二光纖傳感器原理

二.光纖傳感器原理光源信號(hào)調(diào)制光纖光纖光探測(cè)器信號(hào)處理外界參量本講提要外界參數(shù)對(duì)光纖內(nèi)傳輸光的作用方式，即各種調(diào)制的原理與方法。光纖對(duì)很多外界參數(shù)有肯定的效應(yīng)，爭(zhēng)論光纖傳感原理就是爭(zhēng)論如何應(yīng)用光纖的這些效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界被測(cè)參數(shù)的“傳”和“感”的功能，這是光纖傳感器的核心，也是光纖傳感器系統(tǒng)和光纖通信系統(tǒng)的主要區(qū)分。光纖傳感器的調(diào)制區(qū)可能是光纖本身〔內(nèi)部調(diào)制〕，也可能是其他材料制成的敏感元件〔外部調(diào)制〕，單就調(diào)制原理而言，僅爭(zhēng)論外界因素引起光的性質(zhì)的變化，不管是內(nèi)部調(diào)制還是外部調(diào)制都是一樣的。一.強(qiáng)度調(diào)制----光纖傳感器最早使用的調(diào)制方法概念利用外界因素轉(zhuǎn)變光纖中光的強(qiáng)度，通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)的變化來(lái)測(cè)量外界物理量。

光纖強(qiáng)度調(diào)制傳感器的原理圖特點(diǎn)技術(shù)簡(jiǎn)潔，牢靠，本錢低?？梢猿惺芏嗄９饫w。光纖的連接與耦合簡(jiǎn)潔，所使用的光纖連接器與耦合器已經(jīng)商品化。光源可以承受非相干光源，如輸出穩(wěn)定的LED等。構(gòu)成傳感器探頭的物理機(jī)理

〔一〕利用線性位移或角位移進(jìn)展調(diào)制

原理圖假設(shè)輸入輸出為同一種單模光纖，S0為光纖中的光斑尺寸，則徑向位移d與功率耦合系數(shù)T的關(guān)系為高斯型曲線，存在以下關(guān)系：TdA最正確傳感區(qū)域特點(diǎn)光纖間距離很小，約2-3μm。入射光纖保持不動(dòng)〔除去差動(dòng)法〕。出射光纖進(jìn)展位移或轉(zhuǎn)動(dòng)?！捕彻忾l調(diào)制

原理圖特點(diǎn)入射光纖與出射光纖均保持不動(dòng)，依靠遮光屏隨外界因素影響而引起的運(yùn)動(dòng)來(lái)對(duì)出射光纖的輸出光強(qiáng)進(jìn)展調(diào)制。遮光屏本身材料不限，可以是固體，也可以是液體。入射光纖與出射光纖的端面要設(shè)置準(zhǔn)直透鏡。〔三〕反射式強(qiáng)度調(diào)制

原理圖傳光束雙光纖單光纖特點(diǎn)

入射光纖與出射光纖可以是單根光纖、兩根光纖也可以是光纖束。非接觸式，探頭小，頻響高，線性度好。測(cè)量位移~100

m?！菜摹忱霉饫w微彎產(chǎn)生的損耗進(jìn)展調(diào)制原理圖特點(diǎn)當(dāng)光纖受到微彎時(shí)，一局部芯模能量會(huì)轉(zhuǎn)化為包層模能量，通過(guò)測(cè)量包層模式的能量或芯模能量的變化，就可以測(cè)出外界物理量的大小。主要應(yīng)用于對(duì)應(yīng)變等物理場(chǎng)的檢測(cè)。區(qū)分率可達(dá)0.1nm。空間周期選取適當(dāng)?shù)目臻g周期，使得它與光纖中適中選擇的兩個(gè)模式的傳播常數(shù)差相匹配。則光纖中光功率的分布隨著這個(gè)空間感應(yīng)耦合而變，原來(lái)在纖芯中傳播的某些光轉(zhuǎn)移到包層中。相位匹配條件

和’為引起耦合的兩個(gè)模式的傳輸常數(shù)。相鄰的兩個(gè)模式，其傳輸常數(shù)差為表征光纖折射率分布的參數(shù)纖芯半徑總模式模式標(biāo)號(hào)相對(duì)折射率差梯度折射率光纖α=2階躍折射率光纖變形器的最正確周期△為光纖芯子與包層之間的相對(duì)折射率差；a為纖芯半徑；M是總模式；m是模式標(biāo)號(hào)；特點(diǎn)

可以承受多模光纖。要到達(dá)引起耦合損耗的兩模式間的耦合為最正確值，需要依據(jù)具體狀況設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)恼{(diào)制周期?！参濉忱谜凵渎实淖兓M(jìn)展調(diào)制特點(diǎn)：在光纖的纖芯折射率不變的狀況下，通過(guò)外界因素的轉(zhuǎn)變引起光纖包層折射率的大小發(fā)生變化，從而使得其中傳輸光的強(qiáng)度發(fā)生變化。典型圖〔六〕利用光纖的吸取特性進(jìn)展調(diào)制利用射線的輻射使光纖的吸取損耗增加，光纖的輸出功率降低，從而構(gòu)成強(qiáng)度調(diào)制的測(cè)量輻射量的傳感器。

原理圖

特點(diǎn)測(cè)量各種輻射，例如x射線的大小。靈敏度高、線性范圍大。實(shí)時(shí)性強(qiáng)。典型應(yīng)用：衛(wèi)星外層空間劑量的監(jiān)測(cè)；核電站、放射性物質(zhì)堆放處輻射量的大面積監(jiān)測(cè)。其它強(qiáng)度調(diào)制方法

利用光纖模斑斑圖的強(qiáng)度隨外界參數(shù)影響的變化，來(lái)測(cè)量待測(cè)物理量。........二.波長(zhǎng)調(diào)制---顏色調(diào)制概念利用外界因素轉(zhuǎn)變光纖中光的波長(zhǎng)，通過(guò)測(cè)量光波長(zhǎng)的變化來(lái)測(cè)量外界物理量。特點(diǎn)對(duì)引起光纖或連接器損耗增加的某些器件的穩(wěn)定性不敏感。解調(diào)技術(shù)簡(jiǎn)單，常常需要分光儀。通常承受比值測(cè)量〔兩個(gè)波長(zhǎng)的測(cè)量值為基準(zhǔn)〕，要求校準(zhǔn)以建立比值測(cè)量所需要的參考點(diǎn)。探測(cè)的波長(zhǎng)范圍有限。典型應(yīng)用外界因素對(duì)傳輸光的光譜成分中，不同波長(zhǎng)的光吸取特性不同。如：溶液濃度的化學(xué)分析等。外界因素引起光的波長(zhǎng)發(fā)生漂移。如：光纖光柵應(yīng)力傳感器，光纖光柵溫度傳感器等。三．頻率調(diào)制概念利用外界因素轉(zhuǎn)變光纖中光的頻率，通過(guò)測(cè)量光頻率的變化來(lái)測(cè)量外界物理量。特點(diǎn)外界因素以多普勒效應(yīng)的形式影響光的頻率。適用于對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)。空間區(qū)分率高，光束不干擾流淌狀態(tài)。多普勒效應(yīng)爭(zhēng)論光源與觀測(cè)者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)接收到的光的頻率產(chǎn)生的影響。假設(shè)頻率為f的光入射到相對(duì)于探測(cè)器速度為v的運(yùn)動(dòng)物體上，則從物體上反射到探測(cè)器的光頻率為：c為真空中的光速光纖多普勒系統(tǒng)

激光器

f0f0f0f1f0-f1以速度v運(yùn)動(dòng)的被測(cè)物體f0±Δf混頻f1±ΔfΔf

v典型應(yīng)用血液流淌速度監(jiān)測(cè)傳感器運(yùn)動(dòng)物體速度監(jiān)測(cè)傳感器四．相位調(diào)制

概念利用外界因素轉(zhuǎn)變光纖中光波的相位，通過(guò)測(cè)量光相位的變化來(lái)測(cè)量外界物理量。特點(diǎn)靈敏度高，幾何外形敏捷多樣。工作對(duì)象廣泛。需要特殊光纖。目前市場(chǎng)上各類光探測(cè)器均不能夠感知光波相位的變化，必需承受光的干預(yù)技術(shù)將光的相位變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾膹?qiáng)度變化，才可以測(cè)量外界物理量。光纖傳感器中的相位調(diào)制技術(shù)包括兩局部：產(chǎn)生光相位變化的物理機(jī)理。光的干預(yù)技術(shù)。相位調(diào)制器是基于干預(yù)測(cè)量原理設(shè)兩束相干光的振幅分別為A1和A2，當(dāng)其中一束光的相位受到某種因素影響時(shí)，兩束光在干預(yù)域中產(chǎn)生干預(yù)，各點(diǎn)光強(qiáng)為：:外界因素所引起的兩束相干光之間的相位差。由A的變化可以獲得的變化，進(jìn)一步可以得出待測(cè)物理量的變化。：

構(gòu)成相位調(diào)制傳感器傳感探頭的幾種物理機(jī)理應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)光纖受到縱向〔軸向〕的機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，光纖的長(zhǎng)度〔應(yīng)變效應(yīng)〕、光纖的纖芯直徑〔泊松效應(yīng)〕、光纖的纖芯折射率〔光彈效應(yīng)〕都將發(fā)生變化，這些變化將導(dǎo)致光纖中的光波相位發(fā)生變化。當(dāng)光波通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖后，引起的光波相位延遲為光波在光纖中的傳播常數(shù)。當(dāng)光纖長(zhǎng)度或傳播速度發(fā)生變化時(shí)，引起的光波相位變化為a為光纖的纖芯半徑第一項(xiàng)：光纖的長(zhǎng)度變化引起的相位延遲〔應(yīng)變效應(yīng)〕其次項(xiàng)：光纖的感應(yīng)折射率變化引起的相位延遲〔光彈效應(yīng)〕第三項(xiàng)：光纖的纖芯直徑變化引起的相位延遲〔泊松效應(yīng)〕縱向應(yīng)變的相位調(diào)制----應(yīng)變效應(yīng)徑向應(yīng)變的相位調(diào)制----泊松效應(yīng)光彈效應(yīng)的相位調(diào)制其中，為光纖的纖芯折射率。a為光纖的纖芯半徑，L為光纖長(zhǎng)度，為光纖的光彈系數(shù)。為光纖的徑向應(yīng)變。為光纖的縱向應(yīng)變。溫度應(yīng)變效應(yīng)將光纖放置在變化的溫度場(chǎng)中，設(shè)溫度場(chǎng)的變化等效為作用力F時(shí)，則力的存在將影響光纖的長(zhǎng)度以及光纖的纖芯折射率將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生光波相位的變化。由作用力F所引起的光纖中的相位延遲為：溫度變化引起相位延遲光纖的長(zhǎng)度變化引起相位延遲光纖的纖芯折射率變化引起相位延遲幾種典型的光纖干預(yù)儀1.M-Z光纖干預(yù)儀構(gòu)造：原理：依據(jù)雙光束相干原理，兩個(gè)光探測(cè)器接收到的光強(qiáng)分別為：其中，為光源的光強(qiáng)，為耦合系數(shù)，為外界參量引起的相移由兩個(gè)光探測(cè)器接收到的光強(qiáng)變化，可檢測(cè)出的變化，進(jìn)一步得出外界參量。2.薩格納克光纖干預(yù)儀構(gòu)造：原理：當(dāng)閉合光路相對(duì)慣性空間以轉(zhuǎn)速Ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，順、逆時(shí)針傳播的光將產(chǎn)生一個(gè)非互易性的光程差，由于光程差又引入了兩相反傳播的光波之間的時(shí)間差，進(jìn)一步引入相位延遲。其中，A為光纖圈的面積，N為光纖的圈數(shù)，Ω為角速度。3.F-P光纖干預(yù)儀構(gòu)造：光程分別為：d,3d,5d……由于光程差引入了光波之間的時(shí)間差，進(jìn)一步引入相位延遲。各光束相干疊加，由光強(qiáng)的變化可以得出外界參量的變化。典型應(yīng)用：應(yīng)力傳感器，位移傳感器等。4.邁克爾遜干預(yù)儀構(gòu)造：光束被3dB耦合器分成兩路入射到光纖，然后，光從末端反射回來(lái)并經(jīng)過(guò)耦合器輸出到探測(cè)器。S(t)為外界信號(hào)，它引起兩臂的光程差，通過(guò)探測(cè)器對(duì)信號(hào)光強(qiáng)的檢測(cè)，可以獲得外界參量的大小。S(t)干預(yù)儀的分類第一類：M-Z光纖干預(yù)儀、薩格納克光纖干預(yù)儀、邁克爾遜干預(yù)儀檢測(cè)光強(qiáng)大小主要與兩束光的相差相關(guān)其次類：F-P光纖干預(yù)儀檢測(cè)光強(qiáng)大小主要與腔長(zhǎng)有關(guān),由多光束產(chǎn)生干預(yù)。五．偏振態(tài)調(diào)制概念：利用外界因素轉(zhuǎn)變光纖中光的偏振特性，通過(guò)測(cè)量光的偏振態(tài)的變化來(lái)測(cè)量外界物理量。特點(diǎn)：光纖具有低的固有雙折射。由于光纖自身雙折射，對(duì)偏振態(tài)調(diào)制的影響很大，嚴(yán)峻時(shí)甚至完全漂浮人為偏振態(tài)調(diào)制作用。光的偏振幅度差相位差光的偏振線偏振圓偏振橢圓偏振EkkEExEy朝k方向觀察逆時(shí)針：x-y=/2順時(shí)針：y-x=/2.k抱負(fù)圓對(duì)稱光纖中，完全簡(jiǎn)并，x=y，兩個(gè)模式的存在，對(duì)單模光纖的傳輸性質(zhì)及模式的偏振態(tài)沒(méi)有影響。假設(shè)光纖不是抱負(fù)的圓對(duì)稱波導(dǎo)時(shí)，xy，模式的簡(jiǎn)并性消逝，這種現(xiàn)象稱為單模光纖的雙折射。光纖中的雙折射雙折射媒質(zhì)的各向異性，不同方向介電常數(shù)不同，折射率不同光纖雙折射LPx01,LPy01失去簡(jiǎn)并,

x

y工藝中固有的不完善使光纖偏離抱負(fù)圓對(duì)稱，光纖彎曲隨機(jī)應(yīng)力各向異性雙折射參數(shù)Bk0真空中波數(shù)表明光纖雙折射的程度調(diào)制方法法拉第效應(yīng)

定義：在磁場(chǎng)作用下，偏振光的振動(dòng)面將會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，且光矢量旋轉(zhuǎn)的角度θ與光在物質(zhì)中通過(guò)的距離L，磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。θ=Vd

L

BVd為物質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)。主要應(yīng)用：

光纖電流傳感器，光纖磁場(chǎng)傳感器等

光纖電流傳感器示意圖

長(zhǎng)直導(dǎo)線上擾有N圈光纖，I為導(dǎo)線中通過(guò)的電流θ=Vd

N

I2.克爾電光效應(yīng)定義：當(dāng)線偏振光沿著與電場(chǎng)垂直的方向通過(guò)克爾盒〔克爾盒：在外電場(chǎng)作用下，物質(zhì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象〕時(shí)，分成光矢量沿著電場(chǎng)方向的O光矢量，和光矢量垂直電場(chǎng)方向的e光矢量，且克爾常數(shù)外電場(chǎng)強(qiáng)度光程差為：相位差為：出射光波的光強(qiáng)為：由光強(qiáng)的變化可以測(cè)得外界參量的大小。主要應(yīng)用：光纖電壓傳感器3.光彈效應(yīng)

定義：當(dāng)物質(zhì)的某個(gè)方向存在壓力或張力時(shí)，則物質(zhì)在該方向上的折射率和其它方向的折射率不同，設(shè)該方向上的偏振光的折射率為ne,與之垂直方向上的偏振光的折射率為no，則：

Δn=no-ne=kPK為物質(zhì)的壓強(qiáng)光學(xué)系數(shù)，P為外加壓強(qiáng)。同理，由折射率的變化可以獲得光程差，相位差，最終獲得出射光波的光強(qiáng)，由光強(qiáng)的變化可以測(cè)得外界參量的大小。主要應(yīng)用：光纖壓力、聲音、震驚、位移等傳感器六.時(shí)分調(diào)制

概念：利用外界因素，調(diào)制返回信號(hào)的基帶頻譜，通過(guò)檢測(cè)基帶的延遲時(shí)間、幅度大小的變化來(lái)測(cè)量各種物理量的大小和空間分布。特點(diǎn)：分布式傳感器的根底典型應(yīng)用：光纖光柵列車實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)，OTDR等分布式傳感分布式光纖傳感技術(shù)是在70年月末提出的,它是隨著現(xiàn)在光纖工程中仍應(yīng)用特別廣泛的光時(shí)域反射(ＯＴＤＲ)技術(shù)的消失而進(jìn)展起來(lái)的。在這十幾年里,產(chǎn)生了一系列分布式光纖傳感機(jī)理和測(cè)量系統(tǒng),并在多個(gè)領(lǐng)域得以逐步應(yīng)用。目前,這項(xiàng)技術(shù)已成為光纖傳感技術(shù)中最具前途的技術(shù)之一。分布式光纖傳感技術(shù)的特點(diǎn)①分布式光纖傳感系統(tǒng)中的傳感元件僅為光纖;②一次測(cè)量就可以獵取整個(gè)光纖區(qū)域內(nèi)被測(cè)量的一維分布圖,將光纖架設(shè)成光柵狀,就可測(cè)定被測(cè)量的二維和三維分布狀況;③系統(tǒng)的空間區(qū)分力一般在米的量級(jí),因而對(duì)被測(cè)量在更窄范圍的變化一般只能觀測(cè)其平均值;④檢測(cè)信號(hào)一般較微弱,因而要求信號(hào)處理系統(tǒng)具有較高的信噪比;⑤由于在檢測(cè)過(guò)程中需進(jìn)展大量的信號(hào)加法平均、頻率的掃描、相位的跟蹤等處理,因而實(shí)現(xiàn)一次完整的測(cè)量需較長(zhǎng)的時(shí)間。依據(jù)信號(hào)的性質(zhì),該類傳感技術(shù)可分為4類①利用后向瑞利散射的傳感技術(shù);②利用喇曼效應(yīng)的傳感技術(shù);③利用布里淵效應(yīng)的傳感技術(shù);④利用前向傳輸模耦合的傳感技術(shù)。①利用后向瑞利散射的傳感技術(shù);基于后向瑞利散射的傳感技術(shù)是現(xiàn)代分布式光纖傳感技術(shù)的根底,它在80年月初期得到了廣泛的進(jìn)展。然而由于該技術(shù)難以抑制測(cè)量精度低、傳感距離短的缺陷,目前在這方面的爭(zhēng)論已鮮有報(bào)道。當(dāng)一束脈沖光在光纖中傳播時(shí)，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性,會(huì)產(chǎn)生瑞利散射。假設(shè)外界物理量的變化能夠引起光纖的吸取、損耗特性或瑞利散射系數(shù)的變化,那么通過(guò)檢測(cè)后向散射光信號(hào)的強(qiáng)度就能夠獲得外界物理量的大小。目前基于對(duì)后向瑞利散射光進(jìn)展強(qiáng)度調(diào)制的傳感器有利用微彎損耗構(gòu)成的分布式光纖力傳感器、利用光纖材料在放射線照射下所引起光損耗構(gòu)成的分布式輻射傳感器,利用化學(xué)染料對(duì)光的吸取特性構(gòu)成的分布式化學(xué)傳感器,利用液芯光纖瑞利散射系數(shù)與溫度的關(guān)系構(gòu)成的分布式溫度傳感器。強(qiáng)度調(diào)制型偏振態(tài)調(diào)制型假設(shè)光纖受一些外界物理量的調(diào)制,那么光的偏振態(tài)就會(huì)隨之發(fā)生變化,而瑞利散射光在散射點(diǎn)的偏振方向與入射光一樣,所以在光纖的入射端對(duì)后向瑞利散射光的偏振態(tài)和光信號(hào)的延遲時(shí)間進(jìn)展檢測(cè)就可獲得外界物理量的分布狀況,由于磁場(chǎng),電場(chǎng),橫向壓力和溫度都能夠?qū)饫w中光的偏振態(tài)進(jìn)展調(diào)制,因此該技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)物理量的測(cè)量。②利用喇曼效應(yīng)的傳感技術(shù);光通過(guò)光纖時(shí),光子和光纖中的光聲子會(huì)產(chǎn)生非彈性碰撞,發(fā)生喇曼散射,波長(zhǎng)大于入射光為斯托克斯光,波長(zhǎng)小于入射光為反斯托克斯光。斯托克斯光與反斯托克斯光的強(qiáng)度比和溫度變化存在肯定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。利用這一特性和光時(shí)域反射技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)溫度的分布式傳感。基于拉曼散射的分布式