第四章 光電信息技術(shù)

1、上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首1 第四章 光電信息技術(shù)應(yīng)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(shù)其它應(yīng)用上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首2 4.1 光電檢測 4.1.1 光電檢測基本方法4.1.2 幾何量檢測4.1.3 機械量檢測4.1.4 溫度檢測4.1.5 機器人視覺系統(tǒng)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首3 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(zhuǎn)換成電量后由檢測機構(gòu)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(shè)備造價低廉。這種方法的缺點是

2、檢測結(jié)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 光電檢測基本方法上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首44.1.1 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。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首54.1.1 光電檢測基本方法 1調(diào)整：調(diào)整：放入標準工件的尺寸，調(diào)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

3、。當工件尺寸變小時，12，US(1-2)R=SR。 當工件尺寸變大時，1uS ，uR 和uS 同相或反相。同相：當u R為正半周時，uSuRuR1,，uSuRuR2 uouR1uR22uS，當uR為負半周，二極管不導(dǎo)通，uo0反相：當uR為正半周，uSuR uR1，uSuRuR2 uouR1 uR22uS，當uR為負半周，二極管不導(dǎo)通，uo0這樣，只要判斷這樣，只要判斷uo的正負，就可知道被測工件的正負偏差，只要測出的正負，就可知道被測工件的正負偏差，只要測出uo的大小，就可知道工件的偏差值。的大小，就可知道工件的偏差值。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首84.1.1 光電檢測

4、基本方法4相敏檢波器相敏檢波器(PSD)理論理論實用中，用變壓器線圈比較麻煩，可改用另一種PSD，如圖所示。 在相敏檢波器中，參考信號要求同測量信號同頻，可通過在調(diào)制盤上另裝一套光電接收器而獲得。如圖所示。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首94.1.1 光電檢測基本方法三、補償法三、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，補償值的大小反映了被測量變化的大小。1. 單通道光電補償式測量該檢測方法又稱補償直讀法，測量原理如圖所示。由光敏電阻RG和電阻R0、R1、R2組成電橋，當無光照時，調(diào)整Rw使電橋平衡，當信號光照射光敏電

5、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(diào)整RW使電橋恢復(fù)平衡，調(diào)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。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首104.1.1 光電檢測基本方法2. 雙通道光電補償式測量在雙光路差動法測量中，用相敏檢波器的輸出量直接控制光楔上下移動，直到120，即相敏檢波器的輸出量為零，而光楔的上下移動與一個讀數(shù)機構(gòu)相連，從讀數(shù)機構(gòu)的得到的讀數(shù)正好反映的光通量的變化量，也就是被測量的值。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首114.1.1 光電檢測基本方法1 脈寬法測

6、長脈寬法測長四、脈沖測量法受被測量控制的光通量轉(zhuǎn)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。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首124.1.1 光電檢測基本方法在上面的測量中，由于物體的震動，馬達電壓頻率的波動等使v不勻速，這樣就可帶來測量誤差。為了消除這些誤差，高頻脈沖可取之本系統(tǒng)的馬達或傳送帶的轉(zhuǎn)動輪上，圖所示是利用

7、全脈沖法檢測零件尺寸的例子該方法的測量結(jié)果和精度與傳送帶運動的快、慢或短暫的停止都沒有關(guān)系。但不應(yīng)有零件與傳送帶之間或輪與輪之間的相對移動。此外，如因磨損等造成D1、D2和D3的變化，也會影響檢測精度。主動輪轉(zhuǎn)一周工件移動D2 對應(yīng)產(chǎn)生的脈沖數(shù)D1n/D3 一個脈沖對應(yīng)零件移動的距離為 LD2D3/nD1上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首134.1.1 光電檢測基本方法2 相位法測距相位法測距帶有測距功能的望遠鏡是發(fā)射一束調(diào)制的脈沖激光，再接收來自于被測物的反射光。發(fā)射信號和接收信號的相位差反映了被測物的距離。設(shè)Vo和Vi分別代表發(fā)射脈沖和接收脈沖，如圖4.1.19所示，就可用高

8、頻填入法測出兩信號的相位差，再換算成相對應(yīng)的距離。V02 Vi2 VQn VQ n+1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首144.1.1 光電檢測基本方法 3 頻率法測速頻率法測速圖是測速的原理框圖。在轉(zhuǎn)動輪上均勻貼有反射片，光電傳感器可接收到與轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的光脈沖。設(shè)m為反射片數(shù)，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，則只要控制在一定的時間t內(nèi)計數(shù)N，就可計算得到輪子的轉(zhuǎn)速。 f=nm/60=N/t，n=60N/(mt)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首154.1.2 幾何量檢測4.1.2 幾

9、何量檢測幾何量檢測一光電測距一光電測距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見圖。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。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首164.1.2 幾何量檢測脈沖激光測距儀的原理和結(jié)構(gòu)較簡單，測程遠主要缺點是絕對測距精度較低。

10、精度要求較高的場合可采用相位測距法。脈沖激光測距的方框圖見圖。它由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、控制電路、時鐘脈沖振蕩器以及計數(shù)顯示電路等組成。a)工作過程上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首174.1.2 幾何量檢測2相位測距法在工程建設(shè)中進行測量時常用30 m或50 m的卷尺(鋼皮尺)一“鏈”復(fù)一“鏈”地進行測量，如圖所示，其結(jié)果是整“鏈”數(shù)與卷尺長度的乘積再加上最后不足一整“鏈”過程可用下式表達 式中 D待測距離； Ls測尺長度； N零或正整數(shù)，即整鏈數(shù)； L不足整尺的距離尾數(shù)。 DNLs+L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”

11、，這把“光尺”是通過對光的強度進行調(diào)制實現(xiàn)的。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首184.1.2 幾何量檢測測距用的調(diào)制光波形如圖所示，若其調(diào)制頻率為f，光速為c，則波長可由下式求出 =c/f2相位測距法由于調(diào)制光波在傳播過程中其相位是不斷變化的。如果設(shè)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) 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首194.1.2 幾何量檢測實際上為了使用方便，在B點設(shè)置反射器

12、圖4.1.26說明了光波在距離D上往返后的相位變化。則2D=(N+n)或 D=(N+n)/2=Ls(N+n)式中式中 N零或正整數(shù)，為波長零或正整數(shù)，為波長或相位或相位2的倍數(shù)；的倍數(shù)； n是個小數(shù)是個小數(shù), n/2；Ls稱它為測尺長度，稱它為測尺長度，Ls /2當距離D大于測尺長度Ls時，僅用一把“光尺”是無法測定距離的。但當距離D小于測尺長度Ls，即N等于零時，式上變?yōu)?DLsn Ls/2 此時不會超過2，測相系統(tǒng)能給出相位移的確定值，距離D也不存在多值解的問題。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首204.1.2 幾何量檢測如果被測距離較長，則可以選用一個較低的測尺頻率即測尺長

13、度較長（大于待測距離）。但由于測尺長度越大，帶來的測距誤差也會越大。例如儀器的測相誤差為0.1，當測尺長度Ls10m時，會引起1cm的距離誤差；而當L1000m時，所引起的誤差就可達1m。 當被測距離大于基本測尺長度L時，可再選一個或幾個輔助測尺Lsb (又叫粗測測尺) 。例如選用兩把測尺，其中Lsb=10米，Lsa1000m，用它們分別測量某一段長度為386.57m的距離時，用Lsb測量時可得到不足10m的尾數(shù)6.57m，用Lsa測量可得不足1000m的尾數(shù)386m，將兩者組合起來就可得386.57m，即6.57 Lsb讀數(shù)，386 Lsa讀數(shù)，38657m兩尺組合起來的總讀數(shù)上一張上一張章

14、首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首214.1.2 幾何量檢測二二.直徑的光電檢測直徑的光電檢測1.大直徑的測量大直徑的測量為了使用小口徑的透鏡去測量大直徑的測件，可以采用雙光路的測量技術(shù)。為了使用小口徑的透鏡去測量大直徑的測件，可以采用雙光路的測量技術(shù)。圖示出雙光路測徑裝置的原理圖。圖中圖示出雙光路測徑裝置的原理圖。圖中1是氦氖激光器，是氦氖激光器，2是旋轉(zhuǎn)掃描鏡。是旋轉(zhuǎn)掃描鏡。由電動機由電動機3帶動掃描鏡以一定的速度旋轉(zhuǎn)。光點帶動掃描鏡以一定的速度旋轉(zhuǎn)。光點F位于會聚透鏡位于會聚透鏡8和和10的焦的焦點位置。其中點位置。其中4為分光棱鏡，為分光棱鏡，5、 6、 7為反光鏡。為反光鏡。 上一張

15、上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首224.1.2 幾何量檢測下面按標準直徑為D0、大于或小于D0三種情況討論。（a）被測件12為標準直徑D0（b）被測件12的直徑小于D0（c）被測件12的直徑大于D0上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首234.1.2 幾何量檢測 2. 小直徑的測量小直徑的測量如圖 (a)所示，當用激光器1或平行光照射細絲2時，在其后面相距較遠的屏幕3上便能獲得夫瑯和費衍射圖像，o點最亮，被測細絲2的直徑d可按下式計算： dL/s圖 (b)示出測量細絲直徑的原理圖。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首244.1.2 幾何量檢測 三三. 光電測長光

16、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(zhì)上就是一個以激光器作光源的干涉儀，其簡化結(jié)構(gòu)如圖，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)。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首254.1.3 機械量檢測機械量檢測機械量的種類較廣、檢測的裝置多種多樣，但從光電檢測的原理講可歸納為如下兩類： 1先把機械量(如重力、壓力、力矩、轉(zhuǎn)速等)的變化轉(zhuǎn)換成幾何量的變化，再由幾何量控制投射至光電器件的光通量然后以光電器件得

17、到電信號經(jīng)放大后測出機械量。例：把機械量變成位移以測量重量彈簧1下掛框架2，則彈簧的伸長量與框架2中的物體3的重量成正比。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首264.1.3 機械量檢測機械量檢測 2若欲測的機械量使投射至光電器件的光通量以某一特定的規(guī)律或周期地發(fā)生變化，則可利用光通量不斷變化的特定規(guī)律測出機械量。例如機械量使投射至光電器件的光通量斷續(xù)改變以得到光脈沖，然后由光脈沖的多少或性質(zhì)變化來檢測機械量。例：把機械量變成光脈沖設(shè)軸4的轉(zhuǎn)速需測在軸4的一端裝一圓盤3，盤的一半被拋光以形成反光面再用黑漆或其他涂料涂盤的另一部分以形成無反光面。轉(zhuǎn)軸4每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)與光電器件2輸出的脈沖

18、頻率成正比，只要測出光電器件輸出的脈沖頻率，即每秒鐘的脈沖數(shù)，就可測得軸4的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。上述是用光電方法測量機械量的基本原理，各機械量的測量大多數(shù)是其基本原理的具體應(yīng)用。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首274.1.3 機械量檢測機械量檢測一速度的光電檢測一速度的光電檢測1多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)以V表示光源S對于觀察者P的相對運動速度，以表示相對速度方向和光速進行方向(即光源到觀察者的方向)的夾角(如圖)。由于多普勒效應(yīng)，觀察者P接收到的光波頻率f可表示為:式中 f0光源發(fā)出的原頻率， cc0/n是光在介質(zhì)中的光速，其中c0是真空中的光速，n是介質(zhì)的折射率。多普勒頻移f為：上一張上

19、一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首28可得在P點接收的光頻為： 4.1.3 機械量檢測2利用多普勒效應(yīng)測量固體的運動速度利用多普勒效應(yīng)測量固體的運動速度使用激光測速儀可以測量板、線、管材等的速度。原理見圖。多普勒頻移f為：上式整理后可得物體的運動速度：式中 0 =c/f0 。由上式可知，如果激光波長0已知，光電接受方向選定后，只要測出頻差f，即可得到物體的運動速度。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首294.1.3 機械量檢測二二 機械振動的光電檢測機械振動的光電檢測 1. 光電測振的原理光電測振的原理在圖 (b)中，光電傳感器帶有棱鏡5，而棱鏡5與重物2一起振動。若光電器件

20、6上的光通量增大時，另一光電器件6上的光通量減少，反之亦然。在圖 (a)中，重物2懸掛于彈簧1，光源3發(fā)出的光線通過光闌4、鏡5反射后投至光電器件6。重物2振動時，鏡5亦隨著振動，因而引起光電器件6上光通量的變化。在圖 (c)中的光電傳感器有成對的光柵5與4。光柵5固定不動，光柵4隨重物2上下振動，因而投射于光電器件6的光通量亦隨著而變化 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首304.1.3 機械量檢測1. 光電測振的原理光電測振的原理圖 (a)示出測量旋轉(zhuǎn)體或旋轉(zhuǎn)軸振動的原理。 當旋轉(zhuǎn)體振動時使一個光電器件上的電流增大，另一個光電器件上的電流減小，其原理示于圖 (b)。上一張上一張

21、章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首314.1.3 機械量檢測2. 用用PSD測量旋轉(zhuǎn)軸的振動測量旋轉(zhuǎn)軸的振動用PSD測量旋轉(zhuǎn)軸振動的原理示意圖如圖。半導(dǎo)體激光器LD發(fā)出平行光照射于上下振動的轉(zhuǎn)動軸上，部分反射光照射在PSD 的接收面上，當主軸上下振動時，反射光斑在PSD上的位置不斷變化，這樣PSD輸出的信號正好反映了主軸振動的情況，通過信號處理后主軸的振動頻率和振幅都能容易的得到。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首324.1.4 溫度檢測4.1.4 溫度檢測溫度檢測 一工作原理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

22、確定熱體溫度的儀表。輻射高溫計通常按絕對黑體的輻射強度刻度，即當絕對黑體的總輻射能與非黑體(實際物體)的總輻射的相等時，此時絕對黑體的溫度叫做非黑體的輻射溫度(黑體溫度)。根據(jù)輻射溫度的定義，非黑體在真實溫度T時的總輻射能E等于黑體在溫度T0時的總輻射能，即:黑體溫度）為非黑體的輻射溫度（其中0404TTTE根據(jù)斯蒂芬波茲曼定律。物體在單位時間內(nèi)單位面積上，波長從0所輻射的總能量為 ET4。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首334.1.4 溫度檢測4.1.4 溫度檢測溫度檢測測量波長從0整個波譜范圍內(nèi)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(yīng)以及光學系

23、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1000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(yīng)范圍只占某一波段，其響應(yīng)的范圍更小。非黑體的實際溫度T與黑體溫度T0的關(guān)系：401TT 要根據(jù)物體的輻射作用來測量它們的溫度，首先測出它們的輻射溫度即黑體溫度，然后在此基礎(chǔ)上乘上隨物體黑度系數(shù)而變的修正值而得到實際溫度。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首344.1.4 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

24、；4）三色測溫法；5）最大波長法；6)直接測量法上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首354.1.4 溫度檢測 二二 部分輻射光電高溫計部分輻射光電高溫計1 1原理原理采用光電信息轉(zhuǎn)換器件對部分輻射進行敏感測量，采用補償法。2. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(diào)制盤上。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首364.1.4 溫度檢測n調(diào)制盤結(jié)構(gòu)如圖所示，1為熱體輻射的光通量，2是參考光通量，調(diào)整可變電阻R可改變2的光通量。n由調(diào)制盤的結(jié)構(gòu)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.上一張上一張章首章首下一張下一

25、張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首374.1.4 溫度檢測三三 光電比色溫度計光電比色溫度計 1 原理原理對應(yīng)于黑體，則有維恩公式可推得：對于非黑體來說，根據(jù)兩個輻射強度的比值所求得是所謂的比色溫度Tc。比色溫度Tc和實際溫度T有如下關(guān)系：上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首384.1.4 溫度檢測式中，1和2是物體的黑度系數(shù)，對于灰體來說，121，即比色溫度與真實溫度是一致的。因此，比色溫度的概念是對兩個波長引入的，而實際上為兩個波段，利用光電器件和適當電路，測量兩個光波段內(nèi)輻射能量的比值，經(jīng)過一定的關(guān)系運算后就可得到被測溫度。兩個波段的選擇，在實用中，對于高溫測量，由于輻射能量足夠大，可將波段

26、選得盡量窄而且靠近，對于低溫測量，輻射能量較小，可選兩個較寬、但是盡量靠近、甚至部分重疊的波段，以減少黑度系數(shù)的影響。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首394.1.4 溫度檢測 2 優(yōu)點 3 結(jié)構(gòu)光電比色溫度計的結(jié)構(gòu)分單通道單通道和雙通道雙通道兩種。雙通道有兩個通道和兩個光電器件，如圖所示。 容易測得物體的真實溫度，正確性好，穩(wěn)定性好，測量距離的遠近，中間是否有介質(zhì)吸收，熱體的大小等因素對溫度測定影響較小。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首404.1.4 溫度檢測單通道比色計只有一個光電器件和一條通道，用調(diào)制盤將兩個波段的輻射能量交替投射于同一個光電器件上，由它轉(zhuǎn)

27、換成電信號，經(jīng)放大后加至流比計。它的光學系統(tǒng)如圖4.1.46（a）所示 ，調(diào)制盤3的布置見圖4.1.46（b）上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首414.1.4 溫度檢測上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首424.2. 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(guān)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首434.2.1 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(jié)構(gòu)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。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首444.2.

28、1 光電繼電器 一繼電器原理上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首45二光電繼電器 光電繼電器：光電繼電器： 用光電信息轉(zhuǎn)換器件控制繼電器的通與斷開 按原理分類：按原理分類：亮通和暗通兩類 亮通亮通(明通明通)光電控制電路：光電控制電路：有光照射于光電器件上使繼電器有足夠的電流而動作 暗通光電控制電路：暗通光電控制電路：光電繼電器不受光照時能使繼電器動作，而受光照時繼電器釋放上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首46二二光電繼電器光電繼電器？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(zhuǎn)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

29、償這種缺點？三三用電子開關(guān)代替繼電器用電子開關(guān)代替繼電器 繼電器工作時的優(yōu)缺點：隔離高壓區(qū)和低壓區(qū)（使用安全）、工作可靠、但由于金屬觸點打出火花對電路產(chǎn)生干擾、其壽命有限 電子開關(guān)工作時的優(yōu)缺點：無觸點，使用壽命長，但電子開關(guān)不能完全隔斷高壓區(qū)、在大電流工作時散熱問題也不能忽視上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首47三用電子開關(guān)代替繼電器電子開關(guān)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。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首48三用電子開關(guān)代替繼電器上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首49 雙向可控

30、硅基本結(jié)構(gòu)雙向可控硅基本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，(b)為雙向可控硅的符號，(c)為雙向可控硅型號的部頒標準。四雙向可控硅觸發(fā)電路上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首50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(dǎo)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(dǎo)通，但導(dǎo)通時可控硅兩端有壓降存在，導(dǎo)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。 1133 雙向可控硅特征曲線上一張上一張章首章首下一張下一

31、張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首51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：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(jié)構(gòu)關(guān)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)方式上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首52五 雙向可控硅觸發(fā)電路上一張上一

32、張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首53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(yīng)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；上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首54Ic1Ib2Ic2Vb1Vc2VEVccT1T2Vc1假定三極管的發(fā)射極導(dǎo)通電壓為0.7伏，則：Vb1-VE = VBE10.7時， T1導(dǎo)通，則：Vb1 Ic1 Vc1 Ic2 VBE1 VE 若Vb1由大變小，使：Vb1-VE = VBE1只有0.7伏左右， Ic1開始減小，則：Vb1 Ic1 Vc1 Ic2VBE1 VE 補充：

33、施密特電路上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首55防止閃電等短時干擾的路燈控制電路如圖所示 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首56 印刷機紙張監(jiān)控器印刷機紙張監(jiān)控器可以自動監(jiān)測每次印刷的紙張是否為一張，如果不是一張則發(fā)出報警訊響，停止印刷圖是監(jiān)控器的電路原理圖。F1和F2是帶施密特觸發(fā)器的電路，上觸發(fā)和下觸發(fā)有回差電壓 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首57電焊工電焊時一般都要帶防護面罩，以保護眼睛被電焊強光刺激，現(xiàn)用液晶屏替代老式的防護玻璃，可減少電焊時摘下防護罩看焊縫質(zhì)量的麻煩，提高工作效率。 光控電焊眼罩工作原理如圖所示。 光控電焊眼罩？ 電路中各

34、個部件的作用？上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首584.3光纖通信 4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成 4.3.2光纖通信系統(tǒng) 4.3.3光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首59光發(fā)送機電發(fā)送機電接收機光接收機中繼器4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)的基本組成如圖所示，主要由3部分構(gòu)成：光發(fā)送機，光纖傳輸線及光接收機。由于目前的光纖通信系統(tǒng)基本上采用數(shù)字通信技術(shù)，因此只對數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的三部分進行介紹。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首60一、光纖一、光纖1、光纖（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

35、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。ab纖芯包層涂層2a2bn1n2n0r2a2bn1n2n0r上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首61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(dǎo)光原理1）階躍折射率分布光纖的射線理論光纖的導(dǎo)光原理可用射線理論與導(dǎo)波理論兩種方法進行分析。右圖為光

36、波在階躍折射率分布光纖中的傳播路徑。 r1i0sinnsinn12cn/nsin所有 c的光線都將被限制在光纖芯中，這就是光纖導(dǎo)光的基本原理。 n2n1n0ir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(shù)中常引用相對折射率差121212221nnnn2nn上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首622）利用導(dǎo)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：211)2(nNANA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(guān)。

37、這個結(jié)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上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束

38、結(jié)束節(jié)首節(jié)首63連續(xù)型折射率分佈之光纖單模光纖階梯型多模光纖n2n2n1折射率分佈上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首64二、光發(fā)送機二、光發(fā)送機 光發(fā)送機的功能是將來自電發(fā)送機的電脈沖信號變換成光脈沖信號，并以光發(fā)送機的功能是將來自電發(fā)送機的電脈沖信號變換成光脈沖信號，并以數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸性能所要求的光脈沖信號波形耦合到光源組件的尾數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸性能所要求的光脈沖信號波形耦合到光源組件的尾纖中纖中數(shù)字光發(fā)送機的組成框圖如圖數(shù)字光發(fā)送機的組成框圖如圖4.3.1-64.3.1-6所示所示輸入接口線路編碼調(diào)制電路控制電路光源電信號輸入光信號輸出上一張上一張章首章首下一張下一張

39、結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首651 1、線路編碼、線路編碼 電發(fā)送機輸出的是適合于電纜傳輸?shù)碾p極性碼，而光源不可能發(fā)射負脈沖，所以要變換為適合光纖傳輸?shù)膯螛O性碼。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，普遍采用二進制二電平碼，有光脈沖表示“1”，無光脈沖表示“0”。但簡單的二電平碼會帶來一些問題。因此，要對來自電端機的信號進行線路編碼。2 2、光源與調(diào)制電路、光源與調(diào)制電路經(jīng)過碼型變換的電脈沖信號碼流對光源進行調(diào)制，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。光源的波長應(yīng)位于光纖的低損耗傳輸窗口，單色性要好，以減小光纖色散對帶寬的限制。目前的光纖通信系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光器（LD）作為光源，在低通信容量系統(tǒng)中，也可選用LED做光源。電信號轉(zhuǎn)換為光信號

40、的調(diào)制方式有直接調(diào)制與間接調(diào)制。 (a) LED數(shù)字調(diào)制 (b) LD數(shù)字調(diào)制IP輸入電信號輸出光信號IP輸入電信號輸出光信號Ith Ib上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首661 0 1 0 1 1APD光信號電信號主放大器峰值檢波均 衡器判決再生高壓直流變換器前置放大AGC定時提取三、光接收機光接收機是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是將來自光纖的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，恢復(fù)光載波所攜帶的原信號。圖4.3.1-8給出了數(shù)字光接收機的組成框圖。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首671、光電檢測器光電檢測器是光接收機的第一個關(guān)鍵部件，其作用是將由光纖傳送來的光信號轉(zhuǎn)換

41、成電信號。光電檢測器主要有PIN光電二極管和雪崩光電二極管APD兩種。PIN管使用簡單，只需1020V 的反向偏壓，但PIN管沒有增益。APD管具有10200倍的增益，可以提高光接收機的靈敏度，但需要幾十伏以上的偏壓，增益特性受溫度的影響較嚴重2、前置放大器 經(jīng)光電檢測器檢測到的微弱的信號電流，流經(jīng)負載電阻建立起信號電壓后，由前置放大器進行預(yù)放大。除光電檢測器性能優(yōu)劣影響光接收機的靈敏度之外，前置放大器對光接收機的靈敏度有十分重要的影響。為此，前置放大器必須是低噪聲、寬頻帶的放大器。 3、主放大器 主放大器用來提供高的增益，將前置放大器的輸出信號放大到適合判決電路所需的電平。前置放大器的輸出信

42、號電平一般為mV量級，而主放大器的輸出信號電平一般為13V。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首684、均衡器 光在光纖中傳輸時，由于將受到色散的影響，信號將發(fā)生畸變與展寬，使碼元間相互影響，出現(xiàn)誤碼。均衡器的作用是對主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號進行整形，使之成為最有利于判決、碼間干擾最小的波形，通常為升余弦波 5、判決再生與定時提取 判決即是用一判決電平與均衡器輸出信號進行比較，當在判決時刻輸出的電壓信號比判決電平高，則判斷為“1”碼，否則判斷為“0”碼。這樣，可在判決再生電路的輸出端得到一個和發(fā)送端發(fā)出的數(shù)字脈沖信號基本是一致由矩形脈沖組成的數(shù)字脈沖序列。為了精確地確定“

43、判決時刻”，就需要從信號碼流中提取準確的定時信息用來標定，以保證和發(fā)送端一致。這個工作由“定時提取”電路來完成。 6、峰值檢波器與AGC放大器將由升余弦波組成的數(shù)字脈沖信號取出一部分送到峰值檢波器進行檢波，檢波后的直流信號再送到AGC放大器進行比較放大，產(chǎn)生一個AGC電壓。用該電壓一方面去控制光電檢測器（APD管）的反向偏置電壓，另一方面送到主放大器去調(diào)整主放大器的工作點，以控制主放大器的增益，從而使均衡器輸出幅度穩(wěn)定的升余弦波，保證碼元判決的正確性。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首69一、時分復(fù)用系統(tǒng)4.3.2光纖通信系統(tǒng)時分復(fù)用（Time Division Multipl

44、exing，TDM），是將不同信道的信號在時間上交替排列組合成復(fù)合比特流。 二、波分復(fù)用系統(tǒng)單模光纖具有非常寬的帶寬。在1.3m (1.251.35m)波段和1.55m(1.501.60m)波段，都具有高達100nm的低損耗傳輸范圍。另一方面，作為光源的半導(dǎo)體激光器的線寬已小于0.1nm，因此，在一根單模光纖中，可同時傳輸多個不同波長的信號。波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技術(shù)正是基于這種思想，通過在一根單模光纖中傳輸多個信道信號，來大幅度增加通信容量的。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首70圖4.3.2-2為一單向傳輸?shù)腤D

45、M系統(tǒng)原理框圖。 n個光發(fā)送機發(fā)送出由不同波長1 ，2，n承載的光信號，通過光復(fù)用器耦合到同一根單模光纖中，經(jīng)過光纖傳輸?shù)竭_接收端后，由解復(fù)用器將不同波長信號在空間上分開，分別進入各自的光接收機。對于長途通信，還需在傳輸光纖中加入中繼器或光放大器，以補償光信號的損耗。復(fù)用器解復(fù)用器12n12n1 2n光纖光放大器光接收機1光接收機2光接收機n光發(fā)送機1光發(fā)送機2光發(fā)送機n隨著1.55m波段摻鉺光纖放大器(EDFA)的商用化，可以利用EDFA對傳送的光信號進行放大，實現(xiàn)超長距離無電再生中繼傳輸，WDM系統(tǒng)得到了極其廣泛的應(yīng)用。在1.55m波段傳送多路信道信號，這些信道波長間隔非常窄，且共享一個E

46、DFA，將這種信道密集的WDM系統(tǒng)稱為密集波分復(fù)用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）系統(tǒng)。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首711. 復(fù)用器/解復(fù)用器 波分復(fù)用系統(tǒng)的核心部件是波分復(fù)用器件，即復(fù)用器和解復(fù)用器（也稱合波器與分波器）。這里介紹閃爍光柵波分復(fù)用器。 圖4.3.2-3 閃爍光柵波分復(fù)用器12341 234光纖光纖透鏡透鏡閃爍光柵閃爍光柵 閃爍光柵是在玻璃襯底上沉積環(huán)氧樹脂，然后在環(huán)氧樹脂上制造光柵線。如圖4.3.2-3所示，當不同波長的入射光從同一角度照射到光柵上后，由于光柵的色散作用，不同波長的光將以不同的角度

47、反射，然后經(jīng)透鏡會聚到不同的輸出光纖，實現(xiàn)解復(fù)用的功能；反過來，可以完成光波的復(fù)用功能。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首72 2、 光放大器 在長途DWDM系統(tǒng)中，需要對光信號進行中繼放大。如果采用光電混合中繼方式的話，則首先要對光信號進行解復(fù)用，然后對每一信道進行中繼再生，再將各信道光信號復(fù)用到傳輸光纖中。這樣，將需要大量的中繼設(shè)備，系統(tǒng)成本非常高。寬帶寬的光放大器可以對多信道信號同時放大，而不需要進行解復(fù)用，目前應(yīng)用最廣泛的光放大器是摻鉺光纖放大器(Er Doped Fiber Amplifier，EDFA) 鉺是一種稀土元素，在制造光纖的過程中，向纖芯中摻入三價鉺離子(

48、 Er+3)，便形成了摻鉺光纖。EDFA 主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔離器及光濾波器組成，結(jié)構(gòu)如圖4.3.2-4所示。信號光耦合器光隔離器摻鉺光纖隔離器光光濾波器輸出光泵浦光上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首734.4 光纖傳感器 4.4.14.4.1元件型光纖傳感器元件型光纖傳感器 4.4.2 4.4.2 傳輸型光纖傳感器傳輸型光纖傳感器上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首744.4.1元件型光纖傳感器元件型光纖傳感器 一、微彎損耗光纖傳感器一、微彎損耗光纖傳感器基于微彎損耗機理的強度調(diào)制型傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示 。傳感光纖被夾在一個變形器中，變形

49、器具有一定的變形函數(shù)，當外力使變形器的上下兩部分靠近，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。光輸入光輸入光輸出光輸出變形器變形器多模光纖多模光纖L微彎損耗光纖傳感器原理微彎損耗光纖傳感器原理上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首75qztDzfsin)()(q/2設(shè)光纖的微彎變形函數(shù)為正弦型式中D(t) 外界信號導(dǎo)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(shè)光纖微彎變形函數(shù)的微彎周期為，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:上一張上一張章首章首下一張下一

50、張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首76K式中 比例系數(shù)；L光纖中產(chǎn)生微彎變形的長度；光纖中光波傳播常數(shù)差；222/)(2/)(sin)(41LqLqLtKDq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(guān)，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，需要選擇合適的微彎周期。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首77aalnnlll)(二、干涉式光纖傳感器二、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(yīng)變效應(yīng)或熱脹效應(yīng)），第二項為光纖折

51、射率變化引起的相位差（光彈效應(yīng)或熱光效應(yīng)），第三項為光纖芯徑變化引起的相位差（泊松效應(yīng)）。對調(diào)制在相位中的信號需要進行解調(diào)，用于光相位解調(diào)的干涉結(jié)構(gòu)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。l光波通過長度為 的光纖，其相位延遲為l其中為光波在光纖中的傳播常數(shù)，nk0上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首78光源光源探測器探測器信號臂信號臂參考臂參考臂3dB(a) 邁克爾遜干涉儀 雙光束光纖干涉儀有邁克爾遜雙光束光纖干涉儀有邁克爾遜(Michlson)干涉儀、馬赫干涉儀、馬赫-陳德爾陳德爾(Mach-Zehnder)干涉儀及斐索干涉儀及

52、斐索(Fizeau)干涉儀，基本結(jié)構(gòu)如圖所示。干涉儀，基本結(jié)構(gòu)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{(diào)制，在參考臂光纖中傳輸?shù)墓獠ㄏ辔慌c外界無關(guān)。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）邁克爾遜干涉儀 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首79光源光源信號臂信號臂參考臂參考臂3dB探測器探測器3dB(b) 馬赫-陳德爾干涉儀光源光源探測器探測器傳輸光纖傳輸光纖3dBM1M

53、2自聚焦透鏡自聚焦透鏡(c) 斐索干涉儀2）馬赫）馬赫-陳德爾干涉儀陳德爾干涉儀3）斐索干涉儀）斐索干涉儀馬赫-陳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-陳德爾干涉儀的優(yōu)點是克服了邁克爾遜干涉儀中反饋光波對光源的影響，得到廣泛的應(yīng)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

54、饋光的耦合效率。這種干涉儀的特點是結(jié)構(gòu)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(diào)制。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首80ststiEE)(exp101rtiEEexp202)exp()exp()(exp2010tiiEtsiEErs)(cos10rstskII現(xiàn)以雙光束干涉儀為例來分析干涉場。設(shè)信號光與參考光的場強分別為：現(xiàn)以雙光束干涉儀為例來分析干涉場。設(shè)信號光與參考光的場強分別為： 兩光束相干產(chǎn)生的干涉場分布為兩光束相干產(chǎn)生的干涉場分布為相應(yīng)的光強分布為相應(yīng)的光強分布為這樣，可將相位變化轉(zhuǎn)換為強度變化，可以獲得被測信號的大小。這樣，可將相位變

55、化轉(zhuǎn)換為強度變化，可以獲得被測信號的大小。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首81光纖光柵是利用光纖的光折變效應(yīng)，使纖芯折射率沿軸向產(chǎn)生周期性變化，在纖芯內(nèi)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。 I IFBGFBG反射譜反射譜B BI I輸入譜輸入譜I IFBGFBG透射譜透射譜B B三、光纖光柵傳感器三、光纖光柵傳

56、感器 FBG的反射光波中心波長為effBn2上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首82effeffBnn22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(yīng)變與折射率變化，柵距也隨之變化，導(dǎo)致反射波長變化：光纖光柵的反射波長受到被測量的調(diào)制產(chǎn)生偏移，解調(diào)出波長變化就可以得到被測量。解調(diào)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(diào)法。由光纖光柵反射回來的光波進入不等臂馬赫-陳德爾干涉儀，設(shè)干涉儀參考臂與測量臂幾何長度差為 ，則干

57、涉信號相位為：LLnB12當反射波長變化 ，則干涉信號相位亦隨之改變，變化量為：BBBLn212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。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首83lHVd四、法拉第電流傳感器四、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(yīng)實現(xiàn)電流測量的，按調(diào)制參數(shù)分類，則屬于偏振調(diào)制型。磁光效應(yīng)，又稱法拉第（Faradag）效應(yīng)，是指某些物質(zhì)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(zhuǎn)。設(shè)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(zhuǎn)的角度為光纖的磁光效應(yīng)最典型的應(yīng)用就是高壓傳輸線用的電流傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖所示。將光纖繞在被測導(dǎo)線上，設(shè)圈數(shù)為N，導(dǎo)線中通過的電流為I，由安培環(huán)路定律，距導(dǎo)線軸心為R處的磁場為 P2 WP 探測器1探測器2I1I2光源光纖光纖I P12121IIIIRIH2上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首84IRlVd2INVd 由以上兩式可得偏轉(zhuǎn)角RNl2，代入上式得繞在導(dǎo)線上的光纖長度為通過光纖的光偏振面偏轉(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)換為光強度信號。一種檢測方法采用Wollaston棱鏡WP，