二光纤传感器原理.pptx

二.光纤传感器原理;光 源;本讲提要;光纤对许多外界参数有一定的效应，研究光纤传感原理就是研究如何应用光纤的这些效应，实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能，这是光纤传感器的核心，也是光纤传感器系统和光纤通信系统的主要区别。 ;光纤传感器的调制区可能是光纤本身（内部调制），也可能是其他材料制成的敏感元件（外部调制），单就调制原理而言，仅研究外界因素引起光的性质的变化，不论是内部调制还是外部调制都是一样的。 ;一.强度调制----光纤传感器最早使用的调制方法; 光纤强度调制传感器的原理图;特 点;构成传感器探头的物理机理;若输入输出为同一种单模光纤，S0为光纤中的光斑尺寸，则径向位移d与功率耦合系数T的关系为高斯型曲线，存在下列关系： ;特 点;（二）光闸调制;特 点;（三）反射式强度调制; 特 点;（四）利用光纤微弯产生的损耗进行调制;特 点;空间周期? 选取适当的空间周期，使得它与光纤中适当选择的两个模式的传播常数差相匹配。则光纤中光功率的分布随着这个空间感应耦合而变，原来在纤芯中传播的某些光转移到包层中。 相位匹配条件 ? 和?’ 为引起耦合的两个模式的传输常数。;相邻的两个模式，其传输常数差为 ;梯度折射率光纤 α=2 ;特 点;（五）利用折射率的变化进行调制 特点： 在光纤的纤芯折射率不变的情况下，通过外界因素的改变引起光纤包层折射率的大小发生变化，从而使得其中传输光的强度发生变化。;典型图; （六）利用光纤的吸收特性进行调制 利用射线的辐射使光纤的吸收损耗增加，光纤的输出功率降低，从而构成强度调制的测量辐射量的传感器。;特 点;其它强度调制方法 利用光纤模斑斑图的强度随外界参数影响的变化，来测量待测物理量。 ........;二. 波长调制---颜色调制;特 点;典型应用;三．频率调制;特 点;多普勒效应;光纤多普勒系统;典型应用;四．相位调制;特 点;相位调制器是基于干涉测量原理;构成相位调制传感器传感探头的几种物理机理;当光波通过长度为L的光纤后，引起的光波相位延迟为 光波在光纤中的传播常数。 当光纤长度或传播速度发生变化时，引起的光波相位变化为 a为光纤的纤芯半径 第一项：光纤的长度变化引起的相位延迟（应变效应） 第二项：光纤的感应折射率变化引起的相位延迟（光弹效应） 第三项：光纤的纤芯直径变化引起的相位延迟（泊松效应） ;纵向应变的相位调制----应变效应 ;温度应变效应 将光纤放置在变化的温度场中，设温度场的变化等效为作用力F时，则力的存在将影响光纤的长度以及光纤的纤芯折射率将发生变化，从而产生光波相位的变化。 由作用力F所引起的光纤中的相位延迟为： 温度变化引起相位延迟 光纤的长度变化引起相位延迟 光纤的纤芯折射率变化引起相位延迟;几种典型的光纤干涉仪;原理： 根据双光束相干原理，两个光探测器接收到的光强分别为： ;2.萨格纳克光纤干涉仪 结构：;原理： 当闭合光路相对惯性空间以转速Ω转动时，顺、逆时针传播的光将产生一个非互易性的光程差，由于光程差又引入了两相反传播的光波之间的时间差，进一步引入相位延迟。 ;3.F-P光纤干涉仪 结构：;光程分别为：d, 3d, 5d…… 由于光程差引入了光波之间的时间差，进一步引入相位延迟。各光束相干叠加，由光强的变化可以得出外界参量的变化。 典型应用： 应力传感器，位移传感器等。;4.迈克尔逊干涉仪 结构： 光束被3dB耦合器分成两路入射到光纤，然后，光从末端反射回来并经过耦合器输出到探测器。 S(t)为外界信号，它引起两臂的光程差，通过探测器对信号光强的检测，可以获得外界参量的大小。;干涉仪的分类;五．偏振态调制;;;理想圆对称光纤中，完全简并，?x = ?y，两个模式的存在，对单模光纤的传输性质及模式的偏振态没有影响。 ;;调制方法; 光纤电流传感器示意图 长直导线上扰有N圈光纤，I为导线中通过的电流 θ=Vd?N?I;2.克尔电光效应 定义：当线偏振光沿着与电场垂直的方向通过克尔盒（克尔盒：在外电场作用下，物质产生双折射现象）时，分成光矢量沿着电场方向的O光矢量，和光矢量垂直电场方向的e光矢量，且 克尔常数 外电场强度;光程差为： 相位差为： 出射光波的光强为： 由光强的变化可以测得外界参量的大小。 主要应用：光纤电压传感器;3.光弹效