光纖傳感器基本原理

光纖傳感器基本原理第一頁，共96頁。

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)，傳輸來自遠處或難以接近場所的光信號．所以也稱為傳光型傳感器．或混合型傳感器。第二頁，共96頁。在光纖中傳輸?shù)墓獠捎萌缦滦问降姆匠堂枋觯?/p>

光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同可分為強度調(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)制光纖傳感器波長(顏色)調(diào)制光纖傳感器第三頁，共96頁。5.2強度調(diào)制機理

第四頁，共96頁。

5.2.1反射式強度調(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.第五頁，共96頁。輸出光纖端面受光錐照射的表面所占的百分比為第六頁，共96頁。被輸出光纖接收的入射光功率百分數(shù)為(F被稱為耦合效率)第七頁，共96頁。第八頁，共96頁。第九頁，共96頁。5.2.2透射式強度調(diào)制動光纖式光強調(diào)制模型，用來測量位移、壓力、溫度等物理量。這些物理量的變化使接收光纖的軸線相對于發(fā)射光纖錯開一段距離,光強度調(diào)制器的線性度和靈敏度都很好。第十頁，共96頁。采用雙透鏡系統(tǒng)使入射光纖在出射光纖上聚焦，遮光屏在垂直于兩透鏡之間的光傳播方向上下移動。這種傳感器光耦合計算方法與反射式傳感器是一樣的。在上述的簡化分析限定范圍內(nèi)，比值δ/r與可移動遮光屏及兩透鏡問半徑為r的光柱相交疊面積的百分比α。第十一頁，共96頁。不用透鏡的兩光纖直接耦合系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)雖然簡單，但也能很好地工作。只是接收光纖端面只占發(fā)射光纖發(fā)出的光錐底面的一部分，使光耦合系數(shù)減小，靈敏度也降低一個數(shù)量級(r/dT)2。第十二頁，共96頁。利用兩個周期結(jié)構(gòu)的光柵遮光屏傳感器．通過一對光柵遮光屏的透射率，從50％(當兩個屏完全重疊時)變到零(當一個屏的不透明條完全覆蓋住另一個屏的透明部分)。在此周期性結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，光的輸出強度是周期性的。而且它的分辨率在光珊條紋間距的10-6數(shù)量級以內(nèi)。這是能夠構(gòu)成很靈敏、很簡單、高可靠的位移傳感器的基礎(chǔ)。第十三頁，共96頁。作業(yè)1、由圖5-2的幾何關(guān)系推導出下列關(guān)系式2、由圖5-2，已知光纖芯直徑為2r＝200um，數(shù)據(jù)孔徑NA=0.5，光纖間距a=100um。若取函數(shù)F(d)的最大斜率處為該系統(tǒng)的靈敏度，則耦合功率F隨d變化速率為何值？第十四頁，共96頁。5.2.3光模式強度調(diào)制兩個模的傳播常數(shù)分別為β和β′，當Δβ=│β-β′│=2π/λ相位失配為零，模間精合達到最佳。當光纖之間狀態(tài)發(fā)生變化時，會引起光纖中的模式耦合，其中有些導波模變成了輻射模，從而引起損耗，第十五頁，共96頁。變形器的位移改變了彎曲處的模振幅，從而產(chǎn)生強度調(diào)制。對于拋物線(或平方律或梯度)折射率分布的光纖．變形器的臨界空間周期為對于階躍光纖第十六頁，共96頁。第十七頁，共96頁。光纖傳播模式的改變，還可以改變光纖模斑斑圖，依據(jù)模斑圖形的變化也可進行光模式強度調(diào)制。多模光纖出射的遠場光斑就像一個切開的“西瓜”，“亮”、“黑”無規(guī)則地相間變化。第十八頁，共96頁。5.2.4折射率強度調(diào)制一、光纖折射率變化型一般光纖的纖芯和包層的折射軍溫度系數(shù)不同。在溫度恒定時，包層折射率n2與纖芯折射率n1之間的差值是恒定的。當溫度變化時，n2、n1之間的差發(fā)生變化，從而改變傳輸損耗。因此，以某一溫度時接收到的光強為基準,根據(jù)傳輸功率的變化可確定溫度的變化。第十九頁，共96頁。第二十頁，共96頁。二、漸逝波耦合型通常．漸逝波在光疏媒質(zhì)中深人距離有幾個波長時．能量就可以忽略不計了。如果采用一種辦法使慚逝場能以較大的振幅穿過光疏媒質(zhì)，并伸展到附近的折射率高的光密媒質(zhì)材料中，能量就能穿過間隙，這一過程稱為受抑全反射。第二十一頁，共96頁。L表示一對單?；蚨嗄９饫w的相互作用長度，d表示纖芯之間的距離。光纖包層被減薄或完全剝?nèi)ィ阋援a(chǎn)生漸逝場耦合。d、L或n2稍有變化，光探測器的接收光強就有明顯變化、從而實現(xiàn)光強調(diào)制、這一原理已應用于水聽器。第二十二頁，共96頁。三、反射系數(shù)型第二十三頁，共96頁。由菲涅爾反射公式式中，R∥為平行偏振方向的強度反射系數(shù)，R⊥為垂直偏振方向的強度反射系數(shù)；n=n3／n1，θ為入射光波在界面上的入射角。第二十四頁，共96頁。5.2.5光吸收系數(shù)強度調(diào)制一、利用光纖的吸收特性進行強度調(diào)制x射線、γ射線等輻射線會使光纖材料的吸收損耗增加，使光纖的輸出功率降低，從而構(gòu)成強度調(diào)制輻射量傳感器。改變光纖材料成分可對不同的射線進行測量。如選用鉛玻璃制成光纖，它對x射線、γ射線、中子射線最敏感，用這種方法做成的傳感器既可用于衛(wèi)星外層空間劑量的監(jiān)測，也可用于核電站、放射性物質(zhì)堆放處輻射量的大面積監(jiān)測。第二十五頁，共96頁。第二十六頁，共96頁。

二、利用半導體的吸收特性進行強度調(diào)制大多數(shù)半導體的禁帶寬度Eg都隨著溫度T的升高而幾乎線性地減小。它們的光吸收邊的波長將隨著T的升高而變化。第二十七頁，共96頁。5.3相位調(diào)制機理

利用光相位調(diào)制來實現(xiàn)一些物理量的測量可以獲得極高的靈敏度。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)換為光強變化，從而檢測出待測的物理量。第二十八頁，共96頁。5.3.1相位調(diào)制一、應力應變效應當光纖受到縱向(軸向)的機械應力作用時，光纖的長度、芯徑、纖芯折射率都將發(fā)生變化，這些變化將導致光波的相位變化.第二十九頁，共96頁。式中，a為光纖芯的半徑；第一項表示由光纖長度變化引起的相位延遲(應變效應)；第二項表示感應折射率變化引起的相位延遲(光隙效應)；第三項則表示光纖的半徑改變所產(chǎn)生的相位延遲(泊松效應)。第三十頁，共96頁。1．縱向應變引起的相位變化第三十一頁，共96頁。2．徑向應變引起的相位變化不考慮泊松效應時有第三十二頁，共96頁。實現(xiàn)縱向、徑向應變最簡便的方法是，采用一個空心的壓電陶瓷圓柱筒(PZT)，在這個圓柱筒上纏繞一圈或多圈光纖，并在其徑向或軸向施加驅(qū)動信號，由于PZT筒的直徑隨驅(qū)動信號變化，故纏繞在其上的光纖也隨之伸縮。光纖承受到應力，光波相位隨之變化。第三十三頁，共96頁。二、溫度應變效應僅考慮徑向折射率變化時，其相位隨溫度變化為第三十四頁，共96頁。5.3.2光纖干涉儀光纖相位傳感器要求有相應的干涉儀來完成相位檢測過程。對于一個相位調(diào)制干涉型光纖傳感器，敏感光纖和干涉儀缺一不可。敏感光纖完成相位調(diào)制任務，干涉儀完成相位—光強的轉(zhuǎn)換任務。第三十五頁，共96頁。

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，設有光振幅分別為A1和A2的兩個相干光束。如果其中一束光的相位由于某種因素的影響受到調(diào)制，則在干涉域中產(chǎn)生干涉。干涉場中各點的光強可表示為第三十六頁，共96頁。一、邁克爾遜(Michlson)光纖干涉儀第三十七頁，共96頁。二、馬赫—澤德(Mach—zehnder)光纖干涉儀第三十八頁，共96頁。保證全光纖干涉儀的工作點穩(wěn)定是比較困難的。在零差檢測方式中，需要保證兩光纖臂間的正交狀態(tài)。所以系統(tǒng)要求環(huán)境溫差不能太大。第三十九頁，共96頁?！罢粻顟B(tài)”是指干涉儀的兩臂光波間的相對相位為90°。正交檢測方式的優(yōu)點是探測相位靈敏度最高。第四十頁，共96頁。三、賽格納克(Sagnac)光纖干涉儀干涉儀裝在一個可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺上，且平臺以角速度Ω轉(zhuǎn)動時，根據(jù)賽格納克效應，兩束傳播方向相反的光束到達光探測器的延遲不同。若平臺以順時針方向旋轉(zhuǎn)，則順時針方向傳播的光較逆時針方向傳播的光延遲。第四十一頁，共96頁。相位延遲量可表示為式中，A是光路圍成的面積；第四十二頁，共96頁。光纖陀螺儀第四十三頁，共96頁。

四、法布里—珀羅(Fabry-Perot)光纖干涉儀由兩塊部分反射、部分透射、平行放置的反射鏡組成。在兩個相對的反射鏡表面鍍有反射膜，其反射率通常達95％以上。第四十四頁，共96頁。法布里—珀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的變化為透射的干涉光強的最大值與最小值之比第四十五頁，共96頁。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空氣光程，以光纖特性變化來調(diào)制相位代替以傳感器控制反射鏡移動實現(xiàn)調(diào)相。第四十六頁，共96頁。5.4頻率調(diào)制機理采用頻率調(diào)制技術(shù)可以對有限的幾個物理量進行測量。它主要是利用運動物體反射或散射光的多普勒頻移效應來檢測其運動速度。第四十七頁，共96頁。設光源和觀察者處于同一位置。如果頻率為f的光照射在相對光速度為v的運動物體上，那么觀察者接收的運動物體反射光頻率f1為第四十八頁，共96頁。當光源和觀察者處于相對靜止的二個位置時，可當作雙重多普勒效應來考慮。先考慮從光源到運動體，再考慮從運動體到觀察者。第四十九頁，共96頁。5.4.1光纖多普勒技術(shù)根據(jù)多普勒頻移原理，采用激光作為光源的測量技術(shù)是研究流體流動的有效手段。它的主要持點是空間分辨率高，光束不干擾流動性，并具有跟蹤快速變化的能力。第五十頁，共96頁。第五十一頁，共96頁。

現(xiàn)在來討論一下檢測信號的光功率計算方法。流體中運動體的返回信號大小取決于背向散射光強、媒質(zhì)衰減和光纖接收面積及數(shù)值孔徑。返回進入光纖的總功率Pr第五十二頁，共96頁。5.5波長調(diào)制機理

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)來實現(xiàn)的。此類傳感器多為非功能型傳感器。第五十三頁，共96頁。5.5.1光纖pH探測技術(shù)這種技術(shù)利用化學指示劑對被測溶液的顏色反應來測量溶液的pH值.第五十四頁，共96頁。

采用雙波長工作方式的目的是為了消除測量中多種因素所造成的誤差。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度的吸收比值為R,pH值與R的關(guān)系為式中．c、k為常數(shù)；L為試劑長度,Δ＝pH—pK，其中pH是酸堿度,pK是酸堿平衡常數(shù)。第五十五頁，共96頁。5.2光纖磷光探測技術(shù)第五十六頁，共96頁。兩個光電二極管的敏感波長不同，一個對540nm的光敏感，另一個對630nm的光敏感。經(jīng)光電二極管轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過電子電路進行信號處理，得到相對光強與溫度變化的特性曲線。經(jīng)校正可以得到輸出相對光強與溫度呈線性關(guān)系。第五十七頁，共96頁。5.5.3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(Plank)公式表述.所謂“黑體”、就是能夠完全吸收入射輻射，并具有最大發(fā)射率的物體。第五十八頁，共96頁。第五十九頁，共96頁。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。第六十頁，共96頁。5.5.4光纖法布里—泊羅濾光技術(shù)

式中，d是法布里—泊羅標準具厚度；n’是標準具平行板內(nèi)的介質(zhì)折射率；φ是反射光的相位躍變。第六十一頁，共96頁。5.6偏振調(diào)制機理光波是一種橫波，它的光矢量是與傳播方向垂直的。如果光波的光矢量方向始終不變，只是它的大小隨位相改變，這樣的光稱線偏振光。光矢量與光的傳播方向組成的平面為線偏振光的振動面。如果光矢量的大小保持不變，而它的方向繞傳播方向均勻地轉(zhuǎn)動，光矢量末端的軌跡是一個圓，這樣的光稱圓偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有規(guī)律地變化，且光矢量的末端沿著一個橢圓轉(zhuǎn)動，這樣的光稱橢圓偏振光。第六十二頁，共96頁。kEH偏振光的表示法圓偏振光線偏光橢圓偏振光第六十三頁，共96頁。馬呂斯定律強度為I0的偏振光，通過檢偏器后，透射光的強度為：

I=I0cos2α其中α為檢偏器的偏振化方向與入射偏振光的偏振化方向之間的夾角。AII0第六十四頁，共96頁。α為線偏振光的振動方向OM與檢偏器透振方向ON間的夾角。??????一束光強為I0的自然光透過檢偏器，透射光強為I0/2解釋I=I0cos2α第六十五頁，共96頁。天然的方解石晶體是雙折射晶體AB光的雙折射現(xiàn)象一束自然光射向石英、方解石等各向異性介質(zhì)時，其折射光有兩束，這種現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象。第六十六頁，共96頁。5.6.1普克耳效應各向異性晶體中的普克耳效應是一種重要的電光效應。當強電場施加于光正在穿行的各向異性晶體時，所引起的感生雙折射正比于所加電場的一次方，稱為線性電光效應，或普克耳效應。第六十七頁，共96頁。折射率橢球方程對于雙抽晶體，主折射率；對于單抽晶體，主折射率為尋常光折射率，為非常光折射率。第六十八頁，共96頁。若沿光軸方向入射，o光和e光具有相同的折射率和相同的波速，因而無雙折射現(xiàn)象。尋常光（o光）和非常光（e光）尋常光：對于晶體一切方向都具有相同的折射率，且在入射面內(nèi)傳播，簡稱它為o光。非常光：它的折射率（即波速）隨方向而變化，并且不一定在入射面內(nèi)傳播，簡稱為

e

光。

o光振動方向垂直于該光線（在晶體中）與光軸組成的平面。e

光振動方向平行于該光線（在晶體中）與光軸組成的平面。若光軸在入射面內(nèi)，實驗發(fā)現(xiàn)：o光、e光均在入射面內(nèi)傳播，且振動方向相互垂直。oe第六十九頁，共96頁。AB光軸某些晶體內(nèi)有一個確定的方向，在這個方向上，o光和e光的傳播速度相同，這個方向稱為晶體的光軸。MM’N’N說明：沿光軸方向入射的光束，通過晶體不分為兩束光，仍沿入射方向行進。它是一個特征方向。具有一個光軸的晶體，稱為單軸晶體。例如：方解石、石英等。具有兩個光軸的晶體，稱為雙軸晶體。例如：云母、硫黃等。光軸光軸第七十頁，共96頁。

晶體的兩端設有電極，并在兩極間加一個電場。外加電場平行于通光方向，這種運用稱為縱向運用，或稱為縱向調(diào)制。對于KDP類晶體，晶體折射率的變化Δn與電場E的關(guān)系由下式給定光程差為半波電壓第七十一頁，共96頁。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—多模光導纖維；6一光檢測器；7—運算器；8一輸出信號；9一光源；10——光耦合器；11—起偏器第七十二頁，共96頁。當晶體的通光方向垂直于外加電場時稱為橫向運用，這時產(chǎn)生的電光效應稱為橫向電光效應。晶體中兩正交的平面偏振光由于電光效應產(chǎn)生的相位差為晶體的半波電壓由下式給定第七十三頁，共96頁。5.6.2克爾效應克爾效應也稱為平方電光效應．它發(fā)生在一切物質(zhì)中。當外加電場作用在各向同性的透明物質(zhì)上時，各向同性物質(zhì)的光學性質(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。第七十四頁，共96頁。?

克爾效應當外電場撤消時，這種性質(zhì)立即消失，因此，也稱為電致雙折射現(xiàn)象。光軸沿電場強度的方向??+-cc'兩光通過厚度為l的液體時，光程差為：若去掉盒內(nèi)電場，則沒有光從N透出。整個系統(tǒng)起“光開關(guān)”的作用。通過控制外加電壓，可調(diào)節(jié)輸出的光脈沖的長短和頻率，把電訊號轉(zhuǎn)變成光訊號。由于光電效應幾乎沒有慣性，電訊號的控制速度可達10-9m/s。“光開關(guān)”,“光調(diào)制器”、“光斷續(xù)器”有極快的速度啟閉光路或調(diào)制光強，目前廣泛應用于高速攝影、電影、電視和激光通訊等許多領(lǐng)域。第七十五頁，共96頁。k是克爾常數(shù)。在大多數(shù)情況下(k為正值)，即介質(zhì)具有正單軸晶體的性質(zhì)。第七十六頁，共96頁。兩偏振光波的光程差為兩光波間的相位差第七十七頁，共96頁。5.6.3法拉第效應

許多物質(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)，這種現(xiàn)象稱為磁致旋光效應或法拉第效應。第七十八頁，共96頁。旋光現(xiàn)象A旋光現(xiàn)象偏振光通過某些透明物質(zhì)后，其振動面方將以光的傳播方向為軸線轉(zhuǎn)過一定的角度，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象。能夠產(chǎn)生旋光現(xiàn)象的物質(zhì)稱為旋光物質(zhì)。如石英、糖、酒石酸鉀鈉等。右旋物質(zhì)：迎著光的傳播方向觀看，使振動面按順時針方向轉(zhuǎn)動的物質(zhì)，如葡萄糖、石英等。左旋物質(zhì)：迎著光的傳播方向觀看，使振動面按逆時針方向轉(zhuǎn)動的物質(zhì)，如果糖等。不同的氨基酸和DNA等也有左右旋的不同，這些是目前生物學研究的課題。B旋光物質(zhì)第七十九頁，共96頁。C是旋光物質(zhì)；F為濾色片；M為起偏器；旋光物體放在兩個偏振片M與N之間，把檢偏器N旋轉(zhuǎn)一定角度，可得到亮視野和暗視野。C實驗裝置實驗證明：振動面旋轉(zhuǎn)的角度ΔΨ與材料的厚度d、濃度C以及入射光的波長有關(guān)。對于固體：定義為旋光系數(shù)，它是入射光波長的函數(shù)對于液體：式中C為溶液的濃度。應用：制糖工業(yè)，測定糖液濃度的糖量計第八十頁，共96頁。第八十一頁，共96頁。在法拉第效應中．偏振面的旋轉(zhuǎn)方向與外加磁場的方向有關(guān)，即費爾德常數(shù)有正負值之分。一般約定，正的費爾德常數(shù)系指光的傳播方向平行于所加H場方向，法拉第效應是左旋的；反平行于H場方向時是右旋的。第八十二頁，共96頁。

立方晶體或各向同性材料的法拉第效應可以解釋為，由于磁化強度取決于沿磁場方向傳播的右旋圓偏振光和左旋圓偏振光的折射率差，平面偏振光可以表示成左右旋圓偏振光之和。第八十三頁，共96頁。偏振光的矩陣表示

沿z方向傳播的任一種偏振光都可以表示為光矢量分別沿x軸和y軸方向振動的兩個線偏振光的疊加：即這兩個線偏振光有確定的振幅比和確定的位相差

第八十四頁，共96頁。也就是說：任一種偏振光的光矢量都可以用沿x軸和y軸的兩個分量來表示：用復振幅表示：上述方程表示：任一偏振光可以用由它的光矢量的兩個分量構(gòu)成的一列矩陣表示，此列矩陣稱為瓊斯矢量，記為：第八十五頁，共96頁。實際中，我們研究的往往是強