) 根據(jù)光纖彎曲(微彎)時(shí)纖芯中的光注入包層的原理研制成的。這類傳感器的敏感元件是由一個(gè)能引起光纖產(chǎn)生微彎的變形器。 光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受

20、被測(cè)量調(diào)制。內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制。壓力壓力光纖微彎光纖微彎光的全反射受到一光的全反射受到一定的破壞定的破壞光傳輸光傳輸損耗損耗FF光纖變形器L第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用30 光纖模式去除器模式去除器變形器激光器I0I0 I0E0 檢測(cè)器亮視場(chǎng)微彎傳感器系統(tǒng)：亮視場(chǎng)微彎傳感器系統(tǒng)：激光束射入穿過(guò)變形器的階躍折射率多模光纖,作用力借助于變形器調(diào)制光強(qiáng),用光敏元件對(duì)到達(dá)光纖端部的纖芯光光強(qiáng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。模式去除器：模式去除器：吸收可能在光纖包層中傳播的光，保證只有纖芯光才能到達(dá)變形器中的光纖段；吸收掉因采用變形器而進(jìn)入包層中的任何纖芯光,使它們不能到達(dá)檢測(cè)器。第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用31不同入射角傳輸光強(qiáng)與

21、作用在 傳感器上力的函數(shù)關(guān)系 1008060402000.51.01.50.07.08.09.0力 / N傳輸/%第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用32暗視場(chǎng)微彎傳感器暗視場(chǎng)微彎傳感器：與亮視場(chǎng)傳感器相似，不同之處在于:它使用從纖芯進(jìn)入包層的光產(chǎn)生輸出信號(hào)。模式去除器變形器源光纖光纖光纖耦合器檢測(cè)光纖kII0 II0變形器模式去除器光纖光纖耦合器檢測(cè)光纖檢測(cè)光纖(a)(b)源光纖模式去除器變形器第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用33(a)纖芯包層輸入光包層可動(dòng)光柵靜止光柵包層包層纖芯至檢測(cè)器(b)膜片水聽(tīng)器外殼套管光輸出自聚焦透鏡相向放置的光柵靜態(tài)壓力減壓間隙光輸入光纖移動(dòng)光柵光纖傳感器移動(dòng)光柵光纖傳感器水聽(tīng)

22、器水聽(tīng)器兩個(gè)光柵發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí),光的透射強(qiáng)度就隨之發(fā)生變化1086420481216相對(duì)位移/m相對(duì)強(qiáng)度第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用34二、相位調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制型光纖傳感器 原理：原理：通過(guò)被測(cè)物理場(chǎng)的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位相位發(fā)生變化，再用干涉測(cè)量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測(cè)出待測(cè)的物理量。 L：光纖長(zhǎng)度光纖長(zhǎng)度n1：纖芯折射率纖芯折射率：光波波長(zhǎng)光波波長(zhǎng) ：光波相位的變化量；：光波相位的變化量；L：光纖長(zhǎng)度變化量光纖長(zhǎng)度變化量 n1：纖芯折射率變化量；纖芯折射率變化量；L：光纖軸向應(yīng)變光纖軸向應(yīng)變干涉測(cè)量干涉測(cè)量第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用35目前光纖傳感器中采用四種不

23、同的干涉測(cè)量結(jié)構(gòu)：u邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀:u馬赫馬赫-澤德干涉儀：澤德干涉儀：u薩格奈克干涉儀：薩格奈克干涉儀：u法布里法布里珀羅干涉儀：珀羅干涉儀：u邁克爾遜邁克爾遜(Michelson)干涉儀干涉儀激光器光檢測(cè)器換能器分束器固定平面鏡移動(dòng)平面鏡分束器分束器:光程差光程差:小于激光器的相干長(zhǎng)度小于激光器的相干長(zhǎng)度, 透射到光檢測(cè)器的兩束光就可能互相發(fā)生干涉。每當(dāng)活動(dòng)平面鏡移動(dòng)每當(dāng)活動(dòng)平面鏡移動(dòng)1/2光波長(zhǎng)的距光波長(zhǎng)的距離時(shí)離時(shí),檢測(cè)器的輸出就從最大值變到最小值檢測(cè)器的輸出就從最大值變到最小值,然后再變回最然后再變回最大值大值。用于檢測(cè)小用于檢測(cè)小到到10-7m,即即0.6310-13

24、 m的位移的位移u馬赫馬赫澤德澤德(MachZehnder)干涉儀干涉儀激光器分束器移動(dòng)平面鏡換能器光檢測(cè)器分束器固定平面鏡分束器把激光器的輸出光束分成兩束。它們經(jīng)上、下光路的傳輸之后又重新合路,使它們?cè)诠鈾z測(cè)器處互相發(fā)生干涉。應(yīng)用：應(yīng)用：可用于檢測(cè)可動(dòng)平面鏡小到10-13 m的位移。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：少量或者沒(méi)有光直接返回激光器,避免反饋光使激光器不穩(wěn)定和產(chǎn)生噪聲。u薩格奈克薩格奈克(Sagnac)干涉儀干涉儀激光器光檢測(cè)器平面鏡平面鏡如果某塊平面鏡沿與反射面垂直的方向移動(dòng),那么兩個(gè)光程的長(zhǎng)度必然改變同樣的數(shù)量,故在光檢測(cè)器上不會(huì)檢測(cè)到干涉過(guò)程中的變化。如果使固定該干涉儀的臺(tái)子繞著垂直于光束平面的軸

25、作順時(shí)針旋轉(zhuǎn),則沿順時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)墓馐仨氉汾s在同一方向運(yùn)動(dòng)的終端,而逆時(shí)針傳輸?shù)墓馐鴦t迎頭撞向反方向運(yùn)動(dòng)的終端,因此,順時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)墓馐捅厝粶笥谀鏁r(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)墓馐?。?章 光纖傳感器及其應(yīng)用39順、反兩光束之間的光程差為 4ALc 式中,A為光路系統(tǒng)圍成的面積,c為光速,為光路系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的角速度。 若由光檢測(cè)器測(cè)得L,則可得干涉儀的臺(tái)子相對(duì)慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度?？梢?jiàn),薩格奈克干涉儀可用作靈敏的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器。從原理上講,它是目前許多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所用的環(huán)形激光陀螺和光線陀螺的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。u法布里法布里珀羅珀羅(FabryPerol)干涉儀干涉儀激光器光檢測(cè)器換能器固定平面鏡移動(dòng)平面鏡由兩塊平行

26、的部分透射平面鏡組成。假定平面鏡反射率為95%,那么在任何情況下,激光器輸出光的95%將朝著激光器反射回來(lái),余下的5%的光將透過(guò)平面鏡而進(jìn)入干涉儀的諧振腔。 第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用41上面介紹的幾種干涉儀,是由空氣光路和多個(gè)光學(xué)器件空氣光路和多個(gè)光學(xué)器件(分分束器和平面鏡束器和平面鏡)組合而成組合而成的。這些干涉儀型傳感器可用于檢測(cè)位移檢測(cè)位移,還可用于測(cè)量應(yīng)變和應(yīng)力。還可用于測(cè)量應(yīng)變和應(yīng)力。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：改進(jìn)：?jiǎn)文９饫w作為干涉儀的光路改進(jìn)：?jiǎn)文９饫w作為干涉儀的光路第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用42“全光纖”干涉儀結(jié)構(gòu)激光器光探測(cè)器激光器信號(hào)處理器3 dB耦合器反射的光纖端面換能器(a)(b)第

27、9章 光纖傳感器及其應(yīng)用43“全光纖”干涉儀結(jié)構(gòu)激光器光探測(cè)器激光器光探測(cè)器(c)(d)部分透射反射鏡第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用441、 光纖聲傳感器光纖聲傳感器鎖相環(huán)零差檢測(cè)鎖相環(huán)零差檢測(cè)馬赫澤德干涉儀型聲傳感器。激光器積分器高通濾波器低通濾波器D1D2參考臂(移相器)或梯度傳感臂輸出信號(hào)3 dB耦合器3 dB耦合器傳感臂信號(hào)和噪聲差分放大器LD3dB耦合器干涉儀兩臂上3dB耦合器匯合相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度調(diào)制。3dB耦合器的兩個(gè)光輸出端口各接有一個(gè)光電二極管,將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。第9章 光纖傳感器及其應(yīng)用45差動(dòng)放大器將兩個(gè)光電二極管的輸出電信號(hào)放大,并使共模噪聲(如激光振幅的波動(dòng))得到抑制。為了消除低頻噪聲,差動(dòng)放大器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波。積分器輸出一信號(hào)通過(guò)參考臂上的移相器來(lái)補(bǔ)償相位的大幅度漂移,并使零差檢測(cè)處于正交工作狀態(tài)。該系統(tǒng)稍加改進(jìn),將干涉儀的兩個(gè)臂都設(shè)計(jì)成有一部分光纖對(duì)聲場(chǎng)敏感,并使這兩部分在空間保持一定距離,也可用于測(cè)量聲場(chǎng)聲壓梯度(聲速)。光纖聲（或其他物理場(chǎng)）傳感器的關(guān)鍵關(guān)鍵是檢測(cè)臂的傳感部分要設(shè)計(jì)得對(duì)待測(cè)聲場(chǎng)（或其他物理場(chǎng)）敏感,而檢測(cè)臂的其余部分和參考臂要對(duì)聲場(chǎng)不敏感。為使檢測(cè)臂對(duì)聲場(chǎng)（或其他物理場(chǎng)）敏感要研制對(duì)聲場(chǎng)敏