第九章____2光纖傳感器

1、第九章第九章 光纖傳感器光纖傳感器光纖傳感器是近年來隨著光導(dǎo)纖維技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新型傳感器，它具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、安全性能高、靈巧輕便、使用方便等特點(diǎn)。隨著光纖傳感器研究工作的不斷開展，光纖傳感器可以測量的物理量越來越多，各種形式的光纖傳感器層出不窮。目前已有力、熱、聲、電、磁、核物理等各個(gè)領(lǐng)域的光纖傳感器幾十種，可以檢測位移、速度、加速度、壓力、波面、流量、振動(dòng)、水產(chǎn)溫度、電流、電場、磁場、核輻射等物理量的光纖傳感器。光纖維做為信息傳抱媒介的光纖通信，得到廣泛應(yīng)用。最近幾年來，光纖在傳感技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用，發(fā)展迅速，吸引了大量的科學(xué)工作者，成為目前國外傳感技術(shù)領(lǐng)域中研究的一個(gè)熱門課題。9.

2、1 光纖傳感原理光纖傳感原理 按工作原理可以將光纖傳感器分為功能型（FF）及非功能型（NFF）兩大類。這兩類光纖傳感器的基本組成十分相似，都由光源、入射光纖、解調(diào)器、出射光纖和光敏器件組成，但兩者的光纖所起的作用是不同的（也就是調(diào)制器不同）。 傳光型光纖傳感器又稱作非功能型光纖傳感器（None Function Filter-NFF），光纖僅作為傳播光的介質(zhì)，在傳感器中僅起傳光的作用，見圖9-1a。對外界信息的“感覺”功能是依靠對光的性質(zhì)加以調(diào)制的調(diào)制器來完成的。傳光型光纖傳感器利用已有的其他傳感技術(shù)，它的敏感元件（調(diào)制器）用的是別的材料，這樣可以充分利用現(xiàn)存的優(yōu)質(zhì)敏感元件來提高傳感器的靈敏度

3、。在已經(jīng)使用得光纖傳感器中，傳光型光纖傳感器占大多數(shù)。 傳感性光纖傳感器又稱作功能型光纖傳感器（Function Filter-FF），它利用對外界信息具有敏感能力和檢測功能的光纖作為傳感元件，是將“傳光”和“感知”合為一體的的傳感器。在這類傳感器中，光纖不僅起傳光的作用，而且還利用光纖在外界物理量作用下，能夠引起在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獾哪承┬再|(zhì)如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化來實(shí)現(xiàn)傳和感的功能。因此，光纖本身就是調(diào)制器，充當(dāng)著對外界信息進(jìn)行采集的單元，如圖9-1b。圖9-1 光纖傳感器結(jié)構(gòu)（a）傳光型光纖傳感器（b）傳感型光纖傳感器傳感型光纖傳感器在結(jié)構(gòu)上比傳光型光纖傳感器簡單，因?yàn)楣饫w是連續(xù)的，可

4、以少一些光耦合器件，但為了實(shí)現(xiàn)對外界物理量變化的感知，往往需要采用特殊光纖來作探頭，這樣就增加了傳感器制造的難度。光纖傳感器的組成部分包括光源、入射光纖、調(diào)制器、出射光纖和光敏器件，其中調(diào)制器是最重要的組成部分。實(shí)際上，研究光纖傳感器原理就是定性或定量研究光在調(diào)制器內(nèi)與外界被測物理量的相互作用，也就是光線中的光束被外界物理量調(diào)制的原理。在電子傳感器中，經(jīng)過傳感器的電信號(hào)的某些特征如電壓、電流或間接導(dǎo)致電壓、電流變化的傳感器的電阻、電容、電感的等會(huì)受到外界物理量的調(diào)制，通過對這些電量的測量而達(dá)到測量外界物理量的目的。同樣，在光纖傳感器中，通過光纖調(diào)制器的光的某些特性也受到外界物理量的調(diào)制。沿某一

5、方向（如x方向）傳播的光波可以用平面波德波動(dòng)方程表示，即E=A sin ( k x wt +) (9-1)其中，空間頻率k = 2/。由式（9-1）可見，光具有以下基本特性參量：幅值A(chǔ)：光的振幅A決定了光的強(qiáng)度，光強(qiáng)度的極大值就是A。振動(dòng)方向：由于振幅A是一個(gè)矢量，所以存在振動(dòng)方向，通常稱作偏振方向。頻率：為光的角頻率。在環(huán)境因素保持不變的條件下，光不論在什么介質(zhì)中傳播，其頻率總是不變的。光波頻率的外部特征就是光的顏色。波長：同樣的光波，在不同折射率的介質(zhì)中光的波長是不相等的。初始相位：初始相位反映了光波的光程。光波的上述特征參數(shù)，主要是以光強(qiáng)度與光的顏色兩個(gè)最直觀的特征表現(xiàn)出來的，或者說，目

6、前的光電傳感器只能測量光的強(qiáng)度與顏色，對其他特征的測量是通過測量光的強(qiáng)度或顏色而間接測量的。就如對電子傳感器的電阻、電容、電感的測量，總是以測量電壓或電流進(jìn)行間接測量一樣。光波作為光纖傳感器中的傳輸信號(hào)，受外界物理量的調(diào)制，從而反映出外界物理量的變化。外界物理量可能引起光的強(qiáng)度、波長（顏色）、頻率、相位、偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，從而構(gòu)成強(qiáng)度、波長、頻率、相位或偏振態(tài)調(diào)制原理。光纖傳感器的調(diào)制器可以是功能光纖傳感器（FF）中的光纖本身（內(nèi)部調(diào)制），也可以是非功能光纖傳感器（NFF）中用某種材料制成的敏感元件（外部調(diào)制）。不過，就調(diào)制原理本身而言，不論是內(nèi)部調(diào)制還是外部調(diào)制，我們所關(guān)心的都是外界物理

7、量的大小與其所引起的光的特性變化兩者之間的關(guān)系。另外，必須指出的是，在實(shí)用的光纖傳感器中，外部物理量對光的特性的調(diào)制作用所引起變化的光參數(shù)，可能是一個(gè)也有可能同時(shí)是幾個(gè)。此外，幾乎所有的用于光纖傳感器中的光敏器件只能探測光的強(qiáng)度，而光的其他性能如偏振態(tài)、頻率、相位等的改變，必須通過適當(dāng)?shù)氖侄巫儞Q成光強(qiáng)度的變化之后才可以被光敏器件所探測。 光纖是用石英玻璃做為主要原料的一種透明度很高的介質(zhì)材料，用作通信和傳感器的光纖，直徑一般只有100多微米粗細(xì)，一公里長的光纖僅27克重。光纖傳感器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕。由于光纖是介質(zhì)材料，其電絕緣特性相當(dāng)好，耐高的電壓，因此，光纖傳感器在高壓、強(qiáng)磁場

8、、腐蝕性強(qiáng)、高溫等環(huán)境條件下使用時(shí)，顯示出其安全、可靠、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。9.1.1 強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制 利用外界物理量改變光纖中光的強(qiáng)度，通過測量光強(qiáng)變化來測量外界物理量變化的原理稱為強(qiáng)度調(diào)制。恒定光源發(fā)出的光束I注入調(diào)制區(qū)，在外力場I的作用下，輸出光束的光強(qiáng)度被調(diào)制，載有外界物理量信息的T的包絡(luò)線與I形狀一樣。光敏器件的輸出電流（或電壓）也作同樣的調(diào)制。 強(qiáng)度調(diào)制是光纖傳感器最早使用的調(diào)制方法。其特點(diǎn)是技術(shù)簡單、可靠、價(jià)格低。傳輸光纖可采用多模光纖，光源可采用輸出穩(wěn)定的LED或高強(qiáng)度白熾燈等非相干光源，光敏器件一般用光電二極管（PD）、PIN和光電池等。構(gòu)成傳感器

9、探頭的物理機(jī)理分為反射、投射、折射等。1.透射式強(qiáng)度調(diào)制圖9-2是這種強(qiáng)度調(diào)制的原理圖，光纖間距大約23m,斷面為平面，通常入射光纖不動(dòng)，而出射光纖可以橫向（或縱向）平移或轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣出射光纖的輸出光強(qiáng)受位移的調(diào)制，如圖9-2a所示。圖9-2b為橫向移動(dòng)調(diào)制方式的原理圖，出射光纖的輸出光強(qiáng)被輸出光纖接收，接收光強(qiáng)度與圖中的兩個(gè)圓的交疊面積有關(guān)。如果輸入、輸出均為同一種單模光纖的話，光纖的徑向位移與功率耦合系數(shù)T之間的關(guān)系為 （9-2）式中，為光纖中的光斑尺寸；T與x的關(guān)系為高斯型曲線，如圖9-2c所示。為了得到高的靈敏度和好的線性度，偏置點(diǎn)應(yīng)當(dāng)選擇在A點(diǎn)。這一方法的位移測量范圍在10m以內(nèi)。)/

10、exp(202sxT 2.開關(guān)調(diào)制圖9-3所示為開關(guān)調(diào)制的結(jié)構(gòu)。入射光纖和接收光纖都固定不動(dòng)，當(dāng)遮光屏受外界物理量影響而運(yùn)動(dòng)時(shí)，出射光纖中的光強(qiáng)就會(huì)發(fā)生變化，遮光屏可以和其他的敏感器件如薄膜或管式壓力計(jì)、熱膨脹元件、渦輪式流量計(jì)等相連。遮光屏本身既可以用固體材料，也可以用液體做成。圖9-2 位移調(diào)制a)不同形式的位移調(diào)制方法 b)橫向移動(dòng)調(diào)制方法 c)橫向位移調(diào)制輸出曲線圖9-3 各種不同的開關(guān)調(diào)制光纖a)光開關(guān) b)光柵調(diào)制在圖9-3a的擋板調(diào)制中，入射光纖端面被透鏡準(zhǔn)直為平行光束，設(shè)平行光束的半徑為r，那么，擋板位移在輸出光纖端面所引起的光強(qiáng)變化與（/r）成比例。在圖9-3b的光柵調(diào)制中，

11、入射光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡后變成平行光，平行光通過光柵后再用物鏡把光聚焦在出射光纖的端面上，光柵有兩個(gè)：一個(gè)固定，另一個(gè)隨外界物理量而移動(dòng)，當(dāng)光柵作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過兩光柵之間的光強(qiáng)就會(huì)發(fā)生變化。假設(shè)兩光柵都是5m柵距、5m柵寬，則輸出光纖的輸出光強(qiáng)隨位移而周期性變化，每當(dāng)動(dòng)?xùn)畔鄬ξ灰聘淖?0m，光強(qiáng)變化一個(gè)周期。如果將輸出光纖的輸出光譜與光柵的相對位移之間的關(guān)系繪制成曲線，那么就會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)偏置點(diǎn)放在相對位移為2.5m、7.5m等處時(shí)，靈敏度最大。減小柵元寬度可以提高靈敏度，但降低了測量范圍。 3反射式強(qiáng)度調(diào)制這種強(qiáng)度調(diào)制的形式也很多，它可由一根或兩根光纖組成，也可由光纖束組成，如圖9-4所示。光從光源

12、耦合到光纖或光纖束，射向被測物體，再由被測物體將光束反射回來，經(jīng)反向傳輸后由光敏器件接收，其光強(qiáng)的大小將隨被測物體的特性的不同而不同，這些特性包括被測物體距光纖探頭端面的距離x、對象的表面反射率r、對象的相對傾斜角等。為了提高光強(qiáng)的耦合效率，可采用大數(shù)值孔徑光纖或光纖束。這種結(jié)構(gòu)具有非接觸、探頭小、頻響高、線性度好等特點(diǎn)，其測量范圍在100m以內(nèi)。圖9-4 各種反射調(diào)制結(jié)構(gòu)a)多束光線 b)雙光纖 c)單光纖 d)液面測量4折射率調(diào)制法折射率調(diào)制法是利用折射率的變化來進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制的，其基本原理是利用被測物理量來改變與纖芯相接觸的某物質(zhì)的折射率，從而調(diào)制光纖內(nèi)全反射光強(qiáng)度的大小。圖9-5所示為常

13、用的幾種結(jié)構(gòu)。圖9-5a是利用液體折射率隨溫度上升而減小，在纖芯折射率不變的情況下進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，采用這種調(diào)制可以做成溫度傳感器。相反，如果采用塑料涂層作為光纖的包層，那么其折射率隨溫度降低而增加，利用這種光纖作探頭，可以做成低溫溫度計(jì)。圖9-5b是利用油擴(kuò)散到光纖包層上改變其折射率分布，使纖芯的光進(jìn)入包層，從而測量水中的含油量。圖9-5c、d所示調(diào)制原理和上面兩種相同，利用這種方法可以測量液體的溫度、折射率、液面等。圖9-5 折射率調(diào)制法常用的幾種結(jié)構(gòu)9.1.2 偏振態(tài)調(diào)制法偏振態(tài)調(diào)制法利用外界物理量改變光的偏振特性，通過檢測光的偏振態(tài)的變化（即偏振面的旋轉(zhuǎn)）來檢測各種物理量，成為偏振態(tài)調(diào)制。

14、在光纖傳感器中，偏振態(tài)調(diào)制主要基于人為旋光現(xiàn)象和人為雙折射如法拉第磁光效應(yīng)、克爾電光效應(yīng)以及彈光效應(yīng)等實(shí)現(xiàn)的。1法拉第效應(yīng)當(dāng)偏振光通過某種透明介質(zhì)時(shí)，偏振光的偏振態(tài)將以光的傳播方向?yàn)檩S線旋轉(zhuǎn)一定的角度，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象。在磁場作用下的旋光現(xiàn)象稱作法拉第效應(yīng)（或磁致旋光效應(yīng)）。如圖9-6a所示，由起偏器產(chǎn)生的線偏振光沿著磁場方向透過繞有螺管線圈的磁致旋光物質(zhì)。當(dāng)線圈中沒有電流時(shí)，將檢偏器的透光軸與的透光軸正交，這時(shí)無光出射。通入電流產(chǎn)生磁場后，則有光出射，將轉(zhuǎn)過一個(gè)角度與光在磁致旋光物質(zhì)中通過的距離L、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，即 (9-3)式中，為磁致旋光物質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)。并且的大小僅與磁場方向

15、有關(guān)而與光的傳播方向無關(guān)。LBVd費(fèi)爾德常數(shù)的單位為或，常見的磁致旋光物質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)有：冕玻璃0.015，火石玻璃0.0300.050，稀土玻璃0.130.27，氯化鈉0.036，水0.013。根據(jù)式（9-3）可以制成光纖磁傳感器，如果在長直導(dǎo)線上繞有N圈光纖，見圖9-6b，那么，光矢量被旋轉(zhuǎn)的角度與導(dǎo)線中的電流I有關(guān) (9-4)式中，I為導(dǎo)線中通過的電流。這種結(jié)構(gòu)可以制成電流傳感器。 NIVd圖9-6 法拉第效應(yīng)的應(yīng)用對于一束自然光，其光矢量的振動(dòng)方向是，為了獲得只有一個(gè)振動(dòng)方向的光（偏振光），就需要借助起偏器。起偏器一般是用具有二相色性的介質(zhì)制作而成的，這種介質(zhì)只讓某一個(gè)振動(dòng)方向的光矢量

16、透過，這個(gè)方向叫做“透光軸”，而垂直與透光軸方向的光矢量或光矢量的分量被吸收。后面出現(xiàn)的檢偏器與起偏器實(shí)質(zhì)上是同一種器件（統(tǒng)稱偏振片），只是所起的作用不同，故而稱謂不同。2.克爾電光效應(yīng)當(dāng)一束單色光入射到各向同性介質(zhì)表面時(shí)，它的折射光只有一束光，這是人們所熟知的折射現(xiàn)象。但是，當(dāng)一束單色光入射到各向異性介質(zhì)表面時(shí)，一般產(chǎn)生兩束折射光，這種現(xiàn)象稱為雙折射。雙折射得到的兩束光中，一束總是遵守折射定律，這束光稱為尋常光，或O光。另一束光則不然，它是不遵守折射定律的，稱非常光，或E光。O光和E光都是線偏振光，且O光的光矢量垂直于晶體的主截面，而E光的光矢量在主截面內(nèi)。兩者的光矢量互相垂直。若O光的折射

17、率為，E光的折射率為，則 （9-5）EOnnn產(chǎn)生雙折射有兩種途徑，一是利用具有雙折射特性的天然材料如石英晶體、方解石晶體等；另一種方法是人為產(chǎn)生。這里對后一種方法作簡單介紹。人們知道，非晶體在一般情況下不是雙折射物質(zhì)，光通過它們不發(fā)生雙折射現(xiàn)象。但當(dāng)它們受到外力或電場作用時(shí)，卻會(huì)產(chǎn)生雙折射，即所謂人為雙折射現(xiàn)象。圖9-7表示在電場作用下，使物質(zhì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象的克爾效應(yīng)。圖中，M是具有平行板電極并盛有液體（如硝基苯）的克爾盒；前后兩偏振片P、P的透光軸方向相互正交；L、L為透鏡，S為單色光源。當(dāng)極間不加電場時(shí)（），就會(huì)有光透過P，這表明，盒內(nèi)液體在強(qiáng)電場作用下變成了雙折射物質(zhì)。入射的偏振光發(fā)生

18、了雙折射，各光矢量方向相互垂直的光束的光程發(fā)生了變化。圖9-7 克爾效應(yīng)由實(shí)驗(yàn)表明，在克爾效應(yīng)中，折射率變化與電場之間的關(guān)系為 (9-6)式中，n為折射率變化；為O光折射率；為E光折射率；K為克爾常數(shù)；E為外電場強(qiáng)度；為光波在真空中的波長?？藸柍?shù)的單位為，常見的克爾效應(yīng)物質(zhì)的克爾常數(shù)有：水5.2，硝基苯244,硝基甲苯137。2EKnnnEO當(dāng)線偏振光沿著與電場垂直的方向通過克爾盒時(shí)，分解為兩束線偏振光：一束的光矢量沿著電場方向?yàn)镺光矢量；另一束的光矢量與電場垂直，為E光矢量。這兩束折射率不同的縣偏振光通過克爾盒后產(chǎn)生的光程差為 （9-7） 2dUKLLnnEO式中，U為外加電壓；L為光在克

19、爾盒中穿過的空間長度；d為電場兩極間距離。則對應(yīng)的相位差為 （9-8）如果檢偏器與起偏器正交，而且與電場方向成45，則出射光波的光強(qiáng)為 （9-9）利用克爾效應(yīng)可以構(gòu)成光纖電壓傳感器。3.光壓效應(yīng)光壓效應(yīng)又稱作應(yīng)力雙折射，其原理如圖9-8所示。沿MN方向存在壓力或張力時(shí)，則MN方向的折射率和其他方向不同。設(shè)對應(yīng)MN方向上的偏振光的折射率為、對應(yīng)垂直MN方向上偏振光的折射率為，則折射率的變化與外加壓P 的關(guān)系為222dUKLLnnEO22020sin2sindUKLIII3.光壓效應(yīng)光壓效應(yīng)又稱作應(yīng)力雙折射，其原理如圖9-8所示。沿MN方向存在壓力或張力時(shí)，則MN方向的折射率和其他方向不同。設(shè)對應(yīng)

20、MN方向上的偏振光的折射率為、對應(yīng)垂直MN方向上偏振光的折射率為，則折射率的變化與外加壓P 的關(guān)系為 （9-10）式中，K為物質(zhì)的壓強(qiáng)光學(xué)系數(shù)。KPnnnEO圖9-8 應(yīng)力雙折射原理若光波通過的物質(zhì)厚度為L，則產(chǎn)生的光程差為 (9-11)由此引起的相位差為 (9-12)相應(yīng)的出射光強(qiáng)I為 (9-13)利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)可以構(gòu)成壓力、聲、振動(dòng)、位移等光纖傳感器。需要指出的是，由于內(nèi)部殘余應(yīng)力和心徑不對稱性以及外部彎曲、各種對應(yīng)力和外電磁場的原因，光纖自身也存在著雙折射，而且對偏振態(tài)調(diào)制影響很大，嚴(yán)重時(shí)甚至完全淹沒人為偏振態(tài)調(diào)制作用，即使采用極低雙折射的保偏光纖，在彎曲時(shí)也存在彎曲雙折射的影響。這

21、一點(diǎn)不容忽視。進(jìn)一步的知識(shí)請參閱有關(guān)技術(shù)資料。KPLLnnEOKLPLnnEO22KLPII20sin9.1.3 相位調(diào)整法相位調(diào)整法利用外界物理改變光纖中光波的相位，通過檢測相位變化來測量物理量的原理稱為相位調(diào)制。光纖中光波的相位由光纖波導(dǎo)的物理長度、折射率及其分布和波導(dǎo)的橫向幾何尺寸所決定，一般來說，壓力、張力、溫度等外界物理量能直接改變上述三個(gè)參數(shù)，產(chǎn)生相位變化，實(shí)現(xiàn)的相位調(diào)制。然后借助于光纖干涉儀將相位變化轉(zhuǎn)為光強(qiáng)變化，實(shí)現(xiàn)外界物理量的檢測。因此，光纖傳感器中的相位調(diào)制技術(shù)應(yīng)包括兩部分：一是產(chǎn)生光波相位變化的物理機(jī)理；二是光的干涉技術(shù)。光纖干涉相關(guān)知識(shí)參見附錄D。1.應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)光纖

22、受到縱向（軸向）的機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，光纖的長度（應(yīng)變效應(yīng)）、纖芯的直徑（泊松效應(yīng)）、纖芯折射率（光彈效應(yīng)）都將變化，這些變化將導(dǎo)致光纖中光波相位變化。光波通過長度為L的光纖后，出射光波的相位延遲為 (9-14)式中，為光波中的傳播系數(shù)。當(dāng)光纖長度或傳播速度變化時(shí)，引起光波相位變化為 （9-15）其中n為纖芯的折射率；r為纖芯的半徑。L321rrLnnLLLLLL式（9-15）中。為光纖長度變化引起的相位延遲（應(yīng)變效應(yīng)或縱向應(yīng)變）；為折射率變化（光彈效應(yīng)）引起的相位延遲，與光纖的橫向應(yīng)變、（對于各向同性光纖材料，）以及光纖的縱向應(yīng)變有關(guān)；為纖芯的直徑變化（泊松效應(yīng)或橫向應(yīng)變）引起的相位延遲。一般來

23、說，相對前兩項(xiàng)要小得多。可以忽略不計(jì)，因此有 （9-16）21其中， 為式中， ；為應(yīng)變因子；P11、P12為光纖的光纖的光彈系數(shù)。大括號(hào)的第一項(xiàng)為縱向應(yīng)變的相位調(diào)制項(xiàng)；第二項(xiàng)為橫向應(yīng)變的相位調(diào)制項(xiàng)；第三項(xiàng)為光彈效應(yīng)的相位調(diào)制項(xiàng)。2112112031211211233122022121211PPnnkrPPPnPnLnk20k2.溫度應(yīng)變效應(yīng)溫度應(yīng)變效應(yīng)與應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)相似。若光纖放置在變化的溫度場中，將溫度場變化等效為作用力F，那么，作用力F將同時(shí)影響光纖折射率n和長度L的變化。由F引起光纖中光纖相位延遲為 (9-17)(000dFdLndFdnLkdFdLnkdFdnLkdFd在式（9-17

24、）中，第一項(xiàng)表示折射率變化引起的相位變化；第二項(xiàng)表示光纖幾何長度引起的相位變化。式中沒有考慮光纖直徑變化對相位變化的影響。若式（9-17）用溫度變化和相位變化來描述，則有 (9-18)由于在光纖中傳播的光是沿橫向偏振的，可以僅考慮徑向折射率變化，那么，光纖的溫度靈敏度為 （9-19）式中，應(yīng)變 、 與光纖材料性質(zhì)有關(guān)。dTdLndTdnLkT031211211232111PPPntnTnT13與其他調(diào)制方法相比，相位調(diào)制法采用干涉技術(shù)而具有很高的相位調(diào)制靈敏度。例如相位型光纖溫度傳感器具有106 rad/(m)的靈敏度，相位型光纖壓力傳感器具有rad/(mPa)的靈敏度，相位型光纖應(yīng)力傳感器對

25、應(yīng)變（軸向）具有11.4rad/(mm)的靈敏度。如果信號(hào)檢測系統(tǒng)可以檢測（1rad）的相位移，那么，每米光纖的檢測靈敏度對溫度為、對壓力為10-7Pa、對應(yīng)變?yōu)?07m/m。動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)1010。且探頭形式靈活多樣，適用于不同的測試環(huán)境，但需用保偏光纖才能獲得好的干涉效果。在全光纖干涉儀中，有時(shí)為了對被測物理量進(jìn)行“增敏”，對非被測物理量進(jìn)行“去敏”，需要對單模光纖進(jìn)行特殊處理，以滿足測量的要求。3. 相位調(diào)整的主要儀器通常,相位調(diào)整的主要儀器有以下三種類型：馬赫曾德爾(MachZehnder)干涉儀，薩格納斯(Sagnac)干涉儀，邁克耳孫(Michelson)干涉儀。一、馬赫曾德爾(Ma

26、chZehnder)干涉儀圖9.9(a)為馬赫曾掐爾于涉儀的原理圖。由激光器l輻射光，經(jīng)分光器，分成兩束光，分別沿兩條光路傳播，經(jīng)分光器P2后，可在撿測處產(chǎn)生干涉，變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。如果把兩條光路分別用單模光纖連通，一根(也稱為臂)作參考光路，一根作傳感光路，并把它置于待測的環(huán)境條件下，傳感光纖受到外界因素作用后，引起光的相位變化(即相移)，而參考光路的光纖卻無此相移，因此經(jīng)P2合波后產(chǎn)生于涉現(xiàn)象。檢測器的作用就是把與相移變化成比例的于涉物理量的大小檢測出來，變成相應(yīng)的電信號(hào)輸出。此種于涉儀線路，在光纖傳感器中使用最為廣泛，在壓力傳感器和溫度傳感器里，相移的記錄，大多數(shù)采用干涉儀電路。圖9.9

27、相位調(diào)整的主要儀器（a）馬赫曾掐爾于涉儀的原理圖 (b) 薩格納斯干涉儀 (c) 邁克耳孫(Michelson)干涉儀二、薩格納斯(Sagnac)干涉儀1911年薩格納克發(fā)明了一種可以旋轉(zhuǎn)的環(huán)形干涉儀。將同一光源發(fā)出的一束光分解為兩束，讓它們在同一個(gè)環(huán)路內(nèi)沿相反方向循行一周后會(huì)合，然后在屏幕上產(chǎn)生干涉。這就是薩格納克效應(yīng)。薩格納克效應(yīng)中條紋移動(dòng)數(shù)與干涉儀的角速度和環(huán)路所圍面積之積成正比。薩格納克效應(yīng)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，由薩格納克效應(yīng)研制出的光纖陀螺已成功地用于航空、航天等領(lǐng)域，是近20年發(fā)展較快的一種陀螺儀。圖9.9(b)為薩格納斯干涉儀原理圖。從光源L輻射的光，經(jīng)分光器P后，被分成兩路沿兩條

28、光路傳翰，經(jīng)反射鏡M反射，兩束光再次通過分光器P后，在接收面上產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)靜止時(shí)，兩束光因無相移，而不發(fā)生于涉現(xiàn)象；當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)以角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)理論計(jì)算可知，與旋轉(zhuǎn)方向一致的光束的光程被延長，逆向光束的光程被縮短，從而產(chǎn)生干涉了干涉條紋。薩格納斯干涉儀就是根據(jù)此干涉儀原理研制的。三、邁克耳孫(Michelson)干涉儀邁克耳孫干涉僅的原理圖如圖9.9(C)所示，它是用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實(shí)現(xiàn)干涉的儀器。在實(shí)際裝置中，反射鏡M2，是固定的，M1可沿臂軸方向移動(dòng)，光源L發(fā)出的光經(jīng)分光器P后，分做兩路光，經(jīng)M1，M2反射，通過P后產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。邁克耳孫干涉僅主要用于精確的長度、速度、振動(dòng)

29、、溫度等物理量的傳感測量。9.1.4頻率調(diào)制法頻率調(diào)制法當(dāng)光接收元件與光源之間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，光敏器件所接收的光頻率 與光源本身f不相同，這種現(xiàn)象稱作光的“多普勒效應(yīng)”。設(shè)光敏器件相對于光源的運(yùn)動(dòng)速度為，則光敏器件所接收到的光頻率可以簡單地表示為 （9-20）式中，c為光速。sffcvcvffs11/光纖的頻率調(diào)制方法就是基于多普勒效應(yīng)應(yīng)中接收光頻與光源運(yùn)動(dòng)的上述關(guān)系得來的，頻率調(diào)制法可以測量運(yùn)動(dòng)物體（如流體）的速度、流量等。圖9-10為頻率調(diào)制法測量原理裝置，He-Ne激光器發(fā)出頻率為 的光束經(jīng)分光棱鏡BS1分成兩束，其中一束進(jìn)入聲光調(diào)制器（有關(guān)聲光調(diào)制器的知識(shí)，參見附錄E）被調(diào)制成頻率為=(

30、 )的光，并作為參考光直接入射到光敏器件上，這束光稱作參考光；另一束頻率為的光束經(jīng)光纖入射到以速度v運(yùn)動(dòng)的流體上，流體微粒（同樣以速度v運(yùn)動(dòng)）的反射光再度通過光纖返回，反射光因產(chǎn)生 的頻移而成為頻率為 = 的光,這束光稱作測量光.參考光與測量光再光敏器件上混頻后形成 的振蕩信號(hào)。頻率 檢測的常見方法有兩種，即零差法和外差法。0)(10R00零差法零差法利用參考光束頻率與測量光束頻率相干涉，得到一個(gè)干涉光強(qiáng)隨頻差w而變化的光電信號(hào)。注意，零差法測頻時(shí)，圖9-9裝置中無聲光調(diào)制器，因此，參考光束頻率。參考光ER(t)和測量光ES(t)分別用指數(shù)表示為 （9-21）式中，e0為光矢量振幅。 tjss

31、eetE0 tjReetE00兩束光在光敏器件上相互干涉，干涉光的振幅E(t)為干涉光的光強(qiáng)I(t)為干涉光的振幅E(t)及共軛振幅E*(t)的積，也就是 （9-22）式中，w=ws-w0就是多普勒頻移量。由式（9-22）可見，光強(qiáng)I(t)的大小與多普勒頻移相關(guān)，光敏器件輸出的電信號(hào)的大小也就與多普勒頻移相關(guān)。利用頻譜分析儀通過對光敏器件電信號(hào)的測量，即可測出頻移。 tIteeeeeeeeeeeetEtEtIstjtjtjtjtjtjsssscos1cos12200202000000000圖9-10 頻率調(diào)制法測量原理裝置由于余弦函數(shù)為偶函數(shù)，對于w的正負(fù)不易斷定，因此零差測量法只能測量運(yùn)動(dòng)大

32、小，不能測量物體運(yùn)動(dòng)方向。外差法與零差法不同的是，外差法測頻在參考光路上添加了聲光調(diào)制器，聲光調(diào)制器的作用是在參考光束中添加頻率w1，這樣，參考光的頻率wR和測量光的頻率ws分別為 （9-23）參考光ER(t)和測量光Es(t)分別用指數(shù)形式表示為 （9-24）兩束光在光敏器件上相互干涉，干涉光的振幅E(t)為10R0s tjsseetE0 tjRReetE0 tEtEtERs干涉光的光強(qiáng)I(t)為 （9-25）式中，= wR-ws-w-w1為兩束光干涉而形成的光強(qiáng)度變化的拍頻。當(dāng)=w-w1=0時(shí)，式（9-25）的I(t)為最大值，此時(shí)ws= w1。因?yàn)?，通過調(diào)節(jié)聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率w1就可以

33、檢測出測量光的多普勒頻移量wS的大小和頻移的方向。 tIeeeeeeeetEtEtItjtjtjtjsRsRcos1000009.2 常見光纖傳感器常見光纖傳感器按測量對象的不同，光纖傳感器可分為：光纖溫度傳感器、光纖位置傳感器、光纖流量傳感器、光纖力傳感器、光纖速度傳感器、光纖磁場傳感器、光纖電流傳感器、光纖圖像傳感器和光纖醫(yī)用傳感器等等。下面將介紹幾種常見的光纖傳感器。 9.2.1偏振式光纖溫度傳感器偏振式光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器是工業(yè)中開發(fā)最早、應(yīng)用最多、發(fā)展最快的光線傳感器之一，其工作原理一般可分為兩類，即相干型和非相干型。偏振式溫度傳感器屬于非相干型結(jié)構(gòu)。如圖9-11a所示，激光

34、源發(fā)出=0.6328m的光，一部分經(jīng)粗芯徑的多模光纖注入測量探頭，入射光經(jīng)透鏡準(zhǔn)直線成平行光束，然后分別穿過偏振棱鏡、石英晶體、1/4波片（關(guān)于波片的進(jìn)一步知識(shí)，參見附錄F）。透過1/4波片的光束由反射鏡反射后再經(jīng)1/4波片、石英晶體、偏振棱鏡返回，并由透鏡匯聚后注入接收光束，光敏探測器2接收由接受光纖出射的光，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。另一方面，激光器發(fā)出的光束的另一部分直接由光敏探測器1接受，作為參考電信號(hào)。這兩部分信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理后，便可測得溫度。圖9-11b為偏振測溫度傳感器的探頭原理結(jié)構(gòu)。圖9-11 偏振測溫度傳感器結(jié)構(gòu)原理a)傳感器光路 b)原理結(jié)構(gòu) 為了便于理解偏振測溫度傳感器的工作原理

35、，我們首先需要了解傳感器中幾個(gè)主要部件的作用。一、偏振分光棱鏡一、偏振分光棱鏡 將光線入射方向與光學(xué)界面法線方向構(gòu)成的平面稱“入射面”，并且把入射光線的矢量分解為平行于入射面的分量（P分量）和垂直于入射面得分量（S分量）兩個(gè)部分，如圖4-12a所示。 一般情況下，經(jīng)光學(xué)界面折射和反射的光線中，既包括S分量又包括P分量。在折射或反射光線中，所包含的兩個(gè)分量的光強(qiáng)比例可以由菲涅耳公式推導(dǎo)。菲涅耳公式是描述光波在界面處發(fā)射與透射特性的經(jīng)典公式。 圖9-12a 偏振分光棱鏡原理按照菲涅耳公式推導(dǎo)，存在這樣一個(gè)獨(dú)特的入射角B，當(dāng)光線沿著這個(gè)角度入射時(shí)，入射光線將被分解為兩個(gè)純粹的偏振光：反射光中只有S分

36、量的光矢量，透射光中只有P分量的光矢量（見圖9-12b）。這個(gè)角度稱為布儒斯特(Brewster)角。并且 (9-26)式中各項(xiàng)分別如圖9-12b所示。利用光的這一特性，將多片玻璃合成玻璃堆（實(shí)際為薄膜），并使光的入射角等于布儒斯特角，這樣，經(jīng)過多次的反射和折射，可以得到光強(qiáng)足夠大、偏振度足夠高的偏振分光棱鏡。圖9-11c中棱鏡的斜面（粗線）就是由多層介質(zhì)膜構(gòu)成的所謂“玻璃片堆”。圖中，光線自左向右入射至偏振分光棱鏡的分光面上，透射光線的光矢量方向只有一個(gè)，即垂直于紙面得方向（S分量）。12arctannnB另外，若線偏振光入射至偏振分光棱鏡，如果入射光矢量與紙面平行，則只有透射光而無反射光；

37、相反，如果入射光的光矢量與紙面垂直，則只有反射光而無投射光。當(dāng)然，如入射光的光矢量既不平行也不垂直于紙面，則反射與透射光都有，各自的光強(qiáng)大下取決于入射光的光矢量在垂直和平行于紙面方向的分量。 用于光纖溫度傳感器的偏振分光棱鏡既起到起偏器的作用，又起到檢偏器的作用（“起偏器”與“檢偏器”見本章第一節(jié)的呼應(yīng)注）。設(shè)從偏振分光棱鏡透射的偏振光的光矢量的光強(qiáng)度為，透射的片真難光經(jīng)后面的一系列光學(xué)元件后原路返回，若光線的光矢量被旋轉(zhuǎn)了角，那么按照馬呂斯定律，返回光線透過偏振分光棱鏡后的光強(qiáng)度I與原來的光強(qiáng)之間的關(guān)系為 （927）cos0II 二、石英晶體二、石英晶體波長為的光線經(jīng)過石英晶體時(shí)，光矢量受到

38、旋轉(zhuǎn)。按照菲涅爾的解釋，進(jìn)入石英晶體的線偏振光可以分解為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。設(shè)左、右旋圓偏振光在石英晶體中的折射率分別為 、 ，則線偏振光穿過石英晶體后起光矢量的旋轉(zhuǎn)角為 （928）式中的d為光線穿過石英晶體的幾何長度。光矢量的旋轉(zhuǎn)角與溫度有關(guān)，究其原因，只能是石英晶體的折射率 、 受溫度的調(diào)制。迎著光的入射方向觀看，若光矢量被順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則稱該石英晶體為右旋晶體，否則稱作左旋晶體。LnRndnnLRLnRn三、三、1/4波片波片光線經(jīng)1/4波片后產(chǎn)生的光程差為 （929）式中，m為整數(shù)，d為1/4波片的厚度。若光線兩次通過1/4波片，光矢量將被以1/4波片的快軸為對稱軸轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度

39、，如圖913所示。 41)(0mdnne圖9-13 1/4波片的作用四、傳感器工作原理四、傳感器工作原理不妨沿著光的入射方向（即圖910從左向右的方向）觀察，從固定的角度分析光矢量的變化過程。如圖914a所示，y軸式圖912中平行于紙面的方向，F(xiàn)為1/4波片的快軸方向，它與y軸夾角為。假設(shè)石英晶體為左旋晶體。光線穿過石英晶體后，被石英晶體左旋了角，見圖914b（被順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了角）。這個(gè)角的大小與溫度有關(guān)。光線透過1/4波片之前，光矢量與其快軸的夾角為（），如圖914c的虛線所示。光線穿過波片后再被反射鏡反射回來，往返兩次通過1/4波片后，光矢量以1/4波片的快軸為對稱轉(zhuǎn)動(dòng)了（）角，如圖913c

40、所示。光線再一次經(jīng)過石英晶體，同樣被左旋了角，如圖914d所示。注意，光線返回時(shí)，是射向我們觀察方向的，所以被左旋了角后，在圖914d中不再是順時(shí)針而是逆時(shí)針的了。光線兩次通過石英晶體后，光矢量總的轉(zhuǎn)角位 （930）22圖9-14 光矢量的方向分析a)光矢量的初始方向 b)第一次經(jīng)過晶體c)兩次通過波片 d)第二次通過晶體設(shè)入射光強(qiáng)為I，光矢量被旋轉(zhuǎn)了2（）的光纖透過偏振分光棱鏡后的光強(qiáng)為I，則根據(jù)式（427）可知： （931）顯然，當(dāng)2（）=45時(shí)，輸出光強(qiáng)與之間的線性度最好。當(dāng)測溫的范圍確定后，可以通過調(diào)整1/4波片快軸來滿足要求。必須指出的是，1/4波片起到了十分重要的作用，如果沒有1/

41、4波片，光線往返兩次經(jīng)過石英晶體后，光矢量又回復(fù)到原來的振動(dòng)方向了。這種溫度傳感器的測溫范圍為18180，分辨率為2。如果需要得到更高的測量精度，可以采用相干型光纖溫度傳感器。2cos0II9.2.2反射式光纖位移傳感器反射式光纖位移傳感器與其他機(jī)械量相比，位移是既容易檢測又容易獲得高精度測量的物理量，所以測量中常采用將被測物體的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成位移來間接測量。例如將壓力轉(zhuǎn)換成膜的位移、將加速度轉(zhuǎn)換成質(zhì)量塊的位移等。由于這種方法結(jié)構(gòu)簡單，所以位移傳感器是機(jī)械量傳感器中的基本傳感器。光纖位移傳感器也有相干型和非相干型兩大類，反射式強(qiáng)度調(diào)制位移傳感器屬于非相干型結(jié)構(gòu)。圖915a是最早使用的線性位移測量

42、裝置。光從光源耦合到輸入光纖射向被測物體，被測量的物體將入射光反射回另一根光纖（輸出光纖）。設(shè)兩根光纖的折射率為階躍分布，兩根光纖的內(nèi)側(cè)距離為d，每根光纖直徑為2a，數(shù)值孔徑為N，光纖與被測物體之間的距離為b。根據(jù)幾何光學(xué)知識(shí)，輸出光纖所接收的光強(qiáng)等效于輸入光纖端面像發(fā)出的光強(qiáng)，如圖915b所示。顯然 （932）由于=arcsinN，所以式（932）可寫成 (933)bd2tanNdbarcsintan2圖9-15 光纖位移傳感器a)線性位移測量裝置 b)光強(qiáng)接收分析 c)端面的交疊a)線性位移測量裝置 b)光強(qiáng)接收分析 c)端面的交疊很顯然，當(dāng)bd/(2tan(arc sin N)時(shí)，即輸出

43、光纖位于光纖像的光錐之外，兩光纖的耦合為零，無反射光進(jìn)入輸出光纖；當(dāng)b(d+2a)/(2tan(arcsinN)時(shí)，即輸出光纖位于光錐之內(nèi)，兩光纖的耦合最強(qiáng)，接收光強(qiáng)達(dá)到最大值。D的最大檢測范圍為a/tan (arcsinN)。設(shè)如圖915b所示的A-B面是經(jīng)過輸入光纖與輸出光纖端面并與被測量表面平行的平面，輸入光纖像的發(fā)光錐在A-B面上投影的光斑為如圖915c所示的虛線圓，這個(gè)光斑與輸出光纖端面有一個(gè)交疊面，如圖915c中的陰影部分所示，交疊面積的大小決定了輸出光纖接收到的光強(qiáng)大小。由于輸出光纖芯徑很小，常常把光錐邊緣與輸出光纖芯交界弧線看成直線。通過對交疊面簡單的幾何分析，不難得到交疊面積

44、與光纖端面積之比M為 （934） aaaM/1sin/1/1arccos式中，=2b tan (arcsinN) d是投影光錐的光斑與輸出光纖芯端面交疊扇面的高。根據(jù)式（934）可以求出M與/a的關(guān)系曲線，如圖916a所示。假定反射面無光吸收，兩光纖的光功率耦合效率F為交疊面積與光錐底面積之比，即 （935）根據(jù)式（935）可以求出反射式位移b與光功率耦合效率F的關(guān)系曲線。222arcsintan2arcsintan2NbaMNbaMF圖9-16 光纖傳感器的輸出a)M與/2的關(guān)系曲線 b)F與b的關(guān)系曲線圖916b所示的F與b的關(guān)系曲線是在纖芯徑2a=100m、數(shù)值孔徑=0.5、間距d=10

45、0m條件下作出的。由于傳感器的輸出特征呈近似拋物線狀，因此，通常只利用了線性較好的前坡進(jìn)行位移測量。實(shí)際的光纖傳感器并不是如圖915a那樣只是兩根光纖，而是由多股光纖組合而成的，標(biāo)準(zhǔn)的光纖位移傳感器由600根直徑為0.762mm光導(dǎo)纖維組成，光纖內(nèi)芯是折射率為1.62的火石玻璃，包層為折射率為1.52的玻璃。光纖采用Y型結(jié)構(gòu)，即兩束光纖的一端合并為光纖探頭，另一端分叉為兩束，分別為輸入光纖和輸出光纖。影響光纖位移傳感器的測量范圍和靈敏度的主要因素是輸入光纖和輸出光纖端部的光纖分布形態(tài)。光纖分布形態(tài)一般有四種，即隨機(jī)分布（R型）、半圓形分布（H型）、共軸內(nèi)反射分布（CII型）和共軸外發(fā)射分布（C

46、TD型），如圖917a所示。圖中黑色遠(yuǎn)點(diǎn)為輸入光纖，白色圓點(diǎn)為輸出光纖。圖9-17 光纖的端面分布及傳感器輸出特性a)光纖的端面分布 b)傳感器輸出特性以隨機(jī)型光纖位移傳感器與半圓行光纖位移傳感器為例，傳感器的輸出電壓與位移之間的關(guān)系曲線如圖917b所示。可見，盡管隨機(jī)型和半圓型光纖位移傳感器輸出特性依然如圖916b所示的規(guī)律，但各自具有不同的峰值位置和靈敏度，線性測量范圍也不相同。光纖位移傳感器在小的測量范圍內(nèi)能進(jìn)行高速位移測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、造價(jià)低廉、設(shè)計(jì)靈活、非接觸、探頭小、頻響高、線性度好、能在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)。因而在光纖傳感器中占有十分重要的地位并得到廣泛應(yīng)用。由于光纖

47、位移傳感器是以光強(qiáng)度作為測量值的，因此對光源的驅(qū)動(dòng)也有一定的要求，附錄G描述了半導(dǎo)體光源的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，供讀者參考。9.2.3光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器加速度是外界作用力作用在具有一定質(zhì)量的物體上而產(chǎn)生的，在平衡力的反作用下使物體產(chǎn)生一定量的唯一、轉(zhuǎn)角或其他形式的幾何形變。光纖加速度傳感器就是通過測量這些變量而測量加速的。光纖加速度傳感器主要有強(qiáng)度調(diào)制和相位調(diào)制兩種。1干涉型光纖加速度傳感器圖918所示為加速度傳感器，它由基座、順變柱體、質(zhì)量塊和繞在順變柱體上的單模光纖組成，這是一個(gè)慣性系統(tǒng)。若質(zhì)量塊的質(zhì)量 ，這個(gè)慣性系統(tǒng)可以簡化為一個(gè)簡單的二階質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)。圖9-18 光纖加速度傳感器所

48、謂順變柱體實(shí)際上就是空心的圓柱體，以加速度a運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊會(huì)對順變柱體施加一個(gè)沿軸向的力F，并且F=ma (936)在力F的作用下，順變柱體產(chǎn)生的軸向應(yīng)變?yōu)?(937)式中，E為順變柱體材料的彈性模量；d為順變柱體的直徑。與此相對應(yīng)的是順變柱體的徑向應(yīng)變，若順變柱體材料的泊松比為，根據(jù)材料力學(xué)可知，= ，因此有 （938）順變柱體的徑向應(yīng)變傳遞給纏繞在順變柱體上的光纖，必然使光纖的長度發(fā)生變化，結(jié)合，設(shè)光纖匝數(shù)為N，則光纖的總長度l=Nd。24dEFEAFi1214dEF根據(jù)式（938）可以推導(dǎo)出光纖的長度變化量為： (939)光纖長度的變化可通過干涉系統(tǒng)加以測量，測量系統(tǒng)如圖919(a)所示。

49、激光束通過分光鏡1后分為兩束光，一束經(jīng)光纖耦合直接射到分光鏡2，作為參考光；另一束光纖纏繞在加速度傳感器上，它將光束耦合后也射入分光鏡2，作為測量光。兩束光相遇后產(chǎn)生干涉，干涉光強(qiáng)度的變化與兩束光的位相變化為 （940）式中， ；n為纖芯的折射率； ， 為光彈系數(shù)，為纖芯的泊松比；為激光在光纖中的波長。EdNmal41112215 . 01PPnlff/2n11P12P若定義加速度傳感器的靈敏度為 ，則 （941）2強(qiáng)度調(diào)制型光纖加速度傳感器強(qiáng)度調(diào)制型光纖加速度傳感器的原理，仍然是利用一個(gè)具有一定質(zhì)量的物體在加速度作用下產(chǎn)生慣性力，慣性力產(chǎn)生位移，從位移反映出加速度的大小。圖919(b)所示是

50、強(qiáng)度調(diào)制型光纖加速度傳感器。其傳感力的變化的元件是質(zhì)量塊。在套筒內(nèi)固定著三根光纖，最上面一根是輸入光纖，下面兩根是接受信號(hào)的輸出光纖，三根光纖都是使用多模光纖。1112212118PPnEdnmNaff圖9-19 光纖加速度傳感器及測量系統(tǒng)（a）光纖加速度測量系統(tǒng)（b）強(qiáng)度調(diào)制光纖加速度傳感器由于黃銅板彈簧即圖919中的懸梁是水平放置的，它的厚度小，寬度達(dá)，只能感受到垂直方向的加速度，而對水平方向的加速度幾乎無法傳感。圖920a表示輸入與輸出光纖的排列情況，輸入光纖1將光源發(fā)出的光導(dǎo)入，并經(jīng)圖中自聚焦光纖射向偏斜鏡。反射回來的光線再經(jīng)自聚焦光纖匯聚成光斑4照射在輸出光纖2、3上。沒有加速度作用

51、時(shí)，光斑位于兩根輸出光纖之間，處于平衡位置，也就是兩個(gè)輸出光纖得到的光強(qiáng)是相同的。當(dāng)質(zhì)量塊承受加速度作用時(shí)，偏斜鏡傾斜，使光斑位置向上或向下移動(dòng)，移動(dòng)方向由加速度的方向來決 定。圖920b所示質(zhì)量塊在加速度作用下板簧變形的情況，圖示變形量是板簧長度方向坐標(biāo)x的函數(shù)。當(dāng)垂直作用力F加到質(zhì)量塊上時(shí)，板簧產(chǎn)生的變形課用下式表示 （942）式中，E為板簧材料的彈性模量；J為板簧的慣性矩；L為板簧長度。 xLEJFxx362圖9-20 光纖加速度傳感器原理質(zhì)量塊傾斜角度（x）是x的函數(shù)，它可以通過對（x）進(jìn)行微分來得到 （943）當(dāng)x=L時(shí) （944）由于質(zhì)量塊m受到的作用力F是由加速度a所引起，所以由

52、牛頓第二定律可得 （945）式中，K為板簧的彈性系數(shù)。 22226362xLxEJFEJFxxLEJFxxdxdxEJFL22mK由和的公式可知，=2 L/3。若偏斜鏡傾斜角，入射到其上的光線將被偏轉(zhuǎn)2角。由于偏斜鏡的傾斜，光斑偏向某一個(gè)輸出光纖。當(dāng)全部光線只照射在某一個(gè)光纖上時(shí)，偏斜鏡的偏轉(zhuǎn)角為最大值，由這個(gè)最大的傾斜角可以確定本傳感器所能測量的最大加速度為 （946）系統(tǒng)的固有頻率為 （947）式（947）中，W為懸梁的寬度；H為懸梁的厚度。maxmax32mLKa3324mLEWHmKr涂過自聚焦光纖的長度為z，折射率為，當(dāng)加速度為零時(shí)偏斜鏡的傾斜角=0，如圖920所示，反射光斑落在兩個(gè)

53、輸出光纖的中間。當(dāng)偏斜鏡在加速度作用下偏轉(zhuǎn)角時(shí)，反射光線將偏轉(zhuǎn)2角。質(zhì)量塊承受最大加速度時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)，反射光將恰好偏轉(zhuǎn)，并且光斑只落在一個(gè)輸出光纖上。若光纖的直徑為d，則這時(shí)光斑相對于a=0時(shí)的移動(dòng)距離為d/2。如認(rèn)為偏斜鏡與自聚焦光纖端面直接按只有最小氣隙，此時(shí) （948）綜合式（946）式（948），可得傳感器所能測量的最大加速度為 （949）試驗(yàn)研究表明，這種結(jié)構(gòu)的加速度傳感器靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大，而且不易受沖擊震動(dòng)和電源波動(dòng)的影響，最小可測加速度值小于10，而且整體結(jié)構(gòu)簡單，體積小。240maxnzdznLdar1202max9.3 光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用 機(jī)敏材料（Smar

54、t material）與機(jī)敏結(jié)構(gòu)(Smart structure)是光纖傳感器的典型應(yīng)用，這種材料或結(jié)構(gòu)正越來越多地應(yīng)用于航空、航天飛行器的在線、動(dòng)態(tài)監(jiān)測和機(jī)器人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于高層建筑、智能大廈、橋梁、高速公路等災(zāi)害性在線、動(dòng)態(tài)檢測、防護(hù)、報(bào)警等，有關(guān)機(jī)敏材料與結(jié)構(gòu)的研究工作也方興未艾。 由于光纖傳感器體積小、重量輕、纖細(xì)柔軟，因而易于布置，適宜于分布傳感及遙測，既可以作為傳感器又可以傳輸信號(hào)，并且在傳感與傳輸兩個(gè)環(huán)節(jié)都不受電磁干擾等的影響，因而在機(jī)敏裁量或結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。將光纖傳感器埋入復(fù)合材料中，用于探測復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變以及估計(jì)結(jié)構(gòu)的損傷，已成為一種新型的無損檢測技術(shù)。

55、例如將光纖傳感器埋入鋼筋混凝土材料與結(jié)構(gòu)中，可以實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化，使建筑物成為一種機(jī)敏建筑結(jié)構(gòu)。 在諸如風(fēng)力、地震、交通運(yùn)輸、熱應(yīng)變等外部載荷的作用下，建筑結(jié)構(gòu)對這些外部載荷會(huì)有不用程度的反應(yīng)。對于諸如橋梁、水壩、核電站等這類安全性、可靠性要求很高的混凝土建筑結(jié)構(gòu)，內(nèi)部狀態(tài)時(shí)十分重要的參數(shù)，需要采用實(shí)時(shí)、在線地?zé)o損監(jiān)控手段，以便人們實(shí)時(shí)了解這些結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)、內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變變化、裂縫的發(fā)生與發(fā)展等。 如果在混凝土構(gòu)件內(nèi)埋設(shè)光纖傳感器，裂縫的擴(kuò)展導(dǎo)致埋入光纖傳感器外部機(jī)械特性的變化，從而使光纖傳感器中的光強(qiáng)輸出發(fā)生劇烈變化，通過檢測光強(qiáng)輸出的變化就可以檢測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)

56、力的變化及裂縫的發(fā)生、發(fā)展，實(shí)時(shí)監(jiān)測或預(yù)報(bào)大型建筑內(nèi)層結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。9.3.1埋入式光纖傳感器埋入式光纖傳感器常用于機(jī)敏材料與結(jié)構(gòu)應(yīng)力測量的光纖傳感器有干涉型和偏振型兩類。干涉型光纖傳感器具有很高的測量靈敏度不及干涉型光纖傳感器。圖921a所示為干涉型光纖傳感器原理結(jié)構(gòu)，為馬赫-澤德型光纖干涉儀。其中，參考臂不受應(yīng)力作用，測量臂置于“主體材料”（我們不妨將機(jī)敏材料中的復(fù)合材料、鋼筋混凝土材料稱作“主體材料”）內(nèi)部，其調(diào)制原理見本章第二節(jié)光纖傳感器原理的“相位調(diào)制”。設(shè)由于應(yīng)力引起的光纖縱向相位變化遠(yuǎn)大于橫向以及光彈相位變化，且 （950）nLL2圖9-21 干涉型埋入式光纖傳感器其中，為傳感器所

57、使用的光源波長。干涉型光纖傳感器可以用兩根或多根光纖組合在一個(gè)防護(hù)層中，如圖921b所示。光纖的耦合端引入光源發(fā)射的光并接受從光纖出射的光，光纖的另一端面鍍有反射層（圖中黑色端），可以將從光源一端進(jìn)入的光線反射回去。同一防護(hù)層內(nèi)的多根光纖中，一根為參考臂，其余的為測量臂。測量臂要比參考臂長一段，長度差L為測量應(yīng)變的標(biāo)距。參考臂與測量臂長度相同的段，各自所受到的物理作用完全相同，因此光學(xué)特性幾乎完全一致，不存在相位差的變化。在測量臂的標(biāo)距段，光束往返2L距離，該段的應(yīng)變起到調(diào)制光纖傳感器的作用，或者說，標(biāo)距段所受到的應(yīng)變將引起測量臂與參考臂之間的相位差。與干涉型光纖傳感器相比，偏振型光纖傳感器結(jié)

58、構(gòu)簡單、埋置方便、靈敏度適中。圖922為偏振型埋入式光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)。光源（S）發(fā)出的光分為兩路：一路由光敏管接受 （圖中未畫），通過功率監(jiān)控電路控制半導(dǎo)體激光器的電源，使激光器輸出的光功率保持穩(wěn)定；另一路的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直為平行光束再過起偏其后成為平行偏振光，透鏡 將平行偏振光聚焦并耦合進(jìn)入光纖。偏振光在埋入主體材料中的光纖內(nèi)傳輸，從光纖的另一端面輸出，并被透鏡 準(zhǔn)直為平行光通過檢偏鏡 檢測偏振光的偏振方向，就可以推斷光纖在主體材料中所受應(yīng)力的大小，當(dāng)然也可以由光敏管 將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。 1PIN1O2O2P2PIN由于光纖的某一段置于主體材料內(nèi)部，當(dāng)偏振光耦合入光纖后，如光纖上

59、沒有應(yīng)力作用，則在光纖中傳輸?shù)墓鈶?yīng)保持它原有的偏振方向不變，調(diào)節(jié)檢偏鏡 可以使此時(shí)投射到光敏管 上的光強(qiáng)度達(dá)到最大值 。 2P2PIN1I圖9-22 偏振型埋入式光纖傳感器當(dāng)置于主體材料內(nèi)部的那段光纖受應(yīng)力作用時(shí)，偏振模式將發(fā)生分裂，從光纖出射的偏振光的偏振方向相對于初始方向偏轉(zhuǎn)了角，此時(shí)，投射到光敏管的輸出將發(fā)生變化，設(shè)為，并且 （9-51）主體材料中光纖傳感器采用高雙折射率光纖，當(dāng)光纖受到應(yīng)力作用時(shí)，它的雙折射率差發(fā)生改變，從而引起偏振光的相位發(fā)生改變，并且 （9-52）式中， 為主體材料中光纖段的拉伸變化量； 為主體材料中光纖段的傳輸常數(shù)變化量。理論分析可知，偏振光的相位 與光纖受到的應(yīng)

60、力之間呈線性關(guān)系。cos12II LLL設(shè)光纖傳感器的彈性模量為E1，主體材料的彈性模量為E2，兩者往往存在差異。如果光纖傳感器所測的應(yīng)變?yōu)?，則主體材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)變?yōu)?，且 （9-53）由此可見，在光纖傳感器與主體材料的彈性模量不相等的情況下，光纖的彈性模量越大，光纖所測的應(yīng)變 就越接近混凝土的實(shí)際應(yīng)變 。211102EEE10109.3.2傳感器的安裝傳感器的安裝光纖傳感器的安裝根據(jù)主體材料的不同而有所差異，需要對主體材料的特性首先加以研究，然后再確定安裝方法。這里，我們以鋼筋混凝土材料為例加以介紹。鋼筋混凝土是當(dāng)今世界上最流行的建筑材料，它的主要成分是砂、碎石、水泥和鋼筋。其中砂、碎石、