第7章_光纖傳感器8

1、第七章第七章 光纖傳感器光纖傳感器第七章第七章 光纖傳感器光纖傳感器傳感器技術(shù)傳感器技術(shù): :感知獲取信息的窗口感知獲取信息的窗口智能信息系統(tǒng)的智能信息系統(tǒng)的“五官五官”光纖傳感器光纖傳感器: :以光波為信息載體以光波為信息載體, ,以光纖為傳輸媒質(zhì)以光纖為傳輸媒質(zhì)安全可靠安全可靠; ; 傳輸容量大傳輸容量大 概述概述 光纖傳感器始于光纖傳感器始于1977年，經(jīng)過(guò)年，經(jīng)過(guò)30 多年，目多年，目前已進(jìn)入研究與應(yīng)用并重階段前已進(jìn)入研究與應(yīng)用并重階段光纖傳感測(cè)量范圍十分廣泛，可用于熱工光纖傳感測(cè)量范圍十分廣泛，可用于熱工參數(shù)、電工參數(shù)、機(jī)械參數(shù)、化學(xué)參數(shù)的參數(shù)、電工參數(shù)、機(jī)械參數(shù)、化學(xué)參數(shù)的測(cè)量，還

2、可以醫(yī)用內(nèi)窺鏡、工業(yè)內(nèi)窺鏡等測(cè)量，還可以醫(yī)用內(nèi)窺鏡、工業(yè)內(nèi)窺鏡等領(lǐng)域，進(jìn)行圖像掃描和圖像傳輸。領(lǐng)域，進(jìn)行圖像掃描和圖像傳輸。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 1.頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高；頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高；2.電絕緣性好、抗電磁干擾，可用于電氣噪聲、電絕緣性好、抗電磁干擾，可用于電氣噪聲、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境；強(qiáng)電磁干擾環(huán)境；3.可橈性好：幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可可橈性好：幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；以制成任意形狀的光纖傳感器；4.不帶電全光型探頭；不帶電全光型探頭； 5.可用于高溫、高壓、腐蝕等惡劣環(huán)境結(jié)構(gòu)；可用于高溫、高壓、腐蝕等惡劣環(huán)境結(jié)構(gòu)；6.簡(jiǎn)單、體積小、重量

3、輕、耗能少；簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、耗能少；7.相近技術(shù)基礎(chǔ)課構(gòu)成傳感不同物理量傳感器相近技術(shù)基礎(chǔ)課構(gòu)成傳感不同物理量傳感器8.便于與計(jì)算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實(shí)現(xiàn)便于與計(jì)算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遙測(cè)遙控；系統(tǒng)遙測(cè)遙控；9.應(yīng)用范圍廣泛，可以制造傳感各種不同物理信應(yīng)用范圍廣泛，可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件； 光纖傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域光纖傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域 應(yīng)用：應(yīng)用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等七十多個(gè)物理量

4、的測(cè)量物理量的測(cè)量。變等七十多個(gè)物理量的測(cè)量物理量的測(cè)量。光纖制導(dǎo)武器光纖制導(dǎo)武器陀螺陀螺水聽(tīng)器水聽(tīng)器加速度計(jì)加速度計(jì)壓力傳感器壓力傳感器靈巧蒙皮靈巧蒙皮戰(zhàn)地化學(xué)傳感戰(zhàn)地化學(xué)傳感軍事傳感器：軍事傳感器： 光纖傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域光纖傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域 l光纖機(jī)器人光纖機(jī)器人l智能制造智能制造l柔性加工柔性加工l電力繼電保護(hù)電力繼電保護(hù)l火災(zāi)報(bào)警火災(zāi)報(bào)警l發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部故發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障診斷障診斷l(xiāng)智能大廈智能大廈應(yīng)用：應(yīng)用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等七位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等七十多個(gè)物理量的測(cè)量物理量的測(cè)量。

5、十多個(gè)物理量的測(cè)量物理量的測(cè)量。智能系統(tǒng)智能系統(tǒng) 光纖傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域光纖傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域 l胃鏡、胃鏡、l神經(jīng)修復(fù)、神經(jīng)修復(fù)、l外科手術(shù)監(jiān)測(cè)外科手術(shù)監(jiān)測(cè)醫(yī)用傳感器醫(yī)用傳感器應(yīng)用：應(yīng)用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等七位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等七十多個(gè)物理量的測(cè)量物理量的測(cè)量。十多個(gè)物理量的測(cè)量物理量的測(cè)量。l4S+R技術(shù)：技術(shù)：lSensitivity；Selectivity；Stability；Standardization；Reliabilityl光源功率穩(wěn)定技術(shù)光源功率穩(wěn)定技術(shù)l電流控制；功率控

6、制；溫度控制；噪電流控制；功率控制；溫度控制；噪聲控制聲控制l信號(hào)檢測(cè)技術(shù)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)l強(qiáng)度檢測(cè)；波長(zhǎng)檢測(cè)；相位檢測(cè)；偏強(qiáng)度檢測(cè)；波長(zhǎng)檢測(cè)；相位檢測(cè)；偏振態(tài)檢測(cè)；弱信號(hào)放大振態(tài)檢測(cè)；弱信號(hào)放大l系統(tǒng)智能化技術(shù)系統(tǒng)智能化技術(shù) 光纖傳感器的主要關(guān)鍵技術(shù)光纖傳感器的主要關(guān)鍵技術(shù) 4S+R關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測(cè)量以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的電信號(hào)的裝置。的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的電信號(hào)的裝置。 光纖光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理傳感器結(jié)構(gòu)原理 信號(hào)處理信號(hào)處理電電 源源信號(hào)接收信號(hào)接收導(dǎo)線導(dǎo)線敏感敏感元件元件 光纖傳感器則是一種把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)光纖傳感器則是一種把被測(cè)量

7、的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置。變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置。光纖光纖信號(hào)信號(hào)處理處理光接光接收器收器光發(fā)光發(fā)射器射器敏感敏感元件元件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) A電場(chǎng)電場(chǎng)E的振幅矢量的振幅矢量;光波振動(dòng)頻率光波振動(dòng)頻率光初相位；光初相位；t光的傳播時(shí)間。光的傳播時(shí)間?？梢?jiàn)，只要使光的可見(jiàn)，只要使光的強(qiáng)度強(qiáng)度、偏振態(tài)偏振態(tài)(振幅矢量的方振幅矢量的方向向)、頻率頻率和和相位相位等參量之一隨被測(cè)量狀態(tài)的變等參量之一隨被測(cè)量狀態(tài)的變化而變化，或受被測(cè)量調(diào)制，那么，通過(guò)對(duì)光化而變化，或受被測(cè)量調(diào)制，那么，通過(guò)對(duì)光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進(jìn)行解調(diào)，獲得所需要的被測(cè)量的信

8、息。等進(jìn)行解調(diào)，獲得所需要的被測(cè)量的信息。 )cos(0kxtEE 光是一種電磁波，其波長(zhǎng)從極遠(yuǎn)紅外的光是一種電磁波，其波長(zhǎng)從極遠(yuǎn)紅外的lmm到極遠(yuǎn)紫外線的到極遠(yuǎn)紫外線的10nm。它的。它的物理作用物理作用和和生生物化學(xué)作用物化學(xué)作用主要因其中的電場(chǎng)而引起。因此，主要因其中的電場(chǎng)而引起。因此，討論光的敏感測(cè)量必須考慮光的電矢量討論光的敏感測(cè)量必須考慮光的電矢量E的振動(dòng)，的振動(dòng)，即即 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理 原理原理 l 光的強(qiáng)度光的強(qiáng)度l 偏振態(tài)偏振態(tài)l 波長(zhǎng)波長(zhǎng)l 頻率頻率l 相位相位 光纖傳感器光學(xué)測(cè)量的基本原理光纖傳感器光學(xué)測(cè)量的基本原理 把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘驯粶y(cè)量的狀態(tài)

9、轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置可測(cè)的光信號(hào)的裝置 光受到被測(cè)量的調(diào)制光受到被測(cè)量的調(diào)制, ,已調(diào)光經(jīng)光纖耦已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器，使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)合到光接收器，使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)得到被測(cè)量。信號(hào)處理系統(tǒng)得到被測(cè)量。 被測(cè)量調(diào)制被測(cè)量調(diào)制 光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類 分類方式：分類方式：1. 光纖在傳感器中的作用光纖在傳感器中的作用; 2. 光受被測(cè)量調(diào)制的形式光受被測(cè)量調(diào)制的形式;3. 光纖傳感器中對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)方法光纖傳感器中對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)方法1. 光纖作用光纖作用 l 功能型功能型l 非功能型非功能型l 拾光型拾光型n光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏光纖在其中

10、不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制。感元件，光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制。n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高，須用特殊光纖，成本高，典型例子典型例子：光纖陀螺：光纖陀螺 光纖水聽(tīng)器等光纖水聽(tīng)器等 空芯光纖氣體傳感器空芯光纖氣體傳感器 (a) 功能型（全光纖型）光纖傳感器功能型（全光纖型）光纖傳感器功能型功能型n光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測(cè)量調(diào)制。敏感元件上受被測(cè)量調(diào)制。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù)， 比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。比較容易

11、實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：靈敏度較低。靈敏度較低。實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。(b) 非功能型（或稱傳光型）非功能型（或稱傳光型）非功能型非功能型 用光纖作探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射、反射、用光纖作探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射、反射、散射的光。散射的光。(c) 拾光型光纖傳感器拾光型光纖傳感器拾光型拾光型2. 根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式 (a) 強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器(b) 偏振調(diào)制光纖傳感器偏振調(diào)制光纖傳感器(c) 頻率調(diào)制光纖傳感器頻率調(diào)制光纖傳感器(d) 相位調(diào)制傳感器相位調(diào)制傳感器 利用被測(cè)對(duì)象的變化引起

12、敏感元件參數(shù)的利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感器。的傳感器。應(yīng)用：應(yīng)用：壓力、振動(dòng)、位移、氣體壓力、振動(dòng)、位移、氣體優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、成本低。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、成本低。缺點(diǎn)缺點(diǎn): 易受光源波動(dòng)和連接器損耗變化等的易受光源波動(dòng)和連接器損耗變化等的影響影響(a)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制（b）偏振調(diào)制光纖傳感器）偏振調(diào)制光纖傳感器 n利用光的偏振態(tài)的變化來(lái)傳遞被測(cè)對(duì)象信息利用光的偏振態(tài)的變化來(lái)傳遞被測(cè)對(duì)象信息n應(yīng)用：應(yīng)用：電流、磁場(chǎng)傳感器：法拉第效應(yīng)；電流、磁場(chǎng)傳感器：

13、法拉第效應(yīng)； 電場(chǎng)、電壓傳感器：克爾效應(yīng)；電場(chǎng)、電壓傳感器：克爾效應(yīng)； 壓力、振動(dòng)或聲傳感器：光彈效應(yīng)；壓力、振動(dòng)或聲傳感器：光彈效應(yīng)； 溫度、壓力、振動(dòng)傳感器：雙折射性溫度、壓力、振動(dòng)傳感器：雙折射性n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：可避免光源強(qiáng)度變化的影響，靈敏度高?？杀苊夤庠磸?qiáng)度變化的影響，靈敏度高。偏振調(diào)制偏振調(diào)制（c）頻率調(diào)制光纖傳感器）頻率調(diào)制光纖傳感器n被測(cè)對(duì)象引起的光頻率的變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)被測(cè)對(duì)象引起的光頻率的變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)n利用運(yùn)動(dòng)物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的利用運(yùn)動(dòng)物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動(dòng)、壓力、加速度傳感器；光纖速度、流速、振動(dòng)、壓力、加速度傳感器；頻率調(diào)制頻率

14、調(diào)制（d）頻率調(diào)制光纖傳感器）頻率調(diào)制光纖傳感器n被測(cè)對(duì)象引起的光頻率的變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)被測(cè)對(duì)象引起的光頻率的變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。波長(zhǎng)調(diào)制波長(zhǎng)調(diào)制（d）相位調(diào)制傳感器）相位調(diào)制傳感器被測(cè)對(duì)象導(dǎo)致光的相位變化，然后用干涉被測(cè)對(duì)象導(dǎo)致光的相位變化，然后用干涉儀來(lái)檢測(cè)這種相位變化而得到被測(cè)對(duì)象的信息。儀來(lái)檢測(cè)這種相位變化而得到被測(cè)對(duì)象的信息。利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；相位調(diào)制相位調(diào)制（e）相位調(diào)制傳感器）相位調(diào)制傳感器被測(cè)對(duì)象導(dǎo)致光的相位變化，然后用干被測(cè)對(duì)象導(dǎo)致光的相位變化，然后用干涉儀來(lái)檢測(cè)這種相位變化

15、而得到被測(cè)對(duì)象的涉儀來(lái)檢測(cè)這種相位變化而得到被測(cè)對(duì)象的信息。信息。利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器GMM鋱鏑鐵稀土超磁致伸縮合金（鋱鏑鐵稀土超磁致伸縮合金（REMA棒）棒）相位調(diào)制相位調(diào)制（e）相位調(diào)制傳感器）相位調(diào)制傳感器被測(cè)對(duì)象導(dǎo)致光的相位變化，然后用被測(cè)對(duì)象導(dǎo)致光的相位變化，然后用干涉儀來(lái)檢測(cè)這種相位變化而得到被測(cè)對(duì)干涉儀來(lái)檢測(cè)這種相位變化而得到被測(cè)對(duì)象的信息象的信息優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度很高，靈敏度很高，缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，成本高。特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，成本高。Sagnac效應(yīng)效應(yīng)光纖陀螺光纖陀螺相位調(diào)制相位調(diào)制注：注：MM多模光纖

16、；多模光纖；SM單模光纖；單模光纖；PM偏振保持光纖偏振保持光纖 傳感器傳感器光學(xué)現(xiàn)象光學(xué)現(xiàn)象被被測(cè)量測(cè)量被被測(cè)量測(cè)量光纖光纖分類分類干干涉涉型型光光纖纖傳傳感感器器相相位位調(diào)調(diào)制制干涉（磁致伸縮）干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)效應(yīng)光彈效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉干涉電流、磁場(chǎng)電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓電場(chǎng)、電壓角速度角速度振動(dòng)、壓力、加速度、位移振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類 注：注：MM多模光纖；多模光纖；SM單模光纖；單模光纖；PM偏振保持光纖偏振保持光纖 傳感器傳感器光學(xué)現(xiàn)象

17、光學(xué)現(xiàn)象被被測(cè)量測(cè)量被被測(cè)量測(cè)量光纖光纖分類分類非非干干涉涉型型光光纖纖傳傳感感器器強(qiáng)強(qiáng)度度調(diào)調(diào)制制遮光板斷光路遮光板斷光路半導(dǎo)體透射率的變化半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗光纖微彎損耗振動(dòng)膜或液晶的反射振動(dòng)膜或液晶的反射氣體分子吸收氣體分子吸收光纖漏泄模光纖漏泄模溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移位移溫度溫度溫度溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移振動(dòng)、壓力、加速度、位移振動(dòng)、壓力、位移振動(dòng)、壓力、位移氣體濃度氣體濃度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb 光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類 注：注：MM多模光纖；多模光纖；SM單模光

18、纖；單模光纖；PM偏振保持光纖偏振保持光纖 傳感器傳感器光學(xué)現(xiàn)象光學(xué)現(xiàn)象被被測(cè)量測(cè)量被被測(cè)量測(cè)量光纖光纖分類分類非非干干涉涉型型光纖光纖傳感傳感器偏器偏振調(diào)振調(diào)制制法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化雙折射變化光彈效應(yīng)光彈效應(yīng)電流、磁場(chǎng)電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓電場(chǎng)、電壓溫度溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移振動(dòng)、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纖光纖傳感傳感器頻器頻率調(diào)率調(diào)制制多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)受激喇曼散射受激喇曼散射光致發(fā)光光致發(fā)光速度、流速、振動(dòng)、加速度速度、流速、振動(dòng)、加速度氣體濃度氣體濃度溫度溫度MMMMMMcbb 光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類 第七章第七

19、章 光纖傳感器光纖傳感器-調(diào)制原理調(diào)制原理一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理 外調(diào)制外調(diào)制: 反射式、透射式反射式、透射式內(nèi)調(diào)制內(nèi)調(diào)制: 微彎曲、光纖刻紋微彎曲、光纖刻紋強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制 1. 反射式強(qiáng)度調(diào)制反射式強(qiáng)度調(diào)制 這是一種非功能型光纖傳感器，光纖這是一種非功能型光纖傳感器，光纖本身只起傳光作用本身只起傳光作用.daT=tan(arcsinNA)反射式反射式22 dTrrFPPio耦合效率耦合效率radTr2輸出光纖接收的入射光功率比輸出光纖接收的入射光功率比反射式反射式rrr1arccossin11arccos1傳感器的耦合效率與反射位置間關(guān)系曲線傳感器的耦合效率與反射位置間關(guān)系曲線2

20、2 dTrrFPPio2. 2. 透射式強(qiáng)度調(diào)制透射式強(qiáng)度調(diào)制 動(dòng)光纖式光強(qiáng)調(diào)制模型，用來(lái)測(cè)量位移、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。這些物理量的變化使接壓力、溫度等物理量。這些物理量的變化使接收光纖的軸線相對(duì)于發(fā)射光纖錯(cuò)開(kāi)一段距離收光纖的軸線相對(duì)于發(fā)射光纖錯(cuò)開(kāi)一段距離, 光強(qiáng)度調(diào)制器的線性度和靈敏度都很好。光強(qiáng)度調(diào)制器的線性度和靈敏度都很好。調(diào)制原理調(diào)制原理 雙透鏡系統(tǒng)雙透鏡系統(tǒng)帶有遮光屏的透射式光強(qiáng)調(diào)制結(jié)構(gòu)帶有遮光屏的透射式光強(qiáng)調(diào)制結(jié)構(gòu)無(wú)透鏡系統(tǒng)無(wú)透鏡系統(tǒng) 透射率從透射率從50到到0周期變化，光的輸出強(qiáng)周期變化，光的輸出強(qiáng)度亦周期性變化，而且它的分辨率在光柵條度亦周期

21、性變化，而且它的分辨率在光柵條紋間距的紋間距的10-6數(shù)量級(jí)以內(nèi)。這是能夠構(gòu)成很靈數(shù)量級(jí)以內(nèi)。這是能夠構(gòu)成很靈敏、很簡(jiǎn)單、高可靠的位移傳感器的基礎(chǔ)。敏、很簡(jiǎn)單、高可靠的位移傳感器的基礎(chǔ)。光柵遮光屏光柵遮光屏透射式透射式兩個(gè)周期結(jié)構(gòu)的光柵遮光屏傳感器兩個(gè)周期結(jié)構(gòu)的光柵遮光屏傳感器3. 光模式強(qiáng)度調(diào)制光模式強(qiáng)度調(diào)制 當(dāng)光纖之間狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起當(dāng)光纖之間狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起光纖中的模式耦合，其中有些導(dǎo)波模變成光纖中的模式耦合，其中有些導(dǎo)波模變成了輻射模，從而引起損耗。了輻射模，從而引起損耗。光纖模式微彎損耗強(qiáng)度調(diào)制原理光纖模式微彎損耗強(qiáng)度調(diào)制原理1-線芯；線芯；2-包層；包層；3-變形器；變

22、形器；4-泄漏到包層的光波泄漏到包層的光波微彎損耗微彎損耗調(diào)制調(diào)制最佳微彎空間周期最佳微彎空間周期22 acac（SIF）（GIF）4. 折射率強(qiáng)度調(diào)制折射率強(qiáng)度調(diào)制 一般光纖的纖芯和包層的折射率溫度系數(shù)一般光纖的纖芯和包層的折射率溫度系數(shù)不同。不同。 當(dāng)溫度變化時(shí)，當(dāng)溫度變化時(shí)， n2 、 n1之間的差發(fā)生之間的差發(fā)生變化，從而改變傳輸損耗。因此，以某一溫度變化，從而改變傳輸損耗。因此，以某一溫度時(shí)接收到的光強(qiáng)為基準(zhǔn)時(shí)接收到的光強(qiáng)為基準(zhǔn),根據(jù)傳輸功率的變化可根據(jù)傳輸功率的變化可確定溫度的變化。確定溫度的變化。光纖材料光纖材料n(T)5. 倏逝波耦合型倏逝波耦合型倏逝倏逝場(chǎng)場(chǎng)調(diào)制調(diào)制 光纖包層

23、被減薄或完全剝?nèi)?，足以產(chǎn)光纖包層被減薄或完全剝?nèi)ィ阋援a(chǎn)生倏生倏逝場(chǎng)耦合；逝場(chǎng)耦合；d、L或或n2稍有變化，光探測(cè)器的接稍有變化，光探測(cè)器的接收光強(qiáng)就有明顯變化、從而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制、這收光強(qiáng)就有明顯變化、從而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制、這一原理已應(yīng)用于水聽(tīng)器。一原理已應(yīng)用于水聽(tīng)器。L-光纖間的相互作用長(zhǎng)度；光纖間的相互作用長(zhǎng)度；d-纖芯之間的距離；纖芯之間的距離； x射線、射線、g g 射線等輻射線會(huì)使光纖材料吸收射線等輻射線會(huì)使光纖材料吸收損耗增加；損耗增加； 鉛玻璃制成光纖對(duì)鉛玻璃制成光纖對(duì)x射線、射線、 g g 射線、中子射射線、中子射線最敏感。線最敏感。6. 光纖吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制光纖吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制

24、吸收系數(shù)吸收系數(shù)調(diào)制調(diào)制射線敏感射線敏感7. 強(qiáng)度調(diào)制的補(bǔ)償技術(shù)強(qiáng)度調(diào)制的補(bǔ)償技術(shù)1). 分光參考分光參考補(bǔ)償法補(bǔ)償法 LD探測(cè)器探測(cè)器1信號(hào)信號(hào)處理處理探測(cè)器探測(cè)器2傳感頭傳感頭信號(hào)輸出信號(hào)輸出分束器分束器I0V1V2)(211101tfDLIV )(212202tfDLIV )()(221121tkftfDLDLVVV2). 光橋平衡光橋平衡 補(bǔ)償法補(bǔ)償法 S2D1信號(hào)信號(hào)處理處理D2M信號(hào)輸出信號(hào)輸出L1V11V2113111111DLMCLIV MCCCCVVVVV2112221121122211S1L2C12C22C11C21V12V2224121112DLCLIVL4L313212

25、221DLCLIV24222222DLCLIV7. 強(qiáng)度調(diào)制的補(bǔ)償技術(shù)強(qiáng)度調(diào)制的補(bǔ)償技術(shù)3). 時(shí)域參考時(shí)域參考 補(bǔ)償法補(bǔ)償法 LD信號(hào)信號(hào)處理處理探測(cè)探測(cè)器器信號(hào)輸出信號(hào)輸出I0VALMRRTTPPnnncn121212121)(傳感傳感頭頭ML22211LMRRVVnn7. 強(qiáng)度調(diào)制的補(bǔ)償技術(shù)強(qiáng)度調(diào)制的補(bǔ)償技術(shù)4). 衰蕩參考衰蕩參考 補(bǔ)償法補(bǔ)償法 7. 強(qiáng)度調(diào)制的補(bǔ)償技術(shù)強(qiáng)度調(diào)制的補(bǔ)償技術(shù)5). 雙波長(zhǎng)參考雙波長(zhǎng)參考 補(bǔ)償法補(bǔ)償法 二、二、 相位調(diào)制傳感相位調(diào)制傳感n基本原理基本原理:能量場(chǎng)作用下光波相位變化，能量場(chǎng)作用下光波相位變化，干涉法轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，檢測(cè)待測(cè)物理量。干涉法轉(zhuǎn)換為光

26、強(qiáng)變化，檢測(cè)待測(cè)物理量。光纖受縱向光纖受縱向(軸向軸向)機(jī)械應(yīng)力作用，光纖長(zhǎng)度、機(jī)械應(yīng)力作用，光纖長(zhǎng)度、芯徑、纖芯折射率變化，引起光相位變化芯徑、纖芯折射率變化，引起光相位變化.1). 應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)LL2 傳播常數(shù)傳播常數(shù)1. 調(diào)制機(jī)理調(diào)制機(jī)理aaLnnLLLLLL縱向應(yīng)變縱向應(yīng)變, 相位變化相位變化31220)2(21pnLnk11211200)(21ddppnankaLnk軸向應(yīng)變軸向應(yīng)變, 相位變化相位變化泊松效應(yīng)可忽略時(shí)泊松效應(yīng)可忽略時(shí)1121130)(21ppLnkPZT相位相位調(diào)制器調(diào)制器2). 溫度應(yīng)變效應(yīng)溫度應(yīng)變效應(yīng)僅考慮徑向折射率變化時(shí)，其相位隨溫度變化為僅考慮徑

27、向折射率變化時(shí)，其相位隨溫度變化為T(mén)LnTnLkTdddd0TLLnTnnTdd1d(2111pppnTTnn2. 相位調(diào)制的解調(diào)相位調(diào)制的解調(diào)1). 邁克爾遜光纖干涉儀邁克爾遜光纖干涉儀光纖邁克爾遜光纖邁克爾遜(Michlson) 干涉干涉Michlsonlk 022). 馬赫馬赫澤德光纖干涉儀澤德光纖干涉儀 Machzehnder 干涉儀兩臂光波間相對(duì)相位為干涉儀兩臂光波間相對(duì)相位為900,正交正交檢測(cè)方式的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)相位靈敏度最高。檢測(cè)方式的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)相位靈敏度最高。“正交狀態(tài)正交狀態(tài)”)cos(22122212AAAAA2). 馬赫馬赫澤德光纖干涉儀澤德光纖干

28、涉儀 3). 賽格納克光纖干涉儀賽格納克光纖干涉儀平臺(tái)以角速度平臺(tái)以角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，兩束傳播方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)，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)较蛐D(zhuǎn)，則順時(shí)針?lè)较騻鞑サ墓廨^逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，則順時(shí)針?lè)较騻鞑サ墓廨^逆時(shí)針?lè)较騻鞑サ墓庋舆t。時(shí)針?lè)较騻鞑サ墓庋舆t。光纖光纖SagnacA光路圍成面積光路圍成面積相位延遲相位延遲SagnaccA08反射率反射率954). 法布里法布里珀羅光纖干涉儀珀羅光纖干涉儀透射的干涉光強(qiáng)的最大值與最小值之比透射的干涉光強(qiáng)的最大值與最小值之比Fabry-Perot)2(sin)1 (41/220RRII211

29、RRR-反射鏡的反射率反射鏡的反射率-相鄰光束間的相位差相鄰光束間的相位差光纖光纖F-P光纖特性變化光纖特性變化三、三、 偏振調(diào)制偏振調(diào)制強(qiáng)電場(chǎng)施加于各向異性晶體時(shí)引起的感生強(qiáng)電場(chǎng)施加于各向異性晶體時(shí)引起的感生雙折射正比于所加電場(chǎng)的一次方，稱為線雙折射正比于所加電場(chǎng)的一次方，稱為線性電光效應(yīng)，或普克耳效應(yīng)。性電光效應(yīng)，或普克耳效應(yīng)。1. 調(diào)制調(diào)制-光偏振效應(yīng)光偏振效應(yīng)普克耳效應(yīng)普克耳效應(yīng)克爾效應(yīng)也稱為克爾效應(yīng)也稱為平方電光效應(yīng)平方電光效應(yīng)各向同性各向同性透透明物質(zhì)上受外加電場(chǎng)作用時(shí)，變成具有單軸明物質(zhì)上受外加電場(chǎng)作用時(shí)，變成具有單軸晶體雙折射現(xiàn)象的各向異性特性。晶體雙折射現(xiàn)象的各向異性特性?？?/p>

30、爾效應(yīng)克爾效應(yīng)許多物質(zhì)在磁場(chǎng)的作用下可以使穿過(guò)它的許多物質(zhì)在磁場(chǎng)的作用下可以使穿過(guò)它的平面偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱平面偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為為磁致旋光效應(yīng)磁致旋光效應(yīng)或或法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) 旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象 A 旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象偏振光通過(guò)某些透明物質(zhì)后，其振動(dòng)面方將以偏振光通過(guò)某些透明物質(zhì)后，其振動(dòng)面方將以光的傳播方向?yàn)檩S線轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度光的傳播方向?yàn)檩S線轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，這種現(xiàn)，這種現(xiàn)象稱為象稱為旋光現(xiàn)象。旋光現(xiàn)象。能夠產(chǎn)生旋光現(xiàn)象的物質(zhì)稱為能夠產(chǎn)生旋光現(xiàn)象的物質(zhì)稱為旋光物質(zhì)旋光物質(zhì)。如。如石英、糖、酒石酸鉀鈉等。石英、糖、酒石酸鉀鈉等。右旋物質(zhì)：右旋

31、物質(zhì)：迎著光的傳播方向觀看，使迎著光的傳播方向觀看，使振動(dòng)面按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的物質(zhì)，如葡萄振動(dòng)面按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的物質(zhì)，如葡萄糖、石英等。糖、石英等。左旋物質(zhì)：左旋物質(zhì)：迎著光的傳播方向觀看，使迎著光的傳播方向觀看，使振動(dòng)面按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的物質(zhì)，如果糖振動(dòng)面按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的物質(zhì)，如果糖等。等。不同的氨基酸和不同的氨基酸和DNA等也有左右旋的不同，這等也有左右旋的不同，這些是目前生物學(xué)研究的課題。些是目前生物學(xué)研究的課題。B 旋光物質(zhì)旋光物質(zhì)三、三、 偏振調(diào)制偏振調(diào)制MNFC是旋光物質(zhì)；是旋光物質(zhì)；F為濾色片；為濾色片；M為起偏器；旋光物體放為起偏器；旋光物體放在兩個(gè)偏振片在兩個(gè)偏振片M與與

32、N之間，把檢偏器之間，把檢偏器 N 旋轉(zhuǎn)一定角度，旋轉(zhuǎn)一定角度，可得到亮視野和暗視野?？傻玫搅烈曇昂桶狄曇啊旋光調(diào)制旋光調(diào)制 實(shí)驗(yàn)證明：振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度實(shí)驗(yàn)證明：振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度與材料的厚度與材料的厚度d、濃度濃度C 以及入射光的波長(zhǎng)以及入射光的波長(zhǎng) 有關(guān)。有關(guān)。l 對(duì)于固體：對(duì)于固體： 為旋光系數(shù)，為入射光波長(zhǎng)的函數(shù)為旋光系數(shù)，為入射光波長(zhǎng)的函數(shù)lC 對(duì)于液體：對(duì)于液體：C為溶液的濃度。為溶液的濃度。應(yīng)用：應(yīng)用：制糖工業(yè)，測(cè)定糖液濃度的糖量計(jì)制糖工業(yè)，測(cè)定糖液濃度的糖量計(jì)旋光物質(zhì)旋光物質(zhì)蔗糖溶液蔗糖溶液石油石油酒石酸酒石酸石英石英朱砂朱砂光線正反兩次通過(guò)旋光材料后總旋轉(zhuǎn)光線正反兩次通過(guò)旋光

33、材料后總旋轉(zhuǎn)角為角為0，因此，旋光性是一種互易的，因此，旋光性是一種互易的光學(xué)過(guò)程。光學(xué)過(guò)程。NCMF互易性互易性 法拉第旋轉(zhuǎn)是非互易的光學(xué)過(guò)程法拉第旋轉(zhuǎn)是非互易的光學(xué)過(guò)程旋光物質(zhì)旋光物質(zhì)互易互易法拉第旋轉(zhuǎn)法拉第旋轉(zhuǎn)非互易非互易三、三、 偏振調(diào)制偏振調(diào)制 3. 偏振調(diào)制的解調(diào)偏振調(diào)制的解調(diào) 1). 單光路單光路 檢測(cè)檢測(cè) LDD信號(hào)信號(hào)處理處理傳感頭傳感頭信號(hào)輸出信號(hào)輸出q qI0Vq20sinII I 3. 偏振調(diào)制的解調(diào)偏振調(diào)制的解調(diào) 2). 雙光路雙光路 檢測(cè)檢測(cè) LD探測(cè)器探測(cè)器1信號(hào)信號(hào)處理處理探測(cè)器探測(cè)器2傳感頭傳感頭信號(hào)輸出信號(hào)輸出q qI0V1V2I)45(sino202q I

34、I)45(coso201q III1I2四、頻率調(diào)制機(jī)理四、頻率調(diào)制機(jī)理1. 多普勒調(diào)制多普勒調(diào)制 粒子速度粒子速度傳感器傳感器 主要特點(diǎn)是空間分辨率高，光束不主要特點(diǎn)是空間分辨率高，光束不干擾流動(dòng)性，并具有跟蹤快速變化的能干擾流動(dòng)性，并具有跟蹤快速變化的能力。力。四、頻率調(diào)制機(jī)理四、頻率調(diào)制機(jī)理ucucsr四、頻率調(diào)制機(jī)理四、頻率調(diào)制機(jī)理Lcm2. Sagnac調(diào)制調(diào)制 cwcwmLcccwccwmLcLALLcLL000ccwcw4五、波長(zhǎng)調(diào)制機(jī)理五、波長(zhǎng)調(diào)制機(jī)理 波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器主要是利用傳波長(zhǎng)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感探頭的光頻譜特性隨外界物理量變

35、化的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此類傳感器多為非功的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此類傳感器多為非功能型傳感器。能型傳感器。1). 光纖磷光纖磷(熒光熒光) 光探測(cè)技術(shù)光探測(cè)技術(shù)2. 波長(zhǎng)外調(diào)制波長(zhǎng)外調(diào)制兩條線兩條線溫度特性溫度特性1/310) 1(),(2TceCTE2). 光纖黑體光纖黑體 探測(cè)技術(shù)探測(cè)技術(shù)2. 波長(zhǎng)外調(diào)制波長(zhǎng)外調(diào)制 光纖黑體探測(cè)技術(shù)。就是以黑體做探頭，光纖黑體探測(cè)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(chǎng)干擾，利用光纖傳輸熱輻射波，不怕電磁場(chǎng)干擾，質(zhì)量輕質(zhì)量輕 靈敏度高，體積小，探頭可以做到靈敏度高，體積小，探頭可以做到0.1mm。2. 波長(zhǎng)外調(diào)制波長(zhǎng)外調(diào)制cos21cos2212121

36、21FPRRRRRRRRRcos21212121FPRRRRTTTnL4i2R4cos214cos12InLRRnLRIi22T4cos211InLRRRIR1=R2=R 1 )cos1 (2FP RRiR)4cos1 (2ILRI)cos1 (21FPRTi222Rcos)(2)(1cos)(2)(1 ILLRLLRI2tan)(cLaaLqnL4o2R4cos214cos12InLRRLRIoR4cos12ILRI100204060L/m mm01015201L/m mm nL42/2/o2/2/Rd4cos12dBBBBILRII iL= L28009001000 iL= L180090010000 mm+qm+1 m+2m+3 m+4m412mLqm412qmLqmmmqm2qL( q=1,2,3 )o2R4cos214cos12ILRRLRIi22T4cos211InLRRRI商品描述：屬于置入在不銹鋼保護(hù)外殼內(nèi)部的外在商品描述：屬于置入在不銹鋼保護(hù)外殼內(nèi)部的外在型法布里型法布里-珀羅傳感器。珀羅傳感器。 特點(diǎn)：體