光纤传感器基本原理
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+Δ f或f -Δ f的差拍的拍频Δ f，由此可知流体的流速。
半反射镜
激光器 起偏器
B
光纤
检偏器
透镜
流 体
探测器 分析器
f+f
光纤截面
f
第五章 光纤传感器基本原理
光纤多普勒系统的局限性
多普勒测速系统检测可以达到的体积或探测深度。 通常，当距光纤端面距离超过 a ／ tg 处的散射场， 耦合回光纤的功率已经衰减至很难检测的程度。这 样。探测媒质的最大穿透深度只有几个光纤芯半径 的量级，对于大衰减媒质的穿透深度只有两个纤芯 半径。一般，多普勒探测器最大只能实现液体中几 毫米处粒子的运动速度测量， 只适用于携带粒子的流体或 2a 混浊体中悬浮物质的速度测 量。速度测量范围mm/s~m/s。
波长调制光纤传感器
波长调制光纤传感器是利用传感探头的光谱特性随 外界物理量变化的性质来实现被测参数的测量。
被 测 信 号
S
光谱仪
波长调 制器
信号 处理
第五章 光纤传感器基本原理
波长调制光纤传感器工作原理
Pi ( )
Pi ( )
被 测 信 号
S(t)
得到Po ( )
得到S (t)
光谱仪
波长调 制器 P o ( )
u u T f f f
u f ' f ' u u
T
第五章 光纤传感器基本原理 S为光源，P为运动物体，Q为 观察者所处的位置，若物体 P 的运动速度为 υ ，其运动方向 如图所示，则从 S 发出的光频 率f , 运动物体接收到的频率为 f1，它们之间有如下关系：
根据上式，可以设计出多普勒光纤流速、流量测量 传感器
多普勒光纤流速测量技术 第五章 光纤传感器基本原理
设光源频率为f，经半反射镜进入光纤射入到被测流体，
当流体以速度υ 运动时，根据多普勒效应，其向后散射
光的频率为f +Δ f 或f –Δ f （视流向而定）
f f 2 f f
c
(cos 1 cos 2 )
u＋ u＋ f u/ f u
u＋ f ' f u
u
观察
观察者不动，波源运动
第五章 光纤传感器基本原理
S
S
'
A
uT
波源以速度 运动，在一 个周期T内由S点运动到S’ 点。这相当于把声源静止 时的波长 ，由于声源的 运动而被压缩在S'A之间了, S 波长变为：
T
x
uT
S光源
1
P物体
2
Q
u cos 1 f1 f u
第五章 光纤传感器基本原理 经运动物体P散射后，观察者在Q处观察到的运动物 体反射的光频率f2为 S光源 P 物体 u u cos1 f2 f1 f u－cos 2 u－cos 2 1 2 (u cos1 )(u＋cos 2 ) f 2 2 2 u cos 2 Q 2 (u cos1u＋cos 2u ) f 2 u [1 (cos1＋cos 2 )] f u
第五章 光纤传感器基本原理
可渗透的 薄膜容器 装入直径为5～10 mm的聚丙酸脂小 球，并用指示剂将 小球染色
光信号由光纤导出进入旋转的双色滤光器，从而使 红光和绿光交替地投射到光电二极管探测器上，通 过信号处理系统把这两种颜色 ( 波长 ) 的光强信号的 比值测量出来．测量结果直接反映被测溶液的pH值。
光纤传感技术
Optical fiber sensors
第
五
章
opticalfibersensors 光纤传感器基本原理
Fundamental of Optical Fiber Sensor
第五章 光纤传感器基本原理
§5.4 频率调制机理
第五章 光纤传感器基本原理
一、频率调制光纤传感器的基本原理
利用外界作用改变光纤中光的频率，通过 检测光纤中光的频率的变化来测量各种物 理量,这种调制方式称为频率调制。频率调 制技术目前主要利用多普勒效应来实现
第五章 光纤传感器基本原理
提高光纤多普勒系统的探测深度的方法
流体
虚像 F
光纤
F´
d d<f
第五章 光纤传感器基本原理
多普勒颈脑血液测速仪
§5.4 结束
第五章 光纤传感器基本原理
§5.5 波长调制机理 Principle of Wavelength Modulation
第五章 光纤传感器基本原理
第五章 光纤传感器基本原理
可渗透的 薄膜容器 装入直径为5～10 mm的聚丙酸脂小 球，并用指示剂将 小球染色
透过率受到外界 物理量的调制
由于指示剂的透明度在红色光谱区域对 pH 值非常敏 感，在绿色区域却与 pH 值无关。所以，当白光由光 纤导入浸泡在被测溶液中的 pH 探头后，经过用指示 济染色的聚丙酸脂小球的散射，得到反映溶液 pH 值 的光信号。
半反射镜
激光器 起偏器
B
光纤
检偏器
透镜
流 体
探测器 分析器
f+f
光纤截面
f
第五章 光纤传感器基本原理 f f 2 f f (cos 1 cos 2 ) c
向后散射光与光纤端面反射光（参考光）经半反射镜，由检偏器
检出相同振动方向的光，探测器检测出端面反射光f与后向散射光f
第五章 光纤传感器基本原理
多普勒效应
由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者 感到频率变化的现象叫做多普勒效应。如果二 者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果 二者远离，观察者接收到的频率减小
波源的振动频率f
观察者测得的频率f'
第五章 光纤传感器基本原理
波源不动,观察者靠近波源:
f ' u＋
信号 处理
第五章 光纤传感器基本原理
Hale Waihona Puke Baidu
光纤波长调制传感器应用
光纤波长调制技术主要应用于医学、化学等领域。 例如，对于人体血气的分析， pH值检测，指示剂 溶液浓度的化学分析，磷光和荧光现象分析，黑 体辐射分析等。
第五章 光纤传感器基本原理
1、光纤pH测量技术
主要的 pH值测定方法有：酸碱指示剂法、 pH试 纸法、pH计测量法等。 光纤pH值传感器是一种 pH计，是利用化学指示 剂对被测溶液的颜色反应来测量溶液的pH值。
第五章 光纤传感器基本原理
采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中多种因素 所造成的误差。取绿光 (1=558nm)作为参考光，红光 (2 ＝630 nm)作调制检测光，探测器接收到的绿光与红光强 度的吸收比值为R，pH值与R的关系为
半反射镜
激光器 起偏器
B
光纤
检偏器
透镜
流 体
探测器 分析器
f+f
光纤截面
f
第五章 光纤传感器基本原理
光纤多普勒系统的局限性
多普勒测速系统检测可以达到的体积或探测深度。 通常，当距光纤端面距离超过 a ／ tg 处的散射场， 耦合回光纤的功率已经衰减至很难检测的程度。这 样。探测媒质的最大穿透深度只有几个光纤芯半径 的量级，对于大衰减媒质的穿透深度只有两个纤芯 半径。一般，多普勒探测器最大只能实现液体中几 毫米处粒子的运动速度测量， 只适用于携带粒子的流体或 2a 混浊体中悬浮物质的速度测 量。速度测量范围mm/s~m/s。
波长调制光纤传感器
波长调制光纤传感器是利用传感探头的光谱特性随 外界物理量变化的性质来实现被测参数的测量。
被 测 信 号
S
光谱仪
波长调 制器
信号 处理
第五章 光纤传感器基本原理
波长调制光纤传感器工作原理
Pi ( )
Pi ( )
被 测 信 号
S(t)
得到Po ( )
得到S (t)
光谱仪
波长调 制器 P o ( )
u u T f f f
u f ' f ' u u
T
第五章 光纤传感器基本原理 S为光源，P为运动物体，Q为 观察者所处的位置，若物体 P 的运动速度为 υ ，其运动方向 如图所示，则从 S 发出的光频 率f , 运动物体接收到的频率为 f1，它们之间有如下关系：
根据上式，可以设计出多普勒光纤流速、流量测量 传感器
多普勒光纤流速测量技术 第五章 光纤传感器基本原理
设光源频率为f，经半反射镜进入光纤射入到被测流体，
当流体以速度υ 运动时，根据多普勒效应，其向后散射
光的频率为f +Δ f 或f –Δ f （视流向而定）
f f 2 f f
c
(cos 1 cos 2 )
u＋ u＋ f u/ f u
u＋ f ' f u
u
观察
观察者不动，波源运动
第五章 光纤传感器基本原理
S
S
'
A
uT
波源以速度 运动，在一 个周期T内由S点运动到S’ 点。这相当于把声源静止 时的波长 ，由于声源的 运动而被压缩在S'A之间了, S 波长变为：
T
x
uT
S光源
1
P物体
2
Q
u cos 1 f1 f u
第五章 光纤传感器基本原理 经运动物体P散射后，观察者在Q处观察到的运动物 体反射的光频率f2为 S光源 P 物体 u u cos1 f2 f1 f u－cos 2 u－cos 2 1 2 (u cos1 )(u＋cos 2 ) f 2 2 2 u cos 2 Q 2 (u cos1u＋cos 2u ) f 2 u [1 (cos1＋cos 2 )] f u
第五章 光纤传感器基本原理
可渗透的 薄膜容器 装入直径为5～10 mm的聚丙酸脂小 球，并用指示剂将 小球染色
光信号由光纤导出进入旋转的双色滤光器，从而使 红光和绿光交替地投射到光电二极管探测器上，通 过信号处理系统把这两种颜色 ( 波长 ) 的光强信号的 比值测量出来．测量结果直接反映被测溶液的pH值。
光纤传感技术
Optical fiber sensors
第
五
章
opticalfibersensors 光纤传感器基本原理
Fundamental of Optical Fiber Sensor
第五章 光纤传感器基本原理
§5.4 频率调制机理
第五章 光纤传感器基本原理
一、频率调制光纤传感器的基本原理
利用外界作用改变光纤中光的频率，通过 检测光纤中光的频率的变化来测量各种物 理量,这种调制方式称为频率调制。频率调 制技术目前主要利用多普勒效应来实现
第五章 光纤传感器基本原理
提高光纤多普勒系统的探测深度的方法
流体
虚像 F
光纤
F´
d d<f
第五章 光纤传感器基本原理
多普勒颈脑血液测速仪
§5.4 结束
第五章 光纤传感器基本原理
§5.5 波长调制机理 Principle of Wavelength Modulation
第五章 光纤传感器基本原理
第五章 光纤传感器基本原理
可渗透的 薄膜容器 装入直径为5～10 mm的聚丙酸脂小 球，并用指示剂将 小球染色
透过率受到外界 物理量的调制
由于指示剂的透明度在红色光谱区域对 pH 值非常敏 感，在绿色区域却与 pH 值无关。所以，当白光由光 纤导入浸泡在被测溶液中的 pH 探头后，经过用指示 济染色的聚丙酸脂小球的散射，得到反映溶液 pH 值 的光信号。
半反射镜
激光器 起偏器
B
光纤
检偏器
透镜
流 体
探测器 分析器
f+f
光纤截面
f
第五章 光纤传感器基本原理 f f 2 f f (cos 1 cos 2 ) c
向后散射光与光纤端面反射光（参考光）经半反射镜，由检偏器
检出相同振动方向的光，探测器检测出端面反射光f与后向散射光f
第五章 光纤传感器基本原理
多普勒效应
由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者 感到频率变化的现象叫做多普勒效应。如果二 者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果 二者远离，观察者接收到的频率减小
波源的振动频率f
观察者测得的频率f'
第五章 光纤传感器基本原理
波源不动,观察者靠近波源:
f ' u＋
信号 处理
第五章 光纤传感器基本原理
Hale Waihona Puke Baidu
光纤波长调制传感器应用
光纤波长调制技术主要应用于医学、化学等领域。 例如，对于人体血气的分析， pH值检测，指示剂 溶液浓度的化学分析，磷光和荧光现象分析，黑 体辐射分析等。
第五章 光纤传感器基本原理
1、光纤pH测量技术
主要的 pH值测定方法有：酸碱指示剂法、 pH试 纸法、pH计测量法等。 光纤pH值传感器是一种 pH计，是利用化学指示 剂对被测溶液的颜色反应来测量溶液的pH值。
第五章 光纤传感器基本原理
采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中多种因素 所造成的误差。取绿光 (1=558nm)作为参考光，红光 (2 ＝630 nm)作调制检测光，探测器接收到的绿光与红光强 度的吸收比值为R，pH值与R的关系为