光纤传感技术2ppt课件

2018/11/17
若 把 温 度 场 变 化 考 虑 为 作 用 力 F， 则 F 将 同 时 影 响 光 纤 的 参 量 n和 L , 则 光 纤 中 相 位 响 应 ： 1 d dn 1 dL dn n dL k kn k (8.42) L dF dF L dF dF L dF 1 d L dF 归 一 化 的 光 纤 中 传 播 模 的 相 位 响 应 dn 有效折射率变化引起的相位响应 k dF n dL k L dF 光 纤 几 何 长 度 变 化 引 起 的 相 位 响 应 如 用 T 和 来 描 述 ， 则 上 式 可 表 示 为 ： n n L k TL T L T
1、迈克尔逊光纤干涉仪 迈克尔逊光纤干涉仪是一种双光束干涉仪。 如图21所示，该种干涉仪用了一个定向耦合器， 其中一根光纤 作为参考臂， 另一根作为 传感臂。
图21 迈氏光纤干涉仪原理图
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2、马赫-泽德光纤干涉仪 马赫-泽德光纤干涉仪（简称M-Z干涉仪） 也是种双光束干涉仪。如图22所示，实用的MZ 光纤干涉仪的分光和合光是由两个光纤定向耦 合器构成，是为全光纤化的干涉仪，以提高其 抗干扰的能力。
4、光纤环形腔干涉仪 利用光纤定向耦合器将单模光纤连接成闭合 回路，如图24所示，激光光束从环形腔1端输入 时，部分光能耦合到4端，部分直通入3端进入光 纤环内。
图24 光纤环形腔干涉仪
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不谐振条件时， 大部分光从4端输出。谐振条件 时，腔内光场因谐振而加强，2到4的光场与1到4 端的光场相消干涉，环形腔的输出光强减小，多 次循环形成多光束干涉。4端输出光强在谐振条 件附近为一 细锐的谐振 负峰(图25）
图25 环形腔输出相对光强随与相位关系
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腔 内 相 对 光 强: I3
E3 E1
2 2
(1 ) (8.11)
1 K (1 K T ) 2 4 K T sin 2 ( L / 2) E4 E1
2 2
环 形 腔 输 出 相 对 光 强: I4
光纤传感技术 2
◇对象广泛，可用于所有影响光程的物理量 传感 ◇采用单模光纤，获得较好的干涉效应
●几种光纤干涉仪的讨论 根据传统的光学干涉原理，目前已研制成 迈克尔逊式、马赫-泽德式、法布里-珀罗式全 光纤干涉仪以及光纤环形腔干涉仪等，并且都 已用于光纤传感。下面分别予以介绍。
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图34 马赫-泽德温度 传感器结构
图35 F-P光纤温度 传感器结构
5 5 0 . 8 10 /C ( 裸光纤 0 . 70 10 / C 裸光纤 5 5 T T 3 . 0 10 /C ( 护套光 1 . 64 10 / C 护套光纤 1 n 5 说明：1、护套层的杨式模量和膨胀系数对光 .68 10 /C 0 n T 纤的温度灵敏度有重要影响。 2、F-P光纤传感器的温度灵敏度比马 赫-泽德光纤传感器的高。 2018/11/17
2
(1 )
2

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( K T ) 4 K T sin ( L / 2) / 2 (1 K T ) 4 K T sin ( L / 2) / 2
2 2
(8.12)
式中: E4 1 ( K E1 1 K E2 ) E3 1 ( 1 K E1 K E2 ) E2 exp( L ) exp(i L ) E3 K 和 分别是耦合器的光强耦合率和插入损耗； 为 光纤的振幅衰减因子； L为光纤环的长度； 为光波 在光纤的传输常数； T 为环形腔回路的光强传输因 子，由 T (1 ) exp( 2 L )来确定， T 表示光纤环 中输出一周后的光强与初始光强之比。
图22 M-Z光纤干涉仪原理图
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3、法布里-珀罗光纤干涉仪 法布里-珀罗光纤干涉仪是由两端面具有高反 射膜的一段光纤构成，此感反射膜可以直接镀 在光纤端面上，也可以把镀在基片上的高反射 膜粘贴在光纤的端面上。
图23 法布里-珀罗光纤Hale Waihona Puke 涉仪示意图2018/11/17
相位型光纤温度温度传感器
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(8.43)
1 L n 7 若取 5 10 / C ; 10 10 6 / C , n 1.456, L T T 6 0.6328 10 m , 带 入 （ 8.43 ） 式 得 107 / C m t L 即 在 1 m 长 光 纤 上 温 度 变 化 1 C 时 干 涉 条 纹 移 动 17.0 条 。 只考虑径向折射率的变化，定义光纤温度灵敏度为： 1 n 1 n2 S e P11 P12 S r P12 S e (8.44) T n T T 2 P1 1 , P12 是 光 纤 的 光 弹 系 数 ， 应 变 S e， S r 与 光 纤 各 层 材 料 的 性 质 有关。
真 空 中 波 长 为 光 入 射 长 为的 L 光 纤 ， 以 其 入 射 端 0的 面 为 基 准 ， 则 出 射 光 相 位 ：
L k0nL 2
0
(8 .4 0 )
k0是 真 空 中 的 传 播 常 数 , n 为 纤 芯 的 折 射 率 。 k0 n L Ln (8 .4 1 ) 折 射 率 变 化 n ，长 度 变 化 L 外 界 影 响