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1、光纤传感检测1第1页，共114页，编辑于2022年，星期五光纤传感器始于光纤传感器始于19771977年，目前已进入研究与应用并年，目前已进入研究与应用并重阶段。重阶段。主要优点：主要优点：灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可挠性强、可实现不带、可挠性强、可实现不带电的全光型探头。电的全光型探头。频带宽、动态范围大频带宽、动态范围大。可用很可用很相近的技术基础相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器构成传感不同物理量的传感器便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和控制系统的遥测和控制可用高温、高压、强电磁干
2、扰、腐蚀等可用高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境恶劣环境。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。2第2页，共114页，编辑于2022年，星期五一次涂覆层一次涂覆层纤芯纤芯 包层包层套层套层一次涂覆层一次涂覆层 包层包层 纤芯纤芯 套层套层光纤波导的结构光纤波导的结构多层介质结构：多层介质结构：1、纤芯：石英玻璃，直径、纤芯：石英玻璃，直径5-75um，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素。素。2、包层：直径、包层：直径100-200um，折射率略低于纤芯。，折射率略低于纤芯。3、涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。、涂敷层：硅酮
3、或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。4、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。7.1 7.1 光纤传感器的基础光纤传感器的基础3 3第3页，共114页，编辑于2022年，星期五光纤的光波导原理光纤的光波导原理光纤的光波导原理光纤的光波导原理 n n1 1n n2 2n n2 2n n2 2n n1 1光纤的临界角光纤的临界角对应光纤的入射角临界值为：对应光纤的入射角临界值为：4 4第4页，共114页，编辑于2022年，星期五渐变光纤的导光原理示意图渐变光纤的导光原理示意图渐变光纤的导光原理示意图渐变光纤的导光原理示意图在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于
4、正弦波。在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。5 5第5页，共114页，编辑于2022年，星期五 石英系列光纤（以石英系列光纤（以石英系列光纤（以石英系列光纤（以SiOSiOSiOSiO2 2 2 2为主要材料）为主要材料）为主要材料）为主要材料）按光纤组成材料划分按光纤组成材料划分按光纤组成材料划分按光纤组成材料划分 多组分光纤（材料由多组成分组成）多组分光纤（材料由多组成分组成）多组分光纤（材料由多组成分组成）多组分光纤（材料由多组成分组成）液芯光纤（纤芯呈液态）液芯光纤（纤芯呈液态）液芯光纤（纤芯呈液态）液
5、芯光纤（纤芯呈液态）塑料光纤（以塑料为材料）塑料光纤（以塑料为材料）塑料光纤（以塑料为材料）塑料光纤（以塑料为材料）阶跃型光纤（阶跃型光纤（阶跃型光纤（阶跃型光纤（SIFSIFSIFSIF）光纤种类光纤种类光纤种类光纤种类 按光纤纤芯折射率分布划分按光纤纤芯折射率分布划分按光纤纤芯折射率分布划分按光纤纤芯折射率分布划分 渐变型光纤（渐变型光纤（渐变型光纤（渐变型光纤（GIFGIFGIFGIF）W W W W型光纤型光纤型光纤型光纤 单模光纤（单模光纤（单模光纤（单模光纤（SMFSMFSMFSMF）按光纤传输模式数划分按光纤传输模式数划分按光纤传输模式数划分按光纤传输模式数划分 多模光纤（多模光
6、纤（多模光纤（多模光纤（MMF MMF MMF MMF）光纤的分类光纤的分类光纤的分类光纤的分类6 6第6页，共114页，编辑于2022年，星期五光纤的纤芯折射率剖面分布光纤的纤芯折射率剖面分布光纤的纤芯折射率剖面分布光纤的纤芯折射率剖面分布 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2c 2b 2b 2c 2b 2b 2c 2b 2b 2c 2a 2a 2a 2a 2a 2a 2a 2a 2a 2a 2a 2a n n n n n n n n n n n n n n n n1 1 1 1 n n n n1 1 1 1 n n n n1 1 1 1 n n n n2 2 2 2 n n n n2 2
7、 2 2 n n n n2 2 2 2 n n n n3 3 3 3 0 a b r 0 a b r 0 a c b r 0 a b r 0 a b r 0 a c b r 0 a b r 0 a b r 0 a c b r 0 a b r 0 a b r 0 a c b r （a a a a）阶跃光纤）阶跃光纤）阶跃光纤）阶跃光纤 （b b b b）渐变光纤渐变光纤渐变光纤渐变光纤 （c c c c）W W W W型光纤型光纤型光纤型光纤 7 7第7页，共114页，编辑于2022年，星期五光纤的类型光纤的类型光纤的类型光纤的类型8 8第8页，共114页，编辑于2022年，星期五为为为为表表表
8、表示示示示光光光光纤纤纤纤的的的的集集集集光光光光能能能能力力力力大大大大小小小小，定定定定义义义义光光光光纤纤纤纤波波波波导导导导孔孔孔孔径径径径角角角角的的的的正正正正弦弦弦弦值值值值为为为为光光光光纤纤纤纤的的的的数数数数值值值值孔径（孔径（孔径（孔径（NANANANA），即：），即：），即：），即：光纤中的重要参数光纤中的重要参数光纤中的重要参数光纤中的重要参数 1 1、数值孔径（、数值孔径（NA,Numerical ApertureNA,Numerical Aperture）当当当当光光光光线线线线在在在在纤纤纤纤芯芯芯芯与与与与包包包包层层层层界界界界面面面面上上上上发发发发生生生
9、生全全全全反反反反射射射射时时时时，相相相相应应应应的的的的端端端端面面面面入入入入射射射射角角角角为为为为光光光光纤纤纤纤波波波波导导导导的的的的孔孔孔孔径径径径角角角角（或或或或端端端端面面面面临临临临界界界界角角角角）。即即即即只只只只有有有有光光光光纤纤纤纤端端端端面面面面入入入入射射射射角角角角大大大大于于于于的的的的光光光光线线线线才才才才能能能能在在在在光光光光纤纤纤纤中中中中传传传传播播播播，故故故故光光光光纤纤纤纤的的的的受受受受光光光光区区区区域域域域是是是是一一一一个个个个圆圆圆圆锥锥锥锥形形形形区区区区域域域域，圆圆圆圆锥锥锥锥半锥角的最大值就等于孔径角。半锥角的最大值
10、就等于孔径角。半锥角的最大值就等于孔径角。半锥角的最大值就等于孔径角。光纤参数数值孔径的意义？光纤参数数值孔径的意义？光纤参数数值孔径的意义？光纤参数数值孔径的意义？9 9第9页，共114页，编辑于2022年，星期五2 2 2 2、光纤中的模式、光纤中的模式、光纤中的模式、光纤中的模式(Fiber Mode)(Fiber Mode)(Fiber Mode)(Fiber Mode)电电电电磁磁磁磁波波波波的的的的传传传传播播播播遵遵遵遵从从从从麦麦麦麦克克克克斯斯斯斯韦韦韦韦方方方方程程程程，而而而而在在在在光光光光纤纤纤纤中中中中传传传传播播播播的的的的电电电电磁磁磁磁场场场场根根根根据据据据
11、由由由由光光光光纤纤纤纤结结结结构构构构决决决决定定定定的的的的边边边边界界界界条条条条件件件件，可可可可求求求求得得得得满满满满足足足足波波波波动动动动方方方方程程程程的的的的特特特特定定定定的的的的离离离离散散散散的的的的解解解解，而而而而某某某某一一一一个个个个解解解解代代代代表表表表许许许许多多多多允允允允许许许许沿沿沿沿光光光光纤纤纤纤波波波波导导导导传传传传播播播播的的的的波波波波，每每每每个个个个允允允允许许许许传传传传播播播播的的的的解解解解称称称称为为为为光光光光纤的模式，每个波具有不同的振幅和传播速度。纤的模式，每个波具有不同的振幅和传播速度。纤的模式，每个波具有不同的振幅
12、和传播速度。纤的模式，每个波具有不同的振幅和传播速度。光纤中可能传播的模式有光纤中可能传播的模式有光纤中可能传播的模式有光纤中可能传播的模式有横电波、横磁波和混合波横电波、横磁波和混合波横电波、横磁波和混合波横电波、横磁波和混合波。（1 1）横横横横电电电电波波波波TETEmnmn：纵纵纵纵轴轴轴轴方方方方向向向向只只只只有有有有磁磁磁磁场场场场分分分分量量量量；横横横横截截截截面面面面上上上上有有有有电电电电场场场场分分分分量量量量的的的的电电电电磁磁磁磁波波波波。中中中中下下下下标标标标mm表表表表示示示示电电电电场场场场沿沿沿沿圆圆圆圆周周周周方方方方向向向向的的的的变变变变化化化化周周
13、周周数数数数，n n表表表表示示示示电电电电场沿径向方向的变化周数。场沿径向方向的变化周数。场沿径向方向的变化周数。场沿径向方向的变化周数。（2 2）横横横横磁磁磁磁波波波波TMTMmnmn:纵纵纵纵轴轴轴轴方方方方向向向向只只只只有有有有电电电电分分分分量量量量；横横横横截截截截面面面面上上上上有有有有磁磁磁磁场场场场分分分分量量量量的电磁波。的电磁波。的电磁波。的电磁波。（3 3）混混混混合合合合波波波波HEHEmnmn或或或或EHEHmnmn:纵纵纵纵轴轴轴轴方方方方向向向向既既既既有有有有电电电电分分分分量量量量又又又又有有有有磁磁磁磁场场场场分分分分量量量量，是是是是横电波和横磁波的
14、混合。横电波和横磁波的混合。横电波和横磁波的混合。横电波和横磁波的混合。无论哪种模式，当无论哪种模式，当无论哪种模式，当无论哪种模式，当mm和和和和n n的组合不同，表示的模式也不同。的组合不同，表示的模式也不同。的组合不同，表示的模式也不同。的组合不同，表示的模式也不同。光纤中的重要参数光纤中的重要参数光纤中的重要参数光纤中的重要参数 1010第10页，共114页，编辑于2022年，星期五3 3 3 3、光纤的归一化频率、光纤的归一化频率、光纤的归一化频率、光纤的归一化频率V V V V 归归归归一一一一化化化化频频频频率率率率是是是是为为为为表表表表征征征征光光光光纤纤纤纤中中中中所所所所
15、能能能能传传传传播播播播的的的的模模模模式式式式数数数数目目目目多多多多少少少少而而而而引入的一个特征参数。引入的一个特征参数。引入的一个特征参数。引入的一个特征参数。其定义为：其定义为：其定义为：其定义为：光纤中的重要参数光纤中的重要参数光纤中的重要参数光纤中的重要参数 其中，其中，r是光纤的纤芯半径；是光纤的纤芯半径；是光纤的工作波长；是光纤的工作波长；n1和和n2 分别是光纤的纤芯和包层折射率；分别是光纤的纤芯和包层折射率；k0 真空中的波数；真空中的波数；光纤的相对折射率差。光纤的相对折射率差。归归归归一一一一化化化化频频频频率率率率越越越越大大大大，光光光光纤纤纤纤所所所所允允允允许
16、许许许传传传传播播播播的的的的模模模模式式式式越越越越多多多多，当当当当V2.405V2.405V2.405V2.405时时时时，光纤中只允许一个模式传播，即基模。光纤中只允许一个模式传播，即基模。光纤中只允许一个模式传播，即基模。光纤中只允许一个模式传播，即基模。1111第11页，共114页，编辑于2022年，星期五4 4 4 4、传播常数、传播常数、传播常数、传播常数 传传传传播播播播常常常常数数数数是是是是描描描描述述述述光光光光纤纤纤纤中中中中各各各各模模模模式式式式传传传传输输输输特特特特性性性性的的的的 一一一一个个个个参参参参数数数数，光光光光纤纤纤纤中中中中各各各各模式的传输或
17、截止都可以由该参数决定。模式的传输或截止都可以由该参数决定。模式的传输或截止都可以由该参数决定。模式的传输或截止都可以由该参数决定。光纤中的重要参数光纤中的重要参数光纤中的重要参数光纤中的重要参数 当当当当 k k0 0n n2 2 时时时时，包包包包层层层层中中中中的的的的电电电电磁磁磁磁场场场场不不不不再再再再衰衰衰衰减减减减，而而而而成成成成为为为为振振振振荡荡荡荡函函函函数数数数，这这这这时时时时传传传传导导导导模模模模已已已已不不不不能能能能集集集集中中中中于于于于光光光光纤纤纤纤纤纤纤纤芯芯芯芯中中中中传传传传播播播播，此此此此时时时时的的的的模模模模式式式式称称称称为为为为辐辐辐
18、辐射射射射模模模模，即即即即传导模截止。传导模截止。传导模截止。传导模截止。当当当当=k k0 0n n2 2时时时时，传传传传导导导导模模模模处处处处于于于于临临临临界界界界截截截截止止止止状状状状态态态态，光光光光线线线线在在在在纤纤纤纤芯芯芯芯和和和和包包包包层层层层的的的的界界界界面掠射。面掠射。面掠射。面掠射。光纤通信中信息就是由传导模传送的。传导模的传播常数是光纤通信中信息就是由传导模传送的。传导模的传播常数是限制在纤芯到包层之间的，即限制在纤芯到包层之间的，即1212第12页，共114页，编辑于2022年，星期五归一化传播常数归一化传播常数/k/k0 0与归一化频率与归一化频率V
19、 V的关系曲线的关系曲线1313第13页，共114页，编辑于2022年，星期五模式特性模式特性 当当当当0 0 0 0V V V V2.4052.4052.4052.405时时时时,光光光光纤纤纤纤中中中中除除除除主主主主模模模模（或或或或基基基基模模模模）HE11 HE11 HE11 HE11 模模模模以以以以外外外外，其其其其余余余余模模模模式均截止，此时可实现单模传输。式均截止，此时可实现单模传输。式均截止，此时可实现单模传输。式均截止，此时可实现单模传输。单模传输条件单模传输条件多模传输的数目多模传输的数目对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为对于阶跃
20、型光纤，光纤中的传输模式数为对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为 对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为1414第14页，共114页，编辑于2022年，星期五截截止止波波长长是是单单模模光光纤纤特特有有的的参参数数，对对应应于于第第一一高高阶模的归一化截止频率阶模的归一化截止频率V Vc c c c=2.405=2.405=2.405=2.405时的波长。时的波长。时的波长。时的波长。5、截止波长、截止波长c1515第15页，共114页，编辑于2022年，星期五光纤的损耗特性光纤的损耗特性
21、损耗的定义损耗的定义当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数表示：表示：(单位：单位：dB/km)dB/km)损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择。损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择。损耗的种类损耗的种类吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用；吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用；散射损耗：光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射；散射损耗：光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射；其他损耗：如光纤弯曲也引起
22、散射损耗。其他损耗：如光纤弯曲也引起散射损耗。部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。16第16页，共114页，编辑于2022年，星期五光纤的损耗光纤的损耗损耗损耗散射损耗散射损耗制作缺陷制作缺陷折射率分布不均匀折射率分布不均匀芯芯-涂层界面不理想涂层界面不理想气泡、条纹、结石气泡、条纹、结石本征散射及其他本征散射及其他瑞利散射瑞利散射布里渊散射布里渊散射拉曼散射拉曼散射吸收损耗吸收损耗本征吸收本征吸收紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收杂质离子的吸收杂质离子的吸收过渡族金属离子过渡族金属离子OHOH-离子离子弯曲损耗弯曲损耗1717第17页，共114页，编辑于20
23、22年，星期五光纤的色散特性光纤的色散特性色散的定义色散的定义色散的种类色散的种类光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。色散主要影响系统的传的物理效应。色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。输容量，也对中继距离有影响。色散的大小常用时延差表示色散的大小常用时延差表示，时延，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差。差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差。模式色散：模式色散：模式色散模
24、式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延不同而产生是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延不同而产生的色散。只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决于光纤的折射率分布。的色散。只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决于光纤的折射率分布。材料色散：材料色散：材料色散材料色散是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同产是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同产生的色散。取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。生的色散。取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。波导色散：波导色散：波导色散波导色散是由于波导结构参数
25、与波长有关而产生的色散。取决于波导尺寸和纤是由于波导结构参数与波长有关而产生的色散。取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折射率差。芯包层的相对折射率差。18第18页，共114页，编辑于2022年，星期五波导色散波导色散和和材料色散材料色散都是模式的本身色散，都是模式的本身色散，也称也称模内色散模内色散。对于多模光纤，既有模式色散，。对于多模光纤，既有模式色散，又有模内色散，但主要以模式色散为主。梯度型又有模内色散，但主要以模式色散为主。梯度型光纤中模式色散大为减少。光纤中模式色散大为减少。而单模光纤不存在模式色散，只有材料色散而单模光纤不存在模式色散，只有材料色散和波导色散，由于波导色散比材料色散小
26、很多，和波导色散，由于波导色散比材料色散小很多，通常可以忽略。采用激光光源可有效减小材料通常可以忽略。采用激光光源可有效减小材料色散的影响。色散的影响。1919第19页，共114页，编辑于2022年，星期五光纤传感器一般可分为两大类：光纤传感器一般可分为两大类：一类是一类是功能型传感器功能型传感器（Function Fiber Optic Sensor），又称），又称FF型型光光纤传感器；利用光纤本身感受被测量变化而改变传输光的特性，纤传感器；利用光纤本身感受被测量变化而改变传输光的特性，光纤既是光纤既是传光传光元件，又是元件，又是敏感敏感元件。元件。另一类是另一类是非功能型传感器非功能型传感
27、器（Non-Function Fiber Optic Sensor），又），又称称NF型型光纤传感器。利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作光纤传感器。利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光信号的为光信号的传输介质传输介质。7.1.4光纤传感器的分类光纤传感器的分类2020第20页，共114页，编辑于2022年，星期五功能型光纤传感器功能型光纤传感器功能型光纤传感器功能型光纤传感器这类传感器利用光纤本身对被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不这类传感器利用光纤本身对被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到仅起到传光作用传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等，而且
28、在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光光特性得到调制特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。，调制后的信号携带了被测信息。非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。2121第21页，共114页，编辑于2022年，星期五光纤传感器的分类列表光纤传感器的分类列表2222第22页，共114页，编辑于2022年，星期五7.2 7.2 光纤的光波调制技
29、术光纤的光波调制技术强度强度调制调制相位相位调制调制偏振偏振调制调制频率频率调制调制波长波长调制调制2323第23页，共114页，编辑于2022年，星期五1、强度调制：、强度调制：IDttIS信号信号入射光入射光强度调制强度调制光源光源出射光出射光输出输出ID光探测器光探测器强度调制原理强度调制原理I IO Ot tIit2424第24页，共114页，编辑于2022年，星期五强度调制强度调制是利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反是利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度发生变化来实现敏感测量的。射等参数的变化，而导致光强度发生变化来实现敏感测量的
30、。调制原理：调制原理：2525第25页，共114页，编辑于2022年，星期五光是一种横波。光振动的电场矢量光是一种横波。光振动的电场矢量E E 和磁场矢量和磁场矢量H H 和光线的传播方向和光线的传播方向s s 正交。按照光的振动矢量正交。按照光的振动矢量E E、H H 在垂直于光线平面内矢量轨迹的不同，在垂直于光线平面内矢量轨迹的不同，又可分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光。偏振调制又可分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光。偏振调制就是利用光偏振态的变化来传递被测对象的信息。就是利用光偏振态的变化来传递被测对象的信息。2、偏振调制、偏振调制调制原理：调制原理：普克尔普克
31、尔PockelsPockels效应效应(电光效应电光效应)法拉第磁光效应法拉第磁光效应光弹效应光弹效应解调原理：检偏器解调原理：检偏器2626第26页，共114页，编辑于2022年，星期五普克尔效应（电光效应）普克尔效应（电光效应）当当压电晶体压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电场时，晶体将呈现场时，晶体将呈现双折射现象双折射现象，这种现象被称为，这种现象被称为Pockels效应，效应，如下图所示。并且，这种双折射正比于所加电场的一次方在晶如下图所示。并且，这种双折射正比于所加电场的一次方在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为体中，两正交的
32、偏振光的相位变化为其中：其中：n0 正常折射率；正常折射率；re 电光系数；电光系数；U 加在晶体片上的横向电压；加在晶体片上的横向电压；光波长；光波长；L 光传播方向晶体长度；光传播方向晶体长度；d 电场方向晶体厚度。电场方向晶体厚度。Pockels效应及应用效应及应用2727第27页，共114页，编辑于2022年，星期五法拉第效应（磁光效应）法拉第效应（磁光效应）某些物质在某些物质在磁场作用磁场作用下，下，线偏振光线偏振光通过时其振动面会发生旋转，这种现通过时其振动面会发生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量象称为法拉第效应。光的电矢量E E旋转角旋转角与光在物质中通过的距离与光在物质
33、中通过的距离L L和和磁场强度磁场强度H H成正比，即成正比，即式中式中V V为物质的弗尔德常数。为物质的弗尔德常数。利用法拉第效应可以测量磁场。其测量原理如图所示。利用法拉第效应可以测量磁场。其测量原理如图所示。2828第28页，共114页，编辑于2022年，星期五光弹效应光弹效应在垂直于光波传播方向上施加在垂直于光波传播方向上施加应力应力，被施加应力的材料将会使光产生，被施加应力的材料将会使光产生双双折射现象折射现象，其，其折射率的变化折射率的变化与应力材关，这被称为光弹效应。由光与应力材关，这被称为光弹效应。由光弹效应产生的偏振光的相位变化为：弹效应产生的偏振光的相位变化为：式中：式中：
34、K K 物质光弹性常数；物质光弹性常数；P P 施加在物体上的压强；施加在物体上的压强；L L 光波通过材料的长度。光波通过材料的长度。此时出射光强为：此时出射光强为：光弹效应示意图光弹效应示意图2929第29页，共114页，编辑于2022年，星期五偏振调制的解调原理偏振调制的解调原理渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜解调原理解调原理解偏过程：如图为偏振光分束器，解偏过程：如图为偏振光分束器，方解石组成。两棱镜光轴垂直，光线垂方解石组成。两棱镜光轴垂直，光线垂直入射到直入射到No.1，光束不分开，但，光束不分开，但o光光1和和e光光1速度不同。速度不同。到达到达No.2时，光轴垂直，时，光轴垂直，o光光
35、1和和e光光1的角色互换，的角色互换，o光光2对应的折射率从对应的折射率从n0到到ne，e光光2对应的折射率从对应的折射率从ne到到n0，nen0，所以两光束分开。偏振角为所以两光束分开。偏振角为。光束传播示意图光束传播示意图eooe 45o3030第30页，共114页，编辑于2022年，星期五偏振角与光分量的关系：偏振角与光分量的关系：偏振角偏振角与光源强度和通道能量衰减无关，只与两分光束的与光源强度和通道能量衰减无关，只与两分光束的光强有关系。由偏振角光强有关系。由偏振角值可推知需要传感的物理量值可推知需要传感的物理量两光分量对应的振幅分别为：两光分量对应的振幅分别为：3131第31页，共
36、114页，编辑于2022年，星期五相位调制的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的相位调制的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。化量，从而得到被测对象的信息。3、相位调制、相位调制应力应变效应：应力应变效应：光纤长度变化光纤长度变化光弹效应光弹效应:光纤芯折射率变化光纤芯折射率变化磁致伸缩效
37、应：磁致伸缩效应：光纤芯直径变化光纤芯直径变化声光效应声光效应光热效应光热效应萨格纳克萨格纳克(Sagnac)(Sagnac)效应效应检测原理检测原理相位解调原理：相位解调原理：光外差检测原理光外差检测原理3232第32页，共114页，编辑于2022年，星期五典型干涉测量仪与光纤干涉传感器：典型干涉测量仪与光纤干涉传感器：马赫马赫-泽德尔泽德尔(Mach-Zender)干涉仪干涉仪法布里法布里-泊罗泊罗(Fabry-Perot)干涉仪干涉仪迈克尔逊迈克尔逊(Michelson)干涉仪干涉仪萨格纳克萨格纳克(Sagnac)干涉仪干涉仪常常用用干干涉涉仪仪常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤实现
38、常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤实现的干涉型光纤传感器。的干涉型光纤传感器。3333第33页，共114页，编辑于2022年，星期五1.迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪干涉原理：当激光束分得的两光束的光程差小于激光的相干长度时，射到干涉原理：当激光束分得的两光束的光程差小于激光的相干长度时，射到光检测器上的两相干光束即产生干涉，且相位差为：光检测器上的两相干光束即产生干涉，且相位差为：传感器传感器3434第34页，共114页，编辑于2022年，星期五传感器传感器2.马赫泽德尔干涉仪马赫泽德尔干涉仪由移动平面镜的位移获得两相干光束的相位差，在光检测器是产生由移动平面镜的位移获得两相干光束的相位差
39、，在光检测器是产生干涉。干涉。优点：没有激光返回激光器，噪声小，稳定性好。对干涉影响小。优点：没有激光返回激光器，噪声小，稳定性好。对干涉影响小。3535第35页，共114页，编辑于2022年，星期五3.萨格纳克干涉仪萨格纳克干涉仪激光器输出的两束光沿着一条激光器输出的两束光沿着一条由一个分束器和三个平面镜构成的由一个分束器和三个平面镜构成的闭合光路反方向传输闭合光路反方向传输,它们重新合路它们重新合路后再入射到光检测器后再入射到光检测器,同时一部分光同时一部分光又返回到激光器。又返回到激光器。当平台沿垂直于当平台沿垂直于光束平面旋转时，两方向相反的光束平面旋转时，两方向相反的光束到达检测器的
40、延迟不同，从光束到达检测器的延迟不同，从而产生相位变化。而产生相位变化。若平台以角速度若平台以角速度顺时针旋转时，则在顺时针方向传播的光较逆时针顺时针旋转时，则在顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光延迟大。这个相位延迟量可表示为：方向传播的光延迟大。这个相位延迟量可表示为：通过检测通过检测干涉条纹的变化干涉条纹的变化，就知道旋转速度，就知道旋转速度，它是目前许多惯它是目前许多惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。性导航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。3636第36页，共114页，编辑于2022年，星期五4.法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪传感器传感器它是由两块平行
41、的部分透射它是由两块平行的部分透射平面镜组成的。这两块平面镜的反平面镜组成的。这两块平面镜的反射率射率(反射系数反射系数)通常是大于通常是大于95%95%。假定反射率为假定反射率为95%,95%,那么在任何情况那么在任何情况下下,激光器输出光的激光器输出光的95%95%将朝着激光将朝着激光器反射回来器反射回来,余下的余下的5%5%的光将透过的光将透过平面镜而进入干涉仪的谐振腔内。平面镜而进入干涉仪的谐振腔内。其干涉原理是多光束干涉，其干涉原理是多光束干涉，其干涉光强度的变化为：其干涉光强度的变化为：3737第37页，共114页，编辑于2022年，星期五5.光纤干涉仪传感器光纤干涉仪传感器A:迈
42、克尔逊干涉仪；迈克尔逊干涉仪；b：马赫：马赫-泽德干涉仪；泽德干涉仪；c:塞格纳克干涉仪；塞格纳克干涉仪；d：法布里：法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪敏感器敏感器敏感器敏感器敏感器敏感器敏感器敏感器部分透射反射镜部分透射反射镜3838第38页，共114页，编辑于2022年，星期五4、频率调制及解调、频率调制及解调利用外界因素改变光的频率，通过检测利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率变化来测量外界物理量。光的频率变化来测量外界物理量。目前主要是利用光学多普勒效应实现频率目前主要是利用光学多普勒效应实现频率调制。如图所示调制。如图所示,P点物体的运动将点物体的运动将S点光点光源发出的光散射到源发
43、出的光散射到Q点被观察到，设光频点被观察到，设光频为为f1，由双重多普勒频移原理可得：，由双重多普勒频移原理可得：解调过程：解调过程：与相位调制的解调相同，需要两束光干涉，在检测器上产生与相位调制的解调相同，需要两束光干涉，在检测器上产生差频，光电流经频谱分析器处理，求出频率变化。差频，光电流经频谱分析器处理，求出频率变化。3939第39页，共114页，编辑于2022年，星期五激光多谱勒光纤测速系统激光多谱勒光纤测速系统激激激激光光光光沿沿沿沿着着着着光光光光纤纤纤纤入入入入射射射射到到到到测测测测速速速速点点点点A A A A上上上上，然然然然后后后后后后后后向向向向散散散散射射射射光光光光
44、与与与与光光光光纤纤纤纤端端端端面面面面的的的的反反反反射射射射或或或或散散散散射射射射光光光光起起起起沿沿沿沿着着着着光光光光纤纤纤纤返返返返回回回回，其其其其中中中中纤纤纤纤维维维维端端端端面面面面的的的的反反反反射射射射或或或或散散散散射射射射光光光光是是是是作作作作为为为为参参参参考考考考光光光光使使使使用用用用。于于于于是是是是信信信信号号号号光光光光与与与与参参参参考考考考光光光光起起起起经经经经光光光光探探探探测测测测器器器器进进进进入入入入频频频频谱谱谱谱分分分分析析析析器器器器处处处处理理理理，最最最最后后后后分析器给出测量结果。分析器给出测量结果。分析器给出测量结果。分析器
45、给出测量结果。同时为了区别并消除从发射透镜和光纤前端面反射回来的光，在同时为了区别并消除从发射透镜和光纤前端面反射回来的光，在光探测器前装一块光探测器前装一块偏振片偏振片R R，从而使光探测器只能检测出与原光束偏振，从而使光探测器只能检测出与原光束偏振方向相垂直的方向相垂直的偏振光偏振光。4040第40页，共114页，编辑于2022年，星期五7.3 光纤传感器实例光纤传感器实例7.3.1 光纤位移传感器光纤位移传感器反射式光纤位移传感器结构如图所示。根据被测目标表面光反射至接反射式光纤位移传感器结构如图所示。根据被测目标表面光反射至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。收光纤束的光
46、强度的变化来测量被测表面距离的变化。所使用所使用光纤束的特性光纤束的特性是影响这种类型光纤是影响这种类型光纤传感器的灵敏度的主要因素之一。在光纤传感器的灵敏度的主要因素之一。在光纤探头的端部探头的端部,发射光纤与接收光纤一般有发射光纤与接收光纤一般有四种分布四种分布:(a):(a)随机分布随机分布;(b);(b)半球形对开分半球形对开分布布;(c);(c)共轴内发射分布共轴内发射分布;(d);(d)共轴外发射分共轴外发射分布，如图所示。布，如图所示。4141第41页，共114页，编辑于2022年，星期五典典型位移输出曲线如图所示。在输型位移输出曲线如图所示。在输出曲线的前坡区出曲线的前坡区I,
47、I,输出信号强度增加输出信号强度增加得很快得很快,这一区域可以用于微米级的位这一区域可以用于微米级的位移测量。在后坡区移测量。在后坡区II,II,信号的减弱约与信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反探头和被测表面之间的距离平方成反比比,可用于距离较远而灵敏度、线性度可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。和精度要求不高的测量。反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器的原理的原理如右图。如右图。1 1、探头紧贴被测件时，无光接收探头紧贴被测件时，无光接收没有电信号。没有电信号。2 2、被测表面逐渐远离探头时，有、被测表面逐渐远离探头时，有一个一个线性增长线性增长的输出信号。有
48、一最大的输出信号。有一最大输出值输出值“光峰点光峰点”。3 3、继续远离时，输出信号越来越继续远离时，输出信号越来越弱，与弱，与距离平方成反比距离平方成反比。4242第42页，共114页，编辑于2022年，星期五4343第43页，共114页，编辑于2022年，星期五4444第44页，共114页，编辑于2022年，星期五内调制式位移传感器内调制式位移传感器 利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式光纤传感器。利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式光纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移，从而使光纤发生微弯变微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移，从而使光纤发生微弯变形
49、，改变模式耦合，纤芯中的光部分透人包层，造成传输损耗。微弯形，改变模式耦合，纤芯中的光部分透人包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的强度也不同、从而实现了光强度的调制。由于程度不同，泄漏光波的强度也不同、从而实现了光强度的调制。由于光强与位移之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤光强与位移之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤位移传感器位移传感器.4545第45页，共114页，编辑于2022年，星期五uu理论和实验都已证明，使光纤沿轴向产生理论和实验都已证明，使光纤沿轴向产生周期性微弯时，传播常数为周期性微弯时，传播常数为 和和 的模的模之间就会产生光功率的耦合。
50、波纹板周期之间就会产生光功率的耦合。波纹板周期的长度的长度 与传播常数间满足下式：与传播常数间满足下式：4646第46页，共114页，编辑于2022年，星期五HeNe激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤的一端。激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤的一端。此光纤没有涂覆层，数值孔径等于此光纤没有涂覆层，数值孔径等于0.22。在变形器前在变形器前5cm长长的光纤上除上黑色涂料，以便消除包层模中的光。的光纤上除上黑色涂料，以便消除包层模中的光。4747第47页，共114页，编辑于2022年，星期五变形器由两块有机玻璃波纹板组成，每块波纹板共有变形器由两块有机玻璃波纹板组成，每块波纹板共有5个个波