第八章--光纤传感器.pptx

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1、第第8章章 光纤式传感器光纤式传感器 人们发现当光纤受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等条件变化时，光纤的传输特性将随之改变，且二者之间存在一定的对应关系，由此便研制出光纤传感器。光纤传感器具有很多优点，如灵敏度高、体积小、重量轻、响应速度快、抗电磁干扰、耐腐蚀、电气绝缘、可挠曲、便于遥测等。20世纪70年代初研制出第一根实用光纤后，20世纪80年代已发展了60多种不同的光纤传感器，目前，已研发出测量位移、速度、加速度、压力、温度、流量、电场、磁场等各种物理量的数百种光纤传感器。第1页/共202页第第8章章 光纤式传感器光纤式传感器光纤传感器的优点:(1)具有很高的灵敏度。(2)

2、频带宽、动态范围大。(3)可根据实际需要做成各种形状。(4)可以用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器，这些物理量包括声场、磁场、压力、温度、加速度、转动(陀螺)、位移、液位、流量、电流、辐射等。第2页/共202页第第8章章 光纤式传感器光纤式传感器 (5)便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和控制。(6)可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。(7)结构简单、体积小、重量轻、耗能少。第3页/共202页第第8章章 光纤式传感器光纤式传感器8.1 光纤及其传光原理8.2 光纤传感器的组成及分类8.3 光调制方式8.4 光纤式传感器应用举例第4页/共202页8.1 光

3、纤及其传光原理光纤及其传光原理光纤的结构光纤的传光原理光纤的主要参数第5页/共202页光纤的结构光纤的结构 光纤是光导纤维的简称，是一种多层介质的对称圆柱体，结构如图所示。中心圆柱体称为纤芯，由某种玻璃或塑料制成。纤芯外围的圆筒形外壳称为包层，通常也是由玻璃或塑料制成。包层外面有一层塑料保护外套。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质，光纤的机械强度由塑料保护外套来保证。第6页/共202页图8.1第7页/共202页光纤的传光原理光纤的传光原理 当光线由光密媒质（折射率n1）射入光疏媒质（折射率n2，n1n2）时，若入射角大于等于临界角f f（sinf f =n2/n1），在媒质界面上，会发生全反

4、射现象，如图所示。第8页/共202页光纤的传光原理光纤的传光原理 光在光纤中传播的基本原理可以用光线或光波的概念来描述。光线的概念是一个简便的近似的方法，可以用来导出一些重要概念，如全反射的概念、光线截留的概念等。然而，要进一步研究光的传播理论，将光看作是射线就不够了，必须借助波动理论。即要考虑到光是电磁波动现象以及光纤是圆柱形介质波导等，才能研究光在圆柱波导中允许存在的传播模式，并导出经常要提到的波导参数(V值)等概念。第9页/共202页光纤的传光原理光纤的传光原理 以阶跃型多模光纤为例，在子午面内当光线从空气(折射率n0)射入光纤端面，并与其轴线的夹角为q q0，如图所示;若入射角小于某一

5、值q qC，光线在纤芯和包层的界面上将发生全反射，光线射不出纤芯，光就在光纤内经若干次全反射而向前传播，并以光速从光纤的一端传播到另一端，这就是光纤传光的基本原理。第10页/共202页光纤的传光原理光纤的传光原理如图所示，由Snell定律得则 若要使入射光线在纤芯和包层的界面上发生全反射，由临界角定义，应满足第11页/共202页光纤的传光原理光纤的传光原理即 那么，能使光线在光纤内全反射的最大入射角q qC可由式(8.5)求得，即 式中，NA为光纤的数值孔径，它表示当入射光从折射率为n0的外部介质射入光纤时，只有入射角小于q qC的光才能在光纤中传播。第12页/共202页图8.3第13页/共2

6、02页光纤的主要参数光纤的主要参数1.数值孔径 定义：光从空气入射到光纤输入端面时，处在某一角锥内的光线一旦进入光纤，就将被截留在纤芯中，此光锥半角(q qC)的正弦称为数值孔径。数值孔径NA是光纤的一个基本参数，反映了光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率，只有入射光处于2q qC的光锥内,光纤才能导光。第14页/共202页光纤的主要参数光纤的主要参数 光纤的数值孔径NA越大，表明它可以在较大范围内输入全反射光，并保证此光波沿纤芯向前传播。一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但数值孔径过大，会造成光信号畸变，所以要适当选择数值孔径的数值。NA与光纤的几何尺寸无关，仅与纤芯和包层

7、的折射率有关，纤芯和包层的折射率差别越大，数值孔径就越大，光纤的集光能力就越强。石英光纤的NA=0.20.4，典型的光纤q qC10。第15页/共202页光纤的主要参数光纤的主要参数2.光纤的传输模式 根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程，考虑到光纤圆柱波导和纤芯-包层界面处的几何边界条件时，则只存在波动方程的特定(离散)解。允许存在的不同的解代表许多离散的沿波导轴传播的波。每一个允许传播的波称为模式。光纤传输的光波，可以分解为沿轴向和沿横截面传输的两种平面波。第16页/共202页光纤的主要参数光纤的主要参数 因为沿横截面传输的平面波是在纤芯和包层的界面处全反射的，所以当每一往复传输的相位变化是2

8、 2p p的整数倍时，将在截面内形成驻波。能形成驻波的光线组称为“模”，“模”是离散存在的，某种光纤只能传输特定模数的光。实际中常用麦克斯韦方程导出的归一化频率n n作为确定光纤传输模数的参数。n n的值可以由纤芯半径r、传输光波波长l l及光纤的数值孔径NA确定，即第17页/共202页光纤的主要参数光纤的主要参数这时，光纤传输模的总数N近似为 n n值小于2.41的光纤，纤芯很细（5m mm10m mm），仅能传输基模（截止波长最长的模式），故称为单模光纤。n n值大的光纤传输的模数多，称为多模光纤。通常纤芯直径较粗(几十m mm以上)，能传输几百个以上的模。第18页/共202页光纤的主要参

9、数光纤的主要参数 (1)单模光纤 通常是指阶跃型光纤中的纤芯尺寸很小(通常仅几微米)、光纤传播的模式很少、原则上只能传送一种模式的光纤。这类光纤传输性能好(常用于干涉型传感器)，制成的传感器比多模传感器有更好的线性、更高的灵敏度和动态测量范围。但单模光纤由于纤芯太小、制造、连接和耦合都很困难。第19页/共202页光纤的主要参数光纤的主要参数 (2)多模光纤 通常是指阶跃光纤中纤芯尺寸较大(大部分为几十微米)、传播模式很多的光纤。这类光纤性能较差。但由于芯子的截面大，容易制造，连接耦合也比较方便。这种光纤常用于强度型传感器。3.传输损耗 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就

10、是光纤的传输损耗。第20页/共202页光纤的主要参数光纤的主要参数 形成光纤损耗的原因很多，由于光纤纤芯材料的吸收、散射以及光纤弯曲处的辐射损耗等，另外光纤与光源的耦合损耗以及光纤之间的连接损耗等，都会造成光信号在光纤中的传播有一定程度的损耗。通常用衰减率A表示传播损耗 式中，L为光纤长度，I0为输入端光强，I1为输出端光强。第21页/共202页光纤的主要参数光纤的主要参数4.色散 简单说，光纤的色散是由于光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度不同而使得传播时间不同，从而产生波形畸变的现象。这种现象表现在输入光束是光脉冲时，随着传输的过程，光脉冲的宽度可被展宽，如果光脉冲

11、变得太宽以致发生重叠或完全吻合，则施加在光束上的信息就会丧失。这种光纤中产生的脉冲展宽现象称为色散。第22页/共202页光纤的主要参数光纤的主要参数表8.1 常用光纤类型及参数类型折射率分布纤芯直径/m mm包层直径/mm数值孔径单模2 8801250.100.15多模阶跃光纤（玻璃）80 2001002500.10.3多模阶跃光纤(玻璃/塑料)200100023012500.180.50多模梯度光纤501001251500.1 0.2第23页/共202页8.2 8.2 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的组成及分类光纤传感器的基本组成光纤传感器的分类第24页/共202页光纤传感器的基本组成光纤

12、传感器的基本组成 光纤传感器主要包括光导纤维、光源、光探测器三个重要部件。光源 分为相干光源（各种激光器）和非相干光源（白炽光、发光二极管）。实际中，一般要求光源的尺寸小、发光面积大、波长合适，足够亮、稳定性好、噪声小、寿命长、安装方便等。光探测器 包括光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管、光电池等。光探测器在光纤传感器中有着十分重要的地位，它的灵敏度、带宽等参数将直接影响传感器的总体性能。第25页/共202页光纤传感器的分类光纤传感器的分类 光纤传感器一般可分为功能型和非功能型两大类。1.功能型光纤传感器 功能型光纤传感器又称传感型光纤传感器，主要使用单模光纤，其基本结构原理如图(a)所示。光

13、纤在这类传感器中不仅是传光元件，而且利用光纤本身的某些特性来感知外界因素的变化，所以光纤又是敏感元件。在功能型光纤传感器中由于光纤本身是敏感元件，因此改变几何尺寸和材料性质可以改善灵敏度。第26页/共202页光纤传感器的分类光纤传感器的分类 功能型光纤传感器中光纤是连续的，结构比较简单，但为了能够灵敏地感受外界因素的变化，往往需要用特种光纤作探头，使得制造比较困难。2.非功能型光纤传感器 非功能型光纤传感器又称传光型光纤传感器。它是利用在光纤端面或两根光纤中间放置敏感元件，来感受被测量的变化，光纤仅起传光作用。第27页/共202页光纤传感器的分类光纤传感器的分类 如图(b)、(c)所示。这类光

14、纤传感器可以充分利用现有的性能优良的敏感元件来提高灵敏度。为了获得较大的受光量和传输光的功率，这类传感器使用的光纤主要是数值孔径和芯径较大的阶跃型多模光纤。在非功能型光纤传感器中，也有并不需要外加敏感元件的情况。第28页/共202页光纤传感器的分类光纤传感器的分类 比如，光纤把测量对象辐射或是测量对象反射、散射的光信号传播到光电元件，如图(d)所示。这种光纤传感器也称为探针型光纤传感器，使用单模光纤或多模光纤。典型的例子有光纤激光多普勒速度传感器和光纤辐射温度传感器等。第29页/共202页图8.4(a)功能型(c)非功能型(b)非功能型(d)探针型第30页/共202页8.3 8.3 光调制方式

15、光调制方式 光纤传感器的工作原理是通过被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输光的振幅、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再对被调制的光信号进行检测，从而得出相应的被测量。所谓调制可以归结为将一个携带信息的信号叠加到载波光波上的过程。这个过程称为光波的调制，简称光调制。光调制技术是光纤传感器的基础和关键技术。第31页/共202页8.3 8.3 光调制方式光调制方式 按调制方式可分为：强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等。而且，同一种光调制方式可以实现多种物理量的检测，同一物理量也可利用多种光调制方式来实现测量。因此，掌握光调制技术并加以灵活运用，对新型传感器的开发有重要意义。第32

16、页/共202页8.3 8.3 光调制方式光调制方式强度调制波长调制相位调制及干涉测量频率调制偏振调制第33页/共202页强度调制强度调制 利用被测量直接或间接地改变光纤中传输光的强度，再通过测量光强的变化检测出被测量的方法，称为强度调制，如图所示。第34页/共202页强度调制强度调制 当一恒定光源的光波Iin注入调制区，在外力场强Is的作用下，输出光波的强度被Is所调制，载有外力场信息的出射光 Iout 的包络线与Is形状相同，光（强度）探测器的输出电流I(或电压)也反映出了作用力场。同理，可以利用其他各种对光强的调制方式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、辐射等来调制入射光，从而形

17、成相应的调制器。第35页/共202页强度调制强度调制 强度调制是光纤传感器使用最早的调制方法，其特点是技术简单可靠、价格低廉。可采用多模光纤，光纤的连接器和耦合器均已商品化。光源可采用LED和白炽灯等非相干光源，探测器一般用光电二极管、三极管和光电池。1.微弯损耗光强调制 根据模态理论，当光纤受力微弯时，一部分纤芯模式能量会转化为包层模式能量，通过测量包层模式能量或纤芯模式能量的变化就能测出被测量。第36页/共202页强度调制强度调制 微弯损耗调制原理如图所示。当把多模光纤夹在一个空间周期为L的梳状结构变形器中时，只要适当选择空间周期L和光纤传输模式间的传输常数差，使其相匹配，则变形器位移产生

18、的光纤微弯就会引起各传输模式间的耦合;光能在光纤纤芯中的模式就会转变成耦合模被送进包层中，形成模辐射。第37页/共202页强度调制强度调制 模态理论表明，当纤芯传输模b b1和包层传输模b b2的传输常数之差为 时，纤芯传输模与包层传输模之间的耦合最强。在梯度光纤中 在阶跃光纤中 式中 n(0)、n(r)距离光纤轴为0和r处的折射率；r纤芯半径。第38页/共202页强度调制强度调制2.利用小的线位移和角位移进行光强调制 这种方法是采用端面为平面的两根光纤，一根为入射光纤，一根为出射光纤，光纤间距大约为2m mm3m mm，如图所示。当受外界因素影响，使出射光纤相对于入射光纤横向或纵向微小移动或

19、微小转动时，则出射光强随之发生变化，即光强被调制。若测得出射光强变化，即可确定出射光纤相对于入射光纤运动的线位移或角位移。第39页/共202页强度调制强度调制 若入射和出射光纤均采用相同性能的单模光纤，径向位移 d 与功率耦合系数 T 之间存在下面关系：式中，S0为光纤中的光斑尺寸；T和d的关系为高斯型曲线。这种调制方法可以测量10m10mm以内的位移量。第40页/共202页强度调制强度调制3.利用折射率的变化进行光强调制 当某些物理量(如温度或压力等)作用于光纤时，引起光纤的纤芯和包层的折射率发生变化，若包层的折射率变得大于或等于纤芯的折射率，则光在纤芯和包层界面上的全反射遭到破坏，产生输出

20、光强的变化即实现强度调制。第41页/共202页强度调制强度调制4.利用光纤的吸收特性进行光强调制 X射线、g g射线等辐射会使光纤材料的吸收损耗增加，光纤的输出功率降低，从而形成强度调制。由于不同材料对不同的射线敏感，因此改变光纤材料的成份可对不同的射线进行测量。如图所示即是根据这种原理制成的测量辐射量的传感器。第42页/共202页图8.5S光源，D探测器第43页/共202页图8.6横向 纵向角度 差动 S光源 D探测器第44页/共202页图8.7第45页/共202页波长调制 利用外界因素改变光纤中光的波长，通过检测波长的变化来检测各种物理量，称为波长调制。波长调制的解调技术比较复杂，与强度调

21、制技术相比应用的较少。常用的波长调制方法有利用热色物质的颜色变化、利用磷光和荧光光谱的变化、利用黑体辐射、利用滤光器参数的变化和利用位移进行波长调制。第46页/共202页波长调制 如图所示，是利用位移进行波长调制的原理。光纤线性位移、光栅旋转或衍射板位移都能进行波长调制，从而使接收光纤中的光波长发生变化，通过检测这种变化就能知道位移量。由此可以设计出光纤位移传感器。第47页/共202页图8.8(a)位移 (b)光栅旋转(c)衍射板位移第48页/共202页相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量1.相位调制 利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过检测相位变化来测量被测量的方法，称为相位调制。相位调制

22、是光纤传感器中最基本的调制技术，以灵敏度高著称。例如，如果信号监测系统可以检测1m mrad的相位移，则每米光纤的检测灵敏度对温度为10-8、对压力为10-7Pa、对应变为10-7(即0.1me)me)，动态范围可达1010。第49页/共202页相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 理论表明，当真空中波长为l l0的光入射到长度为L的光纤时，若以其入射端面为基准，则出射光的相位为 式中 K0光在真空中的传播常数；n纤芯折射率。由此，纤芯折射率n变化和光纤长度L变化导致的光相位变化即第50页/共202页相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时，由于应力应变效应

23、，光纤的长度(应变效应)、光纤的直径(泊松效应)、纤芯折射率(光弹性效应)都将变化，这些变化将导致光纤中光波相位的变化。若将光纤放在变化的温度场中，由于温度应变效应，引起光纤的折射率和几何长度的变化也会引起相位变化。第51页/共202页相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量光纤相位调制器 光纤相位调制器即移相器，其作用是通过一小段光纤根据需要随时改变光程长度。光纤相位调制器可以通过对光纤某一部分的长度或波导模的折射率进行外部调制来实现。最常用的方法是在压电陶瓷管(PZT)上绕若干圈光纤，并且稍稍拉紧，如图(a)所示。通过在PZT元件上加上电压，使其扩张或收缩，光纤就被拉长或缩短，从而改变光程长度

24、。第52页/共202页相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 对一根单模SiO2光纤，当l l=633nm，圆管工作频率低于最低机械共振频率时，通过施加70100V的反转电压，可产生2p p弧度的相移。若工作在机械共振频率，相移的调制幅度可增加几个数量级。图(b)是带有共轴压电换能器的光纤相位调制器。光纤置于一PZT圆管的轴线上，圆管与光纤间充以声学材料（环氧树脂）。第53页/共202页相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 PZT圆管工作于厚度模式，由圆管薄壁产生的厚度谐振频率的声波会聚于圆管中心，对纤芯施加压力，通过光弹效应使光纤的折射率受到调制。例 如，壁 厚 为 0.51mm、共 振 频

25、率 为6.02MHz时，能产生0.058rad/(/(Vcm)的相位调制。图(c)是被覆压电外套的光纤相位调制器。第54页/共202页相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 在光纤上被覆一层压电塑料外套，如聚偏二氟乙烯(PVDF)，外套的内外表面被覆金属膜作电极，在外加电场的激励下，这层被覆的压电套就会对光纤的相位进行调制。实验表明，采用厚度为120m mm的径向极化PVDF外套，在很宽的频率范围(30kHz2.5MHz)有平坦的频率响应，相位调制系数为0.01rad/(/(Vcm)。第55页/共202页相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量2.干涉测量 目前光探测器对光的相位变化都不敏感，须采用

26、干涉技术将相位变化变为强度变化，实现对物理量的测量。相位变化将引起干涉条纹的运动，记录干涉条纹移动的数目，就可测得相位的变化，从而测得导致相位变化的物理量，这就是干涉测量原理。光纤干涉仪的一般系统结构如图所示。第56页/共202页相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 (1)(1)迈克尔逊(Michelson)干涉仪 迈克尔逊干涉仪的基本原理如图所示。如果光往返于固定平面镜和活动平面镜的光程差小于激光器的相干长度，那么透射到光检测器的两束光就可能互相发生干涉。每当活动平面镜移动1/2光波长的距离时，检测器的输出就从最大值变到最小值，然后再变回最大值。第57页/共202页相位调制及干涉测量相位调制

27、及干涉测量 采用这种技术在He-Ne激光器的红光情况下，它可以检测平面镜0.6310-13m的位移。迈克尔逊因发明干涉仪和光速的测量而获得1907年诺贝尔物理学奖。(2)马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪 马赫-泽德干涉仪的结构如图所示。下方的分束器把激光器的输出光束分成两束。第58页/共202页相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 它们经上、下光路的传输之后又重新合路，使它们在光检测器处互相发生干涉。这种结构也可用于检测可动平面镜小到10-13m的位移。与迈克尔逊干涉仪相比，它的优点是，只有少量的或者没有光直接返回激光器，这就避免了反馈光使激光器不稳定和产生噪声。第59页/共202

28、页相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 (3)萨格奈克(Sagnac)干涉仪 如图所示为萨格奈克干涉仪的结构。在这种结构中，激光器输出的两束光沿着由一个分束器和三个平面镜构成的闭合光路反方向传输，它们重新合路后再入射到光检测器，同时一部分光又返回到激光器。第60页/共202页相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 如果某块平面镜沿着与反射面垂直的方向移动，那么两个光程的长度必然改变同样的数量，故在光检测器上不会检测到干涉过程中的变化。反之，如果使固定该干涉仪的台子绕着垂直于光束平面的轴作顺时针旋转，顺时针方向传输的光束就必然滞后于逆时针方向传输的光束。第61页/共202页相位调制及干涉测量相位调

29、制及干涉测量可以求得顺、反两光束之间的光程差为 式中，A为光路系统围成的面积，c为光速，w w为光路系统旋转的角速度。若由光检测器测得D DL，则可由上式求得干涉仪的台子相对于惯性空间的转动角速度。可见，萨格奈克干涉仪可用作灵敏的旋转检测器。从原理上讲，它是目前许多惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。第62页/共202页相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 (4)法布里-珀罗(Fabry-Perol)干涉仪 法布里-珀罗干涉仪原理如图所示。它是由两块平行的部分透射平面镜组成的。这两块平面镜的反射率(反射系数)通常是非常大的，一般大于或等于95%。假定反射率为95%，那么在任何情

30、况下，激光器输出光的95%将朝着激光器反射回来，余下的5%的光将透过平面镜而进入干涉仪的谐振腔内。第63页/共202页相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 进入干涉仪的光有5%透射，被光检测器接收，95%反射回来，又有5%透射，95%被反射。如此下去。因此，光检测器接收到的电场有一系列电场矢量，在原理上它们的数量是无限的，每一个后续电场矢量都按系数R2递减，这里R是反射系数。当反射镜间的距离为半波长的整数倍时，所有这些矢量都同相，输出强度达到最大值。第64页/共202页相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 当反射镜间的距离稍稍增加时，每一个后续矢量都相对于前一个矢量位移相同的角度。无限地把矢量

31、不断相加，根据多光束干涉原理，光检测器探测到的光强为第65页/共202页相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 式中，I0为入射光强，T为镜面的光透射率，R为反射率，q q为相邻光束间的相位差，F称为精细度。当q q=0,2p p,4p p时，干涉光强有最大值。当q q=p p,3p p,5p p时干涉光强有最小值。注意到 反射率越大，干涉光强变化越明显，分辨率越高。法布里-珀罗干涉仪是一种极灵敏的位置和长度测量装置。事实上，它是能用于现代科学的最灵敏的位移测量装置之一。第66页/共202页光纤相位调制器第67页/共202页图8.9L激光器；P1分束器；P2耦合器；D检测器第68页/共202页迈

32、克尔逊干涉仪第69页/共202页马赫马赫泽德干涉仪泽德干涉仪第70页/共202页萨格奈克干涉仪第71页/共202页法布里-珀罗干涉仪第72页/共202页频率调制频率调制 利用外界因素改变光纤中光波的频率，通过检测光频率的变化来测量被测量的原理，称为频率调制。这里光纤本身只作为传光元件，而频率调制多是利用光学多普勒效应来实现。如图所示，S为单色光源，P为运动物体，Q是观察者所处的位置。第73页/共202页频率调制频率调制 若物体P运动的速度为u u，运动方向与PS和PQ的夹角分别为q q1和q q2。从光源S发出的频率为f的光，由于物体P相对于光源运动，根据多普勒效应，在P点所观察到的光频率f1

33、可由下式表示第74页/共202页频率调制频率调制 式中，c为真空中的光速。频率为f1的光通过物体P产生散射，在Q处所观察到的光频率f2由下式表示考虑到u u c，则可把双重多普勒频移方程表示为 测得f2，即可求出物体的运动速度。第75页/共202页频率调制频率调制 如图所示。设激光光源频率为f0，经半反射镜和聚焦透镜进入光纤射入到被测流体;当流体以速度u u运动时，根据多普勒效应，其向后散射光的频率为f0+D Df或f0-D-Df（视流向而定），向后散射光与光纤端面反射光（参考光）经聚焦透镜和半反射镜，由检偏器检出相同振动方向的光;探测器检测出端面反射光f0与向后散射光f0+D Df或f0-D

34、-Df的差频D Df，由此可知流体的的流速。第76页/共202页图8.10第77页/共202页光纤多普勒流速测量系统第78页/共202页偏振调制偏振调制 利用外界因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏振态变化（即偏振面的旋转）来测量被测量的方法，称为偏振调制。在光纤传感器中，偏振调制主要基于人为旋光现象和人为双折射现象，如法拉第磁光效应、克尔电光效应和光弹效应等。根据电磁场理论，光波是一种横波；光振动的电场矢量 E 和磁场矢量 H 始终与传播方向垂直。第79页/共202页偏振调制偏振调制 如果光波的电场矢量 E 和磁场矢量 H（与 E 垂直）的方向在传播过程中保持不变，这种光称为线偏振光。线偏振

35、光电场矢量（E）方向与传播方向组成的面称为线偏振光的振动面。若光在传播中，E、H的大小不变，而振动方向绕传播轴均匀地转动，矢量端点轨迹为圆，这种光称为圆偏振光；如果矢量轨迹为一个椭圆，这种光称为椭圆偏振光。第80页/共202页偏振调制偏振调制 如果自然光在传播过程中，受到外界的作用而使各个振动方向上强度不等，使某一方向的振动比其他方向占优势，这种光称为部分偏振光。如果外界作用使自然光的振动方向只有一个，这种现象称为起偏（形成完全偏振光）。利用光波的这些偏振性质，可以制成光纤的偏振调制传感器。注意，关于光的振动方向通常是指电场矢量 E的方向。第81页/共202页偏振调制偏振调制1.法拉第磁光效应

36、 法拉第磁光效应表明，在磁场作用下，偏振光的振动面发生旋转，如图所示，光矢量旋转的角度q q与光在物质中通过的距离L及磁场强度H成正比，即式中，Vd为物质的费尔德常数。第82页/共202页偏振调制偏振调制 如图所示为应用法拉第磁光效应测量高压大电流的传感器，如果通过高压输电线的电流是I，在高压输电线上绕有N圈光纤，则光纤中传输的线偏振光在高压输电线形成的磁场作用下，使偏振面旋转，其旋转的角度为q q。利用式(8.17)可得 由于光纤材料的费尔德常数非常小(0 0.0161/A)，故用此法测量的电流值可达几十到几十万安。第83页/共202页偏振调制偏振调制2.克尔电光效应 克尔电光效应原理如图所

37、示。在与入射光垂直的方向上加以高电压，各向同性体便可呈现双折射现象，这种现象即为克尔电光效应。一束入射光变成两束出射光，两束出射光的相位差为 式中，L为光通过各向同性物质的长度；d为两极间的距离；V为外加电压；K为克尔常数。利用克尔电光效应可构成光纤电压传感器。第84页/共202页偏振调制偏振调制3.光弹效应 如图所示，在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力的材料将会使光产生双折射现象，其折射率的变化与应力有关，这种现象称为光弹效应。利用物质的光弹效应可以构成压力、振动、位移等光纤传感器。第85页/共202页法拉第磁光效应测磁场法拉第磁光效应测磁场第86页/共202页图8.11第87页/共

38、202页图8.12第88页/共202页光弹效应第89页/共202页8.4 8.4 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例光纤温度传感器光纤位移传感器光纤流量、流速传感器光纤磁传感器医用光纤传感器分布式光纤传感器第90页/共202页8.4 8.4 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例工业用内窥镜光纤加速度传感器光纤光栅传感器光纤层析成像分析技术及应用光纤纳米生物传感器光纤传感领域的发展第91页/共202页光纤温度传感器光纤温度传感器 光纤测温技术是近几年发展起来的新技术，光纤温度传感器是工业中应用最多的光纤传感器之一。按调制原理分为相干型和非相干型两类。在相干型中有偏振干涉、相位干涉以及分

39、布式温度传感器等；在非相干型中有辐射温度计、半导体吸收式温度计、荧光温度计等。第92页/共202页8.1 光纤传感器的应用光纤传感器的应用例例8-1 光纤温度开关光纤温度开关1 12 23 34 4图图8-1 8-1 水银柱式光纤温度开关水银柱式光纤温度开关1 1 浸液；浸液；2 2 自聚焦透镜；自聚焦透镜；3 3 光纤；光纤；4 4 水银水银第93页/共202页图图8-2 8-2 热双金属式光纤温度开关热双金属式光纤温度开关1 1 遮光板；遮光板；2 2 双金属片双金属片接收接收光源光源1 12 2例例8-2 遮光式光纤温度计遮光式光纤温度计当温度升高时，双金属片的变形量增大，当温度升高时，

40、双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。出光强发生变化。第94页/共202页例例8-3 透射型半导体光纤温度传感器透射型半导体光纤温度传感器半导体的吸收光谱与材料的半导体的吸收光谱与材料的Eg有关，而有关，而Eg却随温度的不同而不同。却随温度的不同而不同。Eg与温度与温度t的关系的关系可表示为：可表示为：半导体材料的半导体材料的Eg随温度的上升而减小，亦随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波长即其本征吸收波长g随温度的上升而增大随温度的上升而增大。第95页/共202页这个性质反映在半导体的透光性上则表现这个性质反映在半导体的透

41、光性上则表现为：当温度升高时，其透射率曲线将向长为：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的波方向移动。若采用发射光谱与半导体的g（t）相匹配的发光二极管作为光源，则）相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随透射光强度将随着温度的升高而着温度的升高而减小，即通过检减小，即通过检测透射光的强度测透射光的强度或透射率，即可或透射率，即可检测温度变化。检测温度变化。相相相相对对对对发发发发光光光光强强强强度度度度透透透透射射射射率率率率LED发光光谱发光光谱半导体透射率半导体透射率T T1 1TT2 2TT3 3T T3 3T T1 1T T2 2波长波长波长波长图图

42、8-3 半导体透射测量原理半导体透射测量原理第96页/共202页光纤光纤光纤光纤环氧胶环氧胶环氧胶环氧胶半导体半导体半导体半导体反射膜反射膜反射膜反射膜利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式探头结构如图。光纤中的入射光器的单端式探头结构如图。光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返回，在光路线经探头顶部的反射膜反射后返回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。收，则出射光强将随温度的变化而变化。第97页/共202页例例9-4 膜片反射式光纤压力传感器膜片反射式光纤压

43、力传感器光源光源光源光源接收接收接收接收Y Y形光纤束形光纤束形光纤束形光纤束壳体壳体壳体壳体P P弹性膜片弹性膜片弹性膜片弹性膜片Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在如图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。距离发生变化，从而使输出光强受到调制。第98页/共202页光纤被夹在一对锯光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤齿板中间，当光纤不受力时，光线从不受力时，光线从光纤中穿过，没有光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿能量损失。当

44、锯齿板受外力作用而产板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中.例例9-5 微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器D DS SF FF F变形器变形器变形器变形器光纤光纤光纤光纤d d第99页/共202页原来光束以大于临界角原来光束以大于临界角C的角度的角度1在纤芯内在纤芯内传输为全反射；但在微弯处传输为全反射；但在微弯处21，一部分，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大

45、，泄漏到包层的散射光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压测得引起微弯的压力、声压，或检测力、声压，或检测由压力引起的位移由压力引起的位移等物理量。等物理量。1 1 n n0 0n n2 2n n1 1 2 2 3 3第100页/共202页例例9-6 光弹式光纤压力传感器光弹式光纤压力传感器图图9-17 9-17 光弹性式光纤压力传感器光弹性式光纤压力传感器1 1、7 7 起偏器；起偏器；2 2、8 1/48 1/4波长板；波长板

46、；3 3、9 9 光弹性元光弹性元件；件；4 4、10 10 检偏器；检偏器；5 5 光纤；光纤；6 6 自聚焦透镜自聚焦透镜线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光光源光源光源光源1 12 23 34 4P P圆偏振光圆偏振光圆偏振光圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光第101页/共202页从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光。从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈当有与入射光偏振方向呈45的压力作用于的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，椭圆偏振光，由检偏器检测出与由检偏器检测出与入射光偏振方向相入

47、射光偏振方向相垂直方向上的光强垂直方向上的光强，即可测出压力的，即可测出压力的变化。其中变化。其中1/4波长波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。P P5 56 67 78 8 9 91010(b)(b)传感器结构传感器结构第102页/共202页例例9-7 球面光纤液位传感器球面光纤液位传感器 图图9-19 9-19 球面光纤液位传感器球面光纤液位传感器(a)(a)探头结构探头结构探头结构探头结构 LEDLEDPDPD1 12 2将光纤用高温火焰烧软后对折，并将端部将光纤用高温火焰烧软后对折，并将端部烧结成球形。烧结成球形。第103页/共202页光

48、由光纤的一端导入光由光纤的一端导入,在球状对折端部一部在球状对折端部一部分光透射出去分光透射出去,另一部分光反射回来另一部分光反射回来,由光纤由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射决于被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越率与光纤折射率越接近接近,反射光强度越反射光强度越小。显然小。显然,传感器处传感器处于空气中时比处于于空气中时比处于液体中时的反射光液体中时的反射光强要大。强要大。(b)(b)检测原理检测原理检测原理检测原理空气空气空气空气液体液体液体液体第104页/共202页例例9-8 斜端面光纤液位传感

49、器斜端面光纤液位传感器图图9-20 9-20 斜面反射式光纤液位传感器斜面反射式光纤液位传感器光纤光纤光纤光纤(a)(b)(a)(b)光纤光纤光纤光纤棱镜棱镜棱镜棱镜光纤的光强减小。当传感器接触液面时，将光纤的光强减小。当传感器接触液面时，将引起反射回另一根引起反射回另一根第105页/共202页例例9-9 单光纤液位传感器单光纤液位传感器图图9-21 9-21 单光纤液位传感器结构单光纤液位传感器结构1 1 光纤；光纤；2 2 耦合器耦合器1 12 2第106页/共202页当光纤处于空气中时，入射光的大部分能当光纤处于空气中时，入射光的大部分能在端部满足全反射条件而返回光纤。当传在端部满足全反

50、射条件而返回光纤。当传感器接触液体时，由于液体的折射率比空感器接触液体时，由于液体的折射率比空气大，使一部分光不能满足全反射条件而气大，使一部分光不能满足全反射条件而折射入液体中，返回光纤的光强就减小。折射入液体中，返回光纤的光强就减小。利用利用X形耦合器即可构成具有两个探头的形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感器。若在不同的高度安装多液位报警传感器。若在不同的高度安装多个探头，则能连续监视液位的变化。个探头，则能连续监视液位的变化。第107页/共202页为了防止当探头离开液体时，由于有液滴附为了防止当探头离开液体时，由于有液滴附着在探头上，传感器不能立即响应，可作一着在探头上，传感器不