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(lèi)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(guò)程中，光纖易受外界環(huán)境因素影響，如溫度、壓力、電磁場(chǎng)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(zhǎng)等的變化。因此，人們發(fā)現(xiàn)如果能測(cè)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(lèi)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(chēng)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(cè)量的變化，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，傳輸來(lái)自遠(yuǎn)外或難以接近場(chǎng)所的光信號(hào)．所以也稱(chēng)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(zhǎng)(顏色)調(diào)制光纖傳感器。5.1光纖傳感器的分類(lèi)光纖傳感器按傳感原理3光纖傳感器的分類(lèi)光纖傳感器技被測(cè)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(lèi)光纖傳感器技被測(cè)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(cè)物理量引起光纖中的傳輸光光強(qiáng)變化，通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)量的測(cè)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(cè)信號(hào)的作用下其強(qiáng)度發(fā)生變化，即受到了外場(chǎng)的調(diào)制，使得輸出光強(qiáng)Po的包絡(luò)線與被測(cè)信號(hào)的形狀一樣，光電探測(cè)器測(cè)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(cè)物理5Io也作同樣的調(diào)制，信號(hào)處理電路再檢測(cè)出調(diào)制信號(hào)，就得到了被測(cè)信號(hào)。強(qiáng)度調(diào)制的特點(diǎn)是簡(jiǎn)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(chēng)為外調(diào)制式，光模式稱(chēng)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(cè)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(chēng)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(cè)物體表面，再?gòu)谋粶y(cè)面反射到另一根輸出光纖中，其光強(qiáng)的大小隨被測(cè)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(lái)測(cè)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(guò)被測(cè)能量場(chǎng)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(cè)量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測(cè)出待測(cè)的物理量。光纖中光的相位由光纖波導(dǎo)的物理長(zhǎng)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(zhǎng)度。一般說(shuō)，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(cè)器都不能敏感光的相位變化，必須采用于涉測(cè)量技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物理量的檢測(cè)。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(cè)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(chǎng)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(cè)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(cè)物理量的大小。5.3.1光纖干涉儀在光波的干涉測(cè)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?gòu)南卤砻娣瓷浯┻^(guò)后，垂直射入到固定的反射鏡上，經(jīng)過(guò)反射后再通過(guò)射入到目鏡L。第二束光是入射光束透過(guò)后形成的。它垂直入射在可移動(dòng)反射鏡上，經(jīng)過(guò)反射后，在的下表面反射入目鏡L。由于第一束光穿過(guò)三次，而第二束光只經(jīng)過(guò)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(guò)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(zhǎng)度時(shí)，射到光探測(cè)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(zhǎng)度，光探測(cè)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(cè)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(cè)場(chǎng)的干擾影響，而且免除了每次測(cè)量要調(diào)光路準(zhǔn)直等繁瑣的工作，使其更適于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)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(cè)器上探測(cè)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(cè)器的延遲不同，若平臺(tái)以順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，則在逆時(shí)針?lè)较騻鞑サ墓廨^順時(shí)針?lè)较騻鞑サ墓庋舆t。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(zhǎng)。這樣，通過(guò)探測(cè)器檢測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(cè)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(cè)器上探測(cè)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?jiàn)，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(guò)提高反射鏡的反射率來(lái)提高干涉儀的分辨率，從而使干涉儀測(cè)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(lái)調(diào)制相位代替了以傳感器控制反射鏡移動(dòng)來(lái)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(guò)兩根光纖問(wèn)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(guò)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(kāi)，光通過(guò)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模虼斯饫w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(kāi)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(kāi)距離的大小而變化、這就是透射式(亦稱(chēng)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(wèn)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(kāi)的位移量來(lái)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(wèn)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(mén)，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(mén)，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?。假如把兩根光纖的端面靠得非常近，滲出的光能幾乎無(wú)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(kāi)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(cè)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(cè)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29這樣，測(cè)量物體的位移范圍因而變小，為解決這種問(wèn)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(cè)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(cè)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(cè)方法。其原理是在離開(kāi)單模光纖端面微小距離為l處，放一個(gè)反射膜板．這樣，測(cè)量物體的位移范圍因而變小，為解決這種問(wèn)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(zhǎng))的周期函數(shù)。通過(guò)檢測(cè)反射光的光強(qiáng)變化測(cè)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(cè)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(cè)光纖包層模中光功率的方法測(cè)量微小位移。實(shí)驗(yàn)證明，它能測(cè)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(cè)出纖芯?；虬鼘幽Ｖ械墓夤β示涂蓹z測(cè)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(cè)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(cè)靈敏度更高。這里要介紹的傳感器是用檢測(cè)光纖包層模中光功率的方法測(cè)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(cè)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(cè)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(lái)說(shuō)，表面越租糙，反射能量也越小。因此，若將被測(cè)表面反射(包括散射)的光信導(dǎo)加以接收，則可由測(cè)出的反射光強(qiáng)的大小來(lái)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(cè)量表面粗糙度，主要是利用35下圖說(shuō)明利用光纖對(duì)傳光方法測(cè)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(cè)表面接觸時(shí)，無(wú)光被受光光纖所接收。當(dāng)該兩支光纖和被測(cè)表面有一定距離時(shí)，在傳光光纖l和被測(cè)表面5之間形成一導(dǎo)光錐，并照射被測(cè)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(cè)器就可評(píng)定表面5的粗糙度。下圖說(shuō)明利用光纖對(duì)傳光方法測(cè)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(lái)探測(cè)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(cè)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(lái)探測(cè)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(cè)量位移量。因此，加速度傳感器