光纤传感器的基本原理

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  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。

  强度调制光纤传感器 相位调制光纤传感器 频率调制光纤传感器 偏振调制光纤传感器 波长(颜色)调制光纤传感器

  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

  一、光纤折射率变化型 一般光纤的纤芯和包层的折射军温度系数 不同。在温度恒定时，包层折射率n2与 纤芯折射率n1之间的差值是恒定的。当 气温变化时， n2 、 n1之间的差发生明显的变化， 从而改变传输损耗。因此，以某一温度 时接收到的光强为基准,根据传输功率的 变化可确定温度的变化。

  “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。

  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。

  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

  保证全光纤干涉仪的工作点稳定是很难的。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。

  不用透镜的两光 纤直接耦合系统， 结构虽然简单， 但也能很好地工 作。只是接收光 纤端面只占发射 光纤发出的光锥 底面的一部分， 使光耦合系数减 小，灵敏度也降 低一个数量级 (r/dT)2。

  利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器．通过一对光栅遮光 屏的透射率，从50％(当两个屏完全重叠时)变到零(当一个屏 的不透明条完全覆盖住另一个屏的透明部分)。在此周期性 结构范围内，光的输出强度是周期性的。而且它的分辨率在 光珊条纹间距的10-6数量级以内。这是能够构成很灵敏、很 简单、高可靠的位移传感器的基础。

  二、渐逝波耦合型 通常．渐逝波在光疏媒质中深人距离有几 个波长时．能量就可忽略不计了。如 果采用一种办法使惭逝场能以较大的振 幅穿过光疏媒质，并伸展到附近的折射 率高的光密媒质材料中，能量就能穿过 间隙，这一过程称为受抑全反射。

  L表示一对单模或多模光纤的相互作用长度，d表示纤芯之间的 距离。光纤包层被减薄或完全剥去，足以产生渐逝场耦合。 d、L或n2稍有变化，光探测器的接收光强就有明显变化、从而 实现光强调制、这一原理已应用于水听器。

  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。

  光纤相位传感器要求有相应的干涉仪来完 成相位检验测试过程。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。

  通过测量物体的热辐射能量确定物体表面温度是 非接触式测温技术。物体的热辐射能量随温度 提高而增加。对于理想“黑体”辐射源发射的 光谱能量可用热辐射的基本定律之一普朗克 (Plank)公式表述.

  独特的优点，如灵敏度较高，抗电磁干扰、耐腐 蚀、电绝缘性好，防爆，光路有可挠曲性，便 于与计算机联接，结构相对比较简单，体积小，重量轻， 耗电少等。

  • 光纤传感器按传感原理可分为功能型和 非功能型。 • 功能型光纤传感器是利用光纤本身的特 性把光纤作为敏感元件，所以也称传感 型光纤传感器，或全光纤传感器。 • 非功能型光纤传感器是利用其它敏感元 件感受被测量的变化，光纤仅作为传输 介质，传输来自远处或难以接近场所的 光信号．所以也称为传光型传感器．或 混合型传感器。

  光纤黑体探测技术。就是以黑体做探头，利用光 纤传输热辐射波，不怕电磁场干扰，质量轻． 灵敏度较高，体积小，探头能做到0.1mm。

  式中，d是法布里—泊罗标 准具厚度；n’是标准具平行 板内的介质折射率；φ是反 射光的相位跃变。

  • 光波是一种横波，它的光矢量是与传播方向垂 直的。如果光波的光矢量方向始终不变，只是 它的大小随位相改变，这样的光称线偏振光。 光矢量与光的传播方向组成的平面为线偏振光 的振动面。如果光矢量的大小保持不变，而它 的方向绕传播方向均匀地转动，光矢量末端的 轨迹是一个圆，这样的光称圆偏振光。如果光 矢量的大小和方向都在有规律地变化，且光矢 量的末端沿着一个椭圆转动，这样的光称椭圆 偏振光。

  动光纤式光强调制模型，用来测量位移、压力、温度等物理量。这 些物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离, 光强度调制器的线性度和灵敏度都很好。

  采用双透镜系统使入射 光纤在出射光纤上聚焦， 遮光屏在垂直于两透镜 之间的光传播方向上下 移动。这种传感器光耦 合计算方式与反射式传 感器是一样的。在上述 的简化分析限定范围内， 比值δ/r与可移动遮光屏 及两透镜问半径为r的光 柱相交叠面积的百分比α。

  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。

  它与一般法布里—珀罗干涉仪的不同之处在于以光纤 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。

  • 采用频率调制技术能对有限的几个物 理量做测量。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。

  2、由图5-2，已知光纤芯直径为2r＝200um， 数据孔径NA=0.5，光纤间距a=100um。若取 函数F(d)的最大斜率处为该系统的灵敏度， 则耦合功率F随d变化速率为何值？

  当光纤之间状态发生明显的变化时，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，

  多种因素所造成的误差。取绿光(558nm)作为 调制检测光，红光(630 nm)作参考光，探测器 接收到的绿光与红光强度的吸收比值为R, pH 值与R的关系为

  式中．c、k为常数；L为试剂长度, Δ＝pH—pK，其中 pH是酸碱度, pK是酸碱平衡常数。

  两个光电二极管的敏感 波长不同，一个对540 nm的光敏感，另一个 对630 nm的光敏感。经 光电二极管转换成电信 号，再经过电子电路进 行信号处理，得到相对 光强与气温变化的特性 曲线。经校正能够获得 输出相对光强与温度呈 线 光纤多普勒技术

  根据多普勒频移原理，采取了激光作为光源 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比较高，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式。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。

  变形器的位移改变了弯曲处的模振幅，由此产生 强度调制。 对于抛物线(或平方律或梯度)折射率分布的光 纤． 变形器的临界空间周期为 对于阶跃光纤

  光纤传播模式的改变， 还能改变光纤模斑斑 图，依据模斑图形的变 化也可进行光模式强度 调制。多模光纤出射的 远场光斑就像一个切开 的“西瓜”，“亮”、 “黑”无规则地相间变 化。

  二、利用半导体的吸收特性进行强度调制 大多数半导体的禁带宽度Eg都随着 温度T的升高而几乎线性地减小。它们的 光吸收边的波长将随着T的升高而变化。

  • 利用光相位调制来实现一些物理量的测 量能够得到极高的灵敏度。 • 相位调制光纤传感器的基本传感原理是： 通过被测能量场的作用，使光纤内传播 的光波相位发生明显的变化，再用干涉测量技 术把相位变化转换为光强变化，从而检 测出待测的物理量。

  式中，R∥为平行偏振方向的强度反射系数，R⊥为 垂直偏振方向的强度反射系数；n=n3／n1 ，θ为入射 光波在界面上的入射角。

  5.2.5 光吸收系数强度调制 一、利用光纤的吸收特性进行强度调制 x射线、γ射线等辐射线会使光纤材料的吸 收损耗增加，使光纤的输出功率降低， 从而构成强度调制辐射量传感器。改变 光纤材料成分可对不同的射线做测量。 如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、 γ 射线、中子射线最敏感，用这种方法做 成的传感器既可用于卫星外层空间剂量 的监测，也可用于核电站、放射性物质 堆放处辐射量的大面积监测。

  5.3.1 相位调制 一、应力应变效应 当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时， 光纤的长度、芯径、纤芯折射率都将发 生变化，这些变化将导致光波的相位变 化.

  第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟(应变效应)； 第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟(光隙效应)； 第三项则表示光纤的半径改变所产生的相位延迟(泊松效 应)。