第二章 光纤传感器

可否不需要b和b*区？
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测量系统:
① 采用微机自动影像跟踪装置， 通过微机控制,移动直角棱镜使 传送带边缘的影像一直保持a区 的中心，即保持ΔI=0
② 边缘移动X, 动镜位移L=X/2, 方向与传送带移动方向相反. ③ 利用激光测位系统来测量棱镜 移动的距离L，从而得知传送带的 偏移量X: X=2*L L分辨率为0.01微米
三、 光在特殊光纤内的传输 模之间的功率交换有如下关系：
η=ex2/ey2=tanh(KL/Δβm)
η——消光比； K——常数； L—光纤长度 ，Δβ——Ex与Ey的传输系数差 m——外界随机干扰常数，一般为4，6，8 ， 理论计算与实践证明:当Δβ>3000rad/m时，才能有 效防止Ex与Ey的能量交换。 加大Δβ有两种方法： ⑴ 将纤芯做成椭圆形，加大得Ex与Ey传输系数β 的差别 ⑵ 包层做成椭圆形，所谓保偏光纤。
普通光纤：单模、多模光纤是通讯中常用的光纤。 特殊光纤：测试还用到一些保偏光纤（保持偏振面不变） 二、光在普通光纤中的传输
基模光波，震动面可以分解两个互相垂直Ex、Ey模 Ex为E在xoz平面的振动， Ey为E在yoz平面的振动。 根据麦克斯为方程：
ex = Ax(x，y)ej(ωt-βxz)
ey = Ay(x，y)ej(ωt-βyz)
3、光纤的模
当沿径向传播的平面波每 往返传输一次，相位变化 为2π的整数倍时,在光纤 径向传播截面内形成驻波。 驻波的光线组 — 称为光纤的模。显然模是离散的， 而且对于光纤来说只能存在特定数目的模。 单模光纤 只能传输一个模的光纤。 多模光纤 能同时传输多个模的光纤。。 只有能形成驻波的那些以特定角度入射的光才能在 光纤内传播。（与频率、波长、直径a 、n 、θ)
应用:
车床主轴变位的测量装置 工作原理：
参考光的作用：是用来消除光源光强变化的影响。
三、受抑全内反射光纤位移传感器：
原理：将光纤端部磨成特定 的角度，可使传输到端面 的光形成全内反射，光不 易传到另一根光纤，只有 当两根光纤刨光斜面充分 靠近时，大部分光才可以 耦合过去。 结构1： 特点:灵敏度很高，可测量出 0.1Pa的声压。 缺点：是制造公差要求严格， 易受环境的 干扰。
四、光纤微弯位移传感器
1．原理：当被测量的变化引起微弯板位移，从而使光纤发生 微弯变形，改变模式耦合，使光纤中部分光透入包层，造 成传输损耗。弯曲程度不同，泄漏强度也不同，从而达到 对光强的调制。
两分为：亮场微弯传感器；暗场微弯传感器。
2、亮场微弯传感器：
检测纤芯光强的调制信号。
传感器的结构：如图.
二、传光型光纤位移传感器 1、双光纤位移型位移传感器 ⑴ 结构如图
位移与两段光纤率耦 合系数T的关系为： T=exp(-x2/s02)
s0 : 光斑直径
光强与位移的关系呈 高斯型曲线分布. 这种方法可以检测10μm 以内的位移。
⑵利用光闸调制光强 特点:光纤不动
2、双光栅、光强调制型光纤位移传感器
双光栅位移传感器 特点:传感器灵敏度可 成倍增高.
动栅式 位移传感器 这个结构可以作为一 种高灵敏度的水听器。
3、反射型光纤位移传感器：
a.当距离较近时时，接收光强随时距离增加而迅速增 加，对应曲线的A与B一段。 b.当距离超过一定程度时，光强又随距离增加而减少。 对应曲线的C与D一段。 c. 可利用A、B或C、D进行位移测量，AB段灵敏度 高，但范围小；CD段灵敏度稍低，范围宽，线性 好。 d.是一种非接触式测量。
四、光电探测器
常用的光电探测器： 光敏电阻、光敏晶体管、 光电倍增管、光电池等。
五、光纤传感器的分类
1、 按光纤在传感器中的作用 可分为两类： a.功能型光纤传感器： 光纤本身是敏感元件体。 如图1。 b.传光型光纤传感器： 敏感元件（非光纤）对光纤 的传输光量进行调制，光纤 仅起传光 作用。又可分为： 光量调制型 ； 敏感元件自发光型。
空气与光纤端面临界入射角：
n0*sinθ=n1*sinθ1
其中 n0=1
∴ Sinθ=n1*sinθ1=n1*cosф 包层和纤芯的全反射条件为: Sinф >n2/n1 ∴ cosф<(1-n22/n12)1/2 临界角θc： Sinθc =(n12 – n22)1/2 当θ<θc，光在光纤全反射传播。 令NA = Sinθc =(n12 – n22)1/2 NA——数值孔径--反映光波入射到光纤中易难程度。 NA愈大，临界角θc愈大.
△ f≈ f· v/c·(Cosθ1+Cosθ2)
2. 光纤多普勒测速系统：
可测量密封容器中的流速，生物体的流体测量。 最典型是医学上对血流测量。
§2-4 光纤位移传感器：
光纤位移传感器可分为：传光型与功能型 测量原理：强度调制型、相位调制型、频率调制型。 一、光纤开关与定位装置 1．简单的光纤开关与定位装置
2.法布里一珀罗光纤干涉仪测量位移
§2-5 光纤速度、加速度传感器
一、 光纤激光渡越速度计： 原理：激光器分成 两束夹
角为1°的两束光，投影到 被测气体上，形成2个斑点， L4、M1、M2使两个斑点分别 对准二根光纤，并传送到光 电探测器上。 测量时调整两个光斑与气流 方向一致，测量出粒子通过 两个斑点的时间差，便可计 气流的速度。
阶跃型光纤：
芯子的n1是恒定值
梯度型光纤：
芯子的n1是渐变的
2、临界角θc与数值孔径NA：
光的折射与反射： n1* sinф1 = n2 *sinф2 ∵ n1>n2 ∴ ф2 > ф1 令ф2 =900 临界值фc 显然，当ф1>ф c时, 即Sinф1 >n2/n1 产生了全反射。
sinфc= n2 / n1
光纤的模数与归一化频率有关 归一化频率： υ = 2πaNA/λ = 2πa/(λ/sin θc)
a 纤芯的半径；
⑴当υ<2.41时， 光纤只能传输基模光波 ⑵υ愈大传输的模数愈多 如图。 ⑶将纤芯直径做到5∽10um以下，且光纤与包层折 射率差缩小到0.005时，光纤仅能传输一个模 ——单模光纤. ⑷直径为几 十μm时， 可以传输几百个模 ——多 模光纤。
② 光脉冲的周期要足够大 2L 1.8nL Ts = ------ + --------- + tr c/n c(m-1) 总传输时宽 脉宽 脉冲上升时间
五、光纤干涉型位移传感器 1.迈克尔逊光纤干涉仪
工作原理： a.位移大小 条纹移动的数目与位移 相对应，测量移动条纹 的数目，可以测量出位 移。 b.位移方向 采用二个光电探测器8， 前端分别加了一个光阑， 使两者条纹变化的相差 为90°，可以识别条纹移动的方向，也即位移动的方向。 左移时： 01 11 10 00 01 右移时： 01 00 10 11 01 用一个可逆计数器: A :计数输入(上升沿) B作加减控制,B=1，加（左移）；B=0，减（右移）。 特点：精度高，可分辨1/2λ的位移，范围不受限制。
βx ,βY为Ex，Ey沿Z轴的
传输系数（单位长度的相位变化量）
Ax(x，y), Ay(x，y)为Ex，Ey在截面上的电场分布，
假定Ex和Ey的振幅相同， 即: Ax=Ay=A 利用欧拉公式化简得：
ex2+ey2-2exeyCos(Δβz) = A2Sin(Δβz) Δβz = |βx-βy| a.当Δβz=mπ时,(m=0,1,2,..) 右项零，为线偏振光 当Δβ=2Kπ时， (ex - ey)2 = 0 为Ⅰ、Ⅲ在象限线偏振光 当Δβ = (2k+1)π 时，则(ex + ey )2 = 0 为Ⅱ、Ⅳ象限线偏振光 b.当Δβz =π/2 + 2kπ时(k=0,1,……) 则 ex2+ey2=A2为圆形偏振光。 c.一般情况下：为椭圆偏 振光。
第二章 光纤传感器
§2-1 概论
一、 光纤传感技术的形成及其特点 形成: 光纤传感器----光纤通信技术发展的产物。 特点：灵敏度高、结构简单、体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲、 耐电磁干扰等、安全防爆。 广泛应用于石油化工、高电压及其它领域。 二、光纤传感器的组成 由三部分组成：光源 光敏元件 光纤 三、光纤传感器的光源 要求： 光源的体积小 波长应合适 有足够亮度 性能稳定、噪声小 安装方便、耐用 光源分类：相干光： 各种激光器（氦氖激光器、半导激光） 非相干光：白炽灯、发光二极管。
(1)、迈克尔逊干涉仪 (2)、马赫一泽德干涉仪 (3)、塞格纳克干涉仪 Δφ=2Л4AΩ/Cλ (4)、法布里—泊罗干涉仪 2、光纤中传输光的相位变化 以光纤的入射端面为基准， 长度为L的光纤的总相移为： ψ=2πL/λ0=K0nL K0…光在真空中的传输常数 n……纤芯折射率 Δψ=K0(ΔnL+nΔL) 即光纤长度变化和折射率 的变化都会产生相移。
二、频率调制： 频率调制是利用光学多普勒频移效应。 1、光学多普勒频移原理：
从运动物体上观察光源的频率为： f1=f[1-(v/c)2]1/2/[1-（v/c）·Cosθ1] ≈f/[1-（v/c）•Cosθ1] 对于观察者来说，观测到的频率为： f2 ≈ f1/(1-v/c·Cosθ2) ∵v《c f2≈f / [1-v/c· （Cosθ1+Cosθ2 )] 或 f2≈f[1+v/c·(Cosθ1+Cosθ2)]
b)脉冲式暗场微弯传感器阵列
为了保证各传感器的输出光信号互不重叠要求： ① 光源脉冲宽度要足够小 设L为阵列的长度，m为传感器的个数，n为折射率，c为真空 中的光速。 2L/(m-1） 2nL t0 = ------- = --------c/n c(m-1) 考虑10%余量：1.8nL tmax = -----------c(m-1)
特点:因为纤芯中光强较强， 调制深度小，使用高灵敏 度光电探测器，易出现饱 和。
3、暗场微弯位移测量装置：
特点: 灵敏度可达6uv/nm,可测量最小位移： 8nm， 动态范围110dB :8nm∽1mm。
4、光纤微弯传感器阵列： a)连续式暗场微弯光纤位移传感器阵列
• 对于 m 个阵列，使用 m 根输出光纤和 m 个光耦合器、 m 个 光电探测器。
A .光纤计数装置： B .光电编码盘装置： 用于测量物 位和角位移。 C .光纤定位装置： D .光纤液位控制装置：
2、光纤自动测位装置：
传动带光纤自动位置偏差检 测装置 每个探头光纤束分为5个区 域.其中： a=b+b* b=b* c=c* 探头的输出信号: ΔI=Ib+b*-Ia 当传送带边缘处于中心位置时， Ia=Ib+b* ∴ΔI=0 当传送带边缘向左偏时， Ia>Ib+b* ΔI<0 当传送带边缘向右偏离时， Ia<Ib+b* ΔI>0 偏移为-a/2∽+a/2范围内， ΔI∽Δ偏移为线性关系。
2、按对光的调制方式的不同又可分为： 强度调制型； 相位调制型； 频率调制型； 偏振调制型。 3、按被测对象可分为： 光纤位移、压力、 温度、流量、速度 加速度、振动、 应变、磁场、电压 电流、化学量、生物量的光纤传感器。
§2-2 光导纤维及光在其中的传输
一、光导纤维的结构及其传光的原理 1、光纤的结构：由芯子、包层和保护层构成。如图2 芯子用高折射率（n1）的石英玻璃材料制成， 包层用低折射率（n2）的玻璃或塑料制成 n1>n2 n3>n2
§2-3 光调制技术
光是一种电磁波，有强度、有频率、有相位、有波长，所 以光的调制可分为：强度调制、相位调制、频率调制、偏 振调制、波长调制。
一、相位调制与干涉测量 1.相位调制测量原理
相位调制过程可描述为： 调相
物理变化 相位变化 干涉 强度变化 光电探器
干涉场中各点的光强可表示为： A2 = A12+A22+2A1A2Cos(Δψ) Δψ为相干光的相位差，Δψ变化会引起光强A变化。 干涉测量的仪器很多，主要有四种：
结构2： 膜片与棱镜上表面有约 0.3μm 气隙，在膜片的下表面涂复 一层吸光材料。
利用全反射原理的液面探测器：
a） 由一个y型光纤和全反 射锥体组成. 接触到液面时，部分光 泄漏到液体，使反射光 强减弱。
b）由 U型光纤构成：顶 部为去掉包层的光纤, 液体起到包层的作用. 接触到液面时泄漏光减小。 c） 在a基础上加了一个棱镜耦合，加强光的调制作 用，c方式中光强调制最深。