干涉儀馬赫-曾德爾

1、1,第四章 光電信息技術應用 4.1 光電檢測 4.2 光電控制 4.3 光纖通信 4.4 光纖傳感器 4.5 光電信息技術其它應用,2,一 直接作用法,受被測物理量控制的光通量，經(jīng)光電接收器轉換成電量后由檢測機構直接得到欲測的物理量，測量框圖如圖所示。直接測量法的最大優(yōu)點是簡單方便，儀器設備造價低廉。這種方法的缺點是檢測結果受參數(shù)、環(huán)境、電壓波動等影響較大，精度及穩(wěn)定性較差。適合于測量精度要求不高的場合。,根據(jù)檢測原理光電檢測的基本方法有直接作用法、差動法、補償法和脈沖法等。,4.1.1 光電檢測基本方法,3,4.1.1 光電檢測基本方法,二 差動法,利用被測量與某一標準量相比較，所得差或比

2、反映了被測量的大小。例如，用雙光路差動法測量物體的長度，如圖所示。,4,4.1.1 光電檢測基本方法,1調整：,放入標準工件的尺寸，調整光楔，使12，使A表讀數(shù)為“0”。,當工件尺寸無誤差時，使12，光電傳感器輸出U無交變分量，見圖。當工件尺寸變小時，12，US(1-2)R=SR。 當工件尺寸變大時，12，US(1-2)R=SR。,2測量：,3結論：,1測量值的大小決定于u的幅值，測量值的正負決定于u的相位. 2測量精度和靈敏度大大提高.,5,4.1.1 光電檢測基本方法,三、補償法,用光或電的方法補償由被測量變化而引起的光通量變化，補償器的可動元件聯(lián)接讀數(shù)裝置指示出補償量值，補償值的大小反映

3、了被測量變化的大小。,例如，單通道光電補償式測量,該檢測方法又稱補償直讀法，測量原理：由光敏電阻RG和電阻R0、R1、R2組成電橋，當無光照時，調整Rw使電橋平衡，當信號光照射光敏電阻時，其阻值RG下降為RG，使電橋失去平衡，檢流計G中有信號輸出。調整RW使電橋恢復平衡，調整RW時標尺指示器A隨之移動，電橋平衡時，A指示的數(shù)值就是待測量值的大小。以上是單通道電補償?shù)囊粋€例子。,6,4.1.1 光電檢測基本方法,1脈寬法測長,四、脈沖測量法,受被測量控制的光通量轉換成電脈沖，其參數(shù)（脈寬、相位、頻率、脈沖數(shù)量等）反映了被測量的大小。,圖給出了脈寬法測長的原理。,LvtvkNKN,以上對零件尺寸的

4、測量都要求勻速直線運動，實現(xiàn)起來較為困難，因此常用于精度要求不高的場合。,其中，k是高頻脈沖的時間當量，即表示單位高頻脈沖所代表的時間，而K是長度當量，即表示單位高頻脈沖所代表的長度。,7,4.1.1 光電檢測基本方法,8,4.1.1 光電檢測基本方法,3.頻率法測速,圖是測速的原理框圖。在轉動輪上均勻貼有反射片，光電傳感器可接收到與轉速相對應的光脈沖。設m為反射片數(shù)，n為每分鐘轉速，則,只要控制在一定的時間t內計數(shù)N，就可計算得到輪子的轉速。,f=nm/60=N/t，n=60N/(mt),9,4.1.2 幾何量檢測,一光電測距,1脈沖激光測距,脈沖激光測距利用了激光的發(fā)散角小，能量空間相對集

5、中的優(yōu)點。同時還利用了激光脈沖持續(xù)時間極短，能量在時間上相對集中的特點。因此瞬時功率很大，一般可達兆瓦級。,脈沖激光測距的工作原理，如圖：在1處產(chǎn)生的激光，經(jīng)過待測的路程射向2處。在2處裝有向1處反射的裝置，1處至2處間的距離D是待測的。如果在1處有一種裝置，它能夠測出脈沖激光從1處到達2處再返回1處所需要的時間t，則D=ct/2，式中 c 為光的傳播速度。,10,4.1.2 幾何量檢測,2相位測距法,相位式測距儀采用了與上述相似的方法來測量距離，不過它所采用的測尺不是卷尺，而是“光尺”，這把“光尺”是通過對光的強度進行調制實現(xiàn)的。,11,4.1.2 幾何量檢測,測距用的調制光波形如圖所示，若

6、其調制頻率為f，光速為c，則波長可由下式求出： =c/f,2相位測距法,由于調制光波在傳播過程中其相位是不斷變化的。如果設光波從A到B點的傳播過程中相位變化(又稱為相位移)為，則由圖4.1.25看出，可由2的倍數(shù)來表示：M2+=(M+m)2 從圖4.1.25可看出，光波每前進一個波長，相當于相位變化了2，因此距離D可表示如下： D(M+m),12,4.1.2 幾何量檢測,三. 光電測長,普通單色光源的單色性不夠好，限制了可測量的長度，且普通光源的亮度也不夠。自從激光誕生后，由于它的單色性、亮度高，很快成了精密測量中的理想光源。,激光光波比長儀實質上就是一個以激光器作光源的干涉儀，其簡化結構如圖

7、，待測物體的長度可按下式計算而得：,LN/2 式中 L待測物體的長度；光的波長；N 計數(shù)器測得的脈沖數(shù)。,4.1.4 溫度檢測,一工作原理,熱體的溫度可以通過處理其所發(fā)出的輻射能來求得。輻射高溫計就是以發(fā)射體的輻射強度和光譜成分來確定熱體溫度的儀表。,根據(jù)斯蒂芬波茲曼定律。物體在單位時間內單位面積上，波長從0所輻射的總能量為 ET4，測出輻射能E就可以得到物體的溫度T。,14,4.1.4 溫度檢測,測量波長從0整個波譜范圍內的輻射功率來確定溫度的儀器稱為全輻射測溫儀。但考慮到光電器件的光譜響應以及光學系統(tǒng)的光譜透過率等因素，利用光電器件接收不可能成為全輻射型。稱為部分輻射光電高溫計。,如100

8、0度的目標時，石英透鏡只能透過0.24m的輻射，占總65,若采用PbS光敏電阻因為它的光譜響應范圍只占某一波段，其響應的范圍更小。,15,4.1.4 溫度檢測,1、溫度直接測量法的原理框圖如圖所示。,目前光電高溫計的類型很多，按作用原理大致分為五類： 1）部分輻射法；2）亮度法；3）比色法；4）三色測溫法； 5）最大波長法；6)直接測量法,16,4.1.4 溫度檢測,二 部分輻射光電高溫計,1原理,采用光電信息轉換器件對部分輻射進行敏感測量，采用補償法。,2. 結構,結構框圖如圖所示。圖中，由熱體輻射的能量，經(jīng)透鏡聚焦后照射在調制盤上。,17,4.1.4 溫度檢測,調制盤結構如圖所示，1為熱體

9、輻射的光通量，2是參考光通量，調整 可變電阻R可改變2的光通量。,由調制盤的結構可知，1和2交替照射在光敏電阻上，光敏電阻輸出U 的波形如圖4.1.44.,18,4.2. 光電控制 4.2.1 光電繼電器 4.2.2 光電遙控 4.2.3 光纖開關,19,4.2.1 光電繼電器,一繼電器原理,繼電器是低壓電路控制高壓電器通與不通的聯(lián)接器件。,繼電器結構及工作原理如圖4.2.11所示。繼電器的電路符號如圖4.2.12所示。,20,4.2.1 光電繼電器,一繼電器原理,21,二光電繼電器,光電繼電器： 用光電信息轉換器件控制繼電器的通與斷開,按原理分類：亮通和暗通兩類,亮通(明通)光電控制電路：有

10、光照射于光電器件上使繼電器有足夠的電流而動作,22,二光電繼電器,亮通和暗通是相對而言的，可以通過哪些方式將兩者相互轉換？,當光線較慢地連續(xù)變化，上述亮通或暗通控制電路有什么缺點？可以采取什么樣的方式補償這種缺點？,23,三用電子開關代替繼電器,電子開關不能完全隔斷高壓區(qū)，為了隔斷高壓區(qū)和低壓區(qū)，可以使用光電耦合雙向可控硅或聯(lián)合使用光電耦合器和雙向可控硅。,24,三用電子開關代替繼電器,25,雙向可控硅基本結構,雙向可控硅基本結構如圖所示。有兩個主電極T1、T2（T2是電位參考電極）和一個門極。它可以看成是一對反并聯(lián)的普通可控硅晶體管。圖中 (a)為基本結構，(b)為雙向可控硅的符號，(c)為

11、雙向可控硅型號的部頒標準。,四雙向可控硅觸發(fā)電路,26,雙向可控硅特性曲線如圖所示。從圖中可知，高壓的正電壓和反電壓都能使可控硅導通，只要G對T2加觸發(fā)電壓，正向觸發(fā)電壓和反向觸發(fā)電壓都能使可控硅導通，但導通時可控硅兩端有壓降存在，導通電流越大，壓降越大，顯然，消耗的功率也大，這時，一定要采取散熱措施。,雙向可控硅特征曲線,27,雙向可控硅有四種觸發(fā)方式，工作在第一象限有二種觸發(fā)方式1和1，工作在第三象限有二種觸發(fā)方式3和3。,1觸發(fā)形式：T1對T2加正電壓，G對T2加正電壓； 1觸發(fā)形式：T1對T2加正電壓，G對T2加負電壓； 3觸發(fā)形式：T1對T2加負電壓，G對T2加正電壓； 3觸發(fā)形式：

12、T1對T2加負電壓，G對T2加負電壓；,雙向可控硅使用時，一般采用第一和第三象限的組合，但由于雙向可控硅元件的結構關系，3觸發(fā)形式在使用時所需控制級功率較大，故相對少用，而13和13的觸發(fā)組合方式使用較多。,雙向可控硅的觸發(fā)方式,28,五 雙向可控硅觸發(fā)電路,29,圖(a)簡單的光控霓虹燈電路，采用的光敏器件為光敏電阻；,六 光電繼電器的應用,路燈、霓虹燈的自動控制電路,圖(b)電路提高了霓虹燈控制的靈敏度，采用的光敏器件為光敏三極管；,30,防止閃電等短時干擾的路燈控制電路如圖所示,31,4.4 光纖傳感器 4.4.1 元件型光纖傳感器 4.4.2 傳輸型光纖傳感器,32,一、光纖,1、光纖

13、（Optical Fiber）是由純石英拉制的而成的高度透明的玻璃絲。常用的通信光纖為降低傳輸損耗均由三部分組成：纖芯、包層、表面涂層，并且纖芯折射率略高于包層折射率。,2、光纖種類非常多，分類標準也不同 ：,1）按材料種類分，常見有三種：全石英光纖、塑包石英光纖、全塑光纖,2）按折射率徑向分布的不同，光纖可分為：階躍折射率分布光纖和漸變折射率分布光纖。如圖所示。,33,折射光到達纖芯包層界面時，若入射角大于臨界角c時，將發(fā)生全反射，若包層折射率為n2，則定義為,3、光纖的導光原理,1）階躍折射率分布光纖的射線理論,光纖的導光原理可用射線理論與導波理論兩種方法進行分析。,右圖為光波在階躍折射率

14、分布光纖中的傳播路徑。,所有 c的光線都將被限制在光纖芯中，這就是光纖導光的基本原理。,光纖的一個外特性參量是光纖的數(shù)值孔徑(Numerical Aperture)，它代表了光纖的集光能力：,NA = n0sini = n1cosc = (n12-n22)2,在光纖技術中常引用相對折射率差,34,2）利用導波理論可將光纖分為多模光纖與單模光纖。,因此NA近似的可表示為：,NA數(shù)值孔徑代表光纖的集光能力，只取決于折射率，而與光纖的芯徑無關。這個結論在一般的多模光纖中是正確的。但當光纖芯徑降到一定值時，此時射線理論不能解釋可能產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象，數(shù)值孔徑的概念實際不存在。因此在單模光纖中不用數(shù)值孔徑的

15、概念。有時是為了形象比較而借用此名稱，但并不直接表征接收角的大小。,多模光纖的纖芯直徑2a = 50m ，單模光纖的纖芯直徑2a = 8 12m，包層直徑均為50m。在多模光纖中，可以激勵起大量的傳輸模式，不同模式在橫向的功率分布是不同的，入射的光功率按一定比例分配給這些模式進行傳播，不同模式在軸向的傳播常數(shù)不同。在單模光纖中，通常只能激勵起一個模式，稱為基模。,3）光纖的兩個重要特性：損耗特性和色散特性,35,36,4.4.1 元件型光纖傳感器,一、微彎損耗光纖傳感器,基于微彎損耗機理的強度調制型傳感器的結構如圖所示 。傳感光纖被夾在一個變形器中，變形器具有一定的變形函數(shù)，當外力使變形器的上

16、下兩部分靠近，則光纖將會按照變形器的變形函數(shù)形狀發(fā)生彎曲變形，光纖中傳輸光產(chǎn)生損耗。因此由光纖中光功率的數(shù)值可得到諸如壓力、位移等被測量的大小。,37,設光纖的微彎變形函數(shù)為正弦型,式中D(t) 外界信號導致的彎曲幅度； q 空間頻率； z 變形點到光纖入射端的距離； 設光纖微彎變形函數(shù)的微彎周期為T，則有,根據(jù)光纖模式理論，可得到微彎損耗系數(shù) 的近似表達式:,38,式表明，與光纖彎曲幅度D(t)的平方成正比，彎曲幅度越大，模式耦合越嚴重，損耗就越高。 還與光纖彎曲變形的長度成正比，作用長度越長，損耗也越大。 與光纖微彎周期有關，當 時產(chǎn)生諧振，微彎損耗最大。因此，從獲得最高靈敏度的角度考慮，

17、需要選擇合適的微彎周期。,39,二、干涉式光纖傳感器,對上式微分得：,式中，第一項表示光纖長度變化引起的相位差（應變效應或熱脹效應），第二項為光纖折射率變化引起的相位差（光彈效應或熱光效應），第三項為光纖芯徑變化引起的相位差（泊松效應）。,對調制在相位中的信號需要進行解調，用于光相位解調的干涉結構有多種，如雙光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法及環(huán)形干涉法等，此處主要介紹雙光束干涉法。,光波通過長度為 的光纖，其相位延遲為,其中為光波在光纖中的傳播常數(shù)，nk0,40,雙光束光纖干涉儀有邁克爾遜(Michlson)干涉儀、馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)干涉儀及斐索(Fizeau)干涉

18、儀，基本結構如圖所示。,在邁克爾遜干涉儀中，光源發(fā)射光經(jīng)3dB光纖耦合器被分成功率相等的兩部分，分別進入信號臂光纖與參考臂光纖，然后分別被端面的反射鏡反射回各自的光纖中，在信號臂光纖中傳輸?shù)墓獠ㄏ辔槐徽{制，在參考臂光纖中傳輸?shù)墓獠ㄏ辔慌c外界無關。被反射回來的光波在3dB耦合器另一端匯合，產(chǎn)生干涉條紋，信號由與此端相連的探測器接收。,1）邁克爾遜干涉儀,41,2）馬赫-曾德爾干涉儀,3）斐索干涉儀,馬赫-曾德爾干涉儀使用了兩個3dB耦合器，光源發(fā)出的相干光由第一個3dB耦合器進入信號臂光纖與參考臂光纖，在經(jīng)第二個3dB耦合器后在探測器端匯合，產(chǎn)生干涉條紋。馬赫-曾德爾干涉儀的優(yōu)點是克服了邁克爾遜

19、干涉儀中反饋光波對光源的影響，得到廣泛的應用。,在斐索干涉儀中，光源發(fā)出的相干光束經(jīng)3dB耦合器進入傳輸光纖，在光纖出射端一部分被光纖端面反射回光纖中，一部分從光纖輸出后又被一個外部的反射鏡反饋回光纖中，這兩部分反饋光在耦合器的另一端匯合產(chǎn)生干涉條紋。通常在光纖出射端加一自聚焦透鏡來提高外部反饋光的耦合效率。這種干涉儀的特點是結構非常簡單，通過改變光纖端面與外部反射鏡的間距就可以實現(xiàn)對光纖中光波相位的調制。,42,現(xiàn)以雙光束干涉儀為例來分析干涉場。設信號光與參考光的場強分別為：,兩光束相干產(chǎn)生的干涉場分布為,相應的光強分布為,這樣，可將相位變化轉換為強度變化，可以獲得被測信號的大小。,43,光

20、纖光柵是利用光纖的光折變效應，使纖芯折射率沿軸向產(chǎn)生周期性變化，在纖芯內形成空間相位光柵。光纖光柵根據(jù)其折射率分布形式有光纖Bragg光柵、啁啾光柵等 光纖Bragg光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）是一種反射型濾波器件，其機理是后向傳播的LP01模與前向傳播的LP01模之間發(fā)生耦合，根據(jù)相位匹配條件，要求光柵周期很小，一般小于1m。FBG的傳輸特性如圖所示。,三、光纖光柵傳感器,FBG的反射光波中心波長為,45,由于光纖光柵的柵距是沿光纖軸向分布的，因此在外界信號如溫度、壓力的作用下，光纖將產(chǎn)生軸向應變與折射率變化，柵距也隨之變化，導致反射波長變化：,光纖光柵的反射波長受

21、到被測量的調制產(chǎn)生偏移，解調出波長變化就可以得到被測量。解調方法有光譜法，用光譜儀直接測量反射譜或透射譜，是最簡單的方法，但光譜儀的價格較高，而且不適合在線實時測量。此外還有波長掃描法、光學濾波法及干涉法。在此介紹干涉解調法。,由光纖光柵反射回來的光波進入不等臂馬赫-曾德爾干涉儀，設干涉儀參考臂與測量臂幾何長度差為 ，則干涉信號相位為：,當反射波長變化 ，則干涉信號相位亦隨之改變，變化量為：,由相位變化量可以得到波長偏移量，進而獲得溫度或壓力信息。,46,四、法拉第電流傳感器,法拉第電流傳感器是利用光纖的磁光效應實現(xiàn)電流測量的，按調制參數(shù)分類，則屬于偏振調制型。磁光效應，又稱法拉第（Farad

22、ag）效應，是指某些物質在外磁場的作用下，使通過它的線偏振光的偏振方向發(fā)生偏轉。設法拉第材料的長度為l，沿長度方向施加的外磁場強度為H，則線偏振光通過它后偏振方向旋轉的角度為,光纖的磁光效應最典型的應用就是高壓傳輸線用的電流傳感器，其結構如圖所示。將光纖繞在被測導線上，設圈數(shù)為N，導線中通過的電流為I，由安培環(huán)路定律，距導線軸心為R處的磁場為,47,由以上兩式可得偏轉角,通過光纖的光偏振面偏轉角與被測電流及光纖的匝數(shù)成正比，與光纖圈半徑大小無關,由于探測器不能直接檢測光的偏振態(tài)，需要將光偏振態(tài)的變化轉換為光強度信號。一種檢測方法采用Wollaston棱鏡WP，由光源發(fā)射的激光經(jīng)起偏器P1變?yōu)榫€偏振光進入傳感光纖，在輸出端將檢偏器P2輸出的正交偏振分量在空間上分成兩路輸出，分別被探測器1與探測器2接收。探測器1與探測器2接收的光強信號分別為,經(jīng)信號處理可得到偏振面的偏轉角,該解調方法的特點是可以有效消除光源強度波動對測量結果的不利影響。,48,4.4.2 傳輸型光纖傳感器,一、反射式位移傳感器,反射式位移傳感器 ，其基本原理