光电检测技术与应用 第七章 光纤传感检测技术.ppt

第七章 光纤传感检测技术 光纤传感器的基础 光纤的光波调制技术 光纤传感器实例 7.1 光纤传感器的基础 1、光纤的结构 光导纤维（Optical Fiber 简称光纤）又纤芯、包层及外套组成。纤芯折射率大于包层折射率。 光纤具有使光封闭在纤芯里面传输的功能。 外套起保护作用。 2、光纤的种类 1）按制作材料 高纯度石英玻璃纤维 多组分玻璃光纤 塑料光纤 2）按传输模式分 单模光纤 多模光纤 3）按折射率分布特点分 阶跃光纤 梯度光纤 3、光纤的传输原理 1）光线传播解释 将光看作光纤。光由光密介质向光疏介质传播，在满足一定条件时发生全反射。 全反入射角： 2）波导传播解释 将光看作电磁波。用麦克斯韦方程解表示光波。 三种模式： a）TEmn模。在轴向只有磁场分量H，而横截面上只有电场分量E。称为横电模。 b）TEmn模。在轴向只有电场分量E，而横截面上只有磁场分量H。称为横磁模。 c）HEmn模。轴向同时存在电场分量和磁场分量。称为混合模。 不同模式的传输特性不同。 只允许一种模式存在的光纤叫单模光纤，反之则叫多模光纤。 若光纤中仅传播HE11基模，则因该模在芯心处最强，所以光纤输出的光斑是一个外围光强较弱的圆光斑。TE01模则因芯心处电场最弱，所以光纤输出光斑将在芯心处出现暗区。 纤芯中传播的模称为芯模，包层中传播的模称为包层模。 电磁波可表示为： 归一化频率与传输模式之间的关系 4、光纤的特性 损耗和色散 1）损耗 定义为： 光纤损耗主要有： 吸收损耗 本征吸收、杂质吸收和原子缺陷吸收。 散射损耗 瑞利散射、布里渊散射 、拉曼散射等 弯曲损耗 2）色散 光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。 不同波长、不同模式下的β值不同。 几种色散： a）材料色散 又称折射率色散。不同波长的折射率不同引起。发射光谱宽度越窄，材料色散越小。是单模光纤的主要色散。 b）模式色散 梯度光纤中模式间传播速度不动引起。是梯度型多模光纤的主要色散。单模光纤中不存在模式色散。 自聚焦光纤中理论上也不存在模式色散。 c）波导色散 又称结构色散。光纤结构不同，同一模式的传播常数随频率变化引起。 5、光纤传感器分类 1）功能型传感器（function fiber optical sensor FF） 2）非功能型传感器（non function fiber optical sensor NF） 6、光纤传感器的特点 检测精度和灵敏度高。 响应速度快，频响宽，可实现非接触高速检测。 环境适应性强。 体积小、重量轻、具有可集成的潜力。 光纤传感器的基础 光纤的光波调制技术 光纤传感器实例 外界信号可能引起光的强度、波长（颜色）、频率、相位、偏振态等性质发生变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态的调制原理。 调制方式：强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制、光谱调制等。 1、强度调制 1）微弯损耗强度调制 多模光纤（或单模光纤）微弯时，一部分芯模能量会转化为包层模式能量，通过测量包层模式的能量或芯模能量的变化就能测量外界物理量。 2）折射率变化强度调制 温度变化可引起光纤折射率变化，外界环境折射率变化，都可以实现强度调制。 3）线位移或角位移强度调制 4）光闸强度调制 5）反射式强度调制 2、偏振调制 振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振。 光按偏振态可分为：自然光、偏振光、部分偏振光。 自然光： 偏振光：线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光 （b）椭圆偏振光 光矢量端点的轨迹为一椭圆，即光矢量不断旋转，其大小、方向随时间有规律的变化。 （c）圆偏振光 光矢量端点的轨迹为一圆，即光矢量不断旋转，其大小不变，但方向随时间有规律地变化。 部分偏振光： 双折射： 一束自然光入射于单轴晶体时，会变成两束折射光，其中一束遵守折射定律称为o光，另一束不遵守折射定律，称为e光。o光、e光都是线偏振光，o光的振动方向垂直于o光的主平面，e光的振动方向在e光的主平面内。 偏振调制就是利用电光、磁光和光弹等物理效应，改变光的偏振态，实现调制。 1）调制原理 a）泡克尔斯（Pockels）效应（感应双折射） 压电晶体在电场作用下表现出双折射现象。 两正交偏振光的相位变化为： b）法拉第磁光效应 光通过带磁性的物体时，偏振方向发生旋转。 3、相位调制 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物理量的原理称为相位调制。 相位调制的灵敏度极高。 1）应力应变效应 当光纤受到纵向（横向）的机械应力时，光纤的长度（应变效应）、光纤芯的直径（泊松效应）、纤芯折射率（光弹效应）都将变化，从而引起光波相位变化。 2）温度应变效应 温度应变效应与应力应变相似。同时引起长度和折射率的变化。相位改变值与待测场中光纤长度L成正比，具有很高的灵敏度。 3）相位解调 相位表