第五章光纤传感原理精要.ppt

基本原理：外界被测量通过改变传感光纤的外形、纤芯与包层折射率比、吸收特性以及耦合模式等进行强度调制。 一、微弯损耗型强度调制 二、利用折射率变化进行强度调制 三、利用光吸收系数进行强度调制 四、光纤模斑斑图的强度调制 一、微弯损耗型光强调制原理：当外界扰动使光纤发生微弯时，光纤内的导模与辐射模之间会发生耦合，使传输光的一部分能量泄漏到包层中去，这种现象称为微弯损耗。通过探测纤芯（包层）光强的变化，可知扰动的大小，从而测量外界物理量。 二、利用折射率变化进行强度调制主要是利用包层折射率随外界被测量的变化。当包层折射率变化时，破坏了原来的全反射条件，使出射光强发生变化。A. 利用包层折射率变化进行温度测量 B. 利用折射率变化测量水中含油量 C、球面光纤液位传感器将光纤用高温火焰烧软后对折，并将端部烧结成球形。 反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤纤芯折射率越接近,反射光强度越小。被测介质的折射率与纤芯折射率差越大,反射光强度越强。 D. 斜端面光纤液位传感器 习 题 在强度调制光纤传感器中，举例说明那些是基于外调制原理，哪些是基于内调制原理？ 画图解释什么是渐逝场、受抑全反射概念。解释下图所示光纤传感器的工作原理，并举出一种典型应用。 试设计一种光纤温度传感器，画出简图并叙述其工作原理。 基于气体对光谱的吸收特性，即利用不同气体具有不同吸收谱线的特点，通过对特定谱线光强度的测定，达到检测对应气体成分(或浓度)的目的。 气体对穿过其中的光波的吸收为： 该定律称为Lambert-Beer定律。 5.4 频率调制光纤传感原理 利用外界因素（被测量）改变光的频率，通过检测光的频率变化来测量外界物理量的原理称为频率调制。 频率调制光纤传感器主要是利用运动物体反射或散射光的多普勒频移效应（Doppler Effect）来检测物体运动速度。 5.4.1 频率调制原理 5.4.2 频率解调原理 5.4.3 应用举例 5.4.1 频率调制原理 1. 零差法 2. 外差法 3. Bragg box频移原理——基于声光调制原理 声光效应是指光波在介质中受声波（或超声波）的作用，发生衍射的现象。 5.4.3 应用举例—光纤血流计 基本原理 利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过检测相位变化来测量外界信号。 能够改变光纤中传输光波相位的因素(内调制)： 被测量改变传感光纤的物理长度、横向几何尺寸以及折射率等参数，使光纤中光波相位发生变化。 通过赛格纳克效应改变旋转光纤环中两光束的光程差。 5.5.1 光纤中产生相位变化的物理机理 5.5.2 几种常用的光纤干涉仪 麦克尔逊(Michelson)干涉型光纤传感器的工作原理： 光源(激光器)发出的光经耦合器后分成两路，一路经参考臂（光纤）到达反射镜 M1，经 M1 反射后的光反向传输再经光纤耦合器到达光探测器，这束光称为参考光； 另一路经传感臂到反射镜 M2，被 M2 反射的光沿传感臂反向传输经耦合器传输至光探测器，这束光称为信号光。 传感臂放置在被测场，被测量的变化将引起传感光纤的参数变化，则光在光纤内部传输时的相位随之变化。 当参考光与信号光相遇时将发生干涉，干涉光的强度是被测量的函数，即干涉后光束的强度受被测量的调制。 通过光探测器输出的信号经解调可得到被测量。 5.6 偏振调制光纤传感原理 法拉第旋光盒 尺寸：3×10×22mm3； 材料：SF6玻璃 费尔德常数： Vd＝0.09分/G·cm 光源： LED； 波长 0.85微米； 功率 5mW。 多模光纤 芯径：110μm 长度：5m 提高法拉第光纤传感器灵敏度的方法 (1)利用法拉第效应的非互易性，使光多次通过法拉第材料； (2)改变偏置点位置——改变检偏器和起偏器之间的夹角。 结论：使检偏器和起偏器透光轴的夹角为45度。 5.7 光纤光栅及其传感原理 5.7 光纤光栅及其传感原理 5.7 光纤光栅及其传感原理 5.7 光纤光栅及其传感原理 B. 光纤光栅的制作工艺 光纤光敏性 光纤纤芯在受到特定波长和高于一定强度的激光照射时，折射率会发生永久性改变，这种现象称为光纤的光敏性。 增加光纤光敏性的方法 (1)低温载氢处理 压力：20—750atm(典型150atm)， 温度：20~75℃， 时间：数十小时至数天 特点：光敏性变化大 (2)高温载氢处理 在含氢1mol%环境下，使用CO2激光将光纤加温至600℃ 短时间（1