強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理課件

第5章光纖傳感技術(shù)5.1引言5.2強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理5.3相位調(diào)制機(jī)理5.4光纖位移傳感器5.5光纖表面粗糙度傳感器5.6光纖加速度傳感器返回主目錄第5章光纖傳感技術(shù)返回主目錄15.1引言

光纖傳感技術(shù)是伴隨著光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。在光通信系統(tǒng)中，光纖被用作遠(yuǎn)距離傳輸光波信號(hào)的媒質(zhì)。顯然，在這類應(yīng)用中，光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)受外界干擾越小越好。但是，在實(shí)際的光傳輸過程中，光纖易受外界環(huán)境因素影響，如溫度、壓力、電磁場等外界條件的變化將引起光纖光波參數(shù)如光強(qiáng)、相位、頻率、侗振、波長等的變化。因此，人們發(fā)現(xiàn)如果能測出光波參數(shù)的變化，就可以知道導(dǎo)致光波參數(shù)變化的各種物理量的大小，于是產(chǎn)生了光纖傳感技術(shù)。5.1引言

光纖傳感技術(shù)是伴隨著光通信技術(shù)25.1光纖傳感器的分類光纖傳感器按傳感原理可分為功能型和非功能型。功能型光纖傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，所以也稱傳感型光纖傳感器，或全光纖傳感器。非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，傳輸來自遠(yuǎn)外或難以接近場所的光信號(hào)．所以也稱為傳光型傳感器．或混合型傳感器。光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同又可分為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、頻率調(diào)制光纖傳感器、偏振調(diào)制光纖傳感器和波長(顏色)調(diào)制光纖傳感器。5.1光纖傳感器的分類光纖傳感器按傳感原理3光纖傳感器的分類光纖傳感器技被測對(duì)象的不同、又可分為光纖溫度傳感器、光纖位移傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器等。光纖傳感器的分類光纖傳感器技被測對(duì)象的不同、又可分為光纖溫45.2強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的基本原理是待測物理量引起光纖中的傳輸光光強(qiáng)變化，通過檢測光強(qiáng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)待測量的測量。一恒定光源發(fā)出的強(qiáng)度為Pi的光注入傳惑頭．在傳感頭內(nèi)，光在被測信號(hào)的作用下其強(qiáng)度發(fā)生變化，即受到了外場的調(diào)制，使得輸出光強(qiáng)Po的包絡(luò)線與被測信號(hào)的形狀一樣，光電探測器測出的輸出電流5.2強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的基本原理是待測物理5Io也作同樣的調(diào)制，信號(hào)處理電路再檢測出調(diào)制信號(hào)，就得到了被測信號(hào)。強(qiáng)度調(diào)制的特點(diǎn)是簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)。強(qiáng)度調(diào)制方式很多、大致可分為以下幾種：反射式強(qiáng)度調(diào)制、遠(yuǎn)射式強(qiáng)度調(diào)制、光模式強(qiáng)度調(diào)制以及折射串和吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制等等。一般透射式、反射式和折射率強(qiáng)度調(diào)制稱為外調(diào)制式，光模式稱為內(nèi)調(diào)制式。Io也作同樣的調(diào)制，信號(hào)處理電路再檢測出調(diào)制信號(hào)，就得到了被6強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理課件75.2.1反射式強(qiáng)度調(diào)制這是一種非功能型光纖傳感器，光纖本身只起傳光作用。這里光纖分為兩部分，即輸入光纖和輸出光纖，亦可稱為發(fā)送光纖和接收光纖。這種傳感器的調(diào)制機(jī)理是輸人光纖將光源的光射向被測物體表面，再從被測面反射到另一根輸出光纖中，其光強(qiáng)的大小隨被測表面與光纖間的距離而變化。在距光纖端面d的位置放有反光物體——平面反射鏡，它垂直于輸入和輸出光纖軸移動(dòng)，故在平面反射鏡之后相距d處形成一個(gè)輸入光纖的虛像。5.2.1反射式強(qiáng)度調(diào)制這是一種非功能型光纖傳感器，光纖本8強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理課件95.2.2透射式強(qiáng)度調(diào)制發(fā)射光纖與接收光纖對(duì)準(zhǔn)，光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)加在移動(dòng)的遮光板上，或直接移動(dòng)接收光纖，使接收光纖只能收到發(fā)射光纖發(fā)出的部分光，從而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制。下圖所示為動(dòng)光纖式光強(qiáng)調(diào)制模型，用來測量位移、壓力、溫度等物理量。5.2.2透射式強(qiáng)度調(diào)制發(fā)射光纖與接收光纖對(duì)準(zhǔn)，光強(qiáng)調(diào)制信105.3相位調(diào)制機(jī)理相位調(diào)制光纖傳感器的基本傳感原理是：通過被測能量場的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再用干涉測量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測出待測的物理量。光纖中光的相位由光纖波導(dǎo)的物理長波、折射率及其分布、波導(dǎo)橫向幾何尺寸所決定，可以表示為k0nL．其中k0為光在真空中的被數(shù)，n為傳播路徑上的折射率，L為傳播路徑的長度。一般說，應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等外界物理量能直接改變上述三個(gè)波導(dǎo)參數(shù)，產(chǎn)生相位變化，實(shí)現(xiàn)光纖的相位調(diào)制。但是，如前所述，目前的各炎光探測器都不能敏感光的相位變化，必須采用于涉測量技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物理量的檢測。5.3相位調(diào)制機(jī)理相位調(diào)制光纖傳感器的基本傳感原理是：通115.3.1光纖干涉儀在光波的干涉測量中，傳播的光波可能是兩束或多束相干光。例如，設(shè)有光振幅分別為A1和A2的兩個(gè)相干光束。如果其中一束光的相位出于某種因素的影響受到調(diào)制，則在干涉域中產(chǎn)生干涉。干涉場中各點(diǎn)的光強(qiáng)可表示為式中，是相位調(diào)制引起的兩相干光之間的相位差。如果檢測出干涉光強(qiáng)的變化，則可確定兩光束間相位的變化，從而得到待測物理量的大小。5.3.1光纖干涉儀在光波的干涉測量中，傳播的光波可能是兩121.邁克爾遜光纖干涉儀由單色光源s發(fā)出的光經(jīng)分束鏡后，得到光強(qiáng)相等的兩束光。其中一束光由的上表面進(jìn)入，再從下表面反射穿過后，垂直射入到固定的反射鏡上，經(jīng)過反射后再通過射入到目鏡L。第二束光是入射光束透過后形成的。它垂直入射在可移動(dòng)反射鏡上，經(jīng)過反射后，在的下表面反射入目鏡L。由于第一束光穿過三次，而第二束光只經(jīng)過一次，為了補(bǔ)償這種差別，在第二束光的路程中再放入一塊補(bǔ)償板，這樣第二束光也在和中經(jīng)過三次，從而補(bǔ)償了光程。當(dāng)兩反射鏡到分束器間的光程差小于激光器的相干長度時(shí)，射到光探測器上的兩相干光束便產(chǎn)生干涉，干涉光強(qiáng)由式(2-3)確定。兩相干光的相位差為1.邁克爾遜光纖干涉儀13式中，是光在空氣中的傳播常數(shù)；是兩相干光的光程差。則可動(dòng)反射鏡每移動(dòng)長度，光探測器的輸出就從最大值變到最小值，再變到最大值，即變化一個(gè)周期。如果使用激光器，這種技術(shù)能檢測級(jí)的位移。為了克服空氣受環(huán)境條件影響的空氣光程的變化，可考慮用全光纖干涉儀結(jié)構(gòu)。圖2.2.2表示了全光纖邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)。圖中以一個(gè)3dB耦合器取代了分束器，光纖光程取代了空氣光程，而且以敏感光纖作為調(diào)制元件。這種全光纖結(jié)構(gòu)不僅避免了非待測場的干擾影響，而且免除了每次測量要調(diào)光路準(zhǔn)直等繁瑣的工作，使其更適于現(xiàn)場測量，更接近實(shí)用化。

式中，是光在空氣中的傳播常數(shù)；是兩相干光的光程差。則可動(dòng)14強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理課件152.賽格納克光纖干涉儀

激光器輸出的光由分束器分為反射和透射兩部分，這兩束光由反射鏡的反射形成傳播方向相反的閉合光路，然后在分束器上會(huì)合，被送入光探測器中，同時(shí)也有一部分返回激光器。在這種干涉儀中，把任何一塊反射鏡在垂直方向上移動(dòng)，兩光束的光程變化都是相同的。因此，根據(jù)光束干涉原理，在光探測器上探測不到干涉光強(qiáng)的變化。2.賽格納克光纖干涉儀16但是，當(dāng)把這種干涉儀裝在一個(gè)可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，且平臺(tái)以角速度轉(zhuǎn)動(dòng)是，根據(jù)賽尼納克效應(yīng)，兩束傳播方向相反的光束到達(dá)光探測器的延遲不同，若平臺(tái)以順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，則在逆時(shí)針方向傳播的光較順時(shí)針方向傳播的光延遲。這個(gè)延遲量可表示為

但是，當(dāng)把這種干涉儀裝在一個(gè)可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上17式中，A是光路圍成的面積；c是真空中的光速；是真空中的光波長。這樣，通過探測器檢測干涉光強(qiáng)的變化，便可確定旋轉(zhuǎn)角速度。因此，賽格納克干涉儀是構(gòu)成光纖陀螺儀的基礎(chǔ)。光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)如圖2.2.4所示。其中的賽格納克效應(yīng)如圖2.2.5所示。其靈敏度比空氣光程的賽格納克干涉儀要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。首先是由于采用若干圈光纖增加了干涉儀環(huán)的有效面積，其次是由于利用了電子探測技術(shù)。其相移表達(dá)式為

式中，A是光路圍成的面積；c是真空中的光速；是真空中的光波長18式中，N是光纖環(huán)的匝數(shù)。式中，N是光纖環(huán)的匝數(shù)。193.法布里－珀羅干涉儀

它由兩塊部分反射、部分透射、平行放置的反射鏡組成。在兩個(gè)相對(duì)的反射鏡表面鍍有反射膜，其反射率通常達(dá)95％以上。由激光器輸出的光束入射到干涉儀，在兩個(gè)相對(duì)的反射鏡表面作多次往返，透射出去的平行光束由光探測器接收。這種干涉儀與前幾種干涉儀的根本區(qū)別是，前幾種干涉儀都是雙光束干涉，而法布里－珀羅干涉儀是多光束干涉，而法布里－波羅干涉儀是多光束干涉。根據(jù)多光束干涉的原理，探測器上探測到的干涉光強(qiáng)的變化為3.法布里－珀羅干涉儀20式中，是反射鏡的反射率，是相鄰光束間的相位差。由上式可知，當(dāng)反射鏡的反射率值一定時(shí)，透射的干涉光強(qiáng)隨變化。當(dāng)時(shí)，干涉光強(qiáng)有最大值；當(dāng)時(shí)，干涉光強(qiáng)有最小值。這樣，透射的干涉光強(qiáng)的最大值與最小值之比為?？梢?，反射率R越大，干涉光強(qiáng)變化越顯著，即有高的分辨率，這是法布里－珀羅干涉儀最突出的特點(diǎn)。通常，可以通過提高反射鏡的反射率來提高干涉儀的分辨率，從而使干涉儀測量有極高的靈敏度。式中，是反射鏡的反射率，是相鄰光束間的相位差。由上21法布里－珀羅光纖干涉儀如圖所示。它與一般法布里－珀羅干涉儀的區(qū)別在于以光纖光程代替了空氣光程，以光纖特性變化來調(diào)制相位代替了以傳感器控制反射鏡移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)了調(diào)相。法布里－珀羅光纖干涉儀如圖所示。它與一般法布里－珀羅干涉儀的225.4光纖位移傳感器光纖位移傳感器可分為外調(diào)制式和內(nèi)調(diào)制式。5.4.1外調(diào)制式位移傳感器透射式位移傳感器，采用兩根同樣芯徑的光纖，并將兩根光纖的端面靠近裝配到一起。光從一根光纖輸出，通過兩根光纖問微小空隙，進(jìn)入另一根光纖。此時(shí)，如果兩根光纖的中心軸為同軸，光通過光纖的連結(jié)處幾乎不損失光能。但當(dāng)兩根光纖的光軸錯(cuò)開，光通過光纖間連結(jié)處光能損耗增加．5.4光纖位移傳感器光纖位移傳感器可分為外調(diào)制式和內(nèi)調(diào)制式23光纖芯徑端面起到接收光的天線作用，兩根光纖芯徑交疊面成為天線的“孔徑”。多模光纖在芯徑內(nèi)傳輸?shù)墓饽苊芏确植紴榫鶆虻?，因此光纖連結(jié)處的光通量，基本上與兩根光纖的芯徑交疊面的面積成比例。兩根光纖光軸錯(cuò)開的距離隨物體位移的大小而變化，光纖輸出光通量又隨光軸錯(cuò)開距離的大小而變化、這就是透射式(亦稱傳輸型或天線型)光纖位移傳感器的工作原理。光纖芯徑端面起到接收光的天線作用，兩根光纖芯徑交疊面成為天線24在光纖端面上制作透明與不透明等間隔相問排列的柵格，用這種柵格控制光纖端面上光強(qiáng)分布。光纖中光通量的變化，由間距為S的兩個(gè)柵格之間錯(cuò)開的位移量來決定。如在光纖芯徑為50微米的光纖端面上制成S＝10微米的柵格．位移傳感器的靈敏度較高。在光纖端面上制作透明與不透明等間隔相問排列的柵格，用這種柵格25在兩根光纖端面之間故人活動(dòng)光閘門，以代替移動(dòng)光纖的傳感器。為提高傳感器靈敏度，可利用柵格法。這種結(jié)構(gòu)因增加了光纖端面間的距離，需在光纖端面上級(jí)裝光學(xué)透鏡，以提高光傳輸效率。在兩根光纖端面之間故人活動(dòng)光閘門，以代替移動(dòng)光纖的傳感器。為26折射率式漸逝物型位移傳感器，這是一種高靈敏度傳感器。把光纖端面研磨成如圖所示形狀，光纖端面傾角為。光在光纖端面全反射時(shí)，一部分光能量可到達(dá)端面外側(cè)非?？拷嗣娴奈恢谩＜偃绨褍筛饫w的端面靠得非常近，滲出的光能幾乎無損失的全部傳人第二根光纖。在端面外側(cè)滲出的光能量隨離開端面的距離增加而成指數(shù)關(guān)系減少。因此兩根光纖端面間距離增加，傳入第二根光纖中的光通量便急劇減少。折射率式漸逝物型位移傳感器，這是一種高靈敏度傳感器。把光纖端27強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理課件28反射式光纖位移傳感器也是非接觸型傳感器。在光纖端面附近，如果存在一個(gè)反射光的物體，由光纖輸出的光，照射到物體上時(shí)發(fā)生反射，其中的一部分反射光又返回光纖。測出反射光的光強(qiáng)，就能以非接觸方式確定物體是否存在及位移情況。這種傳感器可使用兩根光纖，分別作傳輸發(fā)射光及接收光用；也可以用一根光纖同時(shí)承擔(dān)兩種功能。為增加光通量可采用光纖束。為避免從光纖端面輸出的照明光，固光束擴(kuò)展，在物體上照射面積變大，探測效果變壞，物體必須非常靠近光纖端面。反射式光纖位移傳感器也是非接觸型傳感器。在光纖端面附近，如果29這樣，測量物體的位移范圍因而變小，為解決這種問題，可采用在傳輸發(fā)射光的光纖端面上組裝微透鏡聚光。當(dāng)物體距離光纖端面為11mm時(shí)，位移測量范圍可達(dá)到2mm，分辨率為10微米。這種傳感器可用于確定精密機(jī)床加工工件放置位置及作為測量立體形狀位置的傳感器。如圖所示為反射干涉式位移檢測方法。其原理是在離開單模光纖端面微小距離為l處，放一個(gè)反射膜板．這樣，測量物體的位移范圍因而變小，為解決這種問題，可采用在傳30從光纖發(fā)射的光，經(jīng)反射膜與光纖端面之間反復(fù)反射引起光干涉。這時(shí)返回到光纖端面的光強(qiáng)是距離l的函數(shù)，也是以為周期(為光波長)的周期函數(shù)。通過檢測反射光的光強(qiáng)變化測定出反射膜的微小位置變化(位移小于時(shí)，位置與光強(qiáng)具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系)。從光纖發(fā)射的光，經(jīng)反射膜與光纖端面之間反復(fù)反射引起光干涉。這315.4.2內(nèi)調(diào)制式位移傳感器利用微彎效應(yīng)制作的位移傳感器是一種典型的內(nèi)調(diào)制式光纖傳感器。微彎效應(yīng)即待測物理量變化引起微彎器位移，從而使光纖發(fā)生微彎變形，改變模式耦合，纖芯中的光部分透人包層，造成傳輸損耗。微彎程度不同，泄漏光波的強(qiáng)度也不同、從而實(shí)現(xiàn)了光強(qiáng)度的調(diào)制。由于光強(qiáng)與位移之間有一定的函數(shù)關(guān)系，所以利用微彎效應(yīng)可以制成光纖位移傳感器。5.4.2內(nèi)調(diào)制式位移傳感器32這里要介紹的傳感器是用檢測光纖包層模中光功率的方法測量微小位移。實(shí)驗(yàn)證明，它能測量小于0.1nm的位移。沿著纖芯軸向的周期性空間變形可以利用兩塊波紋板產(chǎn)生，即微彎器。它把光纖夾在中間。兩波紋板的相對(duì)位移由外界力(壓力等)產(chǎn)生，從而使義纖產(chǎn)生周期性變形，此變形導(dǎo)致模式耦合，會(huì)使光從纖芯模耦合到包層模。檢測出纖芯?；虬鼘幽Ｖ械墓夤β示涂蓹z測出加在微彎器上的外力。此模式耦合將使包層模中的光功率大大增加。由于在剛進(jìn)入光纖測量截面以前，這些包層模中的任何光均能被消除。所以黑暗背景使包層模比纖芯模檢測靈敏度更高。這里要介紹的傳感器是用檢測光纖包層模中光功率的方法測量微小位33強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理課件345.5光纖表面粗糙度傳感器用光纖測量表面粗糙度，主要是利用它對(duì)光信號(hào)的傳輸特性。當(dāng)一束光以角入射到被測表面時(shí)，如果表面是理想光滑的，入射光將沿鎮(zhèn)反射方向全部反射；如果表面是租糙的，入射光的一部分或全部會(huì)產(chǎn)生散射并偏離鏡反射角，因此空間某個(gè)角度的光能變化，可以反映表面租糙度的特性。就鏡反射方向來說，表面越租糙，反射能量也越小。因此，若將被測表面反射(包括散射)的光信導(dǎo)加以接收，則可由測出的反射光強(qiáng)的大小來評(píng)定表面租糙度的程度。5.5光纖表面粗糙度傳感器用光纖測量表面粗糙度，主要是利用35下圖說明利用光纖對(duì)傳光方法測量表面粗糙度的原理。一根光纖用作傳光．另一根用作受光。當(dāng)傳光光纖和受光光纖都和被測表面接觸時(shí)，無光被受光光纖所接收。當(dāng)該兩支光纖和被測表面有一定距離時(shí)，在傳光光纖l和被測表面5之間形成一導(dǎo)光錐，并照射被測表面，此被照表面又變成了第二級(jí)光源去照射受光光纖2，根據(jù)光纖孔徑角的特性，在受光光纖2與表面5之間可形成一反射光錐4，凡是在此范圍內(nèi)的光都可被2所接收。因此，只要在光纖2的另一端連接光探測器就可評(píng)定表面5的粗糙度。下圖說明利用光纖對(duì)傳光方法測量表面粗糙度的原理。一根光纖用作36盡管用一對(duì)光纖來探測表面粗糙度在原理上是可行的，但由于傳輸能量、效率何分辨率等原因，在實(shí)際中是不適用的。作為實(shí)用測量系統(tǒng)都是采用大量光纖做成光纖束，以增加其效能。盡管用一對(duì)光纖來探測表面粗糙度在原理上是可行的，但由于傳輸能375.6光纖加速度傳感器振動(dòng)加速度傳感器如圖所示，它是把由重物、彈簧、阻尼器組成的振動(dòng)子固定在框架上構(gòu)成的。當(dāng)框架隨振動(dòng)物體做低頻振動(dòng)時(shí)，重物上產(chǎn)生一個(gè)與運(yùn)動(dòng)方向相反的慣性力。由于慣性力的作用，引起重物相對(duì)于框架作加速運(yùn)動(dòng)，這時(shí)框架與重物之間的距離x發(fā)生相應(yīng)變化，其變化量與慣性力成比例．即與物體的振動(dòng)加速度成比例。當(dāng)振動(dòng)頻率提高到振動(dòng)子的固有振動(dòng)頻率時(shí)，產(chǎn)生共振。這時(shí)距離x的變化量與加速度的關(guān)系不存在一定的比例關(guān)系。如果振動(dòng)頻率再的作用，可測量位移量。因此，加速度傳感器5.6光纖加速度傳感器振動(dòng)加速度傳感器如圖所示，它是把由重38進(jìn)一步提高．振動(dòng)子的重物運(yùn)動(dòng)跟不上框架的快速振動(dòng)，重物就停止振動(dòng)，呈現(xiàn)相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。這時(shí)表示柜架振動(dòng)時(shí)的位移。所以當(dāng)振動(dòng)頻率高于振動(dòng)子的固有頻率時(shí)，加速度傳感器只起位移計(jì)的作用，可測量位移量。因此，加速度傳感器是以共振條件為界限，低頻時(shí)測量加速度，高頻時(shí)測量位移。對(duì)于確定的測量對(duì)象，必須精確選定振動(dòng)子的共振頻率。進(jìn)一步提高．振動(dòng)子的重物運(yùn)動(dòng)跟不上框架的快速振動(dòng)，重物就停止39強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理課件40相位調(diào)制光纖加速度傳感器光纖代替了彈簧，當(dāng)框架振動(dòng)時(shí)，光纖受重物的慣性力作用產(chǎn)生應(yīng)變，且長度的復(fù)化是被測加速度或位移成比例。下圖分別表示兩段光纖共同工作的振動(dòng)子何一段光纖工作的振動(dòng)子。這里將要介紹的雙光纖光加速度計(jì)是利用了光纖長度的變比，這種長度變化是由于這兩根光纖之間懸掛的物體，因加速產(chǎn)生的作用力所引起。其結(jié)果是：在干涉儀一條臂中的光纖受到的拉應(yīng)力增大，而另一條臂中的光纖受到的拉應(yīng)力減小。下圖給出了根據(jù)此原理制成的傳感裝置。相位調(diào)制光纖加速度傳感器光纖代替了彈簧，當(dāng)框架振動(dòng)時(shí)，光纖受41由圖可見，干涉儀—條臂中有一段光纖被固定在外殼的上端與懸掛物之間。而干涉儀另一條臂中一段相同長度的光纖則固定在懸掛物與外殼的下端之間。這樣，質(zhì)量為m的物體被懸掛在兩段纖光纖的中間，而兩段光纖實(shí)際上成為兩個(gè)彈簧，如果讓加速度計(jì)的外殼以加速度a垂直向上運(yùn)動(dòng)，那么在加速該物體所需的作用力F的作用下，上面的一段光纖伸長，下面的光纖則縮短。這一過程可表示為由圖可見，干涉儀—條臂中有一段光纖被固定在外殼的上端與懸掛物42強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理課件43強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理課件44強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理課件45第5章光纖傳感技術(shù)5.1引言5.2強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理5.3相位調(diào)制機(jī)理5.4光纖位移傳感器5.5光纖表面粗糙度傳感器5.6光纖加速度傳感器返回主目錄第5章光纖傳感技術(shù)返回主目錄465.1引言

光纖傳感技術(shù)是伴隨著光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。在光通信系統(tǒng)中，光纖被用作遠(yuǎn)距離傳輸光波信號(hào)的媒質(zhì)。顯然，在這類應(yīng)用中，光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)受外界干擾越小越好。但是，在實(shí)際的光傳輸過程中，光纖易受外界環(huán)境因素影響，如溫度、壓力、電磁場等外界條件的變化將引起光纖光波參數(shù)如光強(qiáng)、相位、頻率、侗振、波長等的變化。因此，人們發(fā)現(xiàn)如果能測出光波參數(shù)的變化，就可以知道導(dǎo)致光波參數(shù)變化的各種物理量的大小，于是產(chǎn)生了光纖傳感技術(shù)。5.1引言

光纖傳感技術(shù)是伴隨著光通信技術(shù)475.1光纖傳感器的分類光纖傳感器按傳感原理可分為功能型和非功能型。功能型光纖傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，所以也稱傳感型光纖傳感器，或全光纖傳感器。非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，傳輸來自遠(yuǎn)外或難以接近場所的光信號(hào)．所以也稱為傳光型傳感器．或混合型傳感器。光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同又可分為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、頻率調(diào)制光纖傳感器、偏振調(diào)制光纖傳感器和波長(顏色)調(diào)制光纖傳感器。5.1光纖傳感器的分類光纖傳感器按傳感原理48光纖傳感器的分類光纖傳感器技被測對(duì)象的不同、又可分為光纖溫度傳感器、光纖位移傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器等。光纖傳感器的分類光纖傳感器技被測對(duì)象的不同、又可分為光纖溫495.2強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的基本原理是待測物理量引起光纖中的傳輸光光強(qiáng)變化，通過檢測光強(qiáng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)待測量的測量。一恒定光源發(fā)出的強(qiáng)度為Pi的光注入傳惑頭．在傳感頭內(nèi)，光在被測信號(hào)的作用下其強(qiáng)度發(fā)生變化，即受到了外場的調(diào)制，使得輸出光強(qiáng)Po的包絡(luò)線與被測信號(hào)的形狀一樣，光電探測器測出的輸出電流5.2強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的基本原理是待測物理50Io也作同樣的調(diào)制，信號(hào)處理電路再檢測出調(diào)制信號(hào)，就得到了被測信號(hào)。強(qiáng)度調(diào)制的特點(diǎn)是簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)。強(qiáng)度調(diào)制方式很多、大致可分為以下幾種：反射式強(qiáng)度調(diào)制、遠(yuǎn)射式強(qiáng)度調(diào)制、光模式強(qiáng)度調(diào)制以及折射串和吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制等等。一般透射式、反射式和折射率強(qiáng)度調(diào)制稱為外調(diào)制式，光模式稱為內(nèi)調(diào)制式。Io也作同樣的調(diào)制，信號(hào)處理電路再檢測出調(diào)制信號(hào)，就得到了被51強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理課件525.2.1反射式強(qiáng)度調(diào)制這是一種非功能型光纖傳感器，光纖本身只起傳光作用。這里光纖分為兩部分，即輸入光纖和輸出光纖，亦可稱為發(fā)送光纖和接收光纖。這種傳感器的調(diào)制機(jī)理是輸人光纖將光源的光射向被測物體表面，再從被測面反射到另一根輸出光纖中，其光強(qiáng)的大小隨被測表面與光纖間的距離而變化。在距光纖端面d的位置放有反光物體——平面反射鏡，它垂直于輸入和輸出光纖軸移動(dòng)，故在平面反射鏡之后相距d處形成一個(gè)輸入光纖的虛像。5.2.1反射式強(qiáng)度調(diào)制這是一種非功能型光纖傳感器，光纖本53強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理課件545.2.2透射式強(qiáng)度調(diào)制發(fā)射光纖與接收光纖對(duì)準(zhǔn)，光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)加在移動(dòng)的遮光板上，或直接移動(dòng)接收光纖，使接收光纖只能收到發(fā)射光纖發(fā)出的部分光，從而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制。下圖所示為動(dòng)光纖式光強(qiáng)調(diào)制模型，用來測量位移、壓力、溫度等物理量。5.2.2透射式強(qiáng)度調(diào)制發(fā)射光纖與接收光纖對(duì)準(zhǔn)，光強(qiáng)調(diào)制信555.3相位調(diào)制機(jī)理相位調(diào)制光纖傳感器的基本傳感原理是：通過被測能量場的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再用干涉測量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測出待測的物理量。光纖中光的相位由光纖波導(dǎo)的物理長波、折射率及其分布、波導(dǎo)橫向幾何尺寸所決定，可以表示為k0nL．其中k0為光在真空中的被數(shù)，n為傳播路徑上的折射率，L為傳播路徑的長度。一般說，應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等外界物理量能直接改變上述三個(gè)波導(dǎo)參數(shù)，產(chǎn)生相位變化，實(shí)現(xiàn)光纖的相位調(diào)制。但是，如前所述，目前的各炎光探測器都不能敏感光的相位變化，必須采用于涉測量技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物理量的檢測。5.3相位調(diào)制機(jī)理相位調(diào)制光纖傳感器的基本傳感原理是：通565.3.1光纖干涉儀在光波的干涉測量中，傳播的光波可能是兩束或多束相干光。例如，設(shè)有光振幅分別為A1和A2的兩個(gè)相干光束。如果其中一束光的相位出于某種因素的影響受到調(diào)制，則在干涉域中產(chǎn)生干涉。干涉場中各點(diǎn)的光強(qiáng)可表示為式中，是相位調(diào)制引起的兩相干光之間的相位差。如果檢測出干涉光強(qiáng)的變化，則可確定兩光束間相位的變化，從而得到待測物理量的大小。5.3.1光纖干涉儀在光波的干涉測量中，傳播的光波可能是兩571.邁克爾遜光纖干涉儀由單色光源s發(fā)出的光經(jīng)分束鏡后，得到光強(qiáng)相等的兩束光。其中一束光由的上表面進(jìn)入，再從下表面反射穿過后，垂直射入到固定的反射鏡上，經(jīng)過反射后再通過射入到目鏡L。第二束光是入射光束透過后形成的。它垂直入射在可移動(dòng)反射鏡上，經(jīng)過反射后，在的下表面反射入目鏡L。由于第一束光穿過三次，而第二束光只經(jīng)過一次，為了補(bǔ)償這種差別，在第二束光的路程中再放入一塊補(bǔ)償板，這樣第二束光也在和中經(jīng)過三次，從而補(bǔ)償了光程。當(dāng)兩反射鏡到分束器間的光程差小于激光器的相干長度時(shí)，射到光探測器上的兩相干光束便產(chǎn)生干涉，干涉光強(qiáng)由式(2-3)確定。兩相干光的相位差為1.邁克爾遜光纖干涉儀58式中，是光在空氣中的傳播常數(shù)；是兩相干光的光程差。則可動(dòng)反射鏡每移動(dòng)長度，光探測器的輸出就從最大值變到最小值，再變到最大值，即變化一個(gè)周期。如果使用激光器，這種技術(shù)能檢測級(jí)的位移。為了克服空氣受環(huán)境條件影響的空氣光程的變化，可考慮用全光纖干涉儀結(jié)構(gòu)。圖2.2.2表示了全光纖邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)。圖中以一個(gè)3dB耦合器取代了分束器，光纖光程取代了空氣光程，而且以敏感光纖作為調(diào)制元件。這種全光纖結(jié)構(gòu)不僅避免了非待測場的干擾影響，而且免除了每次測量要調(diào)光路準(zhǔn)直等繁瑣的工作，使其更適于現(xiàn)場測量，更接近實(shí)用化。

式中，是光在空氣中的傳播常數(shù)；是兩相干光的光程差。則可動(dòng)59強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理課件602.賽格納克光纖干涉儀

激光器輸出的光由分束器分為反射和透射兩部分，這兩束光由反射鏡的反射形成傳播方向相反的閉合光路，然后在分束器上會(huì)合，被送入光探測器中，同時(shí)也有一部分返回激光器。在這種干涉儀中，把任何一塊反射鏡在垂直方向上移動(dòng)，兩光束的光程變化都是相同的。因此，根據(jù)光束干涉原理，在光探測器上探測不到干涉光強(qiáng)的變化。2.賽格納克光纖干涉儀61但是，當(dāng)把這種干涉儀裝在一個(gè)可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，且平臺(tái)以角速度轉(zhuǎn)動(dòng)是，根據(jù)賽尼納克效應(yīng)，兩束傳播方向相反的光束到達(dá)光探測器的延遲不同，若平臺(tái)以順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，則在逆時(shí)針方向傳播的光較順時(shí)針方向傳播的光延遲。這個(gè)延遲量可表示為

但是，當(dāng)把這種干涉儀裝在一個(gè)可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上62式中，A是光路圍成的面積；c是真空中的光速；是真空中的光波長。這樣，通過探測器檢測干涉光強(qiáng)的變化，便可確定旋轉(zhuǎn)角速度。因此，賽格納克干涉儀是構(gòu)成光纖陀螺儀的基礎(chǔ)。光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)如圖2.2.4所示。其中的賽格納克效應(yīng)如圖2.2.5所示。其靈敏度比空氣光程的賽格納克干涉儀要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。首先是由于采用若干圈光纖增加了干涉儀環(huán)的有效面積，其次是由于利用了電子探測技術(shù)。其相移表達(dá)式為

式中，A是光路圍成的面積；c是真空中的光速；是真空中的光波長63式中，N是光纖環(huán)的匝數(shù)。式中，N是光纖環(huán)的匝數(shù)。643.法布里－珀羅干涉儀

它由兩塊部分反射、部分透射、平行放置的反射鏡組成。在兩個(gè)相對(duì)的反射鏡表面鍍有反射膜，其反射率通常達(dá)95％以上。由激光器輸出的光束入射到干涉儀，在兩個(gè)相對(duì)的反射鏡表面作多次往返，透射出去的平行光束由光探測器接收。這種干涉儀與前幾種干涉儀的根本區(qū)別是，前幾種干涉儀都是雙光束干涉，而法布里－珀羅干涉儀是多光束干涉，而法布里－波羅干涉儀是多光束干涉。根據(jù)多光束干涉的原理，探測器上探測到的干涉光強(qiáng)的變化為3.法布里－珀羅干涉儀65式中，是反射鏡的反射率，是相鄰光束間的相位差。由上式可知，當(dāng)反射鏡的反射率值一定時(shí)，透射的干涉光強(qiáng)隨變化。當(dāng)時(shí)，干涉光強(qiáng)有最大值；當(dāng)時(shí)，干涉光強(qiáng)有最小值。這樣，透射的干涉光強(qiáng)的最大值與最小值之比為。可見，反射率R越大，干涉光強(qiáng)變化越顯著，即有高的分辨率，這是法布里－珀羅干涉儀最突出的特點(diǎn)。通常，可以通過提高反射鏡的反射率來提高干涉儀的分辨率，從而使干涉儀測量有極高的靈敏度。式中，是反射鏡的反射率，是相鄰光束間的相位差。由上66法布里－珀羅光纖干涉儀如圖所示。它與一般法布里－珀羅干涉儀的區(qū)別在于以光纖光程代替了空氣光程，以光纖特性變化來調(diào)制相位代替了以傳感器控制反射鏡移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)了調(diào)相。法布里－珀羅光纖干涉儀如圖所示。它與一般法布里－珀羅干涉儀的675.4光纖位移傳感器光纖位移傳感器可分為外調(diào)制式和內(nèi)調(diào)制式。5.4.1外調(diào)制式位移傳感器透射式位移傳感器，采用兩根同樣芯徑的光纖，并將兩根光纖的端面靠近裝配到一起。光從一根光纖輸出，通過兩根光纖問微小空隙，進(jìn)入另一根光纖。此時(shí)，如果兩根光纖的中心軸為同軸，光通過光纖的連結(jié)處幾乎不損失光能。但當(dāng)兩根光纖的光軸錯(cuò)開，光通過光纖間連結(jié)處光能損耗增加．5.4光纖位移傳感器光纖位移傳感器可分為外調(diào)制式和內(nèi)調(diào)制式68光纖芯徑端面起到接收光的天線作用，兩根光纖芯徑交疊面成為天線的“孔徑”。多模光纖在芯徑內(nèi)傳輸?shù)墓饽苊芏确植紴榫鶆虻?，因此光纖連結(jié)處的光通量，基本上與兩根光纖的芯徑交疊面的面積成比例。兩根光纖光軸錯(cuò)開的距離隨物體位移的大小而變化，光纖輸出光通量又隨光軸錯(cuò)開距離的大小而變化、這就是透射式(亦稱傳輸型或天線型)光纖位移傳感器的工作原理。光纖芯徑端面起到接收光的天線作用，兩根光纖芯徑交疊面成為天線69在光纖端面上制作透明與不透明等間隔相問排列的柵格，用這種柵格控制光纖端面上光強(qiáng)分布。光纖中光通量的變化，由間距為S的兩個(gè)柵格之間錯(cuò)開的位移量來決定。如在光纖芯徑為50微米的光纖端面上制成S＝10微米的柵格．位移傳感器的靈敏度較高。在光纖端面上制作透明與不透明等間隔相問排列的柵格，用這種柵格70在兩根光纖端面之間故人活動(dòng)光閘門，以代替移動(dòng)光纖的傳感器。為提高傳感器靈敏度，可利用柵格法。這種結(jié)構(gòu)因增加了光纖端面間的距離，需在光纖端面上級(jí)裝光學(xué)透鏡，以提高光傳輸效率。在兩根光纖端面之間故人活動(dòng)光閘門，以代替移動(dòng)光纖的傳感器。為71折射率式漸逝物型位移傳感器，這是一種高靈敏度傳感器。把光纖端面研磨成如圖所示形狀，光纖端面傾角為。光在光纖端面全反射時(shí)，一部分光能量可到達(dá)端面外側(cè)非常靠近端面的位置。假如把兩根光纖的端面靠得非常近，滲出的光能幾乎無損失的全部傳人第二根光纖。在端面外側(cè)滲出的光能量隨離開端面的距離增加而成指數(shù)關(guān)系減少。因此兩根光纖端面間距離增加，傳入第二根光纖中的光通量便急劇減少。折射率式漸逝物型位移傳感器，這是一種高靈敏度傳感器。把光纖端72強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理課件73反射式光纖位移傳感器也是非接觸型傳感器。在光纖端面附近，如果存在一個(gè)反射光的物體，由光纖輸出的光，照射到物體上時(shí)發(fā)生反射，其中的一部分反射光又返回光纖。測出反射光的光強(qiáng)，就能以非接觸方式確定物體是否存在及位移情況。這種傳感器可使用兩根光纖，分別作傳輸發(fā)射光及接收光用；也可以用一根光纖同時(shí)承擔(dān)兩種功能。為增加光通量可采用光纖束。為避免從光纖端面輸出的照明光，固光束擴(kuò)展，在物體上照射面積變大，探測效果變壞，物體必須非?？拷饫w端面。反射式光纖位移傳感器也是非接觸型傳感器。在光纖端面附近，如果74這樣，測量物體的位移范圍因而變小，為解決這種問題，可采用在傳輸發(fā)射光的光纖端面上組裝微透鏡聚光。當(dāng)物體距離光纖端面為11mm時(shí)，位移測量范圍可達(dá)到2mm，分辨率為10微米。這種傳感器可用于確定精密機(jī)床加工工件放置位置及作為測量立體形狀位置的傳感器。如圖所示為反射干涉式位移檢測方法。其原理是在離開單模光纖端面微小距離為l處，放一個(gè)反射膜板．這樣，測量物體的位移范圍因而變小，為解決這種問題，可采用在傳75從光纖發(fā)射的光，經(jīng)反射膜與光纖端面之間反復(fù)反射引起光干涉。這時(shí)返回到光纖端面的光強(qiáng)是距離l的函數(shù)，也是以為周期(為光波長)的周期函數(shù)。通過檢測反射光的光強(qiáng)變化測定出反射膜的微小位置變化(位移小于時(shí)，位置與光強(qiáng)具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系)。從光纖發(fā)射的光，經(jīng)反射膜與光纖端面之間反復(fù)反射引起光干涉。這765.4.2內(nèi)調(diào)制式位移傳感器利用微彎效應(yīng)制作的位移傳感器是一種典型的內(nèi)調(diào)制式光纖傳感器。微彎效應(yīng)即待測物理量變化引起微彎器位移，從而使光纖發(fā)生微彎變形，改變模式耦合，纖芯中的光部分透人包層，造成傳輸損耗。微彎程度不同，泄漏光波的強(qiáng)度也不同、從而實(shí)現(xiàn)了光強(qiáng)度的調(diào)制。由于光強(qiáng)與位移之間有一定的函數(shù)關(guān)系，所以利用微彎效應(yīng)可以制成光纖位移傳感器。5.4.2內(nèi)調(diào)制式位移傳感器77這里要介紹的傳感器是用檢測光纖包層模中光功率的方法測量微小位移。實(shí)驗(yàn)證明，它能測量小于0.1nm的位移。沿著纖芯軸向的周期性空間變形可以利用兩塊波紋板產(chǎn)生，即微彎器。它把光纖夾在中間。兩波紋板的相對(duì)位移由外界力(壓力等)產(chǎn)生，從而使義纖產(chǎn)生周期性變形，此變形導(dǎo)致模式耦合，會(huì)使光從纖芯模耦合到包層模。檢測出纖芯?；虬鼘幽Ｖ械墓夤β示涂蓹z測出加在微彎器上的外力。此模式耦合將使包層模中的光功率大大增加。由于在剛進(jìn)入光纖測量截面以前，這些包層模中的任何光均能被消除。所以黑暗背景使包層模比纖芯模檢測靈敏度更高。這里要介紹的傳感器是用檢測光纖包層模中光功率的方法測量微小位78強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理課件795.5光纖表面粗糙度傳感器用光纖測量表面粗糙度，主要是利用它對(duì)光信號(hào)的傳輸特性。當(dāng)一束光以角入射到被測表面時(shí)，如果表面是理想光滑的，入射光將沿鎮(zhèn)反射方向全部反射；如果表面是租糙的，入射光的一部分或全部會(huì)產(chǎn)生散射并偏離鏡反射角，因此空間某個(gè)角度的光能變化，可以