第6章 光纤传感器PPT.ppt

ABB公司：光纤电流传感器 测量高达500KA电流，精度为±0.1% ⑵基于泡克耳斯效应的偏振调制光纤传感器 1.应力应变效应 6.3.2 光纤相位调制机理 1.应力应变效应 式中： 对于石英材料制成的，可视为均匀、各向同性的介质。3个基本轴方向的折射率ni 都可近似为n 有： ⑴纵向应变引起的相位变化 ⑵径向应变引起的相位变化 ⑶弹光效应引起的相位变化 ⑷一般形式的相位变化 对于单模光纤，m=1；单模石英光纤由泊松效应引起的相位变化约为总量的0.026% 其中： 2.温度效应 3.萨古纳克（Sagnac）效应 ⑴环形光路的情况 根据相对论 式中：C为真空中的光速；V为介质运动的速度 相位调制方法 6.3.2 基于光纤相位调制的干涉测量 光纤迈克尔逊干涉仪 马赫—泽德干涉仪 萨古纳克干涉仪 法布里—泊罗干涉仪 应用一（相位调制）、光纤陀螺 应用二：温度检测 应用：荧光光纤温度传感器 应用三、悬臂梁测试装置 6.4 偏振调制型光纤传感器 ⑴法拉第效应原理 直线方向辐射的极化光射入置于磁场中的光敏感器，此磁场的磁场强度 H 的方向与极化光相并行。当极化光在光敏感器行径一段距离 L 后到达光敏感器出口时，会偏转一角度。此偏转角的大小与磁场强度 H 成正比 应用：光纤电流传感器 利用电磁感应原理测量电流 构成：包括高压侧部分，光纤传输部分和低压侧部分 利用磁致伸缩效应测量电流 原理： 利用法拉第效应（Faraday Effect）测量电流 2.根据光受被测对象的调制形式分类 传感器 光学现象 被测量 光纤 强度调制光纤传感器 遮光板遮断光路 温度、振动、压力、加速度、位移 多模 半导体透射率的变化 温度 多模 荧光辐射、黑体辐射 温度 多模 光纤微弯损耗 振动、压力、加速度、位移 多模 振动膜或液晶的反射 振动、压力、位移 多模 气体分子吸收 气体浓度 多模 光纤泄漏膜 液位 多模 相位调制光纤传感器 干涉（磁致伸缩） 电流、磁场 单模、偏振保持 干涉（电致伸缩） 电场、电压 单模、偏振保持 Sagnac效应 角速度 单模、偏振保持 光弹效应 振动、压力、加速度、位移 单模、偏振保持 干涉 温度 单模、偏振保持 偏振调制光纤传感器 法拉第效应 电流、磁场 单模 泡克尔斯效应 电场、电压 多模 双折射变化 温度 单模 光弹效应 振动、压力、加速度、位移 多模 频率调制光纤传感器 多普勒效应 速度、流速、振动、加速度 多模 受激喇曼散射 气体浓度 多模 光致发光 温度 多模 6.2 强度调制型光纤传感器 定义： 强度调制型光纤传感器是利用外界因素改变光纤中光的强度，通过测量光强的变化来测量外界物理量。 类型： 内调制：光膜式 外调制：反射式、透射式、折射率和吸收系数 内调制型：也称为光模式强度调制，利用的是光纤的微弯损耗。 微弯损耗：当光纤之间的状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗。 6.2.1.内调制型光纤传感器 光纤微弯压力传感器原理图 光纤的微弯变型函数： 式中：D(t)为为外界信号导致的弯曲幅度 ；z为变形点到光纤入射端的距离；f为与波纹周期间隔Λ对应的空间频率。 微弯损耗系数α的一阶近似表达式 式中：K为比例系数；L为光纤产生微弯变形部位的长度；Δβ为光纤中光波传播常数差。 ⑴α与光纤波状弯曲幅度D(t)的平方成正比，即光纤微弯幅度越大，模式耦合越严重，光能辐射越强，损耗越大。 ⑵α与光纤微弯部位长度L成正比，发生微弯的部位越长，耦合越严重，但不如微弯幅度影响显著。 ⑶α随光纤微弯周期(或空间频率)而变化，当f=Δβ时产生谐振，微弯损耗最大，即调制最灵敏。 相位匹配条件为： 光纤的最佳微弯周期为： ⑴对于阶跃折射率分布光纤，g=∞，有 ⑵对于渐变折射率分布光纤，g=2，有： 6.2.2 外调制型光纤传感器 反射式强度调制 透射式强度调制 折射率强度调制 光吸收系数强度调制 一、反射式强度调制 反射式强度调制型光纤传感器的特点： ⑴结构简单、应用范围广。 ⑵RIM-FOS光强调制系数不但与光纤到反射面的距离、反射面的斜度有关，而且与光纤的数值孔径(NA)、芯径、光纤的数目及端面排列方式等密切相关，其光强调制特性的数学建模比较复杂。 ⑶抗干扰能力差。环境光干扰、光源的功率波动、光纤的特性变化、被测面的反射率变化等是影响传感器精度和稳定性的主要因素。 双光路强度检测系统 二、透射式强度调制 ⑴动光纤式光强度调制结构 ⑵遮光屏截断光路法。 三、折射率