第五章 光纖傳感器

1、光纖傳感器技術(shù)光纖傳感器技術(shù)光纖傳感器概述光纖傳感器概述 光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù) 定義定義: :以光波為信息載體以光波為信息載體, ,以光纖為傳輸媒質(zhì)或以光纖為傳輸媒質(zhì)或者以光纖為信息敏感器件的同時(shí)又作為信息傳者以光纖為信息敏感器件的同時(shí)又作為信息傳輸介質(zhì)。輸介質(zhì)。 發(fā)展方向：發(fā)展方向： 1)特殊光纖研制。特殊光纖研制。 2)提高元器件的性能和穩(wěn)定性，逐步達(dá)到提高元器件的性能和穩(wěn)定性，逐步達(dá)到商品化。商品化。 3)多點(diǎn)檢測(cè)、遙測(cè)、分布式光纖傳感器系多點(diǎn)檢測(cè)、遙測(cè)、分布式光纖傳感器系統(tǒng)。統(tǒng)。 4)新型原理的光纖傳感器。新型原理的光纖傳感器。光纖傳感器技術(shù)的特點(diǎn)光纖傳感器技術(shù)的特點(diǎn) 光纖傳感器較

2、傳統(tǒng)的傳感器相比有許多持點(diǎn)：光纖傳感器較傳統(tǒng)的傳感器相比有許多持點(diǎn)： 靈敏度高靈敏度高 頻帶寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大頻帶寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大 抗電磁干擾，耐高壓，耐腐蝕，保密性好，在抗電磁干擾，耐高壓，耐腐蝕，保密性好，在易燃易爆環(huán)境下安全可靠易燃易爆環(huán)境下安全可靠 質(zhì)輕體小，可撓曲，幾何形狀具有多方面的適質(zhì)輕體小，可撓曲，幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性應(yīng)性 可以與光纖遙測(cè)技術(shù)相配合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量可以與光纖遙測(cè)技術(shù)相配合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制和控制 由光纖傳感器組成的光纖傳感器系統(tǒng)，便于與由光纖傳感器組成的光纖傳感器系統(tǒng)，便于與計(jì)算機(jī)相連接，響應(yīng)快，能實(shí)時(shí)在線測(cè)量和自計(jì)算機(jī)相連接，響應(yīng)快，能實(shí)時(shí)在線測(cè)量

3、和自動(dòng)控制動(dòng)控制光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類 1按傳感的原理來(lái)分：按傳感的原理來(lái)分： 功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器 非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器 2按光纖中光波調(diào)制原理來(lái)分：按光纖中光波調(diào)制原理來(lái)分： 強(qiáng)度調(diào)制，頻率調(diào)制，波長(zhǎng)調(diào)制，相位調(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制，頻率調(diào)制，波長(zhǎng)調(diào)制，相位調(diào)制和偏振調(diào)制光纖傳感器。偏振調(diào)制光纖傳感器。 3按測(cè)量對(duì)象來(lái)分：按測(cè)量對(duì)象來(lái)分： 位移、壓力、溫度、流量、速度、加速度、振位移、壓力、溫度、流量、速度、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、電壓、電流、磁場(chǎng)、化學(xué)量、生物動(dòng)、應(yīng)變、電壓、電流、磁場(chǎng)、化學(xué)量、生物量等光纖傳感器。量等光纖傳感器。功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器

4、 利用光纖本身的某種敏感特性或功能制作的傳感器稱為功能型傳感器功能型傳感器： “傳”和“感”合為一體，光纖不僅傳輸光波，而且感知被測(cè)參數(shù)的變化。光纖本身就是傳感頭。非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器 光纖僅起傳輸光波的作用，必須在光纖中間或端面加裝其他敏感元件才能構(gòu)成傳感器，稱為傳光型傳傳光型傳感器感器，即非功能型光纖傳感器。 它又分為兩種。 種是將敏感元件置于入射與接收光纖中間，在被測(cè)對(duì)象的作用下，或使敏感元件遮斷光路，或使敏感元件的光透射率發(fā)生變化，這樣，光探測(cè)器所探測(cè)光量便成為被測(cè)對(duì)象調(diào)制后的信號(hào)； 另一種是在光纖一端設(shè)置“敏感元件+發(fā)光元件”的組合部件，敏感元件感受被測(cè)對(duì)象的作用并將

5、其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后作用于發(fā)光元件，而發(fā)光元件的發(fā)光強(qiáng)度作為測(cè)量所得的信息。光纖傳感系統(tǒng)的基本構(gòu)成光纖傳感系統(tǒng)的基本構(gòu)成 光纖傳感器系統(tǒng)包括光源，光纖，傳感頭，光探測(cè)器和信號(hào)處理電路等。光電探測(cè)器信號(hào)檢測(cè)與處理傳感頭傳輸光纖光源光纖傳感器的光源的要求 由于光纖傳感器中光纖細(xì)而長(zhǎng)，若使光波能在其中正常傳播，并滿足測(cè)量要求，則對(duì)光源的結(jié)構(gòu)與性能有一定要求： (1)由于光纖傳感器結(jié)構(gòu)所限，要求光源的體光源的體積小積小，便于與光纖耦合； (2)光源要有足夠的亮度足夠的亮度，以提高傳感器輸出的光功率； (3)光源發(fā)出的光波長(zhǎng)應(yīng)適合光源發(fā)出的光波長(zhǎng)應(yīng)適合，以減少光波在光纖中傳閉時(shí)的能量損耗； (4)光源工作時(shí)

6、穩(wěn)定性好、噪聲小穩(wěn)定性好、噪聲小，能在室溫下連續(xù)長(zhǎng)期工作； (5)光源要便于維護(hù)，使用方便。便于維護(hù)，使用方便。光纖傳感器用光探測(cè)器的要求 (1)線性好，線性好，按比例地將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)； (2)靈敏度高，靈敏度高，能敏感微小的輸入光信號(hào)，并輸出較大的電信號(hào)； (3)響應(yīng)頻帶寬、響應(yīng)運(yùn)度快，動(dòng)態(tài)特性好；響應(yīng)頻帶寬、響應(yīng)運(yùn)度快，動(dòng)態(tài)特性好； (4)性能穩(wěn)定，噪聲小性能穩(wěn)定，噪聲小等。光調(diào)制技術(shù)光調(diào)制技術(shù) 按照調(diào)制方式分類，光調(diào)制可以分為強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制和波長(zhǎng)調(diào)制等。強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器 光強(qiáng)度調(diào)制型：光強(qiáng)度調(diào)制型：用被測(cè)對(duì)象引起光纖中光強(qiáng)度的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)被

7、測(cè)對(duì)象的檢測(cè)。 分為內(nèi)調(diào)制型內(nèi)調(diào)制型和外調(diào)制型外調(diào)制型兩種 外調(diào)制型：光纖僅起傳光作用，光纖本身特性不改變，調(diào)制過(guò)程發(fā)生在光纖以外的環(huán)節(jié)。屬于傳光型傳感器。 內(nèi)調(diào)制型：調(diào)制過(guò)程發(fā)生在光纖內(nèi)部，是通過(guò)光纖本身特性的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度的調(diào)制，屬于功能型光纖傳感器。有兩種途徑： 1) 改變光纖的幾何形狀，從而改變光線的傳播入射角。 2) 改變光纖纖芯或包層的折射率。如采用電光材料、磁光材料、光彈性材料，微彎效應(yīng)等。強(qiáng)度調(diào)制的原理 1 由光的傳播方向改變引起的強(qiáng)度調(diào)制 2 由透射率的改變引起的強(qiáng)度調(diào)制 3 由光纖中光的模式的改變引起的強(qiáng)度調(diào)制 4 由折射率改變引起的強(qiáng)度調(diào)制 5 由光吸收系數(shù)的改變引起的

8、強(qiáng)度調(diào)制 a.利用光纖的吸收特性引起的強(qiáng)度調(diào)制 b.利用半導(dǎo)體的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制光的傳播方向改變引起的強(qiáng)度調(diào)制光的傳播方向改變引起的強(qiáng)度調(diào)制 Intensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(1) Intensity Sensors(1)LightMovable ReflectorMultimode FiberMultimode Grating Sensors(2) Based on Relative Movement of Opposed GratingsLight inLight outOpposed Grating Stru

9、ctureGRINrod Microlens透射率的改變引起的強(qiáng)度調(diào)制（透射率的改變引起的強(qiáng)度調(diào)制（1）透射率的改變引起的強(qiáng)度調(diào)制（透射率的改變引起的強(qiáng)度調(diào)制（2）入射光纖出射光纖準(zhǔn)直透鏡聚焦透鏡可動(dòng)遮光屏Intensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(3) Intensity sensors(3): Microbend Sensors The sensed parameter (strain, pressure, force, position, acceleration can be mechanically coupled t

10、o displacement of a device that deforms the fiberFiberDisplacement光纖中光的模式的改變引起的強(qiáng)度調(diào)制光纖中光的模式的改變引起的強(qiáng)度調(diào)制微彎調(diào)制器Intensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(4) Intensity sensors(3): Liquid-level sensor The light returned in air with total internal reflection from a prism is 15 dB above the value

11、in water. AirLiquid折射率改變引起的強(qiáng)度調(diào)制折射率改變引起的強(qiáng)度調(diào)制Intensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(4) Encoder-Based Position Sensors Using an encoder plate to provide linear or rotary displacement measurement.WavelengthLightPhotodiodesw1w2w3w4w1w3w412 3 4WavelengthLightCombinerEncoder plateWavelength

12、 dividerIntensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(5) Variety of Sensor ConstructionGradient index lensMirrorsRefractive index test liquidSpacerTemperature sensorPressure sensorPressureMultimode fiberTemperatureTemperature sensorLiquid refractive index由光吸收系數(shù)的改變引起的強(qiáng)度調(diào)制由光吸收系數(shù)的改變引起的強(qiáng)度調(diào)制 a.利

13、用光纖的吸收特性引起的強(qiáng)度調(diào)制 X射線，射線會(huì)使光纖的吸收損耗增加，輸出功率降低，從而構(gòu)成強(qiáng)度調(diào)制的輻射量傳感器。改變光纖的材料可對(duì)不同的射線進(jìn)行測(cè)量。 b.利用半導(dǎo)體的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制 大多數(shù)半導(dǎo)體對(duì)光的吸收都隨著溫度的變化而線性變化，因此可對(duì)輸出功率進(jìn)行調(diào)制，制成光纖溫度傳感器。移動(dòng)球鏡光學(xué)開(kāi)關(guān)傳感器 這是種高靈敏度面檢測(cè)裝件。 光強(qiáng)為I0的光束,通過(guò)發(fā)送光纖照射到球鏡上。球透鏡把光束聚集列兩個(gè)接收光纖的端面上。 當(dāng)球透鏡在平衡位置時(shí)，從兩個(gè)接收光纖得到的光強(qiáng)I1和I2是相同的； 如果球透鏡在垂直于光路的方向上產(chǎn)生微小位移時(shí)，在兩個(gè)接收光纖上得到的光強(qiáng)I1和I2 將發(fā)生變化。光強(qiáng)比值I

14、1/I2 的對(duì)數(shù)值與球透鏡位移x呈線性關(guān)系，但與初始光強(qiáng)無(wú)關(guān)。球鏡位移與光強(qiáng)比值的變化關(guān)系反射型光纖位移傳感器 光源發(fā)出的光進(jìn)入發(fā)送光纖,從光纖測(cè)頭端面射出，照射到A面上,A面的反射光有一部分進(jìn)入接收光纖。當(dāng)當(dāng)A面到測(cè)頭端面之間的距離面到測(cè)頭端面之間的距離z變化時(shí)變化時(shí),進(jìn)入接收光進(jìn)入接收光纖的光強(qiáng)度出隨之發(fā)生變化纖的光強(qiáng)度出隨之發(fā)生變化,從而使光探測(cè)器上發(fā)出的電信號(hào)也隨之發(fā)生變化。很明顯。這是種振振幅調(diào)制型的位移傳感器。幅調(diào)制型的位移傳感器。反射鏡面頻率調(diào)制光纖傳感器頻率調(diào)制光纖傳感器 頻率調(diào)制就是利用外界因素改變光纖中光頻率調(diào)制就是利用外界因素改變光纖中光的頻率，通過(guò)測(cè)量頻率的變化來(lái)測(cè)量外

15、界的頻率，通過(guò)測(cè)量頻率的變化來(lái)測(cè)量外界被測(cè)參數(shù)。被測(cè)參數(shù)。 光的頻率調(diào)制是在有限的一些物理?xiàng)l件下光的頻率調(diào)制是在有限的一些物理?xiàng)l件下出現(xiàn)的，最重要的物理現(xiàn)象要屬反射光束出現(xiàn)的，最重要的物理現(xiàn)象要屬反射光束的多普勒頻移。的多普勒頻移。 此外，還有一些物理現(xiàn)象，如吸收和磷光此外，還有一些物理現(xiàn)象，如吸收和磷光現(xiàn)象，以及某些非線性光學(xué)效應(yīng)現(xiàn)象，以及某些非線性光學(xué)效應(yīng)-布里淵布里淵散射和卡曼散射等。散射和卡曼散射等。多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng) 當(dāng)頻率為當(dāng)頻率為f的光入射到沿與光線平行方向運(yùn)動(dòng)且相的光入射到沿與光線平行方向運(yùn)動(dòng)且相對(duì)觀察者速度為對(duì)觀察者速度為v的物體上時(shí)，從該運(yùn)動(dòng)物體反的物體上時(shí)，從該運(yùn)動(dòng)物體

16、反射的光的頻率將變?yōu)樯涞墓獾念l率將變?yōu)閒D，這種現(xiàn)象就是眾所周知，這種現(xiàn)象就是眾所周知的多普勒效應(yīng)，的多普勒效應(yīng)，fD稱為多普勒頻率，可由下式確稱為多普勒頻率，可由下式確定：定： 由于一般運(yùn)動(dòng)物體的速度遠(yuǎn)小于光速由于一般運(yùn)動(dòng)物體的速度遠(yuǎn)小于光速c，因此而，因此而得到上式后面的近似式。得到上式后面的近似式。cvfcvffD11若將若將c=f的關(guān)系式代入上式，且假定入射光的關(guān)系式代入上式，且假定入射光與與v之夾角為之夾角為，則可得：，則可得： 或?qū)懗啥嗥绽疹l移：或?qū)懗啥嗥绽疹l移： 只要能測(cè)出只要能測(cè)出f便很容易求出物體運(yùn)動(dòng)速度便很容易求出物體運(yùn)動(dòng)速度v。cosvffDcosvfffD c為真空中光

17、速，為真空中光速，為物體至光源方向與物體運(yùn)動(dòng)為物體至光源方向與物體運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角。但是一般最關(guān)心的還是運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角。但是一般最關(guān)心的還是運(yùn)動(dòng)物體所散射的光的物體所散射的光的頻移頻移,而光源與觀察者則是相對(duì)而光源與觀察者則是相對(duì)靜止的。對(duì)于這種情況可以作為一個(gè)雙重多普靜止的。對(duì)于這種情況可以作為一個(gè)雙重多普勒勒頻移頻移來(lái)考慮。即先考慮從光源到運(yùn)動(dòng)物體然來(lái)考慮。即先考慮從光源到運(yùn)動(dòng)物體然后再考慮從運(yùn)動(dòng)物體到觀察者。后再考慮從運(yùn)動(dòng)物體到觀察者。雙重多普勒頻移 物體P相對(duì)于光源S運(yùn)動(dòng)時(shí)，在P點(diǎn)觀察到的光頻率f1為： f1=f1-(v/c)21/21-(v/c)cos1 頻率f1的光通過(guò)物體P

18、產(chǎn)生散射，在Q處所觀察到的光頻率f2為： f2=f11-(v/c)21/21-(v/c)cos2 聯(lián)立，并考慮到vc，可近似把雙重多普勒頻移公式表示為： f2=f11-cos11-cos2 其中S為光源,P為運(yùn)動(dòng)物體,Q是觀察者所處的位置。頻率檢測(cè)頻率檢測(cè) 對(duì)光的頻率的檢測(cè)不象對(duì)強(qiáng)度的檢對(duì)光的頻率的檢測(cè)不象對(duì)強(qiáng)度的檢測(cè)那樣簡(jiǎn)單測(cè)那樣簡(jiǎn)單-直接將光耦合到探測(cè)直接將光耦合到探測(cè)器上即可。器上即可。 由于光探測(cè)器響應(yīng)速度遠(yuǎn)低于光頻，由于光探測(cè)器響應(yīng)速度遠(yuǎn)低于光頻，不能用來(lái)測(cè)量光頻而只能用來(lái)測(cè)量不能用來(lái)測(cè)量光頻而只能用來(lái)測(cè)量光強(qiáng)，所以，必須把高頻光信號(hào)轉(zhuǎn)光強(qiáng)，所以，必須把高頻光信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)才能探

19、測(cè)頻移從而達(dá)換為低頻信號(hào)才能探測(cè)頻移從而達(dá)到測(cè)量運(yùn)動(dòng)速度的目的。有兩種方到測(cè)量運(yùn)動(dòng)速度的目的。有兩種方法可以測(cè)量頻移，即法可以測(cè)量頻移，即零差檢測(cè)零差檢測(cè)和和外外差檢測(cè)差檢測(cè)。1.零差檢測(cè) 下圖是一個(gè)采用零差檢測(cè)法的光纖運(yùn)動(dòng)粒下圖是一個(gè)采用零差檢測(cè)法的光纖運(yùn)動(dòng)粒子速度傳感器的框圖。子速度傳感器的框圖。激光器DM光纖頻譜分析儀k1k2頻率調(diào)制零差檢測(cè)原理頻率調(diào)制零差檢測(cè)原理分析 He-Ne激光器發(fā)出的頻率為f的單色光入射到分束器上，分束器將輸入光分成兩束，一束由反射鏡M送到探測(cè)器D上作為參考光，另一束注入光纖，光經(jīng)光纖傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)粒子上，運(yùn)動(dòng)粒子產(chǎn)生的具有多普勒頻移的后向散射光將部分地被同一光纖接

20、收，經(jīng)分束器后再到達(dá)探測(cè)器，這就是信號(hào)光，在探測(cè)器上信號(hào)光和參考光混頻產(chǎn)生差頻信號(hào)。如果參考光為： 信號(hào)光為： tiwEtER00exp tiwEtESSexp0式中，w0為輸入光的角頻率；ws為散射光角頻率。 在探測(cè)器上，兩束光疊加，其振幅和強(qiáng)度分別為： tEtEtESR wtItwwEtEtEtIscos1cos100200wwws是待測(cè)角頻率200EI是入射光強(qiáng)因此探測(cè)器輸出的是002wwfffss的電信號(hào)將這一信號(hào)送入頻譜分析儀即可求得f的大小，進(jìn)而得到fs和被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度。注意注意 這里需要指出的是，信號(hào)頻率這里需要指出的是，信號(hào)頻率fs可能大可能大于也可能小于于也可能小于f0，

21、這主要取決于運(yùn)動(dòng)物，這主要取決于運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)方向，但常用的頻譜分析儀體的運(yùn)動(dòng)方向，但常用的頻譜分析儀只能顯示正頻率，對(duì)負(fù)頻率沒(méi)有意義，只能顯示正頻率，對(duì)負(fù)頻率沒(méi)有意義，因而采用零差檢測(cè)法測(cè)出的因而采用零差檢測(cè)法測(cè)出的f只能測(cè)只能測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)速度的大小，不能獲得量物體的運(yùn)動(dòng)速度的大小，不能獲得物體的運(yùn)動(dòng)方向的信息。物體的運(yùn)動(dòng)方向的信息。2.外差檢測(cè)外差檢測(cè) 下圖為采用外差探測(cè)法的光纖頻率調(diào)制系下圖為采用外差探測(cè)法的光纖頻率調(diào)制系統(tǒng)。統(tǒng)。激光器BS1f0f0-f1M2 BS2f0f0-f1f0+fsf0+fsf0fs+f1頻譜分析輸出探測(cè)器布拉格盒入射/出射光纖被測(cè)物頻率調(diào)制外差檢測(cè)系統(tǒng)頻率調(diào)

22、制外差檢測(cè)系統(tǒng)分析 He-Ne激光器發(fā)出的頻率為f0的光經(jīng)第一分束器BS1分成信號(hào)光和參考光，參考光經(jīng)布拉格盒和反射鏡M2后到達(dá)第二個(gè)分束器BS2，布拉格盒引入一個(gè)固定頻移f1，使到達(dá)探測(cè)器上的參考光的頻率為fR=f0-f1。BS1出來(lái)的信號(hào)經(jīng)反射鏡M1和BS2后耦合到光纖中，光纖把信號(hào)光引到待測(cè)物體上，同時(shí)接收被待測(cè)物體散射的散射光，散射光的頻率為f0+fs（ fs為多普勒頻移），散射光經(jīng)BS2后到達(dá)探測(cè)器，在探測(cè)器上，頻率為（f0-f1）的參考光與頻率為（f0fs）的信號(hào)光混頻后，出來(lái)的電信號(hào)的頻率為： 1100fffffffssfs為多普勒頻移，為多普勒頻移，f1為布拉格盒的為布拉格盒的

23、頻移頻移 固定頻率的引入能夠識(shí)別被測(cè)物體的固定頻率的引入能夠識(shí)別被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)與輸入光同向運(yùn)動(dòng)的物運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)與輸入光同向運(yùn)動(dòng)的物體，體，fs為正；對(duì)與輸入光反向運(yùn)動(dòng)的為正；對(duì)與輸入光反向運(yùn)動(dòng)的物體物體fs為負(fù)。為負(fù)。 外差檢測(cè)不僅能獲得物體運(yùn)動(dòng)的全信外差檢測(cè)不僅能獲得物體運(yùn)動(dòng)的全信息（速度的大小和方向），而且避開(kāi)息（速度的大小和方向），而且避開(kāi)了了1/f噪聲區(qū)域，使檢測(cè)靈敏度提高。噪聲區(qū)域，使檢測(cè)靈敏度提高。激光多譜勒測(cè)速系統(tǒng)激光多譜勒測(cè)速系統(tǒng)激光多譜勒測(cè)速系統(tǒng)原理激光多譜勒測(cè)速系統(tǒng)原理 激光沿著光纖入射到測(cè)速點(diǎn)A上，然后后向散后向散射光射光與光纖端面的反射或散射光起沿著光纖返回，其

24、中纖維端面的反射或散射光是作為參考光使用。 同時(shí)為了區(qū)別并消除從發(fā)射透鏡和光纖前端面反射回來(lái)的光，在光探測(cè)器前裝一塊偏振片R，從而使光探測(cè)器只能檢測(cè)出與原光束偏振方向相垂直的偏振光。 于是信號(hào)光與參考光起經(jīng)光探測(cè)器進(jìn)入頻譜分析器處理，最后分析器給出測(cè)量結(jié)果。波長(zhǎng)（顏色）調(diào)制光纖傳感器波長(zhǎng)（顏色）調(diào)制光纖傳感器 波長(zhǎng)調(diào)制是利用外界因素改變光纖中光波長(zhǎng)調(diào)制是利用外界因素改變光纖中光能量的波長(zhǎng)分布或者說(shuō)光譜分布，通過(guò)能量的波長(zhǎng)分布或者說(shuō)光譜分布，通過(guò)檢測(cè)光譜分布來(lái)檢測(cè)被測(cè)參數(shù)，由于波檢測(cè)光譜分布來(lái)檢測(cè)被測(cè)參數(shù)，由于波長(zhǎng)與顏色直接相關(guān)，波長(zhǎng)調(diào)制也叫顏色長(zhǎng)與顏色直接相關(guān)，波長(zhǎng)調(diào)制也叫顏色調(diào)制。其原理圖如

25、下所示：調(diào)制。其原理圖如下所示：光源入射光纖接收光纖S探測(cè)器光譜儀Pi（）Po（）波長(zhǎng)調(diào)制原理圖波長(zhǎng)調(diào)制原理圖調(diào)制方式有以下幾種：調(diào)制方式有以下幾種： 1.利用黑體輻射進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制利用黑體輻射進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制 上圖是黑體輻射的調(diào)制原理，它上圖是黑體輻射的調(diào)制原理，它不需不需要外加光源要外加光源，而是直接由黑體腔收集，而是直接由黑體腔收集物體的黑體輻射，并由藍(lán)寶石光纖制物體的黑體輻射，并由藍(lán)寶石光纖制成的探頭探測(cè)，然后把這種寬頻帶的成的探頭探測(cè)，然后把這種寬頻帶的輻射傳送到分光儀或?yàn)V光片，通過(guò)雙輻射傳送到分光儀或?yàn)V光片，通過(guò)雙波長(zhǎng)或者單波長(zhǎng)檢測(cè)就能測(cè)出黑體的波長(zhǎng)或者單波長(zhǎng)檢測(cè)就能測(cè)出黑體的溫度。溫度

26、。2.利用磷光（熒光）光譜的變化利用磷光（熒光）光譜的變化進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制 探頭是由稀土磷光體做成的，其工作原探頭是由稀土磷光體做成的，其工作原理是利用稀土磷光體的磷光光譜強(qiáng)度變理是利用稀土磷光體的磷光光譜強(qiáng)度變化來(lái)測(cè)量溫度。磷光體受紫外光照射時(shí)，化來(lái)測(cè)量溫度。磷光體受紫外光照射時(shí)，發(fā)出兩種光譜譜線，其中紅色譜線發(fā)出兩種光譜譜線，其中紅色譜線1的的強(qiáng)度隨溫度升高而增加，而綠色譜線強(qiáng)度隨溫度升高而增加，而綠色譜線2的強(qiáng)度隨溫度升高而下降，兩者的比值的強(qiáng)度隨溫度升高而下降，兩者的比值是溫度的單值函數(shù)。是溫度的單值函數(shù)。212/1強(qiáng)度溫度利用這一特性可以制成精利用這一特性可以制成精度很高的光

27、纖溫度傳感器。度很高的光纖溫度傳感器。3.利用濾光器參數(shù)的變化來(lái)進(jìn)行波利用濾光器參數(shù)的變化來(lái)進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制長(zhǎng)調(diào)制F-P腔腔光光譜譜調(diào)調(diào)制制傳傳感感原原理理分析： 60W的白熾光源的寬光譜光送入F-P敏感標(biāo)準(zhǔn)具中，F(xiàn)-P腔的Q值做得相當(dāng)?shù)停敲闯錾涔饩陀幸粋€(gè)很寬的波長(zhǎng)范圍，輸出光纖把出射光傳到棱鏡分光計(jì)中，用一個(gè)二極管陣列對(duì)分光計(jì)輸出的光譜取樣，當(dāng)外界因素變化引起F-P腔的參數(shù)變化時(shí)，光譜就發(fā)生變化，用微處理機(jī)編程處理易于得到測(cè)量結(jié)果。4.利用熱色物體的顏色變化進(jìn)行波利用熱色物體的顏色變化進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制長(zhǎng)調(diào)制熱色物質(zhì)的波長(zhǎng)調(diào)制原理熱色物質(zhì)的波長(zhǎng)調(diào)制原理分析分析 60W的白光經(jīng)過(guò)光纖進(jìn)入熱色溶液，其反

28、射光被另一光纖接收后，分兩束分別經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)為650nm和800nm的濾光片，最后由光電探測(cè)器接收。這種熱變色溶液的光強(qiáng)與溫度的關(guān)系如上圖右所示，溫度為20時(shí)，在500nm處有一個(gè)吸收峰，溶液是紅色；溫度升高到70時(shí)，在650nm處也有一個(gè)吸收峰，溶液是綠色。 在波長(zhǎng)為650nm時(shí)，光強(qiáng)隨溫度變化最靈敏，在波長(zhǎng)為800nm時(shí)，光強(qiáng)與溫度無(wú)關(guān)。因此選這兩個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)就能確定外界物理量。波長(zhǎng)檢測(cè)波長(zhǎng)檢測(cè) 光波波長(zhǎng)檢測(cè)實(shí)際上是確定輸出光譜及光波波長(zhǎng)檢測(cè)實(shí)際上是確定輸出光譜及其能量的分布，那么首先就要使各個(gè)波其能量的分布，那么首先就要使各個(gè)波長(zhǎng)的光分離，棱鏡，光柵以及各種濾光長(zhǎng)的光分離，棱鏡，光柵以及各

29、種濾光片都能達(dá)到分光的目的；其次就是各個(gè)片都能達(dá)到分光的目的；其次就是各個(gè)波長(zhǎng)能量的測(cè)量。波長(zhǎng)能量的測(cè)量。 所以波長(zhǎng)調(diào)制的檢測(cè)方法之一就是所以波長(zhǎng)調(diào)制的檢測(cè)方法之一就是光譜光譜分析法分析法，即用分光儀和電荷耦合器件或，即用分光儀和電荷耦合器件或者波長(zhǎng)響應(yīng)較寬的光電探測(cè)器相結(jié)合來(lái)者波長(zhǎng)響應(yīng)較寬的光電探測(cè)器相結(jié)合來(lái)檢測(cè)光譜的能量分布。檢測(cè)光譜的能量分布。 但在許多情況下并不需要檢測(cè)輸出光的但在許多情況下并不需要檢測(cè)輸出光的整個(gè)光譜分布，而只需檢測(cè)其中某兩個(gè)整個(gè)光譜分布，而只需檢測(cè)其中某兩個(gè)波長(zhǎng)的能量變化，所以波長(zhǎng)調(diào)制的檢測(cè)波長(zhǎng)的能量變化，所以波長(zhǎng)調(diào)制的檢測(cè)方法之二是方法之二是比色法比色法。相位調(diào)制

30、光纖傳感器相位調(diào)制光纖傳感器 光纖傳感器中的相位調(diào)制，原理就是利用外界因光纖傳感器中的相位調(diào)制，原理就是利用外界因素改變光纖中的相位，通過(guò)檢測(cè)相位的變化來(lái)測(cè)素改變光纖中的相位，通過(guò)檢測(cè)相位的變化來(lái)測(cè)量外界被測(cè)參量。量外界被測(cè)參量。 決定光纖中光的相位的因素：光纖波導(dǎo)的物理長(zhǎng)決定光纖中光的相位的因素：光纖波導(dǎo)的物理長(zhǎng)度，折射率及其分布，波導(dǎo)橫向幾何尺寸。度，折射率及其分布，波導(dǎo)橫向幾何尺寸。 干涉技術(shù)：目前各類光探測(cè)器都不能敏感光的相干涉技術(shù)：目前各類光探測(cè)器都不能敏感光的相位變化，必須采用某種技術(shù)使相位變化轉(zhuǎn)換為強(qiáng)位變化，必須采用某種技術(shù)使相位變化轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度變化，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物理量的檢測(cè)，即

31、度變化，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物理量的檢測(cè)，即干涉干涉技術(shù)技術(shù)。光纖傳感器中的干涉技術(shù)是在光纖干涉儀。光纖傳感器中的干涉技術(shù)是在光纖干涉儀中實(shí)現(xiàn)的。中實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 由于采用了由于采用了干涉技術(shù)干涉技術(shù)，與其他調(diào)制方式相比，相，與其他調(diào)制方式相比，相位調(diào)制技術(shù)具有很高的檢測(cè)靈敏度。位調(diào)制技術(shù)具有很高的檢測(cè)靈敏度。 下面簡(jiǎn)單介紹幾種相位調(diào)制的方式： 1.應(yīng)力應(yīng)變引起的相位調(diào)制應(yīng)力應(yīng)變引起的相位調(diào)制 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，芯徑，纖芯折射率都將發(fā)生變化，這些將導(dǎo)致光纖中光波相位的變化。 2.溫度引起的相位調(diào)制溫度引起的相位調(diào)制 溫度可能引起光纖的折射率分布和長(zhǎng)度的改變，由此而

32、引起光波相位的變化。掌握幾種光纖干涉儀原理掌握幾種光纖干涉儀原理 光纖干涉儀與傳統(tǒng)的分離元件干涉儀相比，其優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)在于： （1）容易準(zhǔn)直 （2）可以通過(guò)增加光纖長(zhǎng)度來(lái)增加光程以提高干涉儀的靈敏度 （3）封閉式的光路，不受外界干擾 （4）測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大等等 1.光纖馬赫曾特爾干涉儀光纖馬赫曾特爾干涉儀 2.光纖邁克爾遜干涉儀光纖邁克爾遜干涉儀 3.薩格納克光纖干涉儀薩格納克光纖干涉儀 4.光纖法布里珀羅干涉儀光纖法布里珀羅干涉儀幾種光纖干涉儀幾種光纖干涉儀1.光纖馬赫曾特爾干涉儀光纖馬赫曾特爾干涉儀 結(jié)構(gòu)如下圖所示：結(jié)構(gòu)如下圖所示：分析分析 激光器發(fā)出的相干光經(jīng)過(guò)一個(gè)激光器發(fā)出的相干光經(jīng)過(guò)一個(gè)3

33、dB耦合器耦合器分成兩束相等的光束，一束在信號(hào)臂光纖分成兩束相等的光束，一束在信號(hào)臂光纖S中傳輸。另一束在參考臂光纖中傳輸。另一束在參考臂光纖R中傳輸，外中傳輸，外界信號(hào)界信號(hào)S0（t）作用于信號(hào)臂，第二個(gè)）作用于信號(hào)臂，第二個(gè)3dB耦合器把兩束光再耦合，并又分成兩束光耦合器把兩束光再耦合，并又分成兩束光經(jīng)光纖傳送到兩個(gè)探測(cè)器中。根據(jù)雙光束經(jīng)光纖傳送到兩個(gè)探測(cè)器中。根據(jù)雙光束相干原理，兩個(gè)光探測(cè)器收到的光強(qiáng)分別相干原理，兩個(gè)光探測(cè)器收到的光強(qiáng)分別為：為：2/cos101sII2/cos102sII式中式中I0為激光器發(fā)出的光強(qiáng)；為耦合系數(shù)；為激光器發(fā)出的光強(qiáng)；為耦合系數(shù)；s為信號(hào)臂和參為信號(hào)臂

34、和參考臂之間的相位差，其中包括外界信號(hào)考臂之間的相位差，其中包括外界信號(hào)S0（t）引起的相位差。）引起的相位差。上兩式表明：上兩式表明： 光纖馬赫曾特爾干涉儀將外界信號(hào)光纖馬赫曾特爾干涉儀將外界信號(hào)S0（t）引起的相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)的變化。引起的相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)的變化。 再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理系統(tǒng)能將信號(hào)再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理系統(tǒng)能將信號(hào)S0（t）從光強(qiáng)中分解出來(lái)。從光強(qiáng)中分解出來(lái)。利用馬赫一澤德干涉儀的光纖加速度計(jì)原 理 激光束通過(guò)分束器后分為兩束光分束器后分為兩束光:透射光作為透射光作為參考光束，反射光作為測(cè)量光束參考光束，反射光作為測(cè)量光束。測(cè)量光束經(jīng)透鏡耦合進(jìn)入單模光纖，單模光纖測(cè)量光束

35、經(jīng)透鏡耦合進(jìn)入單模光纖，單模光纖緊緊纏繞在一個(gè)順變柱體上，順變柱體上端固緊緊纏繞在一個(gè)順變柱體上，順變柱體上端固定有質(zhì)量塊。定有質(zhì)量塊。順變柱體作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊的慣性力使圓順變柱體作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊的慣性力使圓柱體變形，從而使繞在其上面的單模光纖被拉柱體變形，從而使繞在其上面的單模光纖被拉伸，引起光程差的改變。伸，引起光程差的改變。 相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束在分束器處會(huì)合，產(chǎn)生干涉效應(yīng)。在垂直位置放置的兩個(gè)光探測(cè)器接收到亮暗相反的干涉信號(hào)，兩路電信號(hào)由差動(dòng)放大器處理。2.光纖邁克爾遜干涉儀光纖邁克爾遜干涉儀 結(jié)構(gòu)如下圖所示：結(jié)構(gòu)如下圖所示：分析分析 激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)一

36、個(gè)激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)一個(gè)3dB耦合器分成耦合器分成兩束光束入射到光纖，一路到達(dá)固定的光兩束光束入射到光纖，一路到達(dá)固定的光纖反射端面，稱為參考臂，另一路到達(dá)可纖反射端面，稱為參考臂，另一路到達(dá)可動(dòng)光纖端面，反射回來(lái)的光經(jīng)動(dòng)光纖端面，反射回來(lái)的光經(jīng)3dB耦合器耦合器耦合到光探測(cè)器，外界信號(hào)耦合到光探測(cè)器，外界信號(hào)S0（t）作用于）作用于可移動(dòng)的信號(hào)臂。探測(cè)器接收到的光強(qiáng)為：可移動(dòng)的信號(hào)臂。探測(cè)器接收到的光強(qiáng)為： 為兩臂之間的相位差，其中包括外界信為兩臂之間的相位差，其中包括外界信號(hào)號(hào)S0（t）引起的相位差。）引起的相位差。2/cos10 II3.薩格納克光纖干涉儀薩格納克光纖干涉儀 結(jié)構(gòu)如下圖：

37、結(jié)構(gòu)如下圖：激光器發(fā)出的光由分束器或激光器發(fā)出的光由分束器或3dB耦合器分成耦合器分成1：1的的兩束光，將它們耦合進(jìn)入一個(gè)多匝（多環(huán)）單模光兩束光，將它們耦合進(jìn)入一個(gè)多匝（多環(huán)）單模光纖圈的兩端，光纖兩端出射光經(jīng)分束器送到光探測(cè)纖圈的兩端，光纖兩端出射光經(jīng)分束器送到光探測(cè)器。器。原理圖如下：原理圖如下：設(shè)圓形閉合光程半徑為設(shè)圓形閉合光程半徑為R，其中有兩列光沿相，其中有兩列光沿相反方向傳播，當(dāng)閉合光反方向傳播，當(dāng)閉合光路靜止時(shí)，兩光波傳播路靜止時(shí)，兩光波傳播的光路相同，沒(méi)有光程的光路相同，沒(méi)有光程差；當(dāng)閉合光路相對(duì)慣差；當(dāng)閉合光路相對(duì)慣性空間以轉(zhuǎn)速性空間以轉(zhuǎn)速順時(shí)針順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)（設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)（設(shè)垂

38、直于轉(zhuǎn)垂直于轉(zhuǎn)動(dòng)平面），這時(shí)順逆時(shí)動(dòng)平面），這時(shí)順逆時(shí)針傳播光的光程不等，針傳播光的光程不等，產(chǎn)生一個(gè)光程差，如右產(chǎn)生一個(gè)光程差，如右圖。圖。原理分析原理分析 當(dāng)當(dāng)0時(shí)，時(shí)，t1時(shí)刻從位置時(shí)刻從位置“1”發(fā)出的兩發(fā)出的兩束相反方向的光經(jīng)束相反方向的光經(jīng)t（2R）/c的時(shí)間的時(shí)間后，仍回到位置后，仍回到位置“1”。 當(dāng)當(dāng)0時(shí)，經(jīng)時(shí)，經(jīng)t（2R）/c后，兩束光后，兩束光的的“相會(huì)相會(huì)”點(diǎn)不在位置點(diǎn)不在位置“1”，而在位置，而在位置“2”，a光束（逆時(shí)針傳播）走的光程：光束（逆時(shí)針傳播）走的光程：La2RRt b光束（順時(shí)針傳播）走的光程為：光束（順時(shí)針傳播）走的光程為：Lb2RRt 兩束光的傳播光

39、程差：兩束光的傳播光程差：L2Rt4R2/c=4Ac(A為光纖環(huán)面積）。為光纖環(huán)面積）。相應(yīng)的相位差為：相應(yīng)的相位差為： 2（L/L/）(8A)/(c)(8A)/(c) 如果光纖環(huán)有如果光纖環(huán)有N N匝，則匝，則 (8AN)/(c)(8AN)/(c)其中其中為激光波長(zhǎng)。為激光波長(zhǎng)。 因此利用因此利用薩格納克光纖干涉儀可以測(cè)量轉(zhuǎn)薩格納克光纖干涉儀可以測(cè)量轉(zhuǎn)速速。它的最典型的應(yīng)用就是光纖陀螺，。它的最典型的應(yīng)用就是光纖陀螺，與其他陀螺相比，光纖陀螺具有靈敏度高，與其他陀螺相比，光纖陀螺具有靈敏度高，體積小，成本低等優(yōu)點(diǎn)。光纖陀螺已成功體積小，成本低等優(yōu)點(diǎn)。光纖陀螺已成功應(yīng)用在波音應(yīng)用在波音7577

40、57和和767767飛機(jī)以及其他導(dǎo)航系飛機(jī)以及其他導(dǎo)航系統(tǒng)中。統(tǒng)中。4.光纖法布里珀羅干涉儀光纖法布里珀羅干涉儀 結(jié)構(gòu)如下圖：結(jié)構(gòu)如下圖：原理說(shuō)明：原理說(shuō)明： 白光由多模光纖經(jīng)聚焦透鏡進(jìn)入兩端設(shè)有白光由多模光纖經(jīng)聚焦透鏡進(jìn)入兩端設(shè)有高反射率的反射鏡或直接鍍有高反射膜的高反射率的反射鏡或直接鍍有高反射膜的腔體，使光束在兩反射鏡（膜）之間產(chǎn)生腔體，使光束在兩反射鏡（膜）之間產(chǎn)生多次反射以形成多光束干涉，再經(jīng)探測(cè)器多次反射以形成多光束干涉，再經(jīng)探測(cè)器探測(cè)。探測(cè)。偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器 偏振態(tài)調(diào)制其原理原理就是利用外界因素改變光的偏振態(tài)，通過(guò)檢測(cè)光的偏振態(tài)的變化來(lái)檢測(cè)各種物理量。 在

41、光纖傳感器中，偏振態(tài)調(diào)制主要基于人為旋光現(xiàn)象人為旋光現(xiàn)象和人為雙折射人為雙折射，如法法拉第磁光效應(yīng)拉第磁光效應(yīng)，克爾效應(yīng)克爾效應(yīng)及彈光效應(yīng)彈光效應(yīng)。1.旋光性旋光性 線偏振光經(jīng)過(guò)某些媒質(zhì)后其振動(dòng)方向發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，這就是媒質(zhì)的旋光性。旋光媒質(zhì)圖中的旋光媒質(zhì)是旋光材料溶液媒質(zhì)的旋光性是互易的，也就是說(shuō)，如媒質(zhì)的旋光性是互易的，也就是說(shuō)，如果偏振光從一個(gè)方向通過(guò)媒質(zhì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)果偏振光從一個(gè)方向通過(guò)媒質(zhì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，則以這個(gè)角度輸入并沿相反方向角度，則以這個(gè)角度輸入并沿相反方向通過(guò)的光將以原來(lái)的入射角射出媒質(zhì)。通過(guò)的光將以原來(lái)的入射角射出媒質(zhì)。 旋光性存在于結(jié)晶材料以及一些有機(jī)的旋光性存在于結(jié)晶材料以及一

42、些有機(jī)的非結(jié)晶材料中，對(duì)后一類材料，最普通非結(jié)晶材料中，對(duì)后一類材料，最普通的是具有旋光性的糖溶液；結(jié)晶石英可的是具有旋光性的糖溶液；結(jié)晶石英可能是最早有名的旋光固體。能是最早有名的旋光固體。 由于旋光材料溶液的折射率與溶液的濃由于旋光材料溶液的折射率與溶液的濃度有關(guān)，可以利用旋光性測(cè)量旋光材料度有關(guān)，可以利用旋光性測(cè)量旋光材料的溶液的濃度，還可開(kāi)發(fā)利用晶體的旋的溶液的濃度，還可開(kāi)發(fā)利用晶體的旋光性，它一般是溫度，壓力的函數(shù)。光性，它一般是溫度，壓力的函數(shù)。2.法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) 法拉第效應(yīng)是一種磁感應(yīng)旋光性磁感應(yīng)旋光性。在磁場(chǎng)作用下，線偏振光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，光矢量旋轉(zhuǎn)的角度與光在物質(zhì)中通過(guò)的距離L，磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，即：VdLB 其中Vd為物質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)。利用光纖法拉第效應(yīng)的電流傳感器如果在長(zhǎng)直導(dǎo)軌上繞有如果在長(zhǎng)直導(dǎo)軌上繞有N圈光纖，則有：圈光纖，則有：V Vd dNINI，其，其中中I I為導(dǎo)線中通過(guò)的電流，利用上式可以制成光纖電流為導(dǎo)線中通過(guò)的電流，利用上式可以制成光纖電