强度调制机理

• 2.赛格纳克光纤干涉仪 • 激光器输出的光由分束器分为反射和透射两部分， 这两束光由反射镜的反射形成传播方向相反的闭 合光路，然后在分束器上会合，被送入光探测器 中，同时也有一部分返回激光器。在这种干涉仪 中，把任何一块反射镜在垂直方向上移动，两光 束的光程变化都是相同的。因此，根据光束干涉 原理，在光探测器上探测不到干涉光强的变化。
5.2.1 反射式强度调制
• 这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传 光作用。这里光纤分为两部分，即输入光纤和输 出光纤，亦可称为发送光纤和接收光纤。这种传 感器的调制机理是输人光纤将光源的光射向被测 物体表面，再从被测面反射到另一根输出光纤中， 其光强的大小随被测表面与光纤间的距离而变化。 在距光纤端面d的位置放有反光物体——平面反射 镜，它垂直于输入和输出光纤轴移动，故在平面 反射镜之后相距d处形成一个输入光纤的虚像。
第 5 章 光纤传感技术
5.1 引言
5.2 强度调制机理
5.3 相位wk.baidu.com制机理
5.4 光纤位移传感器
5.5 光纤表面粗糙度传感器
5.6 光纤加速度传感器
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5.1 引言
光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。
在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。
显然，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界干扰越小越 好。但是，在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素
光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光
纤仅作为传输介质，传输来自远外或难以接近场所的光信 号．所以也称为传光型传感器．或混合型传感器。 光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制 光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、
偏振调制光纤传感器和波长(颜色)调制光纤传感器。
光纤传感器的分类
• Io也作同样的调制，信号处理电路再检测出 调制信号，就得到了被测信号。强度调制 的特点是简单、可靠、经济。强度调制方 式很多、大致可分为以下几种：反射式强 度调制、远射式强度调制、光模式强度调 制以及折射串和吸收系数强度调制等等。 一般透射式、反射式和折射率强度调制称 为外调制式，光模式称为内调制式。
• 1. 迈克尔逊光纤干涉仪 • 由单色光源s发出的光经分束镜后，得到光强相等的 两束光。其中一束光由的上表面进入，再从下表面 反射穿过后，垂直射入到固定的反射镜上，经过反 射后再通过射入到目镜L。第二束光是入射光束透过 后形成的。它垂直入射在可移动反射镜上，经过反 射后，在的下表面反射入目镜L。由于第一束光穿过 三次，而第二束光只经过一次，为了补偿这种差别， 在第二束光的路程中再放入一块补偿板，这样第二 束光也在和中经过三次，从而补偿了光程。当两反 射镜到分束器间的光程差小于激光器的相干长度时， 射到光探测器上的两相干光束便产生干涉，干涉光 强由式(2-3) 确定。两相干光的相位差为
5.2.2 透射式强度调制
• 发射光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在移 动的遮光板上，或直接移动接收光纤，使接收光 纤只能收到发射光纤发出的部分光，从而实现光 强调制。下图所示为动光纤式光强调制模型，用 来测量位移、压力、温度等物理量。
5.3 相位调制机理
• 相位调制光纤传感器的基本传感原理是：通过被 测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生 变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强 变化，从而检测出待测的物理量。光纤中光的相 位由光纤波导的物理长波、折射率及其分布、波 导横向几何尺寸所决定，可以表示为k0nL．其中 k0为光在真空中的被数，n为传播路径上的折射率， L为传播路径的长度。一般说，应力、应变、温度 等外界物理量能直接改变上述三个波导参数，产 生相位变化，实现光纤的相位调制。但是，如前 所述，目前的各炎光探测器都不能敏感光的相位 变化，必须采用于涉测量技术，才能实现对外界 物理量的检测。
2L是两相干光 • 式中，k0 是光在空气中的传播常数； 的光程差。则可动反射镜每移动长度，光探测器 的输出就从最大值变到最小值，再变到最大值， 即变化一个周期。如果使用激光器，这种技术能 检测级的位移。 • 为了克服空气受环境条件影响的空气光程的变化， 可考虑用全光纤干涉仪结构。图2.2.2 表示了全光 纤迈克尔逊干涉仪的结构。图中以一个3dB耦合 器取代了分束器，光纤光程取代了空气光程，而 且以敏感光纤作为调制元件。这种全光纤结构不 仅避免了非待测场的干扰影响，而且免除了每次 测量要调光路准直等繁琐的工作，使其更适于现 场测量，更接近实用化。
• 但是，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，且平台以角 速度转动是，根据赛尼纳克效应，两束传 播方向相反的光束到达光探测器的延迟不 同，若平台以顺时针方向转动，则在逆时 针方向传播的光较顺时针方向传播的光延 迟。这个延迟量可表示为
• 光纤传感器技被测对象的不同、又可分为 光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤 浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速 传感器等。
5.2 强度调制机理
• 强度调制光纤传感器的基本原理是待测物 理量引起光纤中的传输光光强变化，通过 • 检测光强的变化实现对待测量的测量。一 恒定光源发出的强度为 Pi的光注入传惑 头．在传感头内，光在被测信号的作用下 其强度发生变化，即受到了外场的调制， 使得输出光强Po的包络线与被测信号的形 状一样，光电探测器测出的输出电流
5.3.1 光纤干涉仪
• 在光波的干涉测量中，传播的光波可能是两束或 多束相干光。例如，设有光振幅分别为A1和A2的 两个相干光束。如果其中一束光的相位出于某种 因素的影响受到调制，则在干涉域中产生干涉。 干涉场中各点的光强可表示为
• 式中， 是相位调制引起的两相干光之间的相位 差。如果检测出干涉光强的变化，则可确定两光 束间相位的变化，从而得到待测物理量的大小。
影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤
光波参数如光强、相位、频率、侗振、波长等的变化。因此， 人们发现如果能测出光波参数的变化，就可以知道导致光波 参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。
5.1 光纤传感器的分类
光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。功能 型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件， 所以也称传感型光纤传感器，或全光纤传感器。非功能型