強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理光纖傳感器基本原理

opticalfibersensors光纖傳感技術(shù)Opticalfibersensors第

五章光纖傳感器基本原理FundamentalofOpticalFiberSensor

內(nèi)容一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理二、相位調(diào)制機(jī)理三、頻率調(diào)制機(jī)理四、波長調(diào)制機(jī)理五、偏振調(diào)制機(jī)理光調(diào)制概念光調(diào)制就是將信息加到載波光波上，使載波光波的某一參數(shù)隨外加信號變化而變化，這些參數(shù)包括光波的強(qiáng)度、位相、頻率、偏振、波長等。承載信息的調(diào)制光波在光纖中傳輸，再由光探測器檢測，然后解調(diào)出所需要的信息。光纖傳感系統(tǒng)的基本構(gòu)成外界被測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)試區(qū)的光相互作用光強(qiáng)、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化被測參數(shù)調(diào)制區(qū)或傳感區(qū)光纖傳感器分類傳光型傳感型按光纖在傳感器中作用只“傳”不“感”“傳”“感”合一關(guān)鍵部件是光轉(zhuǎn)換敏感元件。光轉(zhuǎn)換元件與待測對象相互作用時，光轉(zhuǎn)換元件自身的性能發(fā)生了變化，光纖送來的光波通過它時，光波參量發(fā)生了相關(guān)變化，空載波變成了調(diào)制坡，攜帶了待測量信息?；蛘呤遣徊捎萌魏喂廪D(zhuǎn)元件，僅由光纖的幾何位置排布實(shí)現(xiàn)光轉(zhuǎn)換功能，結(jié)構(gòu)十分簡單。光纖本身起敏感元件的作用。光纖與被測對象相互作用時，光纖自身的結(jié)構(gòu)參量(尺寸和形狀)發(fā)生變化，光纖的傳光特性發(fā)生相關(guān)變化，光纖中的光波參量受到相應(yīng)控制，即在光纖中傳輸?shù)墓獠ㄊ艿搅吮粶y對象的調(diào)制，空載波變?yōu)檎{(diào)制波，攜帶了被測對象的信息；或者是光纖與被測對象作用時，光纖自身的結(jié)構(gòu)參量并不發(fā)生變化，而光纖中傳輸?shù)墓獠ㄗ陨戆l(fā)生了某種變化，攜帶了待測信息。傳感型傳光型待測物理量引起光纖中傳輸?shù)墓獠◤?qiáng)度發(fā)生變化，通過檢測光強(qiáng)的變化實(shí)現(xiàn)待測物理量的測量。一、強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的基本原理被測信號IiIoSiD強(qiáng)度調(diào)制區(qū)光探測器強(qiáng)度調(diào)制方式反射式強(qiáng)度調(diào)制透射式強(qiáng)度調(diào)制折射率強(qiáng)度調(diào)制吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制光模式強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制的特點(diǎn)：簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理1、反射式強(qiáng)度調(diào)制傳感器的調(diào)制機(jī)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(qiáng)的大小隨被測表面與光纖間的距離d而變化。這是一種非功能型光纖傳感器，光纖本身只起傳光作用。一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理定量分析：反射鏡面的移動方向是與光纖探頭端面垂直的，反射鏡面在其背面距離d

處形成輸入光纖的虛象，因此，光強(qiáng)調(diào)制作用是與虛光纖和輸出光纖的耦合相聯(lián)系的。設(shè)兩光纖皆為階躍折射率光纖，芯徑為2r，數(shù)值孔徑為N.A

，兩光纖垂直距離為a.一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理N.A＝sin

反射型光強(qiáng)外調(diào)制示意圖ad2r輸出光纖輸入光纖的鏡像輸入光纖輸出光纖a輸入光纖一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理調(diào)制信號2d反射型光強(qiáng)外調(diào)制示意圖ad2r輸出光纖輸入光纖的鏡像輸入光纖輸出光纖a輸入光纖一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理輸入光纖的出射光與輸出光纖纖芯的重疊部分輸出光纖a輸入光纖返回一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理N.A＝sin

輸入光纖的出射光與輸出光纖纖芯的重疊部分輸出光纖a輸入光纖一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理輸入光纖的出射光與輸出光纖纖芯的重疊部分輸出光纖a輸入光纖一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理

檢測范圍當(dāng)距離時，兩光纖的耦合為零，無反射光進(jìn)入輸出光纖；一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理當(dāng)時，兩光纖耦合最強(qiáng)，輸出光強(qiáng)達(dá)最大值，此時輸入光纖的像發(fā)出的光維底面積將輸出光纖端面積全部遮蓋，pr2是一個常數(shù)，光維底面積為p(dT)2即檢測位移的范圍：因此最大檢測范圍：在一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理

定量計(jì)算光耦合系數(shù)定量計(jì)算光耦合系數(shù)，必須先計(jì)算輸入光纖像的發(fā)光維體面積與輸出光纖端面的交疊面積，如果精確計(jì)算，則必須使用gamma方程，十分復(fù)雜。r交疊面積一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理如果作線性近似，即將維體邊緣與輸出光纖芯交界的弧線作為直線處理，則可得到線性解，在線性近似下，可求得交疊面積與光纖芯面積之比為：r模型直邊模型近似r式中d

為交疊面積的高，由d

決定：

假定反射鏡面無光吸收，兩光纖的光功率耦合效率F

，即為交疊面積與光維底面積之比：r交疊面積例：芯徑2r=200mm，N.A.=0.5的階躍光纖，a=100mm,計(jì)算結(jié)果表明最大耦合效率Fmax=7.2%,發(fā)生于d=320mm處。d(mm)一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理Fmax=6.62%(計(jì)算結(jié)果)上面的分析作了很多簡化處理：除了線性假設(shè)部分，還假定了①光纖為階躍型光纖；②模譜是均勻一致的，即功率密度在光維底面上是均勻的；③反射面平行于光纖端面；④反射率為100％等。一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理簡化處理發(fā)射光纖與接收光纖對準(zhǔn)，光強(qiáng)調(diào)制信號加在移動的遮光板上，或直接移動接收光纖，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。待測物理量的變化使接收光纖的軸線相對于發(fā)射光纖錯開一段距離x。2、透射式強(qiáng)度調(diào)制x調(diào)制信號動光纖式光強(qiáng)調(diào)制模型位移、壓力、溫度等一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理3、光模式（微彎損耗）光強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理當(dāng)光纖發(fā)生彎曲時，會引起光纖中的模式耦合，其中有些導(dǎo)波模變成了輻射模，從而引起損耗，這就是微彎損耗。利用光在微彎光纖中強(qiáng)度的衰減原理，將光纖夾在兩塊具周期性波紋的微彎變形器中，精確地把微彎損耗與引起微彎的器件的位置及壓力等物理量聯(lián)系起來制成各種光纖微彎傳感器。微彎損耗調(diào)制示意圖一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理L調(diào)制信號光纖微彎損耗調(diào)制示意圖一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理L調(diào)制信號光纖纖芯中的光向包層逸出的原因：從幾何光學(xué)來說是由于全反射條件的破壞造成的；從波導(dǎo)理論來說則是光纖的彎曲引起了各種傳導(dǎo)模式的耦合，則形成耦合模式被送入包層中去產(chǎn)生輻射模。微灣損耗的機(jī)理一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理傳感器的靈敏度主要與三個因素有關(guān)：微彎幅度、微彎數(shù)目、微彎周期。其中微彎周期的影響最大，且有一個與傳感光纖有關(guān)的臨界周期Lc。當(dāng)光纖微彎周期接近于臨界周期時，光纖中光功率損耗急劇增加，即光纖傳感靈敏度顯著增加。

L實(shí)用中的光纖微彎傳感器如圖所示，由多模光纖與一個空間周期為L的梳狀調(diào)制器構(gòu)成，當(dāng)外界壓力、位移或振動等使調(diào)制器變形時，將改變光纖彎曲部分的模振幅，從而對光纖中傳輸光強(qiáng)度產(chǎn)生調(diào)制。調(diào)制信號一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理微彎周期的選擇微彎光強(qiáng)調(diào)制的基本原理是將纖芯中的傳輸導(dǎo)模耦合入輻射模，隨著微彎機(jī)制的變化，無論是光纖中的透射光強(qiáng)，還是逸出光纖的輻射光強(qiáng)都將發(fā)生變化。問題是，什么樣的微彎機(jī)制才能導(dǎo)致有效而且線性的光強(qiáng)調(diào)制?這個問題涉及到光纖的模式耦合理論，這里僅作一些簡單討論。一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理光纖模式耦合理論指出，在周期性微彎作用下，要實(shí)現(xiàn)有效的模式耦合有如下規(guī)律可循：如果微彎的空間周期為L，如果選擇該周期使其與兩個模(例如一個導(dǎo)模b與一個輻射模b’)的傳播常數(shù)之差Db相匹配，即:則這兩個模式就發(fā)生耦合。一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理傳導(dǎo)模輻射模光纖中的傳播模式一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理z光纖的折射率分布：n1[1-2D]1/2=n2r>an1[1-2D(r/a)g]1/20

r

ag=2稱為拋物線分布或平方律分布n(r)=

g=

一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理由波導(dǎo)理論，相鄰兩個模式的傳播常數(shù)差Db由下式給出：式中m是模序數(shù)，M是?？倲?shù)，D為相對折射率差。對于拋物線折射率分布的光纖g＝2，則上式表明，在拋物線折射率分布光纖中Db與模序數(shù)m無關(guān)，在b空間中所有的模間隔都相等。一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理注意：式（5－9）有誤既然所有傳輸模的傳播常數(shù)差是等間隔的，那么當(dāng)一個導(dǎo)模被泄漏到另一導(dǎo)模時，所有的導(dǎo)模都能被泄漏入鄰近的模。從而達(dá)到模式間的最佳耦合。一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理對于拋物線分布光纖，最佳耦合情況下變形器的臨界空間周期為：對于階躍光纖，g＝

該式表明Db與模序數(shù)m有關(guān)。因?yàn)檩椛淠Ｅc高階模的耦合最易發(fā)生。當(dāng)m=M時，相鄰模耦合所需要的空間周期間隔為：一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理光纖由變形器引起微彎變形時，纖芯中的光有一部分逸出到包層。若采取適當(dāng)?shù)姆绞教綔y光強(qiáng)的變化，則可知道位移變化量，據(jù)此可以制作出溫度、壓力、振動、位移、應(yīng)變等光纖傳感器。微變形光纖強(qiáng)度調(diào)制傳感器的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快。微彎損耗光強(qiáng)度調(diào)制的應(yīng)用一、強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理傳導(dǎo)模輻射模q04、折射率強(qiáng)度調(diào)制通過改變n1與n2之間的差，可以改變傳輸損耗。因此，根據(jù)傳輸光功率的變化可確定物理量的變化。n1n2液體q0設(shè)液體折射率隨溫度升高而減小n1n2TT’光纖溫度傳感器原理包層n1n2光纖含油量傳感器原理含油液體1包層n1n2光纖含油量傳感器原理含油液體2x射線、g射線等輻射線會使光纖材料的吸收損耗增加，使光纖的輸出功率降低，從而構(gòu)成強(qiáng)度調(diào)制輻射量傳感器，其原理如圖5－16(a)所示。5、光吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制改變光纖材料成分可對不同的射線進(jìn)行測量。如選用鉛玻璃制成光纖，它