光纖傳感器的基本原理

1、光纖傳感器的基本原理第1頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一 光纖傳感器按傳感原理可分為功能型和非功能型。功能型光纖傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，所以也稱傳感型光纖傳感器，或全光纖傳感器。非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為傳輸介質，傳輸來自遠處或難以接近場所的光信號所以也稱為傳光型傳感器或混合型傳感器。第2頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一在光纖中傳輸的光波可用如下形式的方程描述： 光纖傳感器按被調制的光波參數不同可分為強度調制光纖傳感器相位調制光纖傳感器頻率調制光纖傳感器偏振調制光纖傳感器波長(顏色)

2、調制光纖傳感器第3頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一5.2 強度調制機理 第4頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一 5.2.1 反射式強度調制 這是一種非功能型光纖傳感器，光纖本身只起傳光作用.第5頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一輸出光纖端面受光錐照射的表面所占的百分比為第6頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一被輸出光纖接收的入射光功率百分數為(F被稱為耦合效率)第7頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一第8頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一第9頁，共96頁

3、，2022年，5月20日，17點50分，星期一5.2.2 透射式強度調制動光纖式光強調制模型，用來測量位移、壓力、溫度等物理量。這些物理量的變化使接收光纖的軸線相對于發(fā)射光纖錯開一段距離, 光強度調制器的線性度和靈敏度都很好。第10頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一采用雙透鏡系統(tǒng)使入射光纖在出射光纖上聚焦，遮光屏在垂直于兩透鏡之間的光傳播方向上下移動。這種傳感器光耦合計算方法與反射式傳感器是一樣的。在上述的簡化分析限定范圍內，比值/r與可移動遮光屏及兩透鏡問半徑為r的光柱相交疊面積的百分比。第11頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一 不用透鏡的兩光

4、纖直接耦合系統(tǒng)，結構雖然簡單，但也能很好地工作。只是接收光纖端面只占發(fā)射光纖發(fā)出的光錐底面的一部分，使光耦合系數減小，靈敏度也降低一個數量級 (r/dT)2。第12頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一利用兩個周期結構的光柵遮光屏傳感器通過一對光柵遮光屏的透射率，從50(當兩個屏完全重疊時)變到零(當一個屏的不透明條完全覆蓋住另一個屏的透明部分)。在此周期性結構范圍內，光的輸出強度是周期性的。而且它的分辨率在光珊條紋間距的10-6數量級以內。這是能夠構成很靈敏、很簡單、高可靠的位移傳感器的基礎。第13頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一作業(yè)1、由圖5-

5、2的幾何關系推導出下列關系式2、由圖5-2，已知光纖芯直徑為2r200um，數據孔徑NA=0.5，光纖間距a=100um。若取函數F(d)的最大斜率處為該系統(tǒng)的靈敏度，則耦合功率F隨d變化速率為何值？第14頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一5.2.3 光模式強度調制兩個模的傳播常數分別為和，當= - = 2/相位失配為零，模間精合達到最佳。當光纖之間狀態(tài)發(fā)生變化時，會引起光纖中的模式耦合，其中有些導波模變成了輻射模，從而引起損耗，第15頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一變形器的位移改變了彎曲處的模振幅，從而產生強度調制。對于拋物線(或平方律或梯度

6、)折射率分布的光纖變形器的臨界空間周期為對于階躍光纖第16頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一第17頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一光纖傳播模式的改變，還可以改變光纖模斑斑圖，依據模斑圖形的變化也可進行光模式強度調制。多模光纖出射的遠場光斑就像一個切開的“西瓜”，“亮”、“黑”無規(guī)則地相間變化。第18頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一5.2.4 折射率強度調制 一、光纖折射率變化型 一般光纖的纖芯和包層的折射軍溫度系數不同。在溫度恒定時，包層折射率n2與纖芯折射率n1之間的差值是恒定的。當溫度變化時， n2 、 n1之間的

7、差發(fā)生變化，從而改變傳輸損耗。因此，以某一溫度時接收到的光強為基準,根據傳輸功率的變化可確定溫度的變化。第19頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一第20頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一 二、漸逝波耦合型通常漸逝波在光疏媒質中深人距離有幾個波長時能量就可以忽略不計了。如果采用一種辦法使慚逝場能以較大的振幅穿過光疏媒質，并伸展到附近的折射 率高的光密媒質材料中，能量就能穿過間隙，這一過程稱為受抑全反射。第21頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一L表示一對單?；蚨嗄９饫w的相互作用長度，d表示纖芯之間的距離。光纖包層被減薄或完全剝去

8、，足以產生漸逝場耦合。d、L或n2稍有變化，光探測器的接收光強就有明顯變化、從而實現光強調制、這一原理已應用于水聽器。第22頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一三、反射系數型第23頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一由菲涅爾反射公式式中，R為平行偏振方向的強度反射系數，R為垂直偏振方向的強度反射系數；n=n3n1 ，為入射光波在界面上的入射角。第24頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一5.2.5 光吸收系數強度調制一、利用光纖的吸收特性進行強度調制x射線、射線等輻射線會使光纖材料的吸收損耗增加，使光纖的輸出功率降低，從而構成強度

9、調制輻射量傳感器。改變光纖材料成分可對不同的射線進行測量。如選用鉛玻璃制成光纖，它對x射線、 射線、中子射線最敏感，用這種方法做成的傳感器既可用于衛(wèi)星外層空間劑量的監(jiān)測，也可用于核電站、放射性物質堆放處輻射量的大面積監(jiān)測。第25頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一第26頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一 二、利用半導體的吸收特性進行強度調制 大多數半導體的禁帶寬度Eg都隨著溫度T的升高而幾乎線性地減小。它們的光吸收邊的波長將隨著T的升高而變化。第27頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一5.3 相位調制機理 利用光相位調制來實現

10、一些物理量的測量可以獲得極高的靈敏度。相位調制光纖傳感器的基本傳感原理是：通過被測能量場的作用，使光纖內傳播的光波相位發(fā)生變化，再用干涉測量技術把相位變化轉換為光強變化，從而檢測出待測的物理量。第28頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一 5.3.1 相位調制一、應力應變效應當光纖受到縱向(軸向)的機械應力作用時，光纖的長度、芯徑、纖芯折射率都將發(fā)生變化，這些變化將導致光波的相位變化.第29頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一式中，a為光纖芯的半徑；第一項表示由光纖長度變化引起的相位延遲(應變效應)；第二項表示感應折射率變化引起的相位延遲(光隙效應)；

11、第三項則表示光纖的半徑改變所產生的相位延遲(泊松效應)。第30頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一 1縱向應變引起的相位變化第31頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一 2徑向應變引起的相位變化 不考慮泊松效應時有第32頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一實現縱向、徑向應變最簡便的方法是，采用一個空心的壓電陶瓷圓柱筒(PZT)，在這個圓柱筒上纏繞一圈或多圈光纖，并在其徑向或軸向施加驅動信號，由于PZT筒的直徑隨驅動信號變化，故纏繞在其上的光纖也隨之伸縮。光纖承受到應力，光波相位隨之變化。第33頁，共96頁，2022年，5月20日，

12、17點50分，星期一二、溫度應變效應僅考慮徑向折射率變化時，其相位隨溫度變化為第34頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一5.3.2 光纖干涉儀光纖相位傳感器要求有相應的干涉儀來完成相位檢測過程。對于一個相位調制干涉型光纖傳感器，敏感光纖和干涉儀缺一不可。敏感光纖完成相位調制任務，干涉儀完成相位光強的轉換任務。第35頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一 在光波的干涉測量中，傳播的光波可能是兩束或多束相干光。例如，設有光振幅分別為A1和A2的兩個相干光束。如果其中一束光的相位由于某種因素的影響受到調制，則在干涉域中產生干涉。干涉場中各點的光強可表示為第3

13、6頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一一、邁克爾遜(Michlson)光纖干涉儀第37頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一二、馬赫澤德(Machzehnder)光纖干涉儀第38頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一保證全光纖干涉儀的工作點穩(wěn)定是比較困難的。在零差檢測方式中，需要保證兩光纖臂間的正交狀態(tài)。所以系統(tǒng)要求環(huán)境溫差不能太大。第39頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一“正交狀態(tài)”是指干涉儀的兩臂光波間的相對相位為90。正交檢測方式的優(yōu)點是探測相位靈敏度最高。第40頁，共96頁，2022年，5月20日，1

14、7點50分，星期一三、賽格納克(Sagnac)光纖干涉儀干涉儀裝在一個可繞垂直于光束平面軸旋轉的平臺上，且平臺以角速度轉動時，根據賽格納克效應，兩束傳播方向相反的光束到達光探測器的延遲不同。若平臺以順時針方向旋轉，則順時針方向傳播的光較逆時針方向傳播的光延遲。第41頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一相位延遲量可表示為式中，A是光路圍成 的面積；第42頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一光纖陀螺儀第43頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一 四、法布里珀羅(Fabry-Perot)光纖干涉儀由兩塊部分反射、部分透射、平行放置的反射

15、鏡組成。在兩個相對的反射鏡表面鍍有反射膜，其反射率通常達95以上。第44頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一法布里珀羅干涉儀是多光束干涉。根據多光束干涉的原理，探測器上探測到的干涉光強的變化為透射的干涉光強的最大值與最小值之比第45頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一它與一般法布里珀羅干涉儀的區(qū)別在于以光纖光程代替空氣光程，以光纖特性變化來調制相位代替以傳感器控制反射鏡移動實現調相。第46頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一5.4 頻率調制機理采用頻率調制技術可以對有限的幾個物理量進行測量。它主要是利用運動物體反射或散射光的多普

16、勒頻移效應來檢測其運動速度。第47頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一設光源和觀察者處于同一位置。如果頻率為f的光照射在相對光速度為v的運動物體上，那么觀察者接收的運動物體反射光頻率f1為第48頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一當光源和觀察者處于相對靜止的二個位置時，可當作雙重多普勒效應來考慮。先考慮從光源到運動體，再考慮從運動體到觀察者。第49頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一5.4.1 光纖多普勒技術根據多普勒頻移原理，采用激光作為光源的測量技術是研究流體流動的有效手段。它的主要持點是空間分辨率高，光束不干擾流動性，并具

17、有跟蹤快速變化的能力。第50頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一第51頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一 現在來討論一下檢測信號的光功率計算方法。流體中運動體的返回信號大小取決于背向散射光強、媒質衰減和光纖接收面積及數值孔徑。返回進入光纖的總功率Pr第52頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一5.5 波長調制機理 波長調制光纖傳感器主要是利用傳感探頭的光頻譜特性隨外界物理量變化的性質來實現的。此類傳感器多為非功能型傳感器。第53頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一5.5.1 光纖pH探測技術這種技術利用化學

18、指示劑對被測溶液的顏色反應來測量溶液的pH值.第54頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一 采用雙波長工作方式的目的是為了消除測量中多種因素所造成的誤差。取綠光(558nm)作為調制檢測光，紅光(630 nm)作參考光，探測器接收到的綠光與紅光強度的吸收比值為R, pH值與R的關系為式中c、k為常數；L為試劑長度, pHpK，其中pH是酸堿度, pK是酸堿平衡常數。第55頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一5.2 光纖磷光探測技術第56頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一兩個光電二極管的敏感波長不同，一個對540 nm的光敏感，另

19、一個對630 nm的光敏感。經光電二極管轉換成電信號，再經過電子電路進行信號處理，得到相對光強與溫度變化的特性曲線。經校正可以得到輸出相對光強與溫度呈線性關系。第57頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一5.5.3 光纖黑體探測技術通過測量物體的熱輻射能量確定物體表面溫度是非接觸式測溫技術。物體的熱輻射能量隨溫度提高而增加。對于理想“黑體”輻射源發(fā)射的光譜能量可用熱輻射的基本定律之一普朗克(Plank)公式表述.所謂“黑體”、就是能夠完全吸收入射輻射，并具有最大發(fā)射率的物體。第58頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一第59頁，共96頁，2022年，5月

20、20日，17點50分，星期一光纖黑體探測技術。就是以黑體做探頭，利用光纖傳輸熱輻射波，不怕電磁場干擾，質量輕靈敏度高，體積小，探頭可以做到0.1mm。第60頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一 5.5.4 光纖法布里泊羅濾光技術 式中，d是法布里泊羅標準具厚度；n是標準具平行板內的介質折射率；是反射光的相位躍變。第61頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一5.6 偏振調制機理光波是一種橫波，它的光矢量是與傳播方向垂直的。如果光波的光矢量方向始終不變，只是它的大小隨位相改變，這樣的光稱線偏振光。光矢量與光的傳播方向組成的平面為線偏振光的振動面。如果光矢量

21、的大小保持不變，而它的方向繞傳播方向均勻地轉動，光矢量末端的軌跡是一個圓，這樣的光稱圓偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有規(guī)律地變化，且光矢量的末端沿著一個橢圓轉動，這樣的光稱橢圓偏振光。第62頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一kEH偏振光的表示法圓偏振光線偏光橢圓偏振光第63頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一馬呂斯定律強度為I0的偏振光，通過檢偏器后，透射光的強度為： I=I0 cos2其中為檢偏器的偏振化方向與入射偏振光的偏振化方向之間的夾角。AII0第64頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一為線偏振光的振動方向OM與檢

22、偏器透振方向ON間的夾角。一束光強為I0的自然光透過檢偏器，透射光強為I0 /2解釋I=I0 cos2第65頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一天然的方解石晶體是雙折射晶體AB光的雙折射現象一束自然光射向石英、方解石等各向異性介質時，其折射光有兩束，這種現象稱為雙折射現象。第66頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一5.6.1 普克耳效應 各向異性晶體中的普克耳效應是一種重要的電光效應。當強電場施加于光正在穿行的各向異性晶體時，所引起的感生雙折射正比于所加電場的一次方，稱為線性電光效應，或普克耳效應。第67頁，共96頁，2022年，5月20日，17點5

23、0分，星期一折射率橢球方程對于雙抽晶體，主折射率 ；對于單抽晶體，主折射率 為尋常光折射率， 為非常光折射率。第68頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一若沿光軸方向入射，o光和e光具有相同的折射率和相同的波速，因而無雙折射現象。尋常光（o光）和非常光（e光）尋常光：對于晶體一切方向都具有相同的折射率，且在入射面內傳播，簡稱它為o光。非常光：它的折射率（即波速）隨方向而變化，并且不一定在入射面內傳播，簡稱為 e 光。 o光振動方向垂直于該光線（在晶體中）與光軸組成的平面。e 光振動方向平行于該光線（在晶體中）與光軸組成的平面。若光軸在入射面內，實驗發(fā)現：o光、 e光均在入射

24、面內傳播，且振動方向相互垂直。oe第69頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一AB光軸某些晶體內有一個確定的方向，在這個方向上，o光和e光的傳播速度相同，這個方向稱為晶體的光軸。MMNN說明：沿光軸方向入射的光束，通過晶體不分為兩束光，仍沿入射方向行進。它是一個特征方向。具有一個光軸的晶體，稱為單軸晶體。例如：方解石、石英等。具有兩個光軸的晶體，稱為雙軸晶體。例如：云母、硫黃等。光軸光軸第70頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一 晶體的兩端設有電極，并在兩極間加一個電場。外加電場平行于通光方向，這種運用稱為縱向運用，或稱為縱向調制。對于KDP類晶體，晶

25、體折射率的變化n與電場E的關系由下式給定光程差為半波電壓第71頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一1BGO調制器晶體；21/4 波長片3檢偏器；4電壓傳感器測頭；5多模光導纖維；6一光檢測器；7運算器；8一輸出信號；9一光源；10光耦合器；11起偏器第72頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一當晶體的通光方向垂直于外加電場時稱為橫向運用，這時產生的電光效應稱為橫向電光效應。晶體中兩正交的平面偏振光由于電光效應產生的相位差為晶體的半波電壓由下式給定第73頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一5.6.2 克爾效應克爾效應也稱為平方電光效

26、應它發(fā)生在一切物質中。當外加電場作用在各向同性的透明物質上時，各向同性物質的光學性質發(fā)生變化，變成具有雙折射現象的各向異性特性，并且與單軸晶體的情況相同。第74頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一 克爾效應當外電場撤消時，這種性質立即消失，因此，也稱為電致雙折射現象。光軸沿電場強度的方向+ -cc兩光通過厚度為l 的液體時，光程差為：若去掉盒內電場，則沒有光從N透出。整個系統(tǒng)起“光開關”的作用。通過控制外加電壓，可調節(jié)輸出的光脈沖的長短和頻率，把電訊號轉變成光訊號。由于光電效應幾乎沒有慣性，電訊號的控制速度可達10-9 m/s?！肮忾_關”,“光調制器”、“光斷續(xù)器”有極快

27、的速度啟閉光路或調制光強，目前廣泛應用于高速攝影、電影、電視和激光通訊等許多領域。第75頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一k是克爾常數。 在大多數情況下 (k為正值)，即介質具有正單軸晶體的性質。第76頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一兩偏振光波的光程差為兩光波間的相位差第77頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一5.6.3 法拉第效應 許多物質在磁場的作用下可以使穿過它的平面偏振光的偏振方向旋轉，這種現象稱為磁致旋光效應或法拉第效應。第78頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一旋光現象A 旋光現象偏振光通

28、過某些透明物質后，其振動面方將以光的傳播方向為軸線轉過一定的角度，這種現象稱為旋光現象。能夠產生旋光現象的物質稱為旋光物質。如石英、糖、酒石酸鉀鈉等。右旋物質：迎著光的傳播方向觀看，使振動面按順時針方向轉動的物質，如葡萄糖、石英等。左旋物質：迎著光的傳播方向觀看，使振動面按逆時針方向轉動的物質，如果糖等。不同的氨基酸和DNA等也有左右旋的不同，這些是目前生物學研究的課題。B 旋光物質第79頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一C是旋光物質；F為濾色片；M為起偏器；旋光物體放在兩個偏振片M與N之間，把檢偏器 N 旋轉一定角度，可得到亮視野和暗視野。C 實驗裝置實驗證明：振動面

29、旋轉的角度與材料的厚度d、濃度C 以及入射光的波長 有關。對于固體：定義為旋光系數，它是入射光波長的函數對于液體：式中C為溶液的濃度。應用：制糖工業(yè)，測定糖液濃度的糖量計第80頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一第81頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一在法拉第效應中偏振面的旋轉方向與外加磁場的方向有關，即費爾德常數有正負值之分。一般約定，正的費爾德常數系指光的傳播方向平行于所加H場方向，法拉第效應是左旋的；反平行于H場方向時是右旋的。第82頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一 立方晶體或各向同性材料的法拉第效應可以解釋為，由于

30、磁化強度取決于沿磁場方向傳播的右旋圓偏振光和左旋圓偏振光的折射率差，平面偏振光可以表示成左右旋圓偏振光之和。第83頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一偏振光的矩陣表示 沿z方向傳播的任一種偏振光都可以表示為光矢量分別沿x軸和y軸方向振動的兩個線偏振光的疊加：即 這兩個線偏振光有確定的振幅比 和確定的位相差 第84頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一也就是說：任一種偏振光的光矢量都可以用沿x軸和y軸的兩個分量來表示： 用復振幅表示： 上述方程表示：任一偏振光可以用由它的光矢量的兩個分量構成的一列矩陣表示，此列矩陣稱為瓊斯矢量，記為：第85頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一實際中，我們研究的往往是強度變化。所以可以把瓊斯矢量歸一化。（偏振光強度是它的兩個分量的強度之和，即 ）并把兩分量的共同因子提到矩陣外， 式中：第86頁，共96頁，2022年，5月20日，17點50分，星期一并棄去共同位相因子，歸一化形式的瓊斯矢量： 把偏振光用瓊斯矢量表示，特別方便于計算兩個或多個給定的偏振光疊加的結果。將瓊斯矢量簡單疊加。即可得