第四章光纤色散测量

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。
三、反射系数型
由菲涅尔反射公式
光波在入射面上的光强分配服从菲涅耳公式，菲涅耳反 射系数公式与n（n3／n1 ）有关。如果n3介质在外界条件 （压力、温度等）影响下引起折射率发生变化，就会引起反 射系数发生变化，引起反射光强改变。利用这个原理，可设 计压力或温度传感器。
测其强度变化，就可知道外界
物理量的大小。
5.2.4
折射率强度调制
调制方法：
1. 利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变化的 光强调制； 2. 利用折射率的变化引起渐逝波耦合度变化的光 强调制；
3. 利用光纤折射率的变化引起光纤光强反射系数
改变的透射光强调制。
一、光纤折射率变化型
一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不 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。当温度变化时， n2 、 n1之间的差发生变化，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。
根据此原理可制成温度报警装置。
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 可以忽略不计了。如果采用一种办法使渐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。
作业
1、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。当 反射位置d分别为200um和320um时, 耦合 功率F为何值？
5.2.3 光模式强度调制
微弯损耗光强调制
根据模态理论，当光纤轴向受力而发生微小 弯曲时，光纤中的部分光会折射到纤芯的包层中 去，不产生全折射，这样将引起纤芯中的光强发 生变化。因此，可以通过对纤芯或包层中光的能 量变化来测量外界作用，如应力、重量、加速度 等物理量。
c 2
对于阶跃光纤,空间周期为
c
a
光纤传播模式的改变，还 可以改变光纤模斑斑图，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。多模光纤受外界
因素影响，会引起模间耦合，
引起亮区和暗区不断变化；测 量时仅接受模斑中部分亮区，
改进型遮光屏截断光路法——提高灵敏度
利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器，使一对光栅遮光屏 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、光纤传感器的类型 根据光纤在传感器中的作用，可将光纤传感器分为功能型 、非功能型和拾光型三大类。 1、功能型（全光纤型）光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光 纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不 仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素 ( 弯曲、相变) 的作 用下，其光学特性 ( 光强、相位、偏振态等 ) 的变化来实现“传 ”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤 连续，增加其长度，可提高灵敏度。
偏振调制光纤传感器
波长(颜色)调制光纤传感器
传感器
光学现象
被测量 电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度 温度、振动、压力、加速度、位移 温度 温度 振动、压力、加速度、位移 振动、压力、位移 气体浓度 液位 电流、磁场 电场、电压、 温度 振动、压力、加速度、位移 速度、流速、振动、加速度 气体浓度 温度
光发送器
光纤敏感元件
信号处理
光受信器
2、非功能型（或称传光型）光纤传感器 光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息 的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤 不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，
比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度
要求不太高的场合。
光发送器
由光发送器发出的光经光 纤引导至敏感元件。这时，光 的某一性质受到被测量的量的 调制，已调制光经接收光纤耦 合到光接收器，使光信号变为 电信号，最后经信号处理得到 所期待的被测量。
电 信号处理 源 导线 信号接收 （a）传统传感器 光发送器 敏感元件
光纤
信号处理 光接收器 （b）光纤传感器
敏感元件
可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在 测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基 础，而光纤传感器则以光学测量为基础。 光是一种电磁波，其波长从极远红外的 lmm到极远紫外 线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场 而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量 E 的 振动，即
5.1 引 言
一、光纤传感器结构原理
以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可 测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理 系统以及信息传输均用金属导线连接，见图 (a) 。光纤传感 器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由 光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处 理系统以及光纤构成，见图(b)。
波纹的周期间隔为，使它与光纤中适当选择的两个模之 间的传播常数相匹配。两个模的传播常数分别为β和β′，当
2
'
相位失配为零，模间耦合达到最佳。 波纹的最佳周期决定光纤的模式性能。变形器的位移改变 弯曲处的模振幅，从而产生强度调制。 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 2a
微弯光纤压力传感器由两块波形板或其他形状的变形器构 成。其中一块活动，另一块固定。变形器一般采用有机合成材 料（如尼龙、有机玻璃等）制成。一根光纤从一对变形器之间 通过，当变形器的活动部分受到外力的作用时，光纤将发生周 期性微弯曲，引起传播光的散射损耗，使பைடு நூலகம்在芯模中重新分配 一部分从纤芯耦合到包层，另一部分光反射回纤芯。当外界力 增大时，泄漏到包层的散射光 增大，光纤纤芯的输出光强度 减小；当外界力减小时，光纤 纤芯的输出光强度增强。它们 之间呈线性关系，如右图所示。 由于光强度受到调制，通过检 测泄漏包层的散射光强或光纤 纤芯中透射光强度的变化即可 测出压力或位移的变化。

优点：结构简单、容易实现，成本低。

缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。
当一恒定光源的光波I i注入调制区，在外力场Is的作用下， 输出光波的强度被Is所调制，载有外力场信息的出射光Io 的包 络线与Is形状相同，光（强度）探测器的输出电流ID (或电压) 也反映出了作用力场。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、斑图、辐射 等来调制入射光，从而形成相应的调制器。
光纤 SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM MM MM MM SM MM MM MM SM MM SM MM MM MM MM
分类 a a a a a b b b b b b b b,a b b b c b b
干 涉 型
非
干
干涉（磁致伸缩） 相位调 干涉（电致伸缩） 制光线 Sagnac效应 传感器 光弹效应 干涉 遮光板遮断光路 半导体透射率的变化 强度调制 荧光辐射、黑体辐射 光纤温度 光纤微弯损耗 振动膜或液晶的反射 传感器 气体分子吸收 光纤漏泄膜 偏振调 制光纤 温度传 感器 法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 光弹效应

r

2dT a r
被输出光纤接收的入射光功率百分数为(F被称为耦合效率)
P0 r F a Pi r 2dT
2
5.2.2
透射式强度调制
移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。
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、γ射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加，使 光纤的输出功率降低，从而可以构成强度调制器，用来测量 各种辐射量，其原理如下图所示。用不同材料制成的光纤对 不同射线的敏感程度是不一样的，由此还可以鉴别不同的射 线。例如铅玻璃光纤对x、γ射线和中子射线特别灵敏，并且 这种材料的光纤在小剂量射线照射时，具有较好的线性，可 以测量射线的辐射剂量。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。
3. a 2dT a 2r 时
耦合到输出光纤的光通量由输入
光纤的像发出的光锥底面与输出 光纤相重叠部分的面积决定。
输出光纤端面受光锥照射的表面所占的百分比为
1 arccos1 1 sin arccos1 r r r
遮光屏截断光路法
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 耦合计算方法与反射式传感器 是一样的。在简化分析限定范 围内，比值δ/r与可移动遮光屏 及两透镜间半径为r的光柱相交 叠面积的百分比α同（5-2）式。 不用透镜的耦合系统，结 构简单，但耦合系数小，灵敏 度低。
E E0 cost
E0——电场E的振幅矢量；ω——光波的振动频率； φ——光相位；t——光的传播时间。 因此，只要使光的强度、偏振态 ( 矢量 A 的方向 ) 、频率 和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量 调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或 相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。
光纤
信号处理 光受信器
敏感元件
3、拾光型光纤传感器
用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光 或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光 多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。
光发送器 信号 处理
耦合器
光纤 被测对象
光受 信器
光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为
强度调制光纤传感器
频率调制光纤传感器
5.2.1 反射式强度调制
这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用。
两根光纤之间的耦合效率主要是 看两根光纤射出来的光锥的重合 大小。
1. a 2dT 时
耦合进输出光纤的光功率为零
2. a 2r 2dT 时
输出光纤与输入光纤的像发出的 光锥底端相交。其相交的横截面 积恒为r2 。
第五章 光纤传感器基本原理
光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世纪70年代中期 发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通 信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。 光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信 息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。 ①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。 ⑤容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压 力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量
涉
型
频率调制 多普勒效应 光纤温度 受激喇曼散射 传感器 光致发光
注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型
5.2 强度调制机理
强度调制型光纤传感器是一种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 度变化来实现敏感测量的传感器。可利用光纤的微弯损耗； 物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质 因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物 质的荧光辐射或光路的遮断等构成各种强度调制型光纤传感 器，可测量压力、振动、温度、位移等物理量。
二、利用半导体的吸收特性进行强度调制