光纖傳感器基本原理

1、光纖傳感器基本原理第1頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一五、波長調(diào)制機(jī)理 波長調(diào)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(zhì)來實(shí)現(xiàn)的。此類傳感器多為非功能型傳感器。在波長(顏色)調(diào)制光纖探頭中，光纖只是簡單地作為導(dǎo)光用，即把入射光送往測量區(qū)，而將返回的調(diào)制光送往分析器。 光纖波長調(diào)制技術(shù)主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域。例如，對于人體血?dú)獾姆治?，pH值檢測，指示劑溶液濃度的化學(xué)分析，磷光和熒光現(xiàn)象分析，黑體輻射分析，法布里-珀羅濾光器等。第2頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一1.光纖pH值探測技術(shù) 這種技術(shù)利用化學(xué)指示劑對被測溶液的顏色

2、反應(yīng)來測量溶液的pH值。根據(jù)這種原理可以做成光纖pH探頭。 取綠光(558nm)作為調(diào)制檢測光，紅光(630nm)作參考光，探測器接收到的綠光與紅光強(qiáng)度的吸收比值為R,pH值與R的關(guān)系為(=pH-pK,其中pH是酸堿度,pK是酸堿平衡常數(shù)）第3頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一2.光纖磷光探測技術(shù) 利用磷光現(xiàn)象可以制成光纖溫度探測系統(tǒng)。其工作原理是基于稀土磷光體的磷光光譜隨溫度變化而改變。磷光體被紫外光照射后，就發(fā)射一與溫度有關(guān)的光譜，如下圖左所示。光譜中 “a”譜線的強(qiáng)度隨溫度升高而增加，而 “c”譜線則降低。第4頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一

3、3.光纖黑體探測技術(shù) 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(shù)。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(Planck)公式表述： E0(,T)是“黑體”發(fā)射的光譜輻射通量密度，T是黑體絕對溫度。第5頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一 光纖黑體探測技術(shù)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(zhì)量輕靈敏度高，體積小，探頭可以做到0.1mm。第6頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一4.光纖法布里-珀羅濾光技術(shù) 根據(jù)光學(xué)原理，假設(shè)有一束平行光以角傾斜入射到法布里一珀

4、羅標(biāo)準(zhǔn)具上，則當(dāng)波長0=0(m)時(shí)，透射光或反射光的強(qiáng)度達(dá)到極大值，其中第7頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一六、偏振調(diào)制機(jī)理 偏振調(diào)制就是利用光偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象的信息。kEH光是一種橫波第8頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一偏振光的表示法圓偏振光線偏光橢圓偏振光第9頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一 光的雙折射是指一束光射向石英、方解石等各向異性晶體介質(zhì)時(shí)，分解為兩束折射光的現(xiàn)象。第10頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一1.普克耳效應(yīng) 普克耳效應(yīng)(線性電光效應(yīng))：當(dāng)強(qiáng)電場施加于光正在穿行的各向異

5、性晶體時(shí)，所引起的感生雙折射正比于所加電場的一次方。以主折射率表示的折射率橢球方程為對于雙軸晶體，主折射率 ；對于單軸晶體，主折射率 ， 。 對于KDP類晶體，晶體折射率的變化n與電場E的關(guān)系由下式給定 第11頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一兩正交的平面偏振光穿過厚度為l的晶體后，光程差為 當(dāng)折射率變化所引起的相位變化為時(shí)，則稱此電壓為半波電壓U/2，并有第12頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一1-BGO調(diào)制器晶體；2-1/4 波長片；3-檢偏器；4-電壓傳感器測頭；5-多模光導(dǎo)纖維；6-光檢測器；7-運(yùn)算器；8-輸出信號(hào)；9-光源；10-光耦合器

6、；11-起偏器輸出的光程為式中,是晶體中兩正交平面偏振光的相位差：晶體的半波電壓第13頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一2.克爾效應(yīng) 克爾效應(yīng)(平方電光效應(yīng)) 當(dāng)外加電場作用在各向同性的透明物質(zhì)上時(shí)，各向同性物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，變成具有雙折射現(xiàn)象的各向異性特性，并且與單軸晶體的情況相同。 當(dāng)外加電場方向與光的傳播方向垂直時(shí)，由感應(yīng)雙折射引起的尋常光折射率和非常光折射率與外加電場E的關(guān)系為：式中，k是克爾系數(shù)。 第14頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一克爾調(diào)制器裝置 若在兩極上加電壓U，則由感應(yīng)雙折射引起的兩偏振光波的光程差為兩光波間的相位差則為

7、檢偏鏡的透射光強(qiáng)度I與起偏鏡的入射光強(qiáng)I0之間的關(guān)系:第15頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一3.法拉第效應(yīng) 法拉第效應(yīng)(磁致旋光效應(yīng)):物質(zhì)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(zhuǎn)的現(xiàn)象。光矢量旋轉(zhuǎn)的角度：式中，V是物質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)，l是物質(zhì)中的光程，H是磁場強(qiáng)度。 第16頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一法拉第旋轉(zhuǎn)與旋光性旋轉(zhuǎn)區(qū)別 法拉第旋轉(zhuǎn)和旋光性旋轉(zhuǎn)間的一個(gè)最重要的區(qū)別：前者磁致偏振面的旋轉(zhuǎn)方向，對于所給定的法拉第材料僅由外磁場方向決定，二與光線的傳播方向無關(guān)。 旋光性是一種互易的光學(xué)過程：對于旋光性的旋轉(zhuǎn)，光線正反兩次通過旋光性

8、材料后總的旋轉(zhuǎn)角度等于0。 法拉第旋轉(zhuǎn)是非互易的光學(xué)過程：平面偏振光一次通過法拉第材料轉(zhuǎn)過角度，而沿相反方向返回時(shí)將再旋轉(zhuǎn)角。因此兩次通過法拉第材料后總的旋轉(zhuǎn)角度為2 。第17頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一4.光彈效應(yīng) 光彈效應(yīng):在垂直于光波傳播方向施加壓力，材料將會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其強(qiáng)弱正比于應(yīng)力的現(xiàn)象。 設(shè)單軸晶體的主折射率ne對應(yīng)于MN方向上的振動(dòng)光的折射率，主折射率no對應(yīng)于垂直MN方向上的振動(dòng)光的折射率，這時(shí)光彈效應(yīng)與壓強(qiáng)P的關(guān)系可表達(dá)為則光程差和相應(yīng)的相位差為第18頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一七、對光纖和光電器件的要求 光纖、激

9、光器、探測器是構(gòu)成光纖傳感器的主要部件，其特性的好壞對光纖傳感器的靈敏度影響極大。光纖傳感器的靈敏度主要決定于系統(tǒng)中的內(nèi)部噪聲電平，因此在光纖傳感器里分離出噪聲源，并設(shè)法降低它，對提高靈敏度是有實(shí)際好處的。 光纖多普勒系統(tǒng)光纖系統(tǒng)的主要噪聲源是背向瑞利散射噪聲和偏振噪聲。瑞利散射從根本上講是不能消除的。瑞利散射的大小與傳輸?shù)哪！⒗w芯尺寸無關(guān)，而與波長的四次方成反比，因此，選用長工作波長是有利的。偏振噪聲的出現(xiàn)，是由于不同模式的波傳播常數(shù)不同，導(dǎo)致模間的脈沖形成。保持單模光纖偏振狀態(tài)的穩(wěn)定十分重要，這樣做的結(jié)果，可使靈敏度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 光纖傳感器對光源-激光器的一般要求是:有一定的功率輸出、輸出的偏振相干性要好、壽命長。在目前研制的各類傳感器中，用He-Ne氣體激光器做光源的比較多。但從發(fā)展看，體積小、性能可靠的半導(dǎo)體激光器應(yīng)具有寬廣的應(yīng)用前景。第19頁，共20頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)48分，星期一 在光纖傳感器里，半導(dǎo)體雪崩光電二極管( APD)和PIN光電二極管是把光信號(hào)變