光纤传感器基本原理课件.ppt

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第五章 光纤传感器基本原理 5.2.3 光模式强度调制 5.2.4 折射率强度调制 5.3 相位调制机理 5.4 频率调制机理 5.6 偏振调制机理 马吕斯定律 强度为I0的偏振光,通过检偏器后,透射光的强度为: I=I0 cos2α 其中α为检偏器的偏振化方向与入射偏振光的偏振化方向之间的夹角。 A I I0 ? α为线偏振光的振动方向OM与检偏器透振方向ON间的夹角。 ? ? ? ? ? ? 一束光强为I0的自然光透过检偏器,透射光强为I0 /2 解释 I=I0 cos2α 天然的方解石晶体是双折射晶体 A B 光的双折射现象 一束自然光射向石英、方解石等各向异性介质时,其折射光有两束,这种现象称为双折射现象。 5.6.1 普克耳效应 各向异性晶体中的普克耳效应是一种重要的电光效应。当强电场施加于光正在穿行的各向异性晶体时,所引起的感生双折射正比于所加电场的一次方,称为线性电光效应,或普克耳效应。 折射率椭球方程 对于双抽晶体,主折射率 ; 对于单抽晶体,主折射率 为寻常光折射率, 为非常光折射率。 2.径向应变引起的相位变化 不考虑泊松效应时有 实现纵向、径向应变最简便的方法是,采用一个空心的压电陶瓷圆柱筒(PZT),在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈光纤,并在其径向或轴向施加驱动信号,由于PZT筒的直径随驱动信号变化,故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光纤承受到应力,光波相位随之变化。 二、温度应变效应 仅考虑径向折射率变化时,其相位随温度变化为 5.3.2 光纤干涉仪 光纤相位传感器要求有相应的干涉仪来完成相位检测过程。对于一个相位调制干涉型光纤传感器,敏感光纤和干涉仪缺一不可。敏感光纤完成相位调制任务,干涉仪完成相位—光强的转换任务。 在光波的干涉测量中,传播的光波可能是两束或多束相干光。 例如,设有光振幅分别为A1和A2的两个相干光束。如果其中一束光的相位由于某种因素的影响受到调制,则在干涉域中产生干涉。干涉场中各点的光强可表示为 一、迈克尔逊(Michlson)光纤干涉仪 二、马赫—泽德(Mach—zehnder)光纤干涉仪 保证全光纤干涉仪的工作点稳定是比较困难的。在零差检测方式中,需要保证两光纤臂间的正交状态。所以系统要求环境温差不能太大。 “正交状态”是指干涉仪的两臂光波间的相对相位为90°。正交检测方式的优点是探测相位灵敏度最高。 三、赛格纳克(Sagnac)光纤干涉仪 干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上,且平台以角速度Ω转动时,根据赛格纳克效应,两束传播方向相反的光束到达光探测器的延迟不同。 若平台以顺时针方向旋转,则顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光延迟。 相位延迟量可表示为 式中,A是光路围成 的面积; 光纤陀螺仪 四、法布里—珀罗(Fabry-Perot)光纤干涉仪 由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。在两个相对的反射镜表面镀有反射膜,其反射率通常达95%以上。 法布里—珀罗干涉仪是多光束干涉。根据多光束干涉的原理,探测器上探测到的干涉光强的变化为 透射的干涉光强的最大值与最小值之比 它与一般法布里—珀罗干涉仪的区别在于以光纤光程代替空气光程,以光纤特性变化来调制相位代替以传感器控制反射镜移动实现调相。 采用频率调制技术可以对有限的几个物理量进行测量。它主要是利用运动物体反射或散射光的多普勒频移效应来检测其运动速度。 设光源和观察者处于同一位置。如果频率为f的光照射在相对光速度为v的运动物体上,那么观察者接收的运动物体反射光频率f1为 当光源和观察者处于相对静止的二个位置时,可当作双重多普勒效应来考虑。先考虑从光源到运动体,再考虑从运动体到观察者。 5.4.1 光纤多普勒技术 根据多普勒频移原理,采用激光作为光源的测量技术是研究流体流动的有效手段。 它的主要持点是空间分辨率高,光束不干扰流动性,并具有跟踪快速变化的能力。 现在来讨论一下检测信号的光功率计算方法。流体中运动体的返回信号大小取决于背向散射光强、媒质衰减和光纤接收面积及数值孔径。 返回进入光纤的总功率Pr 5.5 波长调制机理 波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能型传感器。 5.5.1 光纤pH探测技术 这种技术利用化学指示剂对被测溶液的颜色反应来测量溶液的pH值. 采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中多种因素

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