第二章光纤检测技术

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光纤传输的波动理论


光在光纤中的传输符合电磁波的传输理论，光纤的 传输特性也应该用电磁的波导理论来解释。 电磁场波动方程：
2 Ek E 0 2 2 H k H 0
2
上述方程的解由贝 塞尔函数等组成，贝 塞尔函数的第一个非 零解就是区分光纤波 导是单模还是多模工 作的条件。
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a)全反射条件
以突变型光纤说明。纤芯折射率为n1， 包层的折射率为n2。 光从光密介质进入光疏介质时，随着入 射角的增大，折射角也增大，当折射角为 90°时，折射消失，这时的入射角称为临 界角 c 。
sin sinc
n2 c arcsin n1
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2) 光纤传输的波动理论

激光传输的光斑现象
出现光强集中的光斑，几何光学无法解释
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光的本质

光的经典本质
麦克斯韦电磁理论

光的量子本质
光量子理论

单色平面波
等相位面为平面的电磁波称为平面波 等相位面为球面的电磁波称为球面波 它们是电磁波的基元波。
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3) 受抑全反射光强调制
端面磨成特定角度的两根光纤，当端面十分靠近时，大部分光 能从一根光纤耦合到另一根光纤。当一根光纤固定，另一根光纤随 外界因素移动，由于两光纤端面之间的间距的改变，其耦合效率会 随之变化，通过测量光强的变化，可测得位移的大小。这种耦合器 灵敏度极高，最大缺点就是需要精密机械调整和固定。
1 聚碳酸酯薄膜
2 可动变形板
3 固定变形板
4、5 光纤
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2) 光强外调制技术

将一根固定光纤和隔开一小段距离的可移动光纤组合， 就能构成光强度调制器，
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光强外调制技术

在两根大芯径多模光纤之间放置一对线光栅。当两光栅 相对平行移动时，透射光强度发生变化。 当两光栅所处的位置正好是全透过部分和不透过部分重 合，这时将没有光透过光栅，输出光强为零。 可见输出光强将随两光栅的相对位移成周期性变化。假 设两个光栅的间距为5μm、格子宽5μm的栅元组成，则透 射光强如图所示。
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差动式光纤微弯传感器

图中△Va表示光纤A在传感器的调制下输出电压变化量;△Vb表示 光纤B在传感器的调制下输出电压变化量。
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微弯式水听器原理

光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、 混响、海底声学特性、目标声学特性等的监测。 光纤水听器与传统水听器相比，在未来的声纳系统中 作为接收阵列显示了更大的吸引力。
光源
传输光纤
接收光纤
探测器
被测面 反射式位移传感器
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反射光强与位移的关系如右图所示。 当位移d相对光纤直径r较小时（d<<r），反射光 强如图的峰值的左边；当位移较大（d>>r）时， 反射光强如图的峰值的右边
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3.2 波长调制型传感器
光纤检测技术
1. 光纤结构和类型
① 光纤的结构 纤芯的折射率比包层稍高，光能量主要在纤芯内传输。 包层为光的传输提供反射面和光隔离。 纤芯的折射率为n1，包层的折射率为n2， 则光能量在纤芯内传输的必要条件为n1>n2。
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1
② 光纤的类型
根据制造材料分：
石英系光纤； 多组分玻璃光纤； 塑料包层石英芯光纤； 全塑料光纤和氟化物光纤等
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光栅制作示意图
相位掩模法制作光栅示意图
全息法在光纤内制作光 纤布拉格光栅的示意图
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光纤光栅传感器
均匀周期光纤光栅的折射 率分布
光栅周期改变时反射波长 发生变化
新型温度传感器增敏结构
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各种光栅类型
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模的物理意义

在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的平面 波和沿垂直方向（剖面方向）传播的平面波。沿剖面 方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上将产生反射。 如果此波在一个往复（入射和反射）中相位变化为2π 的整数倍，就会形成驻波。只有能形成驻波的那些特 定角度射入光纤的光才能在光纤内传播，这些光波就 称为模。
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光纤压力传感器
光路中有两块光栅，一块固定，一块通过膜片传感压力而移 动，利用光栅对光强进行调制，从而提高测量精度，光栅常数 越小，灵敏度越高。
动光栅式光纤压力传感器
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球透镜位移及压力传感器

利用球透镜位移传感器制成 的差动式压力传感器
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c) 时间延迟（模式色散）

不同的入射角会不同的光线传输延迟，在最大入射 角 c 和最小入射角之间的时间延迟差近似为：
Ln1 2 nL L c ( NA) 2 1 n 2c 2n1c c
这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。
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单模和多模传输

光波导中总的电磁场分布可由这些可能存在的模式线 性叠加来表示 ，用V参数来反映在某些特定边界条件 下，解的个数，即模数。阶跃光纤V为：
V 2
0
2 2 a n n 1 2


当V≤2.405时，光纤内部仅存在一个模式，这就是单 模光纤传输。 V与纤芯直径有关，和纤芯和包层的折射率有关

a 阶跃光纤： T l
n2 (0 ) n2 (a) 式中：a—光纤纤芯半径， 2n2(0)
，
n(0)—纤芯轴线处折射率， n(a)—纤芯半径处折射率
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光纤微弯传感器光强检测原理
光纤微弯式传感器检测原理示意 (a)亮场检测 (b)暗场检测
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E E E E y x y 2 x 2 c o s ( ) s i n ( ) x y x y E E E E o 0 x 0y 0 x y
2 2
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振动面和偏振面
E始终在同一方位的平面内变化，这个平面叫振动面，垂直于
注：模式总数计入了两种独立偏振态
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3) 光波的矢量性
考虑电场振幅的矢量性。电场矢量的取向性就是所谓波的 偏振性 可以证明E矢量的矢端轨迹方程为： 一般的椭圆方程。如果 x y 完全随机变化，椭圆的 取向也随机变化，这是自然光的情况。如果x y 为常数， 则就成为偏振光
FFP滤波器基本结构
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3.3 偏振态调制型光纤传感器


平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生 偏转，这种现象称为法拉第磁光效应。 光矢量旋转角 :
V H dl VHL
0
L
式中 V——正常光折射率； L——物质中的光程； H——磁场强度。
1) 光纤光栅传感器
光纤光栅传感器是利用反射（或透射）谱的波长变化来实现物 理量的测量，其反射（透射）谱的波长与光栅的折射率调制周期 及纤芯的有效折射率有关。当外界温度和应变变化时会影响光纤 光栅的折射率调制周期和纤芯折射率变化，从而引起光纤光栅的 反射（透射）谱峰值波长的移动，这就是光纤光栅传感器的基本 工作原理
1 s i n n 1 a
n 0

上式中：n0为空气的折射率。 i n 一般令 n 0s m n ，称为光纤的数值孔径。通常也标记为NA。
n n 2 n n12 n2 (n1 n2 )(n1 n2 ) 2n12 1 2 n1 2 n1
该平面的平面叫偏振面
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圆偏振光

在很多和光有关的检测中，都与偏振光有关。比如光 的调制，光的干涉等。
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布儒斯特角

布儒斯特角等于两种介质的 折光率之比的反正切：
n2 B arctan n1
以布儒斯特角入射的自然光 其反射光中没有平行分量，反 射光成为线偏振光。
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3. 光纤传感技术

光纤传感器可分为两大类：

传感型： 传光型：
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光纤传感器的主要特点
1. 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全
2. 灵敏度高
3. 重量轻、体积小、外形可变 4. 测量对象广泛 5. 对被测介质影响小 6. 便于复用，便于成网 7. 成本低
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光纤的磁光效应的最典型的应用是电流传感 器，导线中通过电流为I，由安培环流定律，可 得在距轴线R处的磁场为： I H 2R 根据前面磁场与偏转角的关系，可得电流与偏 转角的关系： 2R
I
I
VL
P1
光源
光纤
P2 WP
探测器1 探测器2
I1
I2
I1 I1
（a）均匀光纤光栅（b）啁啾光纤光栅（c）高斯变迹光纤光栅（d）升余弦 变迹光纤光栅（e）相移光纤光栅（f）超结构光纤光栅（g）倾斜光纤光栅
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光纤光栅传感器
光纤边带滤波：FFP腔的腔长d对入射光的波长具有选择作用， 在一定范围内不同波长的光经FFP腔后其反射的光强是不同的。
n 2 n 1
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b)数值孔径
光纤中的光线传输必须满足全反射条件，从几何关系上可 2 求得： b n 2
2 2 s i n n s i n n n 在光纤的端面上，根据折射定律：n 0 m 1 1 2 可得： 1 2 2 a r c s i n n n m 1 2
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随V增大的总传输模数
V值范围 0~2.4048 2.4048~3.8317 3.8317~5.1356 5.1356~5.5201 5.5201~6.3802 6.3802~7.0156 7.0156~7.5883 7.5883~8.4172 总传输模数n 2 6 12 16 20 24 30 34
受抑全反射光强调制结构
受抑全反射光强调制响应曲线
受抑全反射式压力传感器
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4) 反射光强调制型光纤传感器

反射式位移传感器 ，其基本原理如图所示。光源发出 的光通过光纤射向被测物体，其反射光由接收光纤收 集，送到探测器，接收光强将随着反射物体表面与光 纤探头端面的距离变化。通过信号处理得到光纤端面 与被测面之间距离的变化（位移）。
根据折射率分布情况分： 突变型(SI)多模光纤； 渐变型(GI)多模光纤； 根据传输模式分：
单模光纤 双模光纤
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2.光纤传输原理 1) 几何光学方法：
分析光纤的传输原理，需要求解波动方程。但可 以用几何光学近似分析。 当光线以较小的入射角，由光密媒质进入光疏媒 质时，一部分光线被反射，另一部分折射入光疏媒 质。如图所示。折射角满足斯奈尔（Snell）定律。
主要有以下几种：
微弯传感、光纤耦合传感、光纤吸收传感等
1) 光纤微弯传感器
利用微弯损耗来探测外界物理 量的变化。
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光纤微弯调制原理
微弯传感器的关键在于设计合理的微弯周期，保证传感 器的灵敏度，不同类型光纤有不同微弯周期。
l 自聚焦光纤：T
2 a 2
2
a
I2 I2
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偏振检测方法
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3.4 相位调制型光纤传感器
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光纤传感器的分类

根据被测量对光波的调制方式可分为：
1. 光强调制型 2. 相位调制型
3. 偏振态调制型
4. 波长调制型 5. 光谱调制型
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3.1 光强调制型光纤传感器
利用光纤中光强的变化来探测外界物理量的光纤传感器 称为光强调制型光纤传感器。探头结构一般也不复杂，被 测对象十分广泛。其缺点是抗干扰能力较差，这主要是由 于光纤中的光强容易受光纤振动、弯曲等的影响。