光纤传感器

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光纤传感器 根据多普勒原理可得：
光频率调制的解调原理与相位调制的解调相同，需 要两束光干涉。探测器的信号电流公式的推导亦与 相位调制的解调相同；只要用2πΔft代替式（9－ 26）中的φ（t），即可得：
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第三节 光纤传感器实例
光纤液位传感器
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结构特点：光纤测头端有一个圆锥体反射器。当测头置于空 气中没接触液面时，光线在圆锥体内发生全内反射而回到光 电二极管。当测头接触液面时，由于液体折射率与空气不同， 全内反射被破坏，有部分光线透入液体内，使返回到光电二 极管的光强变弱；返回光强是液体折射率的线性函数。返回 光强发生突变时，表明测头已接触到液位。
2K 0 l
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式中
Ko——光在空气中的传播常数 2Δ l ——两相干光的光程差
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2.马赫－泽德尔（Mach-Zehnder）干涉仪
图为马赫－泽德 尔干涉仪的工作原理。 与迈克尔逊干涉仪不 同的是，它没有或很 少有光返回到激光器。 返回到激光器的光会 造成激光器的不稳定 噪声，对干涉测量不 利。
(2)
由图(1)和图(2)可见，当θ1＞θc时，光线 将不再折射入介质2，而在介质(纤芯)内产生连续 向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤 传光的工作基础。
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光纤传感器 同理，由图1和Snell定律可导出光线由折射 率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全 反射的临界角(始端最大入射角)为 1 2 (3) sin c n12 n2 NA n0 式中NA——定义为“数值孔径”。它是衡量光纤集 光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率 多大，只有2θc张角内的光，才能被光纤接收、 传播(全反射)；NA愈大，光纤的集光能力愈强。 产品光纤通常不给出折射率，而只给出NA。石英 光纤的NA=0.2～0.4。
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但当把这种干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的 平台上时，两束传播方向相反的光束到达光电探测器就有不 同的延迟。若平台以角速度Ω顺时针旋转，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：
式中 Ω为旋转率；A为光路围成的面积；c为真空中光 速；λo为真空中的光波长。通过检测干涉光强的变化， 就能知道旋转速度。
di(t ) E1E2 sin 0 d
上式表明,探测器输出电流的变化取决于两光束的初始相位和相 位变化。可见，通过干涉现象能将两光束之间的相位差转化为 电流变化。如果sin 0 1，即干涉光束初相位正交，相差 , 那可较容易地把这种相位变化提取出来，这种探测方式称为零 27 差检测。
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2.1 强度调制与解调
光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载 波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的 方式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检 测。 解调过程主要考虑的是信噪比是否能满足测 量精度的要求。
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几种常用的光强调制技术 1.微弯效应
微弯损耗强度调制器的 原理如图。当垂直于光 纤轴线的应力使光纤发 生弯曲时，传输光有一 部分会泄漏到包层中去。
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调制原理 1. 普克耳（Pockels）效应
如图所示，当压 电晶体受光照射并 在其正交方向上加 以高电压，晶体将 呈现双折射现象— —普克耳效应。在 晶体中，两正交的 偏振光的相位变化：
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2.法拉第磁光效应光纤
平面偏振光通 过带磁性的物 体时，其偏振 光面发生偏转， 这种现象称为 法拉第磁光效 应，光矢量旋 转角：
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1.2 2
光纤传感器基础
光调制与解调技术
4.4 3
光纤传感器实例
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第一节 光纤传感器基础
光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器（FOS） 与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能 力强、高灵敏度 、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结 构简单、以及与光纤传输线路相容等。 光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、 弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、 湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个 物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发 展前景。
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光纤传感器 由激光器输出，经分束器透射的另一束光2入射 到可移动反射镜上，也反射回分束器上，经分束器 反射的一部分光传至光探测器上，而另一部分光则 经由分束器透射，也返回到激光器。当两反射镜到 分束器间的光程差小于激光的相干长度时，射到光 探测器上的两相干光束即产生干涉。两相干光的相 位差为：
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三.光纤的种类
光纤按纤芯和包层材料性质分类，有玻璃光 纤和塑料光纤两类；按折射率分有阶跃型和梯度 型二种，如图3所示。阶跃型光纤纤芯的折射率不 随半径而变；但在纤芯与包层界面处折射率有突 变。梯度型光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外 呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致。 因此，这类光纤有聚焦作用；光线传播的轨迹近 似于正弦波，如图4所示。光纤的另一种分类方法 是按光纤的传播模式来分，可分为多模光纤和单 模光纤二类。
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实现相位调制的物理效应 1.应力应变效应
光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，将 产生三个主要的物理效应，导致光纤中光相位的变 化：
① 光纤的长度变化——应变效应 ② 光纤芯的直径变化——泊松效应 ③ 光纤芯的折射率变化——光弹效应
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2.热胀冷缩效应
在所有干涉型光纤传感器中，光纤中传播光的相位 响应φ都是与待测场中光纤的长度L成正比。这个待 测场可以是变化的温度T。
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一.光纤的结构
光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、 塑料等)构成的光通路。光纤的结构如图1所示， 它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率 n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结 构。
图1 光纤的基本结构与波导 4
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二.传光原理
光的全反射现象是 研究光纤传光原理的 基础。根据几何光学 原理，当光线以较小 图2 光在两介质界面 的入射角θ1由光密介 上的折射和反射 质1射向光疏介质2(即n1＞n2)时(见图2)，则一部分 入射光将以折射角θ2折射入介质2，其余部分仍 以θ1反射回介质1。
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图3 光纤的折射率断面(a) 阶跃型；(b)梯度型
图4 光在梯度型光 纤的传输
光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播 的两种平面波成分。后者纤芯和包层的界面上会产生全反射。当 它在横切向往返一次的相位变化为2π的整数倍时，将形成驻波。 形成驻波的光线组称为模；它是离散存在的，亦即某种光纤只能 传输特定模数的光。通常纤芯直径较粗时，能传播几百个以上的 模，二纤芯很细时，只能传播一个模。前者称为多模光纤，多用 于非功能型(NF)光纤传感器；后者是单模光纤，多用于功能型
(FF)光纤传感器。
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四.光纤的特性
信号通过光纤时的损耗和色散是光纤的主要特 性(详细情况参见参考资料1）。
五.光纤传感器分类
光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能 型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又称 FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器(NonFunction Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传 感器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为 敏感元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是 利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作 为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近 场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。 10
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4 频率调制与解调
频率调制时光纤往往只起传 输光信号的作用，而不作为敏 感元件。 目前主要是利用光学多普勒 效应实现频率调制。图中，S为 光源，P为运动物体，Q是观察 者所处的位置。若物体 P的运 动速度为v，方向与PS及PQ的夹 角分别为θ1 和θ2 ，则从S发出 的频率为 f1 的光经过运动物体P 散射，观察者在Q处观察到的频 率为f2。
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3.塞格纳克（Sagnac）干涉仪
激光经分束器分为反射和 透射两部分。这两束光均 由反射镜反射形成传播方 向相反的闭合光路，并在 分束器上会合，送入光探 测器，同时也有一部分返 回到激光器。在这种干涉 仪中，两光束的光程长度 相等。根据双束光干涉原 理，在光电探测器上探测 不到干涉光强的变化。
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六.光纤传感器的发展趋势
光纤传感器具有很多的优点，是对以电为基 础的传统传感器的革命性变革，发展前景是极其 光明的。但是，目前光纤传感器的成本较高,在这 方面仍面临着传统传感器的挑战，存在着与传统 传感器和其它新型传感器的竞争问题。为此，有 必要说明光纤传感器的可能发展趋势： ① 当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传 感器的主要研究对象。 ② 集成化光纤传感器。 ③ 多功能全光纤控制系统。 ④ 充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监 测系统。 ⑤ 开辟新领域。
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强度调制的解调
光强度信号转化为电信号 强度调制型光纤传感器的关键是信号功率与噪声功 率之比要足够大.
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2.2 偏振调制与解调
光波是横波。光振动的电场矢量E和磁场矢量H和 光线传播方向s正交。按照光的振动矢量E、H在 垂直于光线平面内矢端轨迹的不同，又可分为线 偏振光（又称平面偏振光）、圆偏振光、椭圆偏 振光和部分偏振光。利用光波的这种偏振性质可 以制成光纤的偏振调制传感器。 光纤传感器中的偏振调制器常利用电光、磁光、 光弹等物理效应。在解调过程中应用检偏器。
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光纤传感器 依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有 n1 sin 1 n2 sin 2 (1) 当θ1角逐渐增大，直至θ1=θc时，透射入介质2 的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播 (θ2=90°)。对应于θ2=90°时的入射角θ1称为 临界角θc；由式(1)则有