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1、第八章-光纤传感器第8章 光纤式传感器光纤传感器的优点光纤传感器的优点:(1)具有很高的灵敏度。具有很高的灵敏度。(2)频带宽、动态范围大。频带宽、动态范围大。(3)可根据实际需要做成各种形状。可根据实际需要做成各种形状。(4)可可以以用用很很相相近近的的技技术术基基础础构构成成传传感感不不同同物物理理量量的的传传感感器器，这这些些物物理理量量包包括括声声场场、磁磁场场、压压力力、温温度度、加加速速度度、转转动动(陀陀螺螺)、位位移移、液位、流量、电流、辐射等。液位、流量、电流、辐射等。第8章 光纤式传感器 (5)便便于于与与计计算算机机和和光光纤纤传传输输系系统统相相连连，易易于实现系统的遥
2、测和控制。于实现系统的遥测和控制。(6)可可用用于于高高温温、高高压压、强强电电磁磁干干扰扰、腐腐蚀蚀等各种恶劣环境。等各种恶劣环境。(7)结构简单、体积小、重量轻、耗能少。结构简单、体积小、重量轻、耗能少。第8章 光纤式传感器8.1 光纤及其传光原理8.2 光纤传感器的组成及分类8.3 光调制方式8.4 光纤式传感器应用举例8.1 光纤及其传光原理8.1.1 光纤的结构8.1.2 光纤的传光原理8.1.3 光纤的主要参数 8.1.1 光纤的结构 光纤是光导纤维的简称，是一种多层介质的光纤是光导纤维的简称，是一种多层介质的对称圆柱体，结构对称圆柱体，结构如图所示如图所示。中心圆柱体称为纤。中心
3、圆柱体称为纤芯，由某种玻璃或塑料制成。芯，由某种玻璃或塑料制成。纤芯外围的圆筒形外壳称为包层，通常也是纤芯外围的圆筒形外壳称为包层，通常也是由玻璃或塑料制成。包层外面有一层塑料保护外由玻璃或塑料制成。包层外面有一层塑料保护外套。套。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质，光纤的机械强度由塑料保护外套来保证光纤的机械强度由塑料保护外套来保证。图8.18.1.2 光纤的传光原理 当光线由光密媒质（折射率当光线由光密媒质（折射率n1）射入光疏媒）射入光疏媒质（折射率质（折射率n2，n1n2）时，若入射角大于等于）时，若入射角大于等于临界角临界角f f（sinf f
4、 =n2/n1），在媒质界面上，会发），在媒质界面上，会发生生全反射现象全反射现象，如图所示如图所示。8.1.2 光纤的传光原理 光在光纤中传播的基本原理可以用光线或光波光在光纤中传播的基本原理可以用光线或光波的概念来描述。的概念来描述。光线的概念是一个简便的近似的方法，可以用来光线的概念是一个简便的近似的方法，可以用来导出一些重要概念，如全反射的概念、光线截留的概导出一些重要概念，如全反射的概念、光线截留的概念等。念等。然而，要进一步研究光的传播理论，将光看作是然而，要进一步研究光的传播理论，将光看作是射线就不够了，必须借助波动理论。即要考虑到射线就不够了，必须借助波动理论。即要考虑到光是光
5、是电磁波动现象电磁波动现象以及以及光纤是圆柱形介质波导光纤是圆柱形介质波导等，才能研等，才能研究究光在圆柱波导中允许存在的传播模式光在圆柱波导中允许存在的传播模式，并导出经常，并导出经常要提到的要提到的波导参数波导参数(V值值)等概念。等概念。8.1.2 光纤的传光原理 以阶跃型多模光纤为例，在子午面内当光以阶跃型多模光纤为例，在子午面内当光线从空气线从空气(折射率折射率n0)射入光纤端面，并与其轴线射入光纤端面，并与其轴线的夹角为的夹角为q q0，如图所示如图所示;若入射角小于某一值若入射角小于某一值q qC，光线在纤芯和包层，光线在纤芯和包层的界面上将发生全反射，光线射不出纤芯，光就的界面
6、上将发生全反射，光线射不出纤芯，光就在光纤内经若干次全反射而向前传播，并以光速在光纤内经若干次全反射而向前传播，并以光速从光纤的一端传播到另一端，这就是光纤传光的从光纤的一端传播到另一端，这就是光纤传光的基本原理。基本原理。8.1.2 光纤的传光原理如图所示如图所示，由，由Snell定律得定律得则则 若要使入射光线在纤芯和包层的界面上发生若要使入射光线在纤芯和包层的界面上发生全反射，由临界角定义，应满足全反射，由临界角定义，应满足8.1.2 光纤的传光原理即即 那么，能使光线在光纤内全反射的最大入射角那么，能使光线在光纤内全反射的最大入射角q qC可由式可由式(8.5)求得，即求得，即 式式中
7、中，NA为为光光纤纤的的数数值值孔孔径径，它它表表示示当当入入射射光光从从折折射射率率为为n0的的外外部部介介质质射射入入光光纤纤时时，只只有有入入射射角角小小于于q qC的光才能在光纤中传播。的光才能在光纤中传播。图8.38.1.3 光纤的主要参数1.数值孔径数值孔径 定义：光从空气入射到光纤输入端面时，处在定义：光从空气入射到光纤输入端面时，处在某一某一角锥角锥内的光线一旦进入光纤，就将被内的光线一旦进入光纤，就将被截留截留在纤在纤芯中，此光锥半角芯中，此光锥半角(q qC)的正弦称为数值孔径。的正弦称为数值孔径。数值孔径数值孔径NA是光纤的一个基本参数，反映了光是光纤的一个基本参数，反映
8、了光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率，只有纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率，只有入射光处于入射光处于2q qC的光锥内的光锥内,光纤才能导光。光纤才能导光。8.1.3 光纤的主要参数 光纤的数值孔径光纤的数值孔径NA越大，表明它可以在较越大，表明它可以在较大范围内输入全反射光，并保证此光波沿纤芯向大范围内输入全反射光，并保证此光波沿纤芯向前传播。前传播。一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但数值孔径过大，会造成光信号畸率的提高，但数值孔径过大，会造成光信号畸变，所以要适当选择数值孔径的数值。变，所以要适当选择数值孔径的数值。NA与光
9、纤的几何尺寸无关，仅与纤芯和包与光纤的几何尺寸无关，仅与纤芯和包层的折射率有关，纤芯和包层的折射率差别越层的折射率有关，纤芯和包层的折射率差别越大，数值孔径就越大，光纤的集光能力就越强。大，数值孔径就越大，光纤的集光能力就越强。石英光纤的石英光纤的NA=0.20.4，典型的光纤，典型的光纤q qC10。8.1.3 光纤的主要参数2.光纤的传输模式光纤的传输模式 根据电介质中电磁场的根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程麦克斯韦方程，考虑，考虑到光纤到光纤圆柱波导圆柱波导和纤芯和纤芯-包层界面处的包层界面处的几何边界条几何边界条件件时，则时，则只存在波动方程的特定只存在波动方程的特定(离散离散)解解。
10、允许存在的不同的解代表许多离散的沿波导允许存在的不同的解代表许多离散的沿波导轴传播的波。每一个允许传播的波称为轴传播的波。每一个允许传播的波称为模式模式。光纤传输的光波，可以分解为沿轴向和沿横光纤传输的光波，可以分解为沿轴向和沿横截面传输的两种平面波。截面传输的两种平面波。8.1.3 光纤的主要参数 因为沿横截面传输的平面波是在纤芯和包层的因为沿横截面传输的平面波是在纤芯和包层的界面处全反射的，所以当每一往复传输的相位变化界面处全反射的，所以当每一往复传输的相位变化是是2 2p p的整数倍时，将在截面内形成的整数倍时，将在截面内形成驻波驻波。能形成驻波的光线组称为能形成驻波的光线组称为“模模”
11、，“模模”是离是离散存在的，散存在的，某种光纤只能传输特定模数的光某种光纤只能传输特定模数的光。实际中常用麦克斯韦方程导出的实际中常用麦克斯韦方程导出的归一化频率归一化频率n n作为确定光纤传输模数的参数作为确定光纤传输模数的参数。n n的值可以由纤芯的值可以由纤芯半径半径r、传输光波波长、传输光波波长l l及光纤的数值孔径及光纤的数值孔径NA确确定，即定，即8.1.3 光纤的主要参数这时，光纤传输这时，光纤传输模的总数模的总数N近似为近似为 n n值小于值小于2.41的光纤，纤芯很细（的光纤，纤芯很细（5m mm10m mm），），仅能传输基模（截止波长最长的模式），故称为仅能传输基模（截止
12、波长最长的模式），故称为单单模光纤模光纤。n n值大的光纤传输的模数多，称为值大的光纤传输的模数多，称为多模光纤多模光纤。通。通常纤芯直径较粗常纤芯直径较粗(几十几十m mm以上以上)，能传输几百个以上，能传输几百个以上的模。的模。8.1.3 光纤的主要参数 (1)单模光纤单模光纤 通常是指阶跃型光纤中的纤芯尺通常是指阶跃型光纤中的纤芯尺寸寸很很小小(通通常常仅仅几几微微米米)、光光纤纤传传播播的的模模式式很很少少、原原则则上只能传送一种模式的光纤。上只能传送一种模式的光纤。这类光纤传输性能好这类光纤传输性能好(常用于干涉型传感器常用于干涉型传感器)，制成的传感器比多模传感器有更好的线性、更高
13、的制成的传感器比多模传感器有更好的线性、更高的灵敏度和动态测量范围。灵敏度和动态测量范围。但单模光纤由于纤芯太小、制造、连接和耦合但单模光纤由于纤芯太小、制造、连接和耦合都很困难。都很困难。8.1.3 光纤的主要参数 (2)多模光纤多模光纤 通常是指阶跃光纤中纤芯尺通常是指阶跃光纤中纤芯尺寸较大寸较大(大部分为几十微米大部分为几十微米)、传播模式很多的光、传播模式很多的光纤。这类光纤性能较差。纤。这类光纤性能较差。但由于芯子的截面大，容易制造，连接耦合但由于芯子的截面大，容易制造，连接耦合也比较方便。这种光纤常用于强度型传感器。也比较方便。这种光纤常用于强度型传感器。3.传输损耗传输损耗 光波
14、在光纤中传输，随着传输距离的增加而光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。8.1.3 光纤的主要参数 形成光纤损耗的原因很多，由于光纤纤芯材料形成光纤损耗的原因很多，由于光纤纤芯材料的的吸收、散射吸收、散射以及光纤弯曲处的以及光纤弯曲处的辐射损耗辐射损耗等，另外等，另外光纤与光源的光纤与光源的耦合损耗耦合损耗以及光纤之间的以及光纤之间的连接损耗连接损耗等，都会造成光信号在光纤中的传播有一定程度的等，都会造成光信号在光纤中的传播有一定程度的损耗。损耗。通常用衰减率通常用衰减率A表示传播损耗表示传播损耗 式中，式中，L为光纤
15、长度，为光纤长度，I0为输入端光强，为输入端光强，I1为输出为输出端光强。端光强。8.1.3 光纤的主要参数4.色散色散 简单说，光纤的色散是由于光信号中的不同频简单说，光纤的色散是由于光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度不同而使得传播时间不同，从而产生不同而使得传播时间不同，从而产生波形畸变波形畸变的现的现象。象。这种现象表现在输入光束是光脉冲时，随着传这种现象表现在输入光束是光脉冲时，随着传输的过程，输的过程，光脉冲的宽度可被展宽光脉冲的宽度可被展宽，如果光脉冲变，如果光脉冲变得太宽以致发生重叠或完全吻合，则施加在光束上得
16、太宽以致发生重叠或完全吻合，则施加在光束上的信息就会丧失。这种光纤中产生的脉冲展宽现象的信息就会丧失。这种光纤中产生的脉冲展宽现象称为色散。称为色散。8.1.3 光纤的主要参数表表8.1 常用光纤类型及参数常用光纤类型及参数类型类型折射率分折射率分布布纤芯直径纤芯直径/m mm包层直径包层直径/mm数值孔径数值孔径单模单模2 8801250.100.15多模阶跃光纤多模阶跃光纤（玻璃）（玻璃）80 2001002500.10.3多模多模阶跃光纤阶跃光纤(玻璃玻璃/塑料塑料)200100023012500.180.50多模多模梯度光纤梯度光纤501001251500.1 0.28.2 8.2 光
17、纤传感器的组成及分类8.2.1 光纤传感器的基本组成8.2.2 光纤传感器的分类8.2.1 8.2.1 光纤传感器的基本组成 光纤传感器主要包括光纤传感器主要包括光导纤维光导纤维、光源光源、光探测器光探测器三个重要部件。三个重要部件。光源光源 分为分为相干光源相干光源（各种激光器）和（各种激光器）和非相干非相干光源光源（白炽光、发光二极管）。实际中，一般要求光（白炽光、发光二极管）。实际中，一般要求光源的尺寸小、发光面积大、波长合适，足够亮、稳定源的尺寸小、发光面积大、波长合适，足够亮、稳定性好、噪声小、寿命长、安装方便等。性好、噪声小、寿命长、安装方便等。光探测器光探测器 包括包括光敏二极管
18、光敏二极管、光敏三极管光敏三极管、光光电倍增管电倍增管、光电池光电池等。光探测器在光纤传感器中有着等。光探测器在光纤传感器中有着十分重要的地位，它的灵敏度、带宽等参数将直接影十分重要的地位，它的灵敏度、带宽等参数将直接影响传感器的总体性能。响传感器的总体性能。8.2.2 8.2.2 光纤传感器的分类 光纤传感器一般可分为光纤传感器一般可分为功能型功能型和和非功能型非功能型两大类。两大类。1.功能型光纤传感器功能型光纤传感器 功能型光纤传感器又称功能型光纤传感器又称传感型光纤传感器传感型光纤传感器，主要主要使用单模光纤使用单模光纤，其基本结构原理，其基本结构原理如图如图(a)所示所示。光纤在这类
19、传感器中不仅是传光元件，而且光纤在这类传感器中不仅是传光元件，而且利用利用光纤本身的某些特性来感知外界因素的变化光纤本身的某些特性来感知外界因素的变化，所以，所以光纤又是敏感元件。光纤又是敏感元件。在功能型光纤传感器中由于光纤本身是敏感元件，在功能型光纤传感器中由于光纤本身是敏感元件，因此因此改变几何尺寸和材料性质可以改善灵敏度改变几何尺寸和材料性质可以改善灵敏度。8.2.2 8.2.2 光纤传感器的分类 功能型光纤传感器中光纤是连续的，结构比功能型光纤传感器中光纤是连续的，结构比较简单，但为了能够灵敏地感受外界因素的变较简单，但为了能够灵敏地感受外界因素的变化，往往需要用特种光纤作探头，使得
20、制造比较化，往往需要用特种光纤作探头，使得制造比较困难。困难。2.非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器 非功能型光纤传感器又称非功能型光纤传感器又称传光型光纤传感传光型光纤传感器器。它是利用在光纤端面或两根光纤中间放置敏。它是利用在光纤端面或两根光纤中间放置敏感元件，来感受被测量的变化，感元件，来感受被测量的变化，光纤仅起传光作光纤仅起传光作用用。8.2.2 8.2.2 光纤传感器的分类 如图如图(b)、(c)所示所示。这类光纤传感器可以充。这类光纤传感器可以充分利用现有的性能优良的敏感元件来提高灵敏分利用现有的性能优良的敏感元件来提高灵敏度。度。为了获得较大的受光量和传输光的功率，这为了获得
21、较大的受光量和传输光的功率，这类传感器使用的光纤类传感器使用的光纤主要是数值孔径和芯径较大主要是数值孔径和芯径较大的阶跃型多模光纤的阶跃型多模光纤。在非功能型光纤传感器中，也有并不需要外在非功能型光纤传感器中，也有并不需要外加敏感元件的情况。加敏感元件的情况。8.2.2 8.2.2 光纤传感器的分类 比如，光纤把测量对象辐射或是测量对象反比如，光纤把测量对象辐射或是测量对象反射、散射的光信号传播到光电元件，射、散射的光信号传播到光电元件，如图如图(d)所所示示。这种光纤传感器也称为这种光纤传感器也称为探针型光纤传感器探针型光纤传感器，使用单模光纤或多模光纤使用单模光纤或多模光纤。典型的例子有典
22、型的例子有光纤激光多普勒速度传感器光纤激光多普勒速度传感器和和光纤辐射温度传感器光纤辐射温度传感器等。等。图8.4(a)功能型(c)非功能型(b)非功能型(d)探针型8.3 8.3 光调制方式 光纤传感器的工作原理是通过被测量对光纤内光纤传感器的工作原理是通过被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输光的振幅、相位、频率传输的光进行调制，使传输光的振幅、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再对被调制的光信号进或偏振态等特性发生变化，再对被调制的光信号进行检测，从而得出相应的被测量。行检测，从而得出相应的被测量。所谓调制可以归结为将一个携带信息的信号叠所谓调制可以归结为将一个携带信息的信号叠加到载波光
23、波上的过程加到载波光波上的过程。这个过程称为光波的调。这个过程称为光波的调制，简称光调制。制，简称光调制。光调制技术是光纤传感器的基础和关键技术。光调制技术是光纤传感器的基础和关键技术。8.3 8.3 光调制方式 按调制方式可分为：按调制方式可分为：强度调制强度调制、相位调制相位调制、偏振调制偏振调制、频率调制频率调制和和波长调制波长调制等。等。而且，同一种光调制方式可以实现多种物理而且，同一种光调制方式可以实现多种物理量的检测，同一物理量也可利用多种光调制方式量的检测，同一物理量也可利用多种光调制方式来实现测量。来实现测量。因此，掌握光调制技术并加以灵活运用，对因此，掌握光调制技术并加以灵活
24、运用，对新型传感器的开发有重要意义。新型传感器的开发有重要意义。8.3 8.3 光调制方式8.3.1 强度调制8.3.2 波长调制8.3.3 相位调制及干涉测量8.3.4 频率调制8.3.5 偏振调制8.3.1 强度调制 利用被测量直接或间接地改变光纤中传输光的利用被测量直接或间接地改变光纤中传输光的强度，再通过测量光强的变化检测出被测量的方强度，再通过测量光强的变化检测出被测量的方法，称为强度调制法，称为强度调制，如图所示，如图所示。8.3.1 强度调制 当一恒定光源的光波当一恒定光源的光波Iin注入调制区，在外力注入调制区，在外力场强场强Is的作用下，输出光波的强度被的作用下，输出光波的强
25、度被Is所调制，载所调制，载有外力场信息的出射光有外力场信息的出射光 Iout 的包络线与的包络线与Is形状相形状相同，光（强度）探测器的输出电流同，光（强度）探测器的输出电流I(或电压或电压)也反也反映出了作用力场。映出了作用力场。同理，可以利用其他各种对光强的调制方同理，可以利用其他各种对光强的调制方式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、辐射等来调制入射光，从而形成相应的调斑图、辐射等来调制入射光，从而形成相应的调制器。制器。8.3.1 强度调制 强度调制是光纤传感器使用最早的调制方强度调制是光纤传感器使用最早的调制方法，其特点是技术简单
26、可靠、价格低廉。可采用多法，其特点是技术简单可靠、价格低廉。可采用多模光纤，光纤的连接器和耦合器均已商品化。模光纤，光纤的连接器和耦合器均已商品化。光源可采用光源可采用LED和白炽灯等非相干光源，探测和白炽灯等非相干光源，探测器一般用光电二极管、三极管和光电池。器一般用光电二极管、三极管和光电池。1.微弯损耗光强调制微弯损耗光强调制 根据模态理论，当光纤受力微弯时，一部分纤根据模态理论，当光纤受力微弯时，一部分纤芯模式能量会转化为包层模式能量，通过测量包层芯模式能量会转化为包层模式能量，通过测量包层模式能量或纤芯模式能量的变化就能模式能量或纤芯模式能量的变化就能测出被测量。被测量。8.3.1
27、强度调制 微弯损耗调制原理微弯损耗调制原理如图所示如图所示。当把多模光纤夹在一个空间周期为当把多模光纤夹在一个空间周期为L的梳状结构的梳状结构变形器中时，只要适当选择空间周期变形器中时，只要适当选择空间周期L和光纤传输模和光纤传输模式间的传输常数差，使其相匹配，则变形器位移产生式间的传输常数差，使其相匹配，则变形器位移产生的光纤微弯就会引起各传输模式间的耦合的光纤微弯就会引起各传输模式间的耦合;光能在光纤纤芯中的模式就会转变成耦合模被送光能在光纤纤芯中的模式就会转变成耦合模被送进包层中，形成模辐射。进包层中，形成模辐射。8.3.1 强度调制 模态理论表明，当纤芯传输模模态理论表明，当纤芯传输模
28、b b1和包层传输模和包层传输模b b2的传输常数之差为的传输常数之差为 时，纤芯传输模与包层传输模之间的耦合最强。时，纤芯传输模与包层传输模之间的耦合最强。在梯度光纤中在梯度光纤中 在阶跃光纤中在阶跃光纤中 式中式中 n(0)、n(r)距离光纤轴为距离光纤轴为0和和r处的折射率；处的折射率；r纤芯半径。纤芯半径。8.3.1 强度调制2.利用小的线位移和角位移进行光强调制利用小的线位移和角位移进行光强调制 这种方法是采用端面为平面的两根光纤，一这种方法是采用端面为平面的两根光纤，一根为入射光纤，一根为出射光纤，光纤间距大约根为入射光纤，一根为出射光纤，光纤间距大约为为2m mm3m mm，如图
29、所示如图所示。当受外界因素影响，使出射光纤相对于入射当受外界因素影响，使出射光纤相对于入射光纤横向或纵向微小移动或微小转动时，则出射光纤横向或纵向微小移动或微小转动时，则出射光强随之发生变化，即光强被调制。光强随之发生变化，即光强被调制。若测得出射光强变化，即可确定出射光纤相若测得出射光强变化，即可确定出射光纤相对于入射光纤运动的线位移或角位移。对于入射光纤运动的线位移或角位移。8.3.1 强度调制 若入射和出射光纤均采用相同性能的单模光若入射和出射光纤均采用相同性能的单模光纤，径向位移纤，径向位移 d 与功率耦合系数与功率耦合系数 T 之间存在下面之间存在下面关系：关系：式式中中，S0为为光
30、光纤纤中中的的光光斑斑尺尺寸寸；T和和d的的关关系系为为高高斯斯型型曲曲线线。这这种种调调制制方方法法可可以以测测量量10m10mm以以内内的位移量。的位移量。8.3.1 强度调制3.利用折射率的变化进行光强调制利用折射率的变化进行光强调制 当某些物理量当某些物理量(如温度或压力等如温度或压力等)作用于光纤作用于光纤时，引起光纤的纤芯和包层的折射率发生变化，时，引起光纤的纤芯和包层的折射率发生变化，若包层的折射率变得大于或等于纤芯的折射率，若包层的折射率变得大于或等于纤芯的折射率，则光在纤芯和包层界面上的全反射遭到破坏，产则光在纤芯和包层界面上的全反射遭到破坏，产生输出光强的变化即实现强度调制
31、。生输出光强的变化即实现强度调制。8.3.1 强度调制4.利用光纤的吸收特性进行光强调制利用光纤的吸收特性进行光强调制 X射线、射线、g g射线等辐射会使光纤材料的吸收损射线等辐射会使光纤材料的吸收损耗增加，光纤的输出功率降低，从而形成强度调耗增加，光纤的输出功率降低，从而形成强度调制。制。由于不同材料对不同的射线敏感，因此改变由于不同材料对不同的射线敏感，因此改变光纤材料的成份可对不同的射线进行测量。光纤材料的成份可对不同的射线进行测量。如图如图所示所示即是根据这种原理制成的测量辐射量的传感即是根据这种原理制成的测量辐射量的传感器。器。图8.5S光源，D探测器图8.6横向 纵向角度 差动 S
32、光源 D探测器图8.78.3.2 波长调制 利用外界因素改变光纤中光的波长，通过检测利用外界因素改变光纤中光的波长，通过检测波长的变化来检测各种物理量，称为波长调制。波长的变化来检测各种物理量，称为波长调制。波长调制的解调技术比较复杂，与强度调制技波长调制的解调技术比较复杂，与强度调制技术相比应用的较少。术相比应用的较少。常用的波长调制方法有利用热色物质的颜色变常用的波长调制方法有利用热色物质的颜色变化、利用磷光和荧光光谱的变化、利用黑体辐射、化、利用磷光和荧光光谱的变化、利用黑体辐射、利用滤光器参数的变化和利用位移进行波长调制。利用滤光器参数的变化和利用位移进行波长调制。8.3.2 波长调制
33、 如如图所示图所示，是利用位移进行波长调制的原，是利用位移进行波长调制的原理。理。光纤线性位移、光栅旋转或衍射板位移都能光纤线性位移、光栅旋转或衍射板位移都能进行波长调制，从而使接收光纤中的光波长发生进行波长调制，从而使接收光纤中的光波长发生变化，通过检测这种变化就能知道位移量。变化，通过检测这种变化就能知道位移量。由此可以设计出光纤位移传感器。由此可以设计出光纤位移传感器。图8.8(a)位移 (b)光栅旋转(c)衍射板位移8.3.3 相位调制及干涉测量1.相位调制相位调制 利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过检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被测量的方法，称为相位调
34、制。测相位变化来测量被测量的方法，称为相位调制。相位调制是光纤传感器中最基本的调制技术，相位调制是光纤传感器中最基本的调制技术，以灵敏度高著称。以灵敏度高著称。例如，如果信号监测系统可以检测例如，如果信号监测系统可以检测1m mrad的相的相位移，则每米光纤的检测灵敏度对温度为位移，则每米光纤的检测灵敏度对温度为10-8、对压力为对压力为10-7Pa、对应变为、对应变为10-7(即即0.1me)me)，动态范，动态范围可达围可达1010。8.3.3 相位调制及干涉测量 理理论论表表明明，当当真真空空中中波波长长为为l l0的的光光入入射射到到长长度度为为L的的光光纤纤时时，若若以以其其入入射射
35、端端面面为为基基准准，则则出出射射光光的相位为的相位为 式中式中 K0光在真空中的传播常数；光在真空中的传播常数；n纤芯折射率。纤芯折射率。由由此此，纤纤芯芯折折射射率率n变变化化和和光光纤纤长长度度L变变化化导导致的光相位变化即致的光相位变化即8.3.3 相位调制及干涉测量 当光纤受到纵向当光纤受到纵向(轴向轴向)的机械应力作用的机械应力作用时，由于时，由于应力应变效应应力应变效应，光纤的长度，光纤的长度(应变效应变效应应)、光纤的直径、光纤的直径(泊松效应泊松效应)、纤芯折射率、纤芯折射率(光弹光弹性效应性效应)都将变化，这些变化将导致光纤中光波都将变化，这些变化将导致光纤中光波相位的变化
36、。相位的变化。若将光纤放在变化的温度场中，由于若将光纤放在变化的温度场中，由于温度应温度应变效应变效应，引起光纤的折射率和几何长度的变化也，引起光纤的折射率和几何长度的变化也会引起相位变化。会引起相位变化。8.3.3 相位调制及干涉测量光纤相位调制器光纤相位调制器 光纤相位调制器即移相器，其作用是通过一光纤相位调制器即移相器，其作用是通过一小段光纤根据需要随时改变光程长度。小段光纤根据需要随时改变光程长度。光纤相位调制器可以通过对光纤某一部分的光纤相位调制器可以通过对光纤某一部分的长度或波导模的折射率进行外部调制来实现。长度或波导模的折射率进行外部调制来实现。最常用的方法是在压电陶瓷管最常用的
37、方法是在压电陶瓷管(PZT)上绕若干上绕若干圈光纤，并且稍稍拉紧，圈光纤，并且稍稍拉紧，如图如图(a)所示所示。通过在通过在PZT元件上加上电压，使其扩张或收元件上加上电压，使其扩张或收缩，光纤就被拉长或缩短，从而改变光程长度。缩，光纤就被拉长或缩短，从而改变光程长度。8.3.3 相位调制及干涉测量 对一根单模对一根单模SiO2光纤，当光纤，当l l=633nm，圆管工，圆管工作频率低于最低机械共振频率时，通过施加作频率低于最低机械共振频率时，通过施加70100V的反转电压，可产生的反转电压，可产生2p p弧度的相移。弧度的相移。若工作在机械共振频率，相移的调制幅度可若工作在机械共振频率，相移
38、的调制幅度可增加几个数量级。增加几个数量级。图图(b)是带有共轴压电换能器的是带有共轴压电换能器的光纤相位调制器。光纤相位调制器。光纤置于一光纤置于一PZT圆管的轴线上，圆管与光纤圆管的轴线上，圆管与光纤间充以声学材料（环氧树脂）。间充以声学材料（环氧树脂）。8.3.3 相位调制及干涉测量 PZT圆管工作于厚度模式，由圆管薄壁产生圆管工作于厚度模式，由圆管薄壁产生的厚度谐振频率的声波会聚于圆管中心，对纤芯施的厚度谐振频率的声波会聚于圆管中心，对纤芯施加压力，通过光弹效应使光纤的折射率受到调制。加压力，通过光弹效应使光纤的折射率受到调制。例如，壁厚为例如，壁厚为0.51mm、共振频率为、共振频率
39、为6.02MHz时，能产生时，能产生0.058rad/(/(Vcm)的相位调制。的相位调制。图图(c)是被覆压电外套的光纤相位调制器。是被覆压电外套的光纤相位调制器。8.3.3 相位调制及干涉测量 在光纤上被覆一层压电塑料外套，如聚偏二在光纤上被覆一层压电塑料外套，如聚偏二氟乙烯氟乙烯(PVDF)，外套的内外表面被覆金属膜作电，外套的内外表面被覆金属膜作电极，在外加电场的激励下，这层被覆的压电套就极，在外加电场的激励下，这层被覆的压电套就会对光纤的相位进行调制。会对光纤的相位进行调制。实验表明，采用厚度为实验表明，采用厚度为120m mm的径向极化的径向极化PVDF外套，在很宽的频率范围外套，
40、在很宽的频率范围(30kHz2.5MHz)有平坦的频率响应，相位调制系数为有平坦的频率响应，相位调制系数为0.01rad/(/(Vcm)。8.3.3 相位调制及干涉测量2.干涉测量干涉测量 目前目前光探测器对光的相位变化都不敏感光探测器对光的相位变化都不敏感，须须采用干涉技术将相位变化变为强度变化采用干涉技术将相位变化变为强度变化，实现对，实现对物理量的测量。物理量的测量。相位变化将引起干涉条纹的运动，记录干涉相位变化将引起干涉条纹的运动，记录干涉条纹移动的数目，就可测得相位的变化，从而测条纹移动的数目，就可测得相位的变化，从而测得导致相位变化的物理量，这就是干涉测量原得导致相位变化的物理量，
41、这就是干涉测量原理。理。光纤干涉仪的一般系统结构光纤干涉仪的一般系统结构如图所示如图所示。8.3.3 相位调制及干涉测量 (1)(1)迈克尔逊迈克尔逊(Michelson)干涉仪干涉仪 迈克尔逊迈克尔逊干涉仪的基本原理干涉仪的基本原理如图所示如图所示。如果光往返于固定平面镜和活动平面镜的光如果光往返于固定平面镜和活动平面镜的光程差小于激光器的相干长度，那么透射到光检测程差小于激光器的相干长度，那么透射到光检测器的两束光就可能互相发生干涉。器的两束光就可能互相发生干涉。每当活动平面镜移动每当活动平面镜移动1/2光波长的距离时，检光波长的距离时，检测器的输出就从最大值变到最小值，然后再变回测器的输
42、出就从最大值变到最小值，然后再变回最大值。最大值。8.3.3 相位调制及干涉测量 采用这种技术在采用这种技术在He-Ne激光器的红光情况激光器的红光情况下，它可以检测平面镜下，它可以检测平面镜0.6310-13m的位移。的位移。迈克尔逊因发明干涉仪和光速的测量而获得迈克尔逊因发明干涉仪和光速的测量而获得1907年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。(2)马赫马赫-泽德泽德(Mach-Zehnder)干涉仪干涉仪 马赫马赫-泽德干涉仪的结构泽德干涉仪的结构如图所示如图所示。下方的分束。下方的分束器把激光器的输出光束分成两束。器把激光器的输出光束分成两束。8.3.3 相位调制及干涉测量 它们经上、下
43、光路的传输之后又重新合路，它们经上、下光路的传输之后又重新合路，使它们在光检测器处互相发生干涉。这种结构也使它们在光检测器处互相发生干涉。这种结构也可用于检测可动平面镜小到可用于检测可动平面镜小到10-13m的位移。的位移。与迈克尔逊干涉仪相比，它的优点是，只有与迈克尔逊干涉仪相比，它的优点是，只有少量的或者没有光直接返回激光器，这就避免了少量的或者没有光直接返回激光器，这就避免了反馈光使激光器不稳定和产生噪声。反馈光使激光器不稳定和产生噪声。8.3.3 相位调制及干涉测量 (3)萨格奈克萨格奈克(Sagnac)干涉仪干涉仪 如图所示如图所示为萨为萨格奈克干涉仪的结构。格奈克干涉仪的结构。在这
44、种结构中，激光器输出的两束光沿着由在这种结构中，激光器输出的两束光沿着由一个分束器和三个平面镜构成的闭合光路反方向一个分束器和三个平面镜构成的闭合光路反方向传输，它们重新合路后再入射到光检测器，同时传输，它们重新合路后再入射到光检测器，同时一部分光又返回到激光器。一部分光又返回到激光器。8.3.3 相位调制及干涉测量 如果某块平面镜沿着与反射面垂直的方向移如果某块平面镜沿着与反射面垂直的方向移动，那么两个光程的长度必然改变同样的数量，动，那么两个光程的长度必然改变同样的数量，故在光检测器上不会检测到干涉过程中的变化。故在光检测器上不会检测到干涉过程中的变化。反之，如果使固定该干涉仪的台子绕着垂
45、直反之，如果使固定该干涉仪的台子绕着垂直于光束平面的轴作顺时针旋转，顺时针方向传输于光束平面的轴作顺时针旋转，顺时针方向传输的光束就必然滞后于逆时针方向传输的光束。的光束就必然滞后于逆时针方向传输的光束。8.3.3 相位调制及干涉测量可以求得顺、反两光束之间的光程差为可以求得顺、反两光束之间的光程差为 式式中中，A为为光光路路系系统统围围成成的的面面积积，c为为光光速速，w w为为光路系统旋转的角速度。光路系统旋转的角速度。若若由由光光检检测测器器测测得得D DL，则则可可由由上上式式求求得得干干涉涉仪仪的的台台子子相相对对于于惯惯性性空空间间的的转转动动角角速速度度。可可见见，萨萨格格奈奈克
46、干涉仪可用作灵敏的旋转检测器克干涉仪可用作灵敏的旋转检测器。从从原原理理上上讲讲，它它是是目目前前许许多多惯惯性性导导航航系系统统所所用用的的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。8.3.3 相位调制及干涉测量 (4)法布里法布里-珀罗珀罗(Fabry-Perol)干涉仪干涉仪 法布法布里里-珀罗干涉仪原理珀罗干涉仪原理如图所示如图所示。它是由两块平行的部分透射平面镜组成的。它是由两块平行的部分透射平面镜组成的。这两块平面镜的反射率这两块平面镜的反射率(反射系数反射系数)通常是非常大通常是非常大的，一般大于或等于的，一般大于或等于95%。假定反射率为假定反射率为9
47、5%，那么在任何情况下，激，那么在任何情况下，激光器输出光的光器输出光的95%将朝着激光器反射回来，余下将朝着激光器反射回来，余下的的5%的光将透过平面镜而进入干涉仪的谐振腔的光将透过平面镜而进入干涉仪的谐振腔内。内。8.3.3 相位调制及干涉测量 进入干涉仪的光有进入干涉仪的光有5%透射，被光检测器接透射，被光检测器接收，收，95%反射回来，又有反射回来，又有5%透射，透射，95%被反被反射。如此下去。射。如此下去。因此，因此，光检测器接收到的电场有一系列电场光检测器接收到的电场有一系列电场矢量，在原理上它们的数量是无限的，每一个后矢量，在原理上它们的数量是无限的，每一个后续电场矢量都按系数
48、续电场矢量都按系数R2递减，这里递减，这里R是反射系是反射系数。数。当反射镜间的距离为半波长的整数倍时，所当反射镜间的距离为半波长的整数倍时，所有这些矢量都同相，输出强度达到最大值。有这些矢量都同相，输出强度达到最大值。8.3.3 相位调制及干涉测量 当反射镜间的距离稍稍增加时，每一个后续当反射镜间的距离稍稍增加时，每一个后续矢量都相对于前一个矢量位移相同的角度。矢量都相对于前一个矢量位移相同的角度。无限地把矢量不断相加，根据多光束干涉原无限地把矢量不断相加，根据多光束干涉原理，光检测器探测到的光强为理，光检测器探测到的光强为8.3.3 相位调制及干涉测量 式中，式中，I0为入射光强，为入射光
49、强，T为镜面的光透射率，为镜面的光透射率，R为反射率，为反射率，q q为相邻光束间的相位差，为相邻光束间的相位差，F称为精细度称为精细度。当当q q=0,2p p,4p p时，干涉光强有最大值。当时，干涉光强有最大值。当q q=p p,3p p,5p p时干涉光强有最小值。时干涉光强有最小值。注意到注意到 反反射射率率越越大大，干干涉涉光光强强变变化化越越明明显显，分分辨辨率率越越高高。法法布布里里-珀珀罗罗干干涉涉仪仪是是一一种种极极灵灵敏敏的的位位置置和和长度测量装置长度测量装置。事事实实上上，它它是是能能用用于于现现代代科科学学的的最最灵灵敏敏的的位位移移测量装置之一。测量装置之一。光纤
50、相位调制器图8.9L激光器；P1分束器；P2耦合器；D检测器迈克尔逊干涉仪马赫泽德干涉仪萨格奈克干涉仪法布里-珀罗干涉仪8.3.4 频率调制 利用外界因素改变光纤中光波的频率，通过检利用外界因素改变光纤中光波的频率，通过检测光频率的变化来测量被测量的原理，称为频率调测光频率的变化来测量被测量的原理，称为频率调制。制。这里光纤本身只作为传光元件，而这里光纤本身只作为传光元件，而频率调制多是频率调制多是利用光学多普勒效应来实现利用光学多普勒效应来实现。如图所示如图所示，S为单色光源，为单色光源，P为运动物体，为运动物体，Q是观是观察者所处的位置。察者所处的位置。8.3.4 频率调制 若物体若物体P