第五章 光纖傳感器

1、光纖傳感器技術光纖傳感器技術光纖傳感器概述光纖傳感器概述 光纖傳感技術光纖傳感技術 定義定義: :以光波為信息載體以光波為信息載體, ,以光纖為傳輸媒質或以光纖為傳輸媒質或者以光纖為信息敏感器件的同時又作為信息傳者以光纖為信息敏感器件的同時又作為信息傳輸介質。輸介質。 發(fā)展方向：發(fā)展方向： 1)特殊光纖研制。特殊光纖研制。 2)提高元器件的性能和穩(wěn)定性，逐步達到提高元器件的性能和穩(wěn)定性，逐步達到商品化。商品化。 3)多點檢測、遙測、分布式光纖傳感器系多點檢測、遙測、分布式光纖傳感器系統(tǒng)。統(tǒng)。 4)新型原理的光纖傳感器。新型原理的光纖傳感器。光纖傳感器技術的特點光纖傳感器技術的特點 光纖傳感器較

2、傳統(tǒng)的傳感器相比有許多持點：光纖傳感器較傳統(tǒng)的傳感器相比有許多持點： 靈敏度高靈敏度高 頻帶寬，測量動態(tài)范圍大頻帶寬，測量動態(tài)范圍大 抗電磁干擾，耐高壓，耐腐蝕，保密性好，在抗電磁干擾，耐高壓，耐腐蝕，保密性好，在易燃易爆環(huán)境下安全可靠易燃易爆環(huán)境下安全可靠 質輕體小，可撓曲，幾何形狀具有多方面的適質輕體小，可撓曲，幾何形狀具有多方面的適應性應性 可以與光纖遙測技術相配合，實現(xiàn)遠距離測量可以與光纖遙測技術相配合，實現(xiàn)遠距離測量和控制和控制 由光纖傳感器組成的光纖傳感器系統(tǒng)，便于與由光纖傳感器組成的光纖傳感器系統(tǒng)，便于與計算機相連接，響應快，能實時在線測量和自計算機相連接，響應快，能實時在線測量

3、和自動控制動控制光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類 1按傳感的原理來分：按傳感的原理來分： 功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器 非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器 2按光纖中光波調制原理來分：按光纖中光波調制原理來分： 強度調制，頻率調制，波長調制，相位調制和強度調制，頻率調制，波長調制，相位調制和偏振調制光纖傳感器。偏振調制光纖傳感器。 3按測量對象來分：按測量對象來分： 位移、壓力、溫度、流量、速度、加速度、振位移、壓力、溫度、流量、速度、加速度、振動、應變、電壓、電流、磁場、化學量、生物動、應變、電壓、電流、磁場、化學量、生物量等光纖傳感器。量等光纖傳感器。功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器

4、 利用光纖本身的某種敏感特性或功能制作的傳感器稱為功能型傳感器功能型傳感器： “傳”和“感”合為一體，光纖不僅傳輸光波，而且感知被測參數的變化。光纖本身就是傳感頭。非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器 光纖僅起傳輸光波的作用，必須在光纖中間或端面加裝其他敏感元件才能構成傳感器，稱為傳光型傳傳光型傳感器感器，即非功能型光纖傳感器。 它又分為兩種。 種是將敏感元件置于入射與接收光纖中間，在被測對象的作用下，或使敏感元件遮斷光路，或使敏感元件的光透射率發(fā)生變化，這樣，光探測器所探測光量便成為被測對象調制后的信號； 另一種是在光纖一端設置“敏感元件+發(fā)光元件”的組合部件，敏感元件感受被測對象的作用并將

5、其轉換為電信號后作用于發(fā)光元件，而發(fā)光元件的發(fā)光強度作為測量所得的信息。光纖傳感系統(tǒng)的基本構成光纖傳感系統(tǒng)的基本構成 光纖傳感器系統(tǒng)包括光源，光纖，傳感頭，光探測器和信號處理電路等。光電探測器信號檢測與處理傳感頭傳輸光纖光源光纖傳感器的光源的要求 由于光纖傳感器中光纖細而長，若使光波能在其中正常傳播，并滿足測量要求，則對光源的結構與性能有一定要求： (1)由于光纖傳感器結構所限，要求光源的體光源的體積小積小，便于與光纖耦合； (2)光源要有足夠的亮度足夠的亮度，以提高傳感器輸出的光功率； (3)光源發(fā)出的光波長應適合光源發(fā)出的光波長應適合，以減少光波在光纖中傳閉時的能量損耗； (4)光源工作時

6、穩(wěn)定性好、噪聲小穩(wěn)定性好、噪聲小，能在室溫下連續(xù)長期工作； (5)光源要便于維護，使用方便。便于維護，使用方便。光纖傳感器用光探測器的要求 (1)線性好，線性好，按比例地將光信號轉換為電信號； (2)靈敏度高，靈敏度高，能敏感微小的輸入光信號，并輸出較大的電信號； (3)響應頻帶寬、響應運度快，動態(tài)特性好；響應頻帶寬、響應運度快，動態(tài)特性好； (4)性能穩(wěn)定，噪聲小性能穩(wěn)定，噪聲小等。光調制技術光調制技術 按照調制方式分類，光調制可以分為強度調制、相位調制、偏振調制、頻率調制和波長調制等。強度調制光纖傳感器強度調制光纖傳感器 光強度調制型：光強度調制型：用被測對象引起光纖中光強度的變化實現(xiàn)對被

7、測對象的檢測。 分為內調制型內調制型和外調制型外調制型兩種 外調制型：光纖僅起傳光作用，光纖本身特性不改變，調制過程發(fā)生在光纖以外的環(huán)節(jié)。屬于傳光型傳感器。 內調制型：調制過程發(fā)生在光纖內部，是通過光纖本身特性的改變來實現(xiàn)光強度的調制，屬于功能型光纖傳感器。有兩種途徑： 1) 改變光纖的幾何形狀，從而改變光線的傳播入射角。 2) 改變光纖纖芯或包層的折射率。如采用電光材料、磁光材料、光彈性材料，微彎效應等。強度調制的原理 1 由光的傳播方向改變引起的強度調制 2 由透射率的改變引起的強度調制 3 由光纖中光的模式的改變引起的強度調制 4 由折射率改變引起的強度調制 5 由光吸收系數的改變引起的

8、強度調制 a.利用光纖的吸收特性引起的強度調制 b.利用半導體的吸收特性進行強度調制光的傳播方向改變引起的強度調制光的傳播方向改變引起的強度調制 Intensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(1) Intensity Sensors(1)LightMovable ReflectorMultimode FiberMultimode Grating Sensors(2) Based on Relative Movement of Opposed GratingsLight inLight outOpposed Grating Stru

9、ctureGRINrod Microlens透射率的改變引起的強度調制（透射率的改變引起的強度調制（1）透射率的改變引起的強度調制（透射率的改變引起的強度調制（2）入射光纖出射光纖準直透鏡聚焦透鏡可動遮光屏Intensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(3) Intensity sensors(3): Microbend Sensors The sensed parameter (strain, pressure, force, position, acceleration can be mechanically coupled t

10、o displacement of a device that deforms the fiberFiberDisplacement光纖中光的模式的改變引起的強度調制光纖中光的模式的改變引起的強度調制微彎調制器Intensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(4) Intensity sensors(3): Liquid-level sensor The light returned in air with total internal reflection from a prism is 15 dB above the value

11、in water. AirLiquid折射率改變引起的強度調制折射率改變引起的強度調制Intensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(4) Encoder-Based Position Sensors Using an encoder plate to provide linear or rotary displacement measurement.WavelengthLightPhotodiodesw1w2w3w4w1w3w412 3 4WavelengthLightCombinerEncoder plateWavelength

12、 dividerIntensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(5) Variety of Sensor ConstructionGradient index lensMirrorsRefractive index test liquidSpacerTemperature sensorPressure sensorPressureMultimode fiberTemperatureTemperature sensorLiquid refractive index由光吸收系數的改變引起的強度調制由光吸收系數的改變引起的強度調制 a.利

13、用光纖的吸收特性引起的強度調制 X射線，射線會使光纖的吸收損耗增加，輸出功率降低，從而構成強度調制的輻射量傳感器。改變光纖的材料可對不同的射線進行測量。 b.利用半導體的吸收特性進行強度調制 大多數半導體對光的吸收都隨著溫度的變化而線性變化，因此可對輸出功率進行調制，制成光纖溫度傳感器。移動球鏡光學開關傳感器 這是種高靈敏度面檢測裝件。 光強為I0的光束,通過發(fā)送光纖照射到球鏡上。球透鏡把光束聚集列兩個接收光纖的端面上。 當球透鏡在平衡位置時，從兩個接收光纖得到的光強I1和I2是相同的； 如果球透鏡在垂直于光路的方向上產生微小位移時，在兩個接收光纖上得到的光強I1和I2 將發(fā)生變化。光強比值I

14、1/I2 的對數值與球透鏡位移x呈線性關系，但與初始光強無關。球鏡位移與光強比值的變化關系反射型光纖位移傳感器 光源發(fā)出的光進入發(fā)送光纖,從光纖測頭端面射出，照射到A面上,A面的反射光有一部分進入接收光纖。當當A面到測頭端面之間的距離面到測頭端面之間的距離z變化時變化時,進入接收光進入接收光纖的光強度出隨之發(fā)生變化纖的光強度出隨之發(fā)生變化,從而使光探測器上發(fā)出的電信號也隨之發(fā)生變化。很明顯。這是種振振幅調制型的位移傳感器。幅調制型的位移傳感器。反射鏡面頻率調制光纖傳感器頻率調制光纖傳感器 頻率調制就是利用外界因素改變光纖中光頻率調制就是利用外界因素改變光纖中光的頻率，通過測量頻率的變化來測量外

15、界的頻率，通過測量頻率的變化來測量外界被測參數。被測參數。 光的頻率調制是在有限的一些物理條件下光的頻率調制是在有限的一些物理條件下出現(xiàn)的，最重要的物理現(xiàn)象要屬反射光束出現(xiàn)的，最重要的物理現(xiàn)象要屬反射光束的多普勒頻移。的多普勒頻移。 此外，還有一些物理現(xiàn)象，如吸收和磷光此外，還有一些物理現(xiàn)象，如吸收和磷光現(xiàn)象，以及某些非線性光學效應現(xiàn)象，以及某些非線性光學效應-布里淵布里淵散射和卡曼散射等。散射和卡曼散射等。多普勒效應多普勒效應 當頻率為當頻率為f的光入射到沿與光線平行方向運動且相的光入射到沿與光線平行方向運動且相對觀察者速度為對觀察者速度為v的物體上時，從該運動物體反的物體上時，從該運動物體

16、反射的光的頻率將變?yōu)樯涞墓獾念l率將變?yōu)閒D，這種現(xiàn)象就是眾所周知，這種現(xiàn)象就是眾所周知的多普勒效應，的多普勒效應，fD稱為多普勒頻率，可由下式確稱為多普勒頻率，可由下式確定：定： 由于一般運動物體的速度遠小于光速由于一般運動物體的速度遠小于光速c，因此而，因此而得到上式后面的近似式。得到上式后面的近似式。cvfcvffD11若將若將c=f的關系式代入上式，且假定入射光的關系式代入上式，且假定入射光與與v之夾角為之夾角為，則可得：，則可得： 或寫成多普勒頻移：或寫成多普勒頻移： 只要能測出只要能測出f便很容易求出物體運動速度便很容易求出物體運動速度v。cosvffDcosvfffD c為真空中光

17、速，為真空中光速，為物體至光源方向與物體運動為物體至光源方向與物體運動方向之間的夾角。但是一般最關心的還是運動方向之間的夾角。但是一般最關心的還是運動物體所散射的光的物體所散射的光的頻移頻移,而光源與觀察者則是相對而光源與觀察者則是相對靜止的。對于這種情況可以作為一個雙重多普靜止的。對于這種情況可以作為一個雙重多普勒勒頻移頻移來考慮。即先考慮從光源到運動物體然來考慮。即先考慮從光源到運動物體然后再考慮從運動物體到觀察者。后再考慮從運動物體到觀察者。雙重多普勒頻移 物體P相對于光源S運動時，在P點觀察到的光頻率f1為： f1=f1-(v/c)21/21-(v/c)cos1 頻率f1的光通過物體P

18、產生散射，在Q處所觀察到的光頻率f2為： f2=f11-(v/c)21/21-(v/c)cos2 聯(lián)立，并考慮到vc，可近似把雙重多普勒頻移公式表示為： f2=f11-cos11-cos2 其中S為光源,P為運動物體,Q是觀察者所處的位置。頻率檢測頻率檢測 對光的頻率的檢測不象對強度的檢對光的頻率的檢測不象對強度的檢測那樣簡單測那樣簡單-直接將光耦合到探測直接將光耦合到探測器上即可。器上即可。 由于光探測器響應速度遠低于光頻，由于光探測器響應速度遠低于光頻，不能用來測量光頻而只能用來測量不能用來測量光頻而只能用來測量光強，所以，必須把高頻光信號轉光強，所以，必須把高頻光信號轉換為低頻信號才能探

19、測頻移從而達換為低頻信號才能探測頻移從而達到測量運動速度的目的。有兩種方到測量運動速度的目的。有兩種方法可以測量頻移，即法可以測量頻移，即零差檢測零差檢測和和外外差檢測差檢測。1.零差檢測 下圖是一個采用零差檢測法的光纖運動粒下圖是一個采用零差檢測法的光纖運動粒子速度傳感器的框圖。子速度傳感器的框圖。激光器DM光纖頻譜分析儀k1k2頻率調制零差檢測原理頻率調制零差檢測原理分析 He-Ne激光器發(fā)出的頻率為f的單色光入射到分束器上，分束器將輸入光分成兩束，一束由反射鏡M送到探測器D上作為參考光，另一束注入光纖，光經光纖傳輸到運動粒子上，運動粒子產生的具有多普勒頻移的后向散射光將部分地被同一光纖接

20、收，經分束器后再到達探測器，這就是信號光，在探測器上信號光和參考光混頻產生差頻信號。如果參考光為： 信號光為： tiwEtER00exp tiwEtESSexp0式中，w0為輸入光的角頻率；ws為散射光角頻率。 在探測器上，兩束光疊加，其振幅和強度分別為： tEtEtESR wtItwwEtEtEtIscos1cos100200wwws是待測角頻率200EI是入射光強因此探測器輸出的是002wwfffss的電信號將這一信號送入頻譜分析儀即可求得f的大小，進而得到fs和被測物體的運動速度。注意注意 這里需要指出的是，信號頻率這里需要指出的是，信號頻率fs可能大可能大于也可能小于于也可能小于f0，

21、這主要取決于運動物，這主要取決于運動物體的運動方向，但常用的頻譜分析儀體的運動方向，但常用的頻譜分析儀只能顯示正頻率，對負頻率沒有意義，只能顯示正頻率，對負頻率沒有意義，因而采用零差檢測法測出的因而采用零差檢測法測出的f只能測只能測量物體的運動速度的大小，不能獲得量物體的運動速度的大小，不能獲得物體的運動方向的信息。物體的運動方向的信息。2.外差檢測外差檢測 下圖為采用外差探測法的光纖頻率調制系下圖為采用外差探測法的光纖頻率調制系統(tǒng)。統(tǒng)。激光器BS1f0f0-f1M2 BS2f0f0-f1f0+fsf0+fsf0fs+f1頻譜分析輸出探測器布拉格盒入射/出射光纖被測物頻率調制外差檢測系統(tǒng)頻率調

22、制外差檢測系統(tǒng)分析 He-Ne激光器發(fā)出的頻率為f0的光經第一分束器BS1分成信號光和參考光，參考光經布拉格盒和反射鏡M2后到達第二個分束器BS2，布拉格盒引入一個固定頻移f1，使到達探測器上的參考光的頻率為fR=f0-f1。BS1出來的信號經反射鏡M1和BS2后耦合到光纖中，光纖把信號光引到待測物體上，同時接收被待測物體散射的散射光，散射光的頻率為f0+fs（ fs為多普勒頻移），散射光經BS2后到達探測器，在探測器上，頻率為（f0-f1）的參考光與頻率為（f0fs）的信號光混頻后，出來的電信號的頻率為： 1100fffffffssfs為多普勒頻移，為多普勒頻移，f1為布拉格盒的為布拉格盒的

23、頻移頻移 固定頻率的引入能夠識別被測物體的固定頻率的引入能夠識別被測物體的運動方向，對與輸入光同向運動的物運動方向，對與輸入光同向運動的物體，體，fs為正；對與輸入光反向運動的為正；對與輸入光反向運動的物體物體fs為負。為負。 外差檢測不僅能獲得物體運動的全信外差檢測不僅能獲得物體運動的全信息（速度的大小和方向），而且避開息（速度的大小和方向），而且避開了了1/f噪聲區(qū)域，使檢測靈敏度提高。噪聲區(qū)域，使檢測靈敏度提高。激光多譜勒測速系統(tǒng)激光多譜勒測速系統(tǒng)激光多譜勒測速系統(tǒng)原理激光多譜勒測速系統(tǒng)原理 激光沿著光纖入射到測速點A上，然后后向散后向散射光射光與光纖端面的反射或散射光起沿著光纖返回，其

24、中纖維端面的反射或散射光是作為參考光使用。 同時為了區(qū)別并消除從發(fā)射透鏡和光纖前端面反射回來的光，在光探測器前裝一塊偏振片R，從而使光探測器只能檢測出與原光束偏振方向相垂直的偏振光。 于是信號光與參考光起經光探測器進入頻譜分析器處理，最后分析器給出測量結果。波長（顏色）調制光纖傳感器波長（顏色）調制光纖傳感器 波長調制是利用外界因素改變光纖中光波長調制是利用外界因素改變光纖中光能量的波長分布或者說光譜分布，通過能量的波長分布或者說光譜分布，通過檢測光譜分布來檢測被測參數，由于波檢測光譜分布來檢測被測參數，由于波長與顏色直接相關，波長調制也叫顏色長與顏色直接相關，波長調制也叫顏色調制。其原理圖如

25、下所示：調制。其原理圖如下所示：光源入射光纖接收光纖S探測器光譜儀Pi（）Po（）波長調制原理圖波長調制原理圖調制方式有以下幾種：調制方式有以下幾種： 1.利用黑體輻射進行波長調制利用黑體輻射進行波長調制 上圖是黑體輻射的調制原理，它上圖是黑體輻射的調制原理，它不需不需要外加光源要外加光源，而是直接由黑體腔收集，而是直接由黑體腔收集物體的黑體輻射，并由藍寶石光纖制物體的黑體輻射，并由藍寶石光纖制成的探頭探測，然后把這種寬頻帶的成的探頭探測，然后把這種寬頻帶的輻射傳送到分光儀或濾光片，通過雙輻射傳送到分光儀或濾光片，通過雙波長或者單波長檢測就能測出黑體的波長或者單波長檢測就能測出黑體的溫度。溫度

26、。2.利用磷光（熒光）光譜的變化利用磷光（熒光）光譜的變化進行波長調制進行波長調制 探頭是由稀土磷光體做成的，其工作原探頭是由稀土磷光體做成的，其工作原理是利用稀土磷光體的磷光光譜強度變理是利用稀土磷光體的磷光光譜強度變化來測量溫度。磷光體受紫外光照射時，化來測量溫度。磷光體受紫外光照射時，發(fā)出兩種光譜譜線，其中紅色譜線發(fā)出兩種光譜譜線，其中紅色譜線1的的強度隨溫度升高而增加，而綠色譜線強度隨溫度升高而增加，而綠色譜線2的強度隨溫度升高而下降，兩者的比值的強度隨溫度升高而下降，兩者的比值是溫度的單值函數。是溫度的單值函數。212/1強度溫度利用這一特性可以制成精利用這一特性可以制成精度很高的光

27、纖溫度傳感器。度很高的光纖溫度傳感器。3.利用濾光器參數的變化來進行波利用濾光器參數的變化來進行波長調制長調制F-P腔腔光光譜譜調調制制傳傳感感原原理理分析： 60W的白熾光源的寬光譜光送入F-P敏感標準具中，F(xiàn)-P腔的Q值做得相當低，那么出射光就有一個很寬的波長范圍，輸出光纖把出射光傳到棱鏡分光計中，用一個二極管陣列對分光計輸出的光譜取樣，當外界因素變化引起F-P腔的參數變化時，光譜就發(fā)生變化，用微處理機編程處理易于得到測量結果。4.利用熱色物體的顏色變化進行波利用熱色物體的顏色變化進行波長調制長調制熱色物質的波長調制原理熱色物質的波長調制原理分析分析 60W的白光經過光纖進入熱色溶液，其反

28、射光被另一光纖接收后，分兩束分別經過波長為650nm和800nm的濾光片，最后由光電探測器接收。這種熱變色溶液的光強與溫度的關系如上圖右所示，溫度為20時，在500nm處有一個吸收峰，溶液是紅色；溫度升高到70時，在650nm處也有一個吸收峰，溶液是綠色。 在波長為650nm時，光強隨溫度變化最靈敏，在波長為800nm時，光強與溫度無關。因此選這兩個波長進行檢測就能確定外界物理量。波長檢測波長檢測 光波波長檢測實際上是確定輸出光譜及光波波長檢測實際上是確定輸出光譜及其能量的分布，那么首先就要使各個波其能量的分布，那么首先就要使各個波長的光分離，棱鏡，光柵以及各種濾光長的光分離，棱鏡，光柵以及各

29、種濾光片都能達到分光的目的；其次就是各個片都能達到分光的目的；其次就是各個波長能量的測量。波長能量的測量。 所以波長調制的檢測方法之一就是所以波長調制的檢測方法之一就是光譜光譜分析法分析法，即用分光儀和電荷耦合器件或，即用分光儀和電荷耦合器件或者波長響應較寬的光電探測器相結合來者波長響應較寬的光電探測器相結合來檢測光譜的能量分布。檢測光譜的能量分布。 但在許多情況下并不需要檢測輸出光的但在許多情況下并不需要檢測輸出光的整個光譜分布，而只需檢測其中某兩個整個光譜分布，而只需檢測其中某兩個波長的能量變化，所以波長調制的檢測波長的能量變化，所以波長調制的檢測方法之二是方法之二是比色法比色法。相位調制

30、光纖傳感器相位調制光纖傳感器 光纖傳感器中的相位調制，原理就是利用外界因光纖傳感器中的相位調制，原理就是利用外界因素改變光纖中的相位，通過檢測相位的變化來測素改變光纖中的相位，通過檢測相位的變化來測量外界被測參量。量外界被測參量。 決定光纖中光的相位的因素：光纖波導的物理長決定光纖中光的相位的因素：光纖波導的物理長度，折射率及其分布，波導橫向幾何尺寸。度，折射率及其分布，波導橫向幾何尺寸。 干涉技術：目前各類光探測器都不能敏感光的相干涉技術：目前各類光探測器都不能敏感光的相位變化，必須采用某種技術使相位變化轉換為強位變化，必須采用某種技術使相位變化轉換為強度變化，才能實現(xiàn)對外界物理量的檢測，即

31、度變化，才能實現(xiàn)對外界物理量的檢測，即干涉干涉技術技術。光纖傳感器中的干涉技術是在光纖干涉儀。光纖傳感器中的干涉技術是在光纖干涉儀中實現(xiàn)的。中實現(xiàn)的。優(yōu)點優(yōu)點 由于采用了由于采用了干涉技術干涉技術，與其他調制方式相比，相，與其他調制方式相比，相位調制技術具有很高的檢測靈敏度。位調制技術具有很高的檢測靈敏度。 下面簡單介紹幾種相位調制的方式： 1.應力應變引起的相位調制應力應變引起的相位調制 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，這些將導致光纖中光波相位的變化。 2.溫度引起的相位調制溫度引起的相位調制 溫度可能引起光纖的折射率分布和長度的改變，由此而

32、引起光波相位的變化。掌握幾種光纖干涉儀原理掌握幾種光纖干涉儀原理 光纖干涉儀與傳統(tǒng)的分離元件干涉儀相比，其優(yōu)點優(yōu)點在于： （1）容易準直 （2）可以通過增加光纖長度來增加光程以提高干涉儀的靈敏度 （3）封閉式的光路，不受外界干擾 （4）測量動態(tài)范圍大等等 1.光纖馬赫曾特爾干涉儀光纖馬赫曾特爾干涉儀 2.光纖邁克爾遜干涉儀光纖邁克爾遜干涉儀 3.薩格納克光纖干涉儀薩格納克光纖干涉儀 4.光纖法布里珀羅干涉儀光纖法布里珀羅干涉儀幾種光纖干涉儀幾種光纖干涉儀1.光纖馬赫曾特爾干涉儀光纖馬赫曾特爾干涉儀 結構如下圖所示：結構如下圖所示：分析分析 激光器發(fā)出的相干光經過一個激光器發(fā)出的相干光經過一個3

33、dB耦合器耦合器分成兩束相等的光束，一束在信號臂光纖分成兩束相等的光束，一束在信號臂光纖S中傳輸。另一束在參考臂光纖中傳輸。另一束在參考臂光纖R中傳輸，外中傳輸，外界信號界信號S0（t）作用于信號臂，第二個）作用于信號臂，第二個3dB耦合器把兩束光再耦合，并又分成兩束光耦合器把兩束光再耦合，并又分成兩束光經光纖傳送到兩個探測器中。根據雙光束經光纖傳送到兩個探測器中。根據雙光束相干原理，兩個光探測器收到的光強分別相干原理，兩個光探測器收到的光強分別為：為：2/cos101sII2/cos102sII式中式中I0為激光器發(fā)出的光強；為耦合系數；為激光器發(fā)出的光強；為耦合系數；s為信號臂和參為信號臂

34、和參考臂之間的相位差，其中包括外界信號考臂之間的相位差，其中包括外界信號S0（t）引起的相位差。）引起的相位差。上兩式表明：上兩式表明： 光纖馬赫曾特爾干涉儀將外界信號光纖馬赫曾特爾干涉儀將外界信號S0（t）引起的相位變化轉換為光強的變化。引起的相位變化轉換為光強的變化。 再經過適當的信號處理系統(tǒng)能將信號再經過適當的信號處理系統(tǒng)能將信號S0（t）從光強中分解出來。從光強中分解出來。利用馬赫一澤德干涉儀的光纖加速度計原 理 激光束通過分束器后分為兩束光分束器后分為兩束光:透射光作為透射光作為參考光束，反射光作為測量光束參考光束，反射光作為測量光束。測量光束經透鏡耦合進入單模光纖，單模光纖測量光束

35、經透鏡耦合進入單模光纖，單模光纖緊緊纏繞在一個順變柱體上，順變柱體上端固緊緊纏繞在一個順變柱體上，順變柱體上端固定有質量塊。定有質量塊。順變柱體作加速運動時，質量塊的慣性力使圓順變柱體作加速運動時，質量塊的慣性力使圓柱體變形，從而使繞在其上面的單模光纖被拉柱體變形，從而使繞在其上面的單模光纖被拉伸，引起光程差的改變。伸，引起光程差的改變。 相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束在分束器處會合，產生干涉效應。在垂直位置放置的兩個光探測器接收到亮暗相反的干涉信號，兩路電信號由差動放大器處理。2.光纖邁克爾遜干涉儀光纖邁克爾遜干涉儀 結構如下圖所示：結構如下圖所示：分析分析 激光器發(fā)出的光經過一

36、個激光器發(fā)出的光經過一個3dB耦合器分成耦合器分成兩束光束入射到光纖，一路到達固定的光兩束光束入射到光纖，一路到達固定的光纖反射端面，稱為參考臂，另一路到達可纖反射端面，稱為參考臂，另一路到達可動光纖端面，反射回來的光經動光纖端面，反射回來的光經3dB耦合器耦合器耦合到光探測器，外界信號耦合到光探測器，外界信號S0（t）作用于）作用于可移動的信號臂。探測器接收到的光強為：可移動的信號臂。探測器接收到的光強為： 為兩臂之間的相位差，其中包括外界信為兩臂之間的相位差，其中包括外界信號號S0（t）引起的相位差。）引起的相位差。2/cos10 II3.薩格納克光纖干涉儀薩格納克光纖干涉儀 結構如下圖：

37、結構如下圖：激光器發(fā)出的光由分束器或激光器發(fā)出的光由分束器或3dB耦合器分成耦合器分成1：1的的兩束光，將它們耦合進入一個多匝（多環(huán)）單模光兩束光，將它們耦合進入一個多匝（多環(huán)）單模光纖圈的兩端，光纖兩端出射光經分束器送到光探測纖圈的兩端，光纖兩端出射光經分束器送到光探測器。器。原理圖如下：原理圖如下：設圓形閉合光程半徑為設圓形閉合光程半徑為R，其中有兩列光沿相，其中有兩列光沿相反方向傳播，當閉合光反方向傳播，當閉合光路靜止時，兩光波傳播路靜止時，兩光波傳播的光路相同，沒有光程的光路相同，沒有光程差；當閉合光路相對慣差；當閉合光路相對慣性空間以轉速性空間以轉速順時針順時針轉動時（設轉動時（設垂

38、直于轉垂直于轉動平面），這時順逆時動平面），這時順逆時針傳播光的光程不等，針傳播光的光程不等，產生一個光程差，如右產生一個光程差，如右圖。圖。原理分析原理分析 當當0時，時，t1時刻從位置時刻從位置“1”發(fā)出的兩發(fā)出的兩束相反方向的光經束相反方向的光經t（2R）/c的時間的時間后，仍回到位置后，仍回到位置“1”。 當當0時，經時，經t（2R）/c后，兩束光后，兩束光的的“相會相會”點不在位置點不在位置“1”，而在位置，而在位置“2”，a光束（逆時針傳播）走的光程：光束（逆時針傳播）走的光程：La2RRt b光束（順時針傳播）走的光程為：光束（順時針傳播）走的光程為：Lb2RRt 兩束光的傳播光

39、程差：兩束光的傳播光程差：L2Rt4R2/c=4Ac(A為光纖環(huán)面積）。為光纖環(huán)面積）。相應的相位差為：相應的相位差為： 2（L/L/）(8A)/(c)(8A)/(c) 如果光纖環(huán)有如果光纖環(huán)有N N匝，則匝，則 (8AN)/(c)(8AN)/(c)其中其中為激光波長。為激光波長。 因此利用因此利用薩格納克光纖干涉儀可以測量轉薩格納克光纖干涉儀可以測量轉速速。它的最典型的應用就是光纖陀螺，。它的最典型的應用就是光纖陀螺，與其他陀螺相比，光纖陀螺具有靈敏度高，與其他陀螺相比，光纖陀螺具有靈敏度高，體積小，成本低等優(yōu)點。光纖陀螺已成功體積小，成本低等優(yōu)點。光纖陀螺已成功應用在波音應用在波音7577

40、57和和767767飛機以及其他導航系飛機以及其他導航系統(tǒng)中。統(tǒng)中。4.光纖法布里珀羅干涉儀光纖法布里珀羅干涉儀 結構如下圖：結構如下圖：原理說明：原理說明： 白光由多模光纖經聚焦透鏡進入兩端設有白光由多模光纖經聚焦透鏡進入兩端設有高反射率的反射鏡或直接鍍有高反射膜的高反射率的反射鏡或直接鍍有高反射膜的腔體，使光束在兩反射鏡（膜）之間產生腔體，使光束在兩反射鏡（膜）之間產生多次反射以形成多光束干涉，再經探測器多次反射以形成多光束干涉，再經探測器探測。探測。偏振態(tài)調制光纖傳感器偏振態(tài)調制光纖傳感器 偏振態(tài)調制其原理原理就是利用外界因素改變光的偏振態(tài)，通過檢測光的偏振態(tài)的變化來檢測各種物理量。 在

41、光纖傳感器中，偏振態(tài)調制主要基于人為旋光現(xiàn)象人為旋光現(xiàn)象和人為雙折射人為雙折射，如法法拉第磁光效應拉第磁光效應，克爾效應克爾效應及彈光效應彈光效應。1.旋光性旋光性 線偏振光經過某些媒質后其振動方向發(fā)生了旋轉，這就是媒質的旋光性。旋光媒質圖中的旋光媒質是旋光材料溶液媒質的旋光性是互易的，也就是說，如媒質的旋光性是互易的，也就是說，如果偏振光從一個方向通過媒質旋轉一個果偏振光從一個方向通過媒質旋轉一個角度，則以這個角度輸入并沿相反方向角度，則以這個角度輸入并沿相反方向通過的光將以原來的入射角射出媒質。通過的光將以原來的入射角射出媒質。 旋光性存在于結晶材料以及一些有機的旋光性存在于結晶材料以及一

42、些有機的非結晶材料中，對后一類材料，最普通非結晶材料中，對后一類材料，最普通的是具有旋光性的糖溶液；結晶石英可的是具有旋光性的糖溶液；結晶石英可能是最早有名的旋光固體。能是最早有名的旋光固體。 由于旋光材料溶液的折射率與溶液的濃由于旋光材料溶液的折射率與溶液的濃度有關，可以利用旋光性測量旋光材料度有關，可以利用旋光性測量旋光材料的溶液的濃度，還可開發(fā)利用晶體的旋的溶液的濃度，還可開發(fā)利用晶體的旋光性，它一般是溫度，壓力的函數。光性，它一般是溫度，壓力的函數。2.法拉第效應法拉第效應 法拉第效應是一種磁感應旋光性磁感應旋光性。在磁場作用下，線偏振光的偏振方向發(fā)生旋轉，光矢量旋轉的角度與光在物質中通過的距離L，磁感應強度B成正比，即：VdLB 其中Vd為物質的費爾德常數。利用光纖法拉第效應的電流傳感器如果在長直導軌上繞有如果在長直導軌上繞有N圈光纖，則有：圈光纖，則有：V Vd dNINI，其，其中中I I為導線中通過的電流，利用上式可以制成光纖電流為導線中通過的電流，利用上式可以制成光纖電