光纖傳感器-課件

1、光纖傳感器光纖傳感優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、可橈性、可實現(xiàn)不帶電的全光型探頭；頻帶寬動態(tài)范圍大；可用很相近的技術(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成傳感不同物理量的傳感器；便于與計算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)相連,易于實現(xiàn)系統(tǒng)的遙測和控制可用于高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾、腐蝕等惡劣環(huán)境；結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗能少應(yīng)用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測量。上一頁下一頁返 回 光纖傳感器始于1977年，經(jīng)過20多年，目前已進(jìn)入研究與應(yīng)用并重階段。第6章 光纖傳感器6.1 光纖的傳光原理與特性6.2 傳輸光的調(diào)制技術(shù)6.3 強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器6.4 相位調(diào)制光纖傳感器上一

2、頁下一頁返 回6.1 光纖的傳光原理與特性6.1.1 光纖的結(jié)構(gòu)6.1.2 光纖的分類6.1.3 光纖的傳光原理6.1.4 光纖的傳光特性上一頁下一頁返 回6.1.1 光纖的結(jié)構(gòu)上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)：1.纖芯： 石英玻璃，直徑575um，材料以二氧化硅為主，摻雜微量元素2.包層： 直徑100200um，折射率略低于纖芯3.涂敷層： 硅酮或丙烯酸鹽，隔離雜光4.護(hù)套： 尼龍或其他有機(jī)材料，提高機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖6.1.2 光纖的分類上一頁下一頁返 回1.按折射率變化類型分類按纖芯到包層折射率變化：階躍折射率光纖漸變折射率光纖上一頁下一頁返 回2.按傳播模式種類來分單模

3、光纖多模光纖纖芯直徑小只能傳送一種模式傳輸性能好制造、連接、耦合困難纖芯直徑較大傳播模式較多性能較差，帶寬較窄制造容易，耦合容易上一頁下一頁返 回3.按材料分類高純度石英玻璃纖維：光損耗比較小多組分玻璃光纖：用常規(guī)玻璃制成，損耗也很低塑料光纖：用人工合成導(dǎo)光塑料制成，其損耗較大，但重量輕，成本低，柔軟性好上一頁下一頁返 回結(jié)論：傳導(dǎo)模：在纖芯中傳輸?shù)墓廨椛淠＃哼M(jìn)入包層的光要求：進(jìn)入光纖中的光要能在纖芯中傳輸， 而不要溢出纖芯。即：傳導(dǎo)模盡可能大，輻射模盡可能小，從而獲得最小的傳輸損耗。 利用石英玻璃等高透射率電介質(zhì)材料制作的光纖，是可見光至近紅外光最理想 的傳輸媒體。 6.1.3 光纖的傳光原

4、理 1. 光的折射與反射 上一頁下一頁返 回 光由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時發(fā)生折射，如圖(a)，其折射角大于入射角，即n1n2時， ri。n1、n2、r、i間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：上一頁下一頁返 回 當(dāng)r=90時，i仍90，此時，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D（b），稱為臨界狀態(tài)。臨界角i0為：上一頁下一頁返 回當(dāng)ii0并繼續(xù)增大時，r90，這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖 (c) ，其出射光不再折射而全部反射回來。2. 光在光纖中的傳輸 上一頁下一頁返 回能在光纖中傳輸?shù)墓饩€滿足全反射條件的光線，大于其臨界入射角m時，進(jìn)入纖芯的光就可以全反射的方式沿纖芯的釉向傳的。i c ，為確保 m，必須i im。這種以全反射

5、方式在纖芯中傳輸?shù)墓饩€主要有子午光線和斜光線，子午光線是指與纖芯軸線相交的反射線，包含子午光線的平面叫子午面，圓柱體光纖中包含纖芯軸線的平 面都是子午面。 斜光線 上一頁下一頁返 回在階躍光纖中傳輸?shù)墓饩€，能滿足全反射條件的除了子午光線之外，還有一 種斜光線。斜光線在纖芯中傳的時并不保持在同一平面內(nèi)，且不與纖芯軸線相 交。光線由x點(diǎn)入射至纖芯后，在纖芯內(nèi)是以同折射角的斜線XYYZ傳輸?shù)模惫饩€XYZ在纖芯橫截面上的投影折線 XMN組成一個內(nèi)接正多邊形。斜光線傳輸?shù)浇缑嫣幎家a(chǎn)生全反射，每次 反射后形成的軸向角相等，相應(yīng)地投影折線角保持不變。 梯度光纖的光傳輸 上一頁下一頁返 回 梯度光纖中滿足

6、全反射的光線也有子午光線和斜光線。所有滿足全反射的子午光線，都按相同空間周期的正弦曲線傳輸。不同入射角i的光線，其正弦曲線的振幅Rm不同；但各種入射角的子午光線都能定期地自動會聚到一點(diǎn)，因而梯度光纖又稱之為自聚焦光纖。Rm隨i減小，在纖芯軸線處入射且入射角為0的光線將沿纖芯軸線傳輸，其振幅為0。 正弦子午光線的周期Lt2。式中由光纖折射分布決定。 6.1.4 光纖的傳光特性1. 數(shù)值孔徑（NA）2. 傳播損耗 3. 色散 上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回1. 數(shù)值孔徑（NA）反映纖芯接收光量的多少，標(biāo)志光纖接收性能。意義：無論光源發(fā)射功率有多大，只有2i張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。

7、如入射角過大， 光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。光纖的NA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，這有利于提高耦合效率； 但數(shù)值孔徑過大，會造成光信號畸變。所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值，如石英光纖數(shù)值孔徑一般為0.20.4。 上一頁下一頁返 回數(shù)值孔徑（NA）定義為 2. 傳播損耗上一頁下一頁返 回光從光纖一端射入，從光纖另一端射出，光強(qiáng)發(fā)生衰減，定義為:(dB/km)式中光線損耗 L光纖長度 Pi、Po分別為光纖輸入輸出功率光纖傳播損耗分類上一頁下一頁返 回吸收損耗： 與組成光纖的材料的電子受激躍遷和分子共振有關(guān)。散射損耗：由于材料密度的微觀變化，成分起伏，以及在制造光纖過程中產(chǎn)生的

8、結(jié)構(gòu)上的不均勻性或缺陷引起的。輻射損耗： 當(dāng)光纖受到具有一定曲率半徑的彎曲時，就會產(chǎn)生輻射損耗。3. 色散上一頁下一頁返 回復(fù)色光分解為單色光而形成光譜的現(xiàn)象叫做光的色散。 材料色散： 材料的折射率隨光波長度的變化而變化，使光信號中各波長分量的光的傳播速度不同而引起的色散。波導(dǎo)色散： 由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不同，某一波導(dǎo)模式的傳播常數(shù)隨著信號角頻率變化而引起色散。多模色散： 在多模光纖中，由于各個模式在同一角頻率下的傳播常數(shù)不同、群速度不同而產(chǎn)生的色散。6.2 傳輸光的調(diào)制技術(shù) 傳輸光的調(diào)制是指將被測量加載于光波之上，對傳輸光的某些性能參數(shù)產(chǎn)生影響，這一技術(shù)是光纖傳感器的物理基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。上一頁下一頁

9、返 回上一頁下一頁返 回根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式 (a) 強(qiáng)度調(diào)制 (b) 偏振調(diào)制(c) 相位調(diào)制(d) 頻率調(diào)制上一頁下一頁返 回6.2 傳輸光的調(diào)制技術(shù)6.2.1 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理6.2.2 光強(qiáng)度調(diào)制6.2.3 光相位調(diào)制6.2.4 偏振調(diào)制6.2.5 頻率調(diào)制上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回6.2.1 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置 上一頁下一頁返 回光受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，?jīng)信號處理系統(tǒng)得到被測量。 光纖傳感器光學(xué)測量的基本原理 光就是一種電磁波， 光的電矢量E被測量調(diào)制：光的強(qiáng)度、偏振態(tài)（矢量B的方向）

10、、頻率和相位解調(diào)：光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制上一頁下一頁返 回光纖在傳感器中的作用功能型非功能型拾光型 上一頁下一頁返 回(a) 功能型（全光纖型）光纖傳感器光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高，典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。 上一頁下一頁返 回(b) 非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。優(yōu)點(diǎn)：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)， 比較容易實現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：靈敏度較低。實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。上一頁下一頁返 回(c) 拾光型光纖傳

11、感器 用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。 典型例子：光纖激光多普勒速度計輻射式光纖溫度傳感器上一頁下一頁返 回6.2.2. 光強(qiáng)度調(diào)制上一頁下一頁返 回內(nèi)調(diào)制：發(fā)生在光纖內(nèi)部，是通過光纖本身特性改變來實現(xiàn)光強(qiáng)度的調(diào)制；即光纖既是光的傳導(dǎo)媒質(zhì)，又是光的敏感元件，內(nèi)調(diào)制光纖傳感器稱之為功能型光纖傳感器外調(diào)制：調(diào)制過程發(fā)生在光纖之外的環(huán)節(jié)，此時光纖只作傳光媒質(zhì)，外調(diào)制光纖傳感器又稱為非功能型光纖傳感器或傳光型光纖傳感器。調(diào)制方式：微彎調(diào)制反射調(diào)制透射調(diào)制1. 微彎調(diào)制上一頁下一頁返 回 當(dāng)光纖發(fā)生彎曲時，將引起界面入射角發(fā)生變化，若當(dāng) m時，入射到界面的光將發(fā)生折射而形成輻

12、射模，引起纖芯中傳導(dǎo)模強(qiáng)度減小。 當(dāng)光纖受微彎板作用產(chǎn)生彎曲時，使原沿纖芯軸線傳輸?shù)膫鲗?dǎo)模中的一部分泄漏到包層中，成為輻射棋，使纖芯中的傳導(dǎo)模減 少。作用力越大，光纖微彎程度增加，纖芯的傳導(dǎo)模損耗越大，從而實現(xiàn)對傳導(dǎo)光波強(qiáng)度的調(diào)制。 2. 透射調(diào)制上一頁下一頁返 回 在發(fā)射光纖和接受光纖之間插入被測對象，當(dāng)發(fā)射光強(qiáng)度一定時，被測對象的變化將引起接收光強(qiáng)度的變化，因而被測對象起到了光強(qiáng)度透射調(diào)制的作用。 被測對象一般為光吸收物質(zhì)，被測對象的規(guī)律變化，將引起接收光強(qiáng)度的規(guī)律變化。 通過遮光盤的上下移動來調(diào)制透射到接收光纖中的光強(qiáng)度。 3. 反射調(diào)制上一頁下一頁返 回 接收光纖接收到的光強(qiáng)度，將直接

13、受被測物端面對光的反射 特性調(diào)制。 通常被測物表面涂有反光物而形成反光面，當(dāng)發(fā)射光強(qiáng)度一定時，接收光強(qiáng)度的大小將由反光面到光纖端面的距離x來調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制總結(jié) 利用被測對象的變化引起敏感元件參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。應(yīng)用：壓力、振動、位移、氣體優(yōu)點(diǎn): 結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、成本低。缺點(diǎn): 易受光源波動和連接器損耗變化等的影響上一頁下一頁返 回6.2.3. 光相位調(diào)制上一頁下一頁返 回 光波的相位調(diào)制可以獲得很高的靈敏度，因而在光纖傳感器中應(yīng)用十分廣泛。 但光電探測器不能直接測量光波的相位變化，目前采用干涉技術(shù)將相位變化轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度變化，通過對強(qiáng)度的檢測實現(xiàn)對光波相位的測量

14、。 光波的相位 由光波長o(真空)、介質(zhì)折射率n及介質(zhì)長度L決定。 當(dāng)光纖受到被測對象的作用而引起結(jié)構(gòu)尺才的變化和內(nèi)應(yīng)力的變化時，將導(dǎo)致纖芯的折射率n或光纖的長度L發(fā)生變化，從而實現(xiàn)光波的相位調(diào)制。 1. 相位調(diào)制機(jī)理上一頁下一頁返 回 干涉測量是把光波相位變化轉(zhuǎn)換為光波強(qiáng)度變化的測量方法。 兩相干光束干涉后的光強(qiáng)度為 式中 A干涉光強(qiáng)度； A1、A 2兩相干光強(qiáng)度； 兩相干光的相位差。 在干涉測量時，通常取一相干光為參考，另一相干光感受被測對象的調(diào)制，調(diào)制后光相位的變化引起兩相干光相位差 發(fā)生變化，導(dǎo)致干涉光強(qiáng)度A的變化。通過對干涉光強(qiáng)度的測量，實現(xiàn)對兩相干光相位差的測量，達(dá)到對被測對象的檢

15、測。 2. 干涉測量方法上一頁下一頁返 回相位調(diào)制總結(jié) 被測對象導(dǎo)致光的相位變化，然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息。利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器 利用Sagnac效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺） 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度很高， 缺點(diǎn)：特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，成本高。上一頁下一頁返 回6.2.4. 偏振調(diào)制上一頁下一頁返 回 偏振調(diào)制采用單模光纖。理想單模光纖中的模是光波的基模，基模是線偏振光，偏振方向是光纖的徑向。這種線偏振光可用光纖徑向平 面內(nèi)兩個相互垂直的偏振分量來等效，在理想狀態(tài)下，這兩個偏振分量具有相同

16、 的傳播常數(shù)和相同的傳播相位，在傳播過程中，始終能合成為原來的徑向偏振狀 態(tài)。 偏振調(diào)制是利用外界因素改變單模光纖中偏振光的偏振狀態(tài)，偏振調(diào)制的機(jī)理有電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)和彈光效應(yīng)。 1. 法拉第效應(yīng)（磁光效應(yīng)）上一頁下一頁返 回 某些物質(zhì)在磁場作用下，線偏振光通過時其振動面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。光的電矢量E旋轉(zhuǎn)角與光在物質(zhì)中通過的距離L和磁場強(qiáng)度H成正比，即式中V 物質(zhì)的弗爾德常數(shù)。利用法拉第效應(yīng)可以測量磁場。其測量原理如右圖所示。2. 普克爾效應(yīng)（電光效應(yīng)）上一頁下一頁返 回 當(dāng)壓電晶體受光照射，并在與光照正交的方向上加以高壓電場時，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為Pock

17、els效應(yīng)，如下圖所示。并且，這種雙折射正比于所加電場的一次方。在晶體中，兩正交的偏振光的相位變化為其中：n0 正常折射率；de 電光系數(shù)；U 加在晶體片上的電壓； 光波長；L 晶體長度；d 場方向晶體厚度。3. 光彈效應(yīng)上一頁下一頁返 回 在垂直于光波傳播方向上施加應(yīng)力，被施加應(yīng)力的材料將會使光產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其折射率的變化與應(yīng)力相關(guān)，這被稱為光彈效應(yīng)。由光彈效應(yīng)產(chǎn)生的偏振光的相位變化為：K 物質(zhì)光彈性常數(shù)；P 施加在物體上的壓強(qiáng)；L 光波通過材料的長度。此時出射光強(qiáng)為：4. 偏振型光纖上一頁下一頁返 回 光纖在制造時，采取了一些特殊的工藝，使纖芯橢圓度和內(nèi)應(yīng)力減小到最低程度。此時光纖的幾何

18、雙折射和應(yīng)力雙折射都降到很低水平，相應(yīng)偏振光的拍長(偏振光在一個偏振態(tài)變化周期內(nèi)傳播的距離)將達(dá)到百米以上，這種光纖稱之為低雙折射單模光纖。 當(dāng)被測對象作用于低雙折射光纖時，光纖中的偏振光受到調(diào)制，雙折射率明顯加強(qiáng)，線偏振態(tài)發(fā)生顯著變化。因而這種光纖又稱之為偏振型光纖，其傳播的線偏振光直接感受檢測對象的變化，屬功能型光纖。 5. 保偏型光纖上一頁下一頁返 回 保偏型光纖與偏振型光纖相反，具有很高的雙折射，因而稱之為高雙折射光纖。其偏振光的拍長在毫米級，有足夠的抗干擾能力，在相當(dāng)長的距離內(nèi)傳播能保持線偏振態(tài)不變，故又稱其為保偏型光纖。 采用保偏光纖時，偏振的調(diào)制是通過插入在兩根保偏光纖之間偏振敏

19、感元件，感受被測對象的調(diào)制，此時光纖僅作傳光媒質(zhì)，屬非功能型光纖。 偏振調(diào)制總結(jié)利用光的偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象信息應(yīng)用： 電流、磁場傳感器：法拉第效應(yīng)； 電場、電壓傳感器：電光效應(yīng)； 壓力、振動或聲傳感器：光彈效應(yīng)； 溫度、壓力、振動傳感器：雙折射性優(yōu)點(diǎn)：可避免光源強(qiáng)度變化的影響，靈敏度高。上一頁下一頁返 回6.2.5. 頻率調(diào)制上一頁下一頁返 回 光波頻率調(diào)制是通過光學(xué)多普勒效應(yīng)實現(xiàn)的。此時光纖只起傳光作用， 屬非功能型。 光學(xué)多普勒效應(yīng)：當(dāng)光源和光探測器都不動時，光源發(fā)出的頻率為fo的光波，經(jīng)過運(yùn)動體散射或反射后，由探測器接收到的光波頻率fs發(fā)生 變化。 多普勒頻移：多普勒效應(yīng)引起的光

20、波頻率變化量f上一頁下一頁返 回 運(yùn)動速度V、運(yùn)動方向與光源光波發(fā)射方向間夾角為1、運(yùn)動方向與探測器方向間夾角為2時，探測器接收運(yùn)動體反射的光波頻率為 由于光源發(fā)出的光波長很短，即使運(yùn)動體的速度v很低，仍可以獲得較明顯的多普勒頻移f。典型應(yīng)用：醫(yī)學(xué)上對血液流動的探測。 6.3 強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器6.3.1 光纖水深探測器6.3.2 透射式光纖溫度傳感器6.3.3 反射式光纖位移傳感器上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回6.3.1. 光纖水深探測器上一頁下一頁返 回 利用光纖微彎調(diào)制原理，可以組成光纖位移傳感器、光纖壓力傳感器等。 圖為根據(jù)微彎原理組成的光纖水深探測器。當(dāng)光纖隨鋁管沉入水底時、光

21、纖承受水底處的水壓力P。顯然水越深，水壓力P越大，縱向開口槽處的光纖微彎程度越大，傳導(dǎo)模Io越小，輻射模Ir越大，通過對傳導(dǎo)模Io或輻射模Ir的檢測，實現(xiàn)對水深度的探測。上一頁下一頁返 回亮場微彎傳感器：以纖芯中的傳導(dǎo)模Io相對變化量為檢測對象的傳感器。脫模：吸收輻射模，減小輻射模對光探測器的影響。 亮場檢測方式需在光纖發(fā)生微彎之前和微彎之后 加設(shè)脫模器，在微彎前的脫模器作用是將光纖微彎變形之前射入包層的輻射模都吸收掉，光纖微彎后的脫模器是吸收微彎引起的輻射模，以減小輻射模對光探測器的干擾。 最簡單的脫模方法：在幾厘米長的光纖外面涂上黑漆，即可有效地吸收輻射模。 亮場檢測的傳導(dǎo)光強(qiáng)很大，其相對

22、變化量很小，因而檢測靈敏度較低，需要采用高靈敏度的光探測器。 上一頁下一頁返 回暗場微彎傳感器：以光纖包層中的輻射模Ir相對變化量為檢測對象的傳感器。 暗場檢測可以獲得較高的靈敏度，此時背景光經(jīng)脫模器吸收后變得很小，包層中的輻射?；旧隙际且蛭澬?yīng)引起的，固微彎調(diào)制引起輻射模變化量顯著，因而檢測靈敏度高。 光探測器應(yīng)是一個密封的盒子，盒子的內(nèi)壁四周都裝上光電他，吸收包層中的輻射模并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。 6.3.2. 透射式光纖溫度傳感器上一頁下一頁返 回 有些半導(dǎo)體材料光吸收能力隨溫度的升高而增強(qiáng)，其原因是這種半導(dǎo)體材料的禁帶寬度隨溫度升高幾乎線性地變窄，光激發(fā)功能加強(qiáng)。此時光波經(jīng)過半導(dǎo)體材

23、料時，被吸收的光功率增加，相應(yīng)透過半導(dǎo)體的光功率將減少，其透射的光強(qiáng)隨溫度升高而近乎線性地減小。 在發(fā)射光纖與接收光纖之間夾有一片厚度約零點(diǎn)幾毫米的半導(dǎo)體溫度敏感材料，例如碲化鎘和砷化鎵，它們的光 吸收功能對波長為900nm左右的光波最為敏感，即是說這個波長的光波是很難透過，而遠(yuǎn)離900nm波長的光是很容易透過的。 6.3.3. 反射式光纖位移傳感器上一頁下一頁返 回基本原理：當(dāng)激光源發(fā)出定量光強(qiáng)經(jīng)發(fā)射光纖向反光面發(fā)射時，反光面反射光有一部分進(jìn)入接收光纖。待測距離X越小，進(jìn)入接收光纖的反射光越多，從而根據(jù)光探測器的測量值就知道X的大小，實現(xiàn)位移量的測量。特點(diǎn)：動態(tài)測量范圍大，靈敏度低。 受抑全

24、反射光纖位移傳感器上一頁下一頁返 回調(diào)制機(jī)理：當(dāng)端面磨成特定角度的兩根光纖相距較遠(yuǎn)時，從發(fā)射光纖發(fā)出的所有模式的光都產(chǎn)生全反射，不能傳到接收光纖中去。只有當(dāng)兩根光纖拋光面充分靠近時，全反射受到抑制，大部分發(fā)射光耦合到接收光纖。距離較遠(yuǎn)時：光波長量級距離內(nèi)是空氣，反射后回到發(fā)射光纖；距離較近時：光波長量級距離內(nèi)是接收光纖，光波進(jìn)入接收光纖。特點(diǎn)：具有很高的位移靈敏度 受益全反射光纖位移傳感器上一頁下一頁返 回 發(fā)射光纖位置固定不變，接收光纖的位置借助于彈簧片可作上下移動（納米級），當(dāng)壓力P作用于膜片時，接收光纖的拋光面下移，當(dāng)兩拋光面靠近時，發(fā)射光纖發(fā)出的光被接收光纖接收，通過檢測接收光纖中的光

25、波強(qiáng)度，實現(xiàn)對膜片位移量的測量。6.4 相位調(diào)制光纖傳感器6.4.1 馬赫澤德光纖溫度傳感器6.4.2 光纖弱磁場傳感器6.4.3 法布里珀羅溫度傳感器6.4.4 光纖陀螺儀上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回6.4.1.馬赫澤德光纖溫度傳感器上一頁下一頁返 回原理：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耦合,使它們在光檢測器處互相發(fā)生干涉。優(yōu)點(diǎn)：只有少量的或者沒有光直接返回激光器,這就避免了反饋光使激光器不穩(wěn)定和產(chǎn)生噪聲。具體應(yīng)用：光纖壓力傳感器 光纖力傳感器 光纖加速度傳感器 光纖磁傳感器馬赫澤德光纖溫度傳感器上一頁下一頁返 回相干光源:激光源 特點(diǎn)：輸出光單色

26、性好、亮度高、方向性 強(qiáng)，有利于提高干涉測量精度和相干長度。原理：由激光器發(fā)出的單色光波，經(jīng)分束器后分成兩束單模光，分別送入兩根長度基本相同的單模光纖。一根單模光纖作信號光纖，感受溫度場的影響；另一根作為參考光纖，應(yīng)屏蔽外來影響。在輸出端，兩束單模光重新耦合，在相干長度內(nèi)，由于兩束光波具有相同的光程長，耦合后形成一系列明暗相間的干涉條紋。上一頁下一頁返 回 測溫時，將信號光纖置于待測溫度場中，溫度變化將改變信號光纖折射率， 引起信號光波的相位變化，其結(jié)果輸出端兩相干光波出現(xiàn)相位差、相干后的干涉條紋產(chǎn)生移動。相位變化2弧度，干涉條紋移動一根條紋距離，在光探測器上觀察到的移動條紋數(shù)，即表示待測溫度

27、的變化量。 利用這一原理，馬赫澤德干涉儀還常用于壓力場、電場、磁場的測量，都可以獲得很高的靈敏度。 6.4.2 光纖弱磁場傳感器上一頁下一頁返 回 在進(jìn)行弱磁場測量時，信號光纖粘合或環(huán)繞在磁致伸縮材料上，構(gòu)成磁敏感臂，以增強(qiáng)磁靈敏度。 磁棒式：將信號光纖纏繞在磁性圓柱棒上磁套式：將信號光纖嵌入壁厚均勻的磁性套管中磁帶式：將信號光纖粘貼在磁性金屬玻璃帶上 常用的磁性材料有鐵、錦 鎳，以及這三種元素的金屬化合物，其中鎳的磁致仲縮效應(yīng)最大。馬赫澤德光纖弱磁場傳感器上一頁下一頁返 回 由馬赫澤德干涉儀組成的光纖弱磁場傳感器 置于待測磁場中的磁敏感臂受磁場影響而產(chǎn)生伸縮效應(yīng)，導(dǎo)致信號光纖長度發(fā)生變化，引

28、 起信號光波相位改變。借助干涉儀的相位移的測量，可實現(xiàn)對弱磁場強(qiáng)度的檢測。 馬赫澤德光纖電流傳感器上一頁下一頁返 回 由馬赫澤德干涉儀組成的光纖電流傳感器 將磁敏感臂換為電流敏感臂： 也是應(yīng)用磁致伸縮效應(yīng)原理，信號光纖上粘套鎳管、鎳管外套著一個待測電流的線圈，組成電流敏感臂。 當(dāng)待測電流通過電流線圈時，電流磁場引起鎳管伸縮效應(yīng)，使信號光纖變形，產(chǎn)生相位調(diào)制，實現(xiàn)微安級小電流的檢測。 馬赫澤德光纖電壓傳感器上一頁下一頁返 回 由馬赫澤德干涉儀組成的光纖電流傳感器 將磁敏感臂換為電壓敏感臂： 也是應(yīng)用壓電陶瓷（PZT）或聚偏二氟乙烯（PVF2）的電致伸縮效應(yīng)原理，將信號光纖纏繞在PZT圓筒上，圓通

29、上下兩電極接待測電壓，組成電壓敏感臂。 進(jìn)行電壓測量時，將待測電壓加到PZT電極上，引起PZT圓筒伸縮效應(yīng)，信號光纖產(chǎn)生變形，信號光波相位發(fā)生變化，從而實現(xiàn)電壓的檢測。結(jié)論：上一頁下一頁返 回 馬赫澤德干穢儀法是相位調(diào)制中應(yīng)用最 廣泛的干涉測量方法，信號光纖中設(shè)置敏感臂的目的都是為了提高相位調(diào)制的靈敏度，因為相位的變化通常都是很小的，而且信號光纖還可能受到周圍其他因素的影響，因而提高待測信號對相位調(diào)制的強(qiáng)度，這是馬赫澤德干涉測量中的一項關(guān)鍵技術(shù)。 6.4.3 法布里珀羅溫度傳感器上一頁下一頁返 回法布里珀羅干涉儀原理：它是由兩塊平行的部分透射平面鏡組成的。這兩塊平面鏡的反射率(反射系數(shù))通常是非常大的,一般大于或等于95%。假定反射率為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,余下的5%的光將透過平面鏡而進(jìn)入干涉儀的諧振腔