光纖傳感檢測技術(shù)

光纖傳感檢測技術(shù)第1頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光纖傳感器始于1977年，目前已進入研究與應(yīng)用并重階段。主要優(yōu)點：靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、可靠性強、可實現(xiàn)不帶電的全光型探頭。頻帶寬、動態(tài)范圍大?？捎煤芟嘟募夹g(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成傳感不同物理量的傳感器便于與計算機和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的遙測和控制?？捎糜诟邷?、高壓、強電磁干擾、腐蝕等惡劣環(huán)境。結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗能少。第2頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三第七章光纖傳感檢測技術(shù)主要教學內(nèi)容：7.1光纖傳感器的基礎(chǔ)7.2光纖的光波調(diào)制技術(shù)7.3光纖傳感器實例第3頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三一次涂覆層纖芯

包層套層一次涂覆層包層纖芯套層7.1.1光纖波導的結(jié)構(gòu)多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)：1、纖芯：石英玻璃，直徑5-75um，材料以二氧化硅為主，摻雜微量元素。2、包層：直徑100-200um，折射率略低于纖芯。3、涂敷層：硅酮或丙烯酸鹽，隔離雜光，保護。4、尼龍或其他有機材料，提高機械強度，保護光纖。7.1光纖傳感器的基礎(chǔ)第4頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光纖的光波導原理①②n1n2n2n2n1光纖的臨界角:對應(yīng)光纖的入射角臨界值為：第5頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三漸變光纖的導光原理示意圖在漸變（梯度型）光纖中，其折射率沿徑向由中心向外呈拋物線從大逐漸變小，至界面處與包層折射率一致。這類光纖有聚焦作用，光線傳播的軌跡近似于正弦波。第6頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三

石英系列光纖（以SiO2為主要材料）按光纖組成材料劃分多成分玻璃光纖（材料由多成分玻璃組成）液芯光纖（纖芯呈液態(tài)）塑料光纖（以塑料為材料）

階躍型光纖（單包層，折射率均布）（SIF）

按光纖纖芯折射率分布劃分

漸變型光纖（單包層，折射率漸變）（GIF）

W型光纖（雙包層，折射率均布）單模光纖（SMF）按光纖傳輸模式數(shù)劃分多模光纖（MMF）7.1.2光纖的分類第7頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光纖的纖芯折射率剖面分布2b2b2b2c2a2a2a

nnnn1n1n1n2n2n2n3

0abr0abr0acbr

（a）階躍光纖（b）漸變光纖（c）W型光纖

第8頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光纖的類型第9頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三7.1.3光纖中的重要參數(shù)1、數(shù)值孔徑（NA,NumericalAperture）當光線在纖芯與包層界面上發(fā)生全反射時，相應(yīng)的端面入射角為光纖波導的孔徑角（或端面臨界角）。即只有光纖端面入射角大的光線才能在光纖中傳播，故光纖的受光區(qū)域是一個圓錐形區(qū)域，圓錐半錐角的最大值就等于孔徑角。NA為表示光纖的集光能力大小，定義光纖波導孔徑角的正弦值為光纖的數(shù)值孔徑（NA），即：光纖參數(shù)數(shù)值孔徑的意義？？第10頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光纖參數(shù)數(shù)值孔徑的意義？？從物理上看，光纖的數(shù)值孔徑表示光纖接收入射光的能力。NA越大，則光纖接收光的能力也越強。從增加進入光纖的光功率的觀點來看，NA越大越好，因為光纖的數(shù)值孔徑大些對于光纖的對接是有利的。但是NA太大時，光纖的?；慵哟螅瑫绊懝饫w的帶寬。因此，在光纖通信系統(tǒng)中，對光纖的數(shù)值孔徑有一定的要求。通常為了最有效地把光射入到光纖中去，應(yīng)采用其數(shù)值孔徑與光纖數(shù)值孔徑相同的透鏡進行集光。第11頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三2、光纖中的模式(FiberMode)7.1.3光纖中的重要參數(shù)電磁波的傳播遵從麥克斯韋方程，而在光纖中傳播的電磁場根據(jù)由光纖結(jié)構(gòu)決定的邊界條件，可求得滿足波動方程的特定的離散的解，而某一個解代表許多允許沿光纖波導傳播的波，每個允許傳播的解稱為光纖的模式，每個波具有不同的振幅和傳播速度。光纖中可能傳播的模式有橫電波、橫磁波和混合波。（1）橫電波TEmn:縱軸方向只有磁場分量；橫截面上有電場分量的電磁波。下標m表示電場沿圓周方向的變化周數(shù)，n表示電場沿軸向方向的變化周數(shù)。（2）橫磁波TMmn:縱軸方向只有電分量；橫截面上有磁場分量的電磁波。（3）混合波HEmn或EHmn:縱軸方向既有電分量又有磁場分量，是橫電波和橫磁波的混合。無論哪種模式，當m和n的組合不同，表示的模式也不同。第12頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三第13頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三3、光纖的歸一化頻率V歸一化頻率是為表征光纖中所能傳播的模式數(shù)目多少而引入的一個特征參數(shù)。其定義為：7.1.3光纖中的重要參數(shù)其中，r——是光纖的纖芯半徑；

λ——是光纖的工作波長；

n1和n2——分別是光纖的纖芯和包層折射率；

k0——真空中的波數(shù)；?——光纖的相對折射率差。歸一化頻率越大，光纖所允許傳播的模式越多，當V<2.405時，光纖中只允許一個模式傳播，即基模。第14頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三4、傳播常數(shù)β傳播常數(shù)β是描述光纖中各模式傳輸特性的一個參數(shù)，光纖中各模式的傳輸或截止都可以由該參數(shù)決定。7.1.3光纖中的重要參數(shù)當β=k0n2時，傳導模處于臨界截止狀態(tài)，光線在纖芯和包層的界面掠射。光纖通信中信息就是由傳導模傳送的。傳導模的傳播常數(shù)是限制在纖芯到包層之間的，即當β<k0n2時，包層中的電磁場不再衰減，而成為振蕩函數(shù)，這時傳導模已不能集中于光纖纖芯中傳播，此時的模式稱為輻射模，即傳導模截止。第15頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三歸一化傳播常數(shù)β/k0與歸一化頻率V的關(guān)系曲線第16頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三模式特性

當0＜V＜2.405時,光纖中除主模（或基模）HE11

模以外，其余模式均截止，此時可實現(xiàn)單模傳輸。單模傳輸條件多模傳輸?shù)臄?shù)目對于階躍型光纖，光纖中的傳輸模式數(shù)為對于漸變型光纖，光纖中的傳輸模式數(shù)為第17頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三截止波長是單模光纖特有的參數(shù)，對應(yīng)于第一高階模的歸一化截止頻率Vc=2.405時的波長。5、截止波長λc第18頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三7.1.4光纖的損耗特性損耗的定義當光在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸減小，這種現(xiàn)象即稱為光纖的損耗。損耗一般用損耗系數(shù)α表示：(單位：dB/km)

損耗大小影響光纖的傳輸距離長短和中繼距離的選擇。損耗的種類吸收損耗：來源于光纖物質(zhì)和雜質(zhì)的吸收作用；散射損耗：光纖材料的不均勻性和尺寸缺陷，如瑞利散射；其他損耗：如光纖彎曲也引起散射損耗。部分光纖傳感器利用了光纖的損耗特性。第19頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三7.1.4光纖的損耗損耗散射損耗制作缺陷折射率分布不均勻芯-涂層界面不理想氣泡、條紋、結(jié)石本征散射及其他瑞利散射布里淵散射拉曼散射吸收損耗本征吸收紫外吸收紅外吸收雜質(zhì)離子的吸收過渡族金屬離子OH-

離子彎曲損耗第20頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三7.1.5光纖的色散特性色散的定義色散的種類光纖的色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，隨傳輸距離增加，由于不同成分的光傳輸時延不同引起的脈沖展寬的物理效應(yīng)。色散主要影響系統(tǒng)的傳輸容量，也對中繼距離有影響。色散的大小常用時延差表示，時延差是光脈沖中不同模式或不同波長成分傳輸同樣距離而產(chǎn)生的時間差。模式色散：模式色散是由于光纖不同模式在同一波長下傳播速度不同，使傳播時延不同而產(chǎn)生的色散。只有多模光纖才存在模式色散，它主要取決于光纖的折射率分布。材料色散：材料色散是由于光纖的折射率隨波長變化而使模式內(nèi)不同波長的光時間延遲不同產(chǎn)生的色散。取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度。波導色散：波導色散是由于波導結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長有關(guān)而產(chǎn)生的色散。取決于波導尺寸和纖芯包層的相對折射率差。波導：由光透明介質(zhì)（如石英玻璃）構(gòu)成的傳輸光頻電磁波的導行結(jié)構(gòu)。第21頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三

波導色散和材料色散都是模式的本身色散，也稱模內(nèi)色散。對于多模光纖，既有模式色散，又有模內(nèi)色散，但主要以模式色散為主。梯度型光纖中模式色散大為減少。而單模光纖不存在模式色散，只有材料色散和波導色散，由于波導色散比材料色散小很多，通常可以忽略。采用激光光源可有效減小材料色散的影響。第22頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器（FunctionFiberOpticSensor），又稱FF型光纖傳感器；利用光纖本身感受被測量變化而改變傳輸光的特性，光纖既是傳光元件，又是敏感元件。另一類是非功能型傳感器（Non-FunctionFiberOpticSensor），又稱NF型光纖傳感器。利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光信號的傳輸介質(zhì)。7.1.6光纖傳感器的分類第23頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三功能型光纖傳感器這類傳感器利用光纖本身對被測對象具有敏感能力和檢測功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測對象作用下，如光強、相位、偏振態(tài)等光特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號攜帶了被測信息。非功能型光纖傳感器傳光型光纖傳感器的光纖只當作傳播光的媒介，待測對象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用。第24頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光纖傳感器的分類列表第25頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三第七章光纖傳感檢測技術(shù)主要教學內(nèi)容：7.1光纖傳感器的基礎(chǔ)7.2光纖的光波調(diào)制技術(shù)7.3光纖傳感器實例第26頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三7.2光纖的光波調(diào)制技術(shù)強度調(diào)制相位調(diào)制偏振調(diào)制頻率調(diào)制

波長調(diào)制第27頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三7.2.1強度調(diào)制：IDttIS信號入射光強度調(diào)制光源出射光輸出ID光探測器強度調(diào)制原理IOtIit一恒定光源發(fā)出的強度為Pi的光注入傳感頭，在傳感頭內(nèi)，光在被測信號的作用下其強度發(fā)生變化，即受到了外場的調(diào)制，使得輸出光強Po的包絡(luò)線與被測信號的形狀一樣，光電探測器測出的輸出電流Io也作同樣的調(diào)制，信號處理電路再檢測出調(diào)制信號，就得到了被測信號。第28頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三強度調(diào)制是利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導致光強度發(fā)生變化來實現(xiàn)敏感測量的。（光模式調(diào)制——內(nèi)調(diào)制）調(diào)制原理：其中，β1和β2分別為纖芯傳輸模和包層輻射模的傳輸常數(shù)。當光纖受到彎曲后，有少量的芯模能量會轉(zhuǎn)換成包層模能量而損失掉，通過測量包層模或芯模能量的變化就獲得外界待測物理量的變化。第29頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三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，亦為發(fā)送光纖和接收光纖。調(diào)制機理：輸入光纖將光源的光射向被測物體表面，再從被測面反射到另一根輸出光纖中，其光強的大小隨被測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．故在平面反射鏡之后相距d處形成一個輸入光纖的虛像。因此，確定調(diào)制器的響應(yīng)等效于計算虛光纖與輸出光纖之間的耦合。d（反射式調(diào)制——外調(diào)制）調(diào)制原理：第30頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光是一種橫波。光振動的電場矢量E和磁場矢量H和光線的傳播方向s正交。按照光的振動矢量E、H在垂直于光線平面內(nèi)矢量軌跡的不同，又可分為線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光和部分偏振光。偏振調(diào)制就是利用光偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象的信息。7.2.2偏振調(diào)制調(diào)制原理：普克爾Pockels效應(yīng)(電光效應(yīng))法拉第磁光效應(yīng)光彈效應(yīng)解調(diào)原理：檢偏器第31頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光波是一種橫波，它的光矢量與傳描方向垂直的。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32頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三普克爾效應(yīng)（電光效應(yīng)）當壓電晶體受光照射，并在與光照正交的方向上加以高壓電場時，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為Pockels效應(yīng)，如下圖所示。并且，這種雙折射正比于所加電場的一次方在晶體中，兩正交的偏振光的相位變化為其中：n0

—正常折射率；re

—電光系數(shù)；U—加在晶體片上的橫向電壓；λ—光波長；L—光傳播方向晶體長度；d—電場方向晶體厚度。Pockels效應(yīng)對于光學性質(zhì)隨方向而異的一些晶體，一束入射光常分解為兩束折射光的現(xiàn)象，稱為雙折射現(xiàn)象。第33頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三P1P2P1，P2是兩個透射軸互相垂直的偏振片，不加電場時，晶體本身通常是單軸晶體，其光軸沿光束的傳播方向。加電場后，由晶體光學理量知，在垂直于電場方向的平面上，存在著2個互相垂直的主振動方向。當一束平面偏振光垂直入射到晶體中時，若光振動方向與晶體主振動方向成45°角，那么這束偏振光分解為互相垂直的2個振幅相等、互相垂直的平面偏振光，它們在晶體內(nèi)傳播方向相同，但傳速不同，所以從厚度為l的晶體中出射后，兩束光將有一固定位相差Φ第34頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三法拉第效應(yīng)（磁光效應(yīng)）某些物質(zhì)在磁場作用下，線偏振光通過時其振動面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。光的電矢量E旋轉(zhuǎn)角θ與光在物質(zhì)中通過的距離L和磁場強度H成正比，即式中V為物質(zhì)的弗爾德常數(shù)。利用法拉第效應(yīng)可以測量磁場。其測量原理如圖所示。第35頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光彈效應(yīng)在垂直于光波傳播方向上施加應(yīng)力，被施加應(yīng)力的材料將會使光產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其折射率的變化與應(yīng)力材關(guān)，這被稱為光彈效應(yīng)。由光彈效應(yīng)產(chǎn)生的偏振光的相位變化為：

式中：K—

物質(zhì)光彈性常數(shù)；P—

施加在物體上的壓強；L—

光波通過材料的長度。此時出射光強為：光彈效應(yīng)示意圖第36頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三偏振調(diào)制的解調(diào)原理渥拉斯頓棱鏡解調(diào)原理

解偏過程：如圖為偏振光分束器，方解石組成。兩棱鏡光軸垂直，光線垂直入射到No.1，光束不分開，但o光1和e光1速度不同。到達No.2時，光軸垂直，o光1和e光1的角色互換，o光2對應(yīng)的折射率從n0到ne，e光2對應(yīng)的折射率從ne到n0，ne<n0，所以兩光束分開。偏振角為θ。光束傳播示意圖eooe45oNo.1No.2第37頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三渥拉斯頓棱鏡能產(chǎn)生兩束相互分開的、振動相互垂直的平面偏振光。由兩個方解石直角棱鏡組成。兩棱鏡的光軸相互垂直。自然光垂直入射到AB面上，o

光和e

光以不同的速度沿同一方向傳播。當它們進入第二棱鏡以后，由于兩棱鏡的光軸相互垂直，所以o1-->e2,e1-->o2。又由于no>ne，所以e2遠離法線，o2靠近法線，兩束光在第二棱鏡中分開。雙折射得到的兩光束，一束遵守折射定律為o光，另一束則不然，為e光。o光振動面垂直于晶體的主截面，而e光的振動面在主截面內(nèi)，兩者振動面互相垂直。（主截面：晶體中的光線與光軸所形成的平面

）第38頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三

偏振角與光分量的關(guān)系：

偏振角θ與光源強度和通道能量衰減無關(guān)，只與兩分光束的光強有關(guān)系。由偏振角θ值可推知需要傳感的物理量

兩光分量對應(yīng)的振幅分別為：馬呂斯定律偏振面旋轉(zhuǎn)角度θ，參考矢量為檢偏器偏振方向根據(jù)馬呂斯定律第39頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三

這樣，經(jīng)過加法器、減法器和除法器后，將光波旋轉(zhuǎn)角的信息轉(zhuǎn)化為光強信息的輸出信號為當θ<<1時，sin2θ≈2θ所以，輸出信號P與偏振面旋轉(zhuǎn)角θ成線性關(guān)系，再經(jīng)信號處理就能獲得外界的被測電流。第40頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三相位調(diào)制的基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。7.2.3相位調(diào)制應(yīng)變效應(yīng)：光纖長度變化泊松效應(yīng)：光纖芯直徑變化光彈效應(yīng):光纖芯折射率變化光熱效應(yīng)薩格納克(Sagnac)效應(yīng)檢測原理相位解調(diào)原理：光外差檢測原理第41頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三典型干涉測量儀與光纖干涉?zhèn)鞲衅鬟~克爾遜(Michelson)干涉儀馬赫-澤德爾(Mach-Zender)干涉儀薩格納克(Sagnac)干涉儀法布里-泊羅(Fabry-Perot)干涉儀常用干涉儀常用光纖干涉?zhèn)鞲衅魇抢蒙鲜鲈碛晒饫w實現(xiàn)的干涉型光纖傳感器。第42頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三7.2.3.1邁克爾遜干涉儀干涉原理：當激光束分得的兩光束的光程差小于激光的相干長度時，射到光檢測器上的兩相干光束即產(chǎn)生干涉，且相位差為：傳感器通過干涉現(xiàn)象能把光束之間的相位差變?yōu)楣鈴娮兓瑢崿F(xiàn)外差檢測。第43頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三圖中以一個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相位調(diào)制元件。這種全光纖結(jié)構(gòu)不僅避免了非待測場的干擾影響，而且免除了每次測量要調(diào)光路準直等繁瑣的工作，使其更適于現(xiàn)場測量，更接近實用化。

為了克服空氣受環(huán)境條件影響所導致的空氣光程的變化，考慮用全光纖干涉儀結(jié)構(gòu)。（a）光纖邁克爾遜干涉儀可動端第44頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三傳感器7.2.3.2馬赫－澤德爾干涉儀由移動平面鏡的位移獲得兩相干光束的相位差，在光檢測器是產(chǎn)生干涉。優(yōu)點：沒有激光返回激光器，噪聲小，穩(wěn)定性好。對干涉影響小。第45頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三兩個臂都使用光纖，且光的分路與合路也都是用3dB光纖耦合器。其優(yōu)點是體積小，且機械性能穩(wěn)定。當然，重要的是要解決好光纖耦合器的工藝和穩(wěn)定性問題。第46頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三7.2.3.3薩格納克干涉儀激光器輸出的兩束光沿著一條由一個分束器和三個平面鏡構(gòu)成的閉合光路反方向傳輸,它們重新合路后再入射到光檢測器,同時一部分光又返回到激光器。當平臺沿垂直于光束平面旋轉(zhuǎn)時，兩方向相反的光束到達檢測器的延遲不同，從而產(chǎn)生相位變化。若平臺以角速度Ω順時針旋轉(zhuǎn)時，則在順時針方向傳播的光較逆時針方向傳播的光延遲大。這個相位延遲量可表示為：通過檢測干涉光強的變化，就知道旋轉(zhuǎn)速度，它是目前許多慣性導航系統(tǒng)所用的環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺的設(shè)計基礎(chǔ)。第47頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三（c）光纖薩格納克干涉儀（光纖陀螺儀）

光纖陀螺儀的靈敏度比空氣光程的薩格納克干涉儀要高幾個數(shù)量級。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技術(shù)。其相移表達式為第48頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三7.2.3.4法布里-珀羅干涉儀傳感器它是由兩塊平行的部分透射平面鏡組成的。這兩塊平面鏡的反射率(反射系數(shù))通常是大于95%。假定反射率為95%,那么在任何情況下,激光器輸出光的95%將朝著激光器反射回來,余下的5%的光將透過平面鏡而進入干涉儀的諧振腔內(nèi)。其干涉原理是多光束干涉，其干涉光強度的變化為：第49頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三（d）光纖法布里-珀羅干涉儀

它與一般法布里--珀羅干涉僅的區(qū)別在于以光纖光程代替了空氣光程，以光纖特性變化來調(diào)制相位代替了以傳感器控制反射鏡移動實現(xiàn)了調(diào)相。第50頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三7.2.3.5頻率調(diào)制及解調(diào)利用外界因素改變光的頻率，通過檢測光的頻率變化來測量外界物理量。目前主要是利用光學多普勒效應(yīng)實現(xiàn)頻率調(diào)制。如圖所示,P點物體的運動將S點光源發(fā)出的光散射到Q點被觀察到，設(shè)光頻為f1，由雙重多普勒頻移原理可得：解調(diào)過程：與相位調(diào)制的解調(diào)相同，需要兩束光干涉，在檢測器上產(chǎn)生差頻，光電流經(jīng)頻譜分析器處理，求出頻率變化。第51頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三激光多普勒光纖測速系統(tǒng)激光沿著光纖入射到測速點A上，然后被測物散射光與光纖端面A的反射或散射光沿著光纖返回，其中光纖端面A的反射或散射光是作為參考光使用。于是信號光與參考光一起經(jīng)光探測器進入頻譜分析器處理，最后分析器給出測量結(jié)果。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。第52頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三第七章光纖傳感檢測技術(shù)主要教學內(nèi)容：7.1光纖傳感器的基礎(chǔ)7.2光纖的光波調(diào)制技術(shù)7.3光纖傳感器實例第53頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三7.3光纖傳感器實例7.3.1光纖位移傳感器反射式光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示。根據(jù)被測目標表面光反射至接收光纖束的光強度的變化來測量被測表面距離的變化。所使用光纖束的特性是影響這種類型光纖傳感器的靈敏度的主要因素之一。在光纖探頭的端部,發(fā)射光纖與接收光纖一般有四種分布:(a)隨機分布;(b)半球形對開分布;(c)共軸內(nèi)發(fā)射分布;(d)共軸外發(fā)射分布，如圖所示。第54頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三典型位移－輸出曲線如圖所示。在輸出曲線的前坡區(qū)I,輸出信號強度增加得很快,這一區(qū)域可以用于微米級的位移測量。在后坡區(qū)II,信號的減弱約與探頭和被測表面之間的距離平方成反比,可用于距離較遠而靈敏度、線性度和精度要求不高的測量。反射式光纖位移傳感器的原理如右圖。1、探頭緊貼被測件時，無光接收沒有電信號。2、被測表面逐漸遠離探頭時，有一個線性增長的輸出信號。有一最大輸出值—“光峰點”。3、繼續(xù)遠離時，輸出信號越來越弱，與距離平方成反比。第55頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光纖液位傳感器

(a)Y型光纖；(b)U型光纖；(c)棱鏡耦合

7.3.2光纖液面位移傳感器圖(c)結(jié)構(gòu)中，兩根多模光纖由棱鏡耦合在一起，它的光調(diào)制深度最強，而且對光源和光電接收器的要求不高。由于同一種溶液在不同濃度時的折射率也不同，所以經(jīng)過標定，這種液位傳感器也可作為濃度計。光纖液位計可用于易燃、易爆場合，但不能探測污濁液體以及會粘附在測頭表面的粘稠物質(zhì)。由LED光源，光電二極管（PD），多模光纖等組成。當測頭置于空氣中，沒有接觸液面時，光線在圓錐體內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射而返回到光電二極管。當測頭接觸液面時，由于液體折射率與空氣不同，全內(nèi)反射被破壞，將有部分光線透入液體內(nèi)，使返回到光電二極管的光強變?nèi)?；返回光強是液體折射率的線性函數(shù)。返回光強發(fā)生突變時，表明測頭已接觸到液位。第56頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光纖耦合器單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)將光纖的端部拋光成45°的圓錐面。當光纖處于空氣中時，入射光大部分能在端部滿足全反射條件而返回光纖。當傳感器接觸液體時，由于液體的折射率比空氣大，使一部分光不能滿足全反射條件而折射入液體中，返回光纖的光強就減小。利用X形耦合器即可構(gòu)成具有兩個探頭的液位報警傳感器。同樣，若在不同的高度安裝多個探頭，則能連續(xù)監(jiān)視液位的變化。第57頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三防液滴附著的方法

反射膜突出物上述探頭在接觸液面時能快速響應(yīng)，但在探頭離開液體時，由于有液滴附著在探頭上，故不能立即響應(yīng)。為了克服這個缺點，可將探頭的結(jié)構(gòu)作一些改變，如圖。將光纖端部的尖頂略微磨平，并鍍上反射膜。這樣，即使有液體附著在頂部，也不影響輸出跳變。進一步的改進是在頂部鍍反射膜外貼上一突出物，將附著的液體導引向突出物的下端。這樣，可以保證探頭離開液位時也能快速地響應(yīng)。第58頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三浸液自聚透鏡光纖水銀7.3.3光纖溫度傳感器1、水銀式光纖溫度開關(guān)簡單類型的光纖溫度傳感器左圖為一種簡單的利用水銀柱升降溫度的光纖溫度開關(guān)?？捎糜趯υO(shè)定溫度的控制，溫度設(shè)定值靈活可變。第59頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三下圖為利用雙金屬熱變形的遮光式光纖溫度計。當溫度升高時，雙金屬片的變形量增大，帶動遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強發(fā)生變化。這種形式的光纖溫度計能測量10℃～50℃的溫度。檢測精度約為0.5℃。它的缺點是輸出光強受殼體振動的影響，且響應(yīng)時間較長，一般需幾分鐘。接收光源遮光板雙金屬片2、遮光式光纖溫度計第60頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三原理：半導體材料的光吸收與禁帶寬度Eg有關(guān)，光子能量大于Eg的光被吸收，光子能量等于Eg的是半導體吸收的“紅限波長λg”，被稱為半導體吸收端，在吸收端，波長的增加半導體吸收呈線性遞減特性，超過這一波長范圍的光幾乎不產(chǎn)生吸收。當溫度增加時，禁帶寬度變窄，紅限波長線性地變長，光吸收端線性地向長波方向平移。這個性質(zhì)反映在半導體的透光性上則表現(xiàn)為：當溫度升高時，其透射率曲線將向長波方向移動。若采用發(fā)射光譜與半導體的λg相匹配的發(fā)光二極管作為光源，則透射光強度將隨著溫度的升高而減小，即通過檢測透射光的強度或透射率，即可檢測溫度變化。半導體光吸收型光纖溫度傳感器圖光吸收溫度特性第61頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三圖1半導體光吸收型光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖。光纖環(huán)氧膠半導體反射膜圖2一種光纖溫度單端式探頭第62頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三7.3.4光纖壓力傳感器反射式光纖壓力傳感器是在前面介紹的光纖位移傳感器的探頭前面加上一個膜片構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)如圖所示。膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖光源接收121Y形光纖束2殼片3膜片3P利用彈性體的受壓變形，將壓力信號轉(zhuǎn)換成位移信號，從而對光強進行調(diào)制。因此，只要設(shè)計好合理的彈性元件及結(jié)構(gòu)，就可以實現(xiàn)壓力的檢測。上圖為簡單的利用Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當膜片受壓變形時，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強受到調(diào)制。第63頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三DSFF變形器光纖Aθ1θn0n2n1θ2θ3微彎光纖壓力傳感器光纖被夾在一對鋸齒板中間，當光纖不受力時，光線從光纖中穿過，沒有能量損失。當鋸齒板受外力作用而產(chǎn)生位移時，光纖則發(fā)生許多微彎，這時在纖芯中傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁糠稚⑸涞桨鼘又?光纖微彎增大，散射掉的光隨之增加，纖芯輸出光強度相應(yīng)減小。因此，通過檢測纖芯或包層的光功率，就能測得引起微彎的壓力、聲壓，或檢測由壓力引起的位移等物理量。第64頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三線偏振光光源起偏器λ/4波片Pyrex玻璃檢偏器p圓偏振光橢圓偏振光p光纖G-lens起偏器波片晶體檢偏器光彈式光纖壓力傳感器λ/4波片用全反射，產(chǎn)生與入射光相位差為90°的光束干涉條紋的形狀由光程差相等(即主應(yīng)力差相等)的那些點的軌跡來決定。根據(jù)這些條紋就可確定物體上各點的主應(yīng)力之差。用其它方法測得各點的主應(yīng)力之和與主應(yīng)力方向，就可以實現(xiàn)物體上應(yīng)力的定量分析。第65頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三偏振調(diào)制型光纖電流傳感器，其基本原理是前述介紹的法拉第效應(yīng)（磁光效應(yīng)）。如果這個磁場是由長直載流導線產(chǎn)生的，根據(jù)安培環(huán)路定律：7.3.5偏振調(diào)制型光纖電流傳感器式中：I-載流導線中的電流強度；R-光纖纏繞半徑。根據(jù)法拉第旋光效應(yīng)，引起光纖中線偏振光的偏轉(zhuǎn)角為：由檢測及信號處理后得輸出信號為：V為費爾德常數(shù)；l為受磁場作用光纖長度，N為光纖圈數(shù)。

測量范圍：0-1000A第66頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三本章結(jié)束

作業(yè)P186:2、3、4題第67頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三習題3光纖只允許一種模式（基模HE11）在其中傳播，其余的高次模全部截止，這樣的光纖叫做單模光纖。由于它只允許一種模式在其中傳播，從而避免了模式色散的問題，故單模光纖具有極寬的帶寬，特別適用于大容量的光纖通信。要實現(xiàn)單模傳輸，必須使光纖的諸參量滿足一定的條件，即其歸一化頻率V≤2.405。第68頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三謝謝！第69頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三1.模的概念:光導纖維傳輸中的一個重要性能就是模式分布我們將沿纖芯傳輸?shù)墓夥纸鉃檠剌S向和沿截面兩種平面波成分沿截面?zhèn)鬏數(shù)钠矫娌ㄔ诶w芯與包層的界面處發(fā)生全反射每一往復傳輸?shù)南辔蛔兓?*Pi的整數(shù)倍時就可以在截面內(nèi)形成駐波,這樣的駐波光線組稱為"模"2.多模光纖與單模光纖:多模光纖的纖芯大,入射