第5章偏振调制型传感器.
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光纤传感器的基本原理
各向异性晶体中的普克耳效应是一种重要 的电光效应。当强电场施加于光正在穿 行的各向异性晶体时，所引起的感生双 折射正比于所加电场的一次方，称为线 性电光效应，或普克耳效应。
• 非功能型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，传输来自远处或难以接近场所的 光信号．所以也称为传光型传感器．或 混合型传感器。
在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：
光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为
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 波长(颜色)调制光纤传感器
• 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(558nm)作为 调制检测光，红光(630 nm)作参考光，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
式中．c、k为常数；L为试剂长度, Δ＝pH—pK，其中 pH是酸碱度, pK是酸碱平衡常数。
5.2 光纤磷光探测技术
x射线、γ射线等辐射线会使光纤材料的吸 收损耗增加，使光纤的输出功率降低， 从而构成强度调制辐射量传感器。改变 光纤材料成分可对不同的射线进行测量。 如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、 γ 射线、中子射线最敏感，用这种方法做 成的传感器既可用于卫星外层空间剂量 的监测，也可用于核电站、放射性物质 堆放处辐射量的大面积监测。
• 作业
1、由图5-2的几何关系推导出下列关系式
2、由图5-2，已知光纤芯直径为2r＝200um， 数据孔径NA=0.5，光纤间距a=100um。若取 函数F(d)的最大斜率处为该系统的灵敏度， 则耦合功率F随d变化速率为何值？
5.2.3 光模式强度调制
当光纤之间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其 中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，
• 非功能型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，传输来自远处或难以接近场所的 光信号．所以也称为传光型传感器．或 混合型传感器。
在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：
光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为
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 波长(颜色)调制光纤传感器
• 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(558nm)作为 调制检测光，红光(630 nm)作参考光，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
式中．c、k为常数；L为试剂长度, Δ＝pH—pK，其中 pH是酸碱度, pK是酸碱平衡常数。
5.2 光纤磷光探测技术
x射线、γ射线等辐射线会使光纤材料的吸 收损耗增加，使光纤的输出功率降低， 从而构成强度调制辐射量传感器。改变 光纤材料成分可对不同的射线进行测量。 如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、 γ 射线、中子射线最敏感，用这种方法做 成的传感器既可用于卫星外层空间剂量 的监测，也可用于核电站、放射性物质 堆放处辐射量的大面积监测。
• 作业
1、由图5-2的几何关系推导出下列关系式
2、由图5-2，已知光纤芯直径为2r＝200um， 数据孔径NA=0.5，光纤间距a=100um。若取 函数F(d)的最大斜率处为该系统的灵敏度， 则耦合功率F随d变化速率为何值？
5.2.3 光模式强度调制
当光纤之间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其 中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，
高中物理选择性必修件第五章认识传感器
时间测量
在物理实验中，常常需要 精确测量时间，如使用光 电门传感器测量物体通过 某一点的时间。
验证物理定律实验
牛顿第二定律验证
通过加速度传感器测量物体的加 速度，结合已知的质量和合外力
，验证牛顿第二定律。
动量守恒定律验证
在碰撞实验中，使用速度传感器分 别测量碰撞前后两物体的速度，从 而验证动量守恒定律。
流量传感器
监测管道中液体或气体的流量，实现精确的流量 控制，保证生产过程的稳定性和效率。
环境保护领域应用
空气质量传感器
监测大气中的PM2.5、PM10、二氧化硫、氮氧化物等有害物质的 含量，为环境保护提供数据支持。
水质传感器
用于监测水体中的PH值、溶解氧、浊度、重金属离子等参数，评估 水环境质量。
高中物理选择性必修件第五章 认识传感器
汇报人：XX
20XX-01-19
CONTENTS
• 传感器概述 • 传感器技术基础 • 常见传感器类型及其工作原理 • 传感器在物理实验中的应用 • 传感器在日常生活和工业生产
中的应用 • 传感器技术发展趋势与挑战
01
传感器概述
定义与分类
传感器定义
传感器是一种能够将非电学量（ 如温度、压力、光强等）转化为 电学量（如电压、电流等）的装 置。
应用领域
传感器广泛应用于工业自动化、环境监测、医疗诊断、智能家居等领域。
重要性
传感器技术的发展对于推动科技进步、提高生产效率和生活质量具有重要意义 ，是现代信息技术的重要组成部分。
02
传感器技术基础
敏感元件及转换电路
敏感元件
指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，如热敏电阻、光敏 电阻等。
转换电路
第五章光纤传感基本原理-频率调制
m
1,2,
光纤传感器基本原理
5.6 偏振调制机理
线偏振光，光波的光矢量方向始终不变，只是它的大小随 相位改变。光矢量与光的传播方向组成的平面为线偏振光的振 动面。
圆偏振光，光矢量大小保持不变，而它的方向绕传播方向 均匀地转动，光矢量末端的轨迹是一个圆。
椭圆偏振光，光矢量的大小和方向都在有规律地变化，且光 矢量的末端沿着一个椭圆转动。
黑体光谱辐射能量密度、 温度及波长三者之间的关系。
5.5.3 光纤黑体探测技术
光纤传感器基本原理
光纤黑体探测技术，就是以黑体做探头，利用光纤传输热辐射波， 不怕电磁场干扰，质量轻，灵敏度高，体积小，探头可以做到0.1mm。
光纤传感器基本原理
5.5.4 光纤法布里-珀罗滤光技术
0 m
2nd cos m /
FL 108
可检测到信号
5.4.2 光纤多普勒系统的局限性
光纤传感器基本原理
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
速度虚测像量半，径只ri适 a用du 于携带粒子的流体或混浊体中悬浮物质的速度 测量数。值速孔度径测NA量i 范NA围du 为μm/s～m/s，相应的频偏为Hz-MHz。
ne n0 0kE2
非寻常光折射率
寻常光折射率
大多数情况下，ne-n0＞0
光纤传感器基本原理
5.6.2 克尔效应
不加外电场，无光通过，克尔盒关闭；加外电场，有光通过，
克尔盒开启。
光程差：
ne
n0
l
k
0
U d
2
l
N1、N2相互垂直，与 电场分别成±45°。
相位差：
2
kl
U d
2
光纤传感技术课件：偏振态调制型光纤传感器
21
偏振态调制型光纤传感器
这样， 为了获得大的法拉第效应， 可以将放在磁场中的 法拉第材料做成平行六面体， 使通光面对光线方向稍偏离垂 直位置， 并将两面镀高反射膜， 只留入射和出射窗口。 若光 束在其间反射N次后出射， 那么有效旋光厚度为Nl， 偏振面的 旋转角度就提高N倍。 法拉第效应是偏振调制器的基础， 利 用法拉第效应可制作光纤电流传感器。
偏振态调制型光纤传感器
偏振态调制型光纤传感器
6.1 偏振态调制型传感原理 6.2 偏振态调制光纤传感器应用实例
1
偏振态调制型光纤传感器
6.1
偏振态调制型光纤传感器是有较高灵敏度的检测装置。 它比高灵敏度的相位调制光纤传感器的结构简单且调整方便。 偏振态调制型光纤传感器通常基于电光、 磁光和弹光效应， 通过敏感外界电磁场对光纤中传输的光波的偏振态的调制来检 测被测电磁场参量。 最为典型的偏振态调制效应有Pockels效 应、 Kerr效应、 Faraday效应， 以及弹光效应（原理介绍详见 第一章1.3.4节）。
此时， 检偏镜的透射光强度 I 与起偏镜的入射光强度I0 之间的关系可由下式表示：
(6.1-11)
16
式中， 半波电压Uλ/2可表示为
偏振态调制型光纤传感器
(6.1-12)
利用克尔效应可以构成电场、 电压传感器， 其结构类 似于图6-1。
17
偏振态调制型光纤传感器
6.1.4 Faraday
物质在磁场的作用下使通过的平面偏振光的偏振方向发 生旋转， 这种现象称为磁致旋光效应或法拉第(Faraday)效应。
9
偏振态调制型光纤传感器
10
偏振态调制型光纤传感器
6.1.3 Kerr
Kerr效应也称为二次（或平方）电光效应， 它发生在一
偏振态调制型光纤传感器
这样， 为了获得大的法拉第效应， 可以将放在磁场中的 法拉第材料做成平行六面体， 使通光面对光线方向稍偏离垂 直位置， 并将两面镀高反射膜， 只留入射和出射窗口。 若光 束在其间反射N次后出射， 那么有效旋光厚度为Nl， 偏振面的 旋转角度就提高N倍。 法拉第效应是偏振调制器的基础， 利 用法拉第效应可制作光纤电流传感器。
偏振态调制型光纤传感器
偏振态调制型光纤传感器
6.1 偏振态调制型传感原理 6.2 偏振态调制光纤传感器应用实例
1
偏振态调制型光纤传感器
6.1
偏振态调制型光纤传感器是有较高灵敏度的检测装置。 它比高灵敏度的相位调制光纤传感器的结构简单且调整方便。 偏振态调制型光纤传感器通常基于电光、 磁光和弹光效应， 通过敏感外界电磁场对光纤中传输的光波的偏振态的调制来检 测被测电磁场参量。 最为典型的偏振态调制效应有Pockels效 应、 Kerr效应、 Faraday效应， 以及弹光效应（原理介绍详见 第一章1.3.4节）。
此时， 检偏镜的透射光强度 I 与起偏镜的入射光强度I0 之间的关系可由下式表示：
(6.1-11)
16
式中， 半波电压Uλ/2可表示为
偏振态调制型光纤传感器
(6.1-12)
利用克尔效应可以构成电场、 电压传感器， 其结构类 似于图6-1。
17
偏振态调制型光纤传感器
6.1.4 Faraday
物质在磁场的作用下使通过的平面偏振光的偏振方向发 生旋转， 这种现象称为磁致旋光效应或法拉第(Faraday)效应。
9
偏振态调制型光纤传感器
10
偏振态调制型光纤传感器
6.1.3 Kerr
Kerr效应也称为二次（或平方）电光效应， 它发生在一
第5章-偏振调制型传感器
no=1.51，λ=546nm时，半波电压 V 7.6 103 V 比克尔盒要求的电压低得多
➢ 磷酸二氢胺（NH4H2PO4，ADP）
开关响应时间也极短
➢ <10-9s，可用作超高速开关，激光调Q，显示技 术，数据处理…
旋光效应－磁致旋光效应
磁致旋光(magnetic opticity)
l 2 l kV 2 d
d l
克尔盒
k 时 ，克尔盒相当于半波片－P2透光最强
硝基苯 k 1.44 101，8m设2 / Vl =2 3cm，d = 0.8cm， 则λ=
600nm，
V 2 104 V
优点：响应时间10-9s－用于光开关、高速摄影、
激光通讯、光速测距、脉冲激光系统（作为Q开关）
载流导线
检偏器
记录显示器
光纤电流传感器原理示意图
光纤电流传感器
y
E
P
振动面偏转角仅与电流 I 有关
V L
I
J
设：
2 r
x
检偏器方向设置
➢ 载流导线中的电流 I＝0 时，线偏振光振动方向在检偏器
处的与y 轴平行，检偏器P（普通检偏器）的方位为φ；
➢ I≠0 时的方位为θ，在P上的投影（即光探测器的输出信号 强度）为J，则
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
双折射
各向异性介质中，一束入射光常有被分解为两束的现象
注意，这种现象不是因为不同频率的光在介质中的折射
率不同而产生的。 o光（寻常光）：对于任意的入射角，其入射角的正弦与
折射角的正弦值比为一常数（即通常所说的折射率）； e光（非寻常光）：若其入射角的正弦与折射角的正弦值
➢ 磷酸二氢胺（NH4H2PO4，ADP）
开关响应时间也极短
➢ <10-9s，可用作超高速开关，激光调Q，显示技 术，数据处理…
旋光效应－磁致旋光效应
磁致旋光(magnetic opticity)
l 2 l kV 2 d
d l
克尔盒
k 时 ，克尔盒相当于半波片－P2透光最强
硝基苯 k 1.44 101，8m设2 / Vl =2 3cm，d = 0.8cm， 则λ=
600nm，
V 2 104 V
优点：响应时间10-9s－用于光开关、高速摄影、
激光通讯、光速测距、脉冲激光系统（作为Q开关）
载流导线
检偏器
记录显示器
光纤电流传感器原理示意图
光纤电流传感器
y
E
P
振动面偏转角仅与电流 I 有关
V L
I
J
设：
2 r
x
检偏器方向设置
➢ 载流导线中的电流 I＝0 时，线偏振光振动方向在检偏器
处的与y 轴平行，检偏器P（普通检偏器）的方位为φ；
➢ I≠0 时的方位为θ，在P上的投影（即光探测器的输出信号 强度）为J，则
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
双折射
各向异性介质中，一束入射光常有被分解为两束的现象
注意，这种现象不是因为不同频率的光在介质中的折射
率不同而产生的。 o光（寻常光）：对于任意的入射角，其入射角的正弦与
折射角的正弦值比为一常数（即通常所说的折射率）； e光（非寻常光）：若其入射角的正弦与折射角的正弦值
第五章-相位调制型光纤传感器PPT课件
➢ 影响相位变化的基础物理效应：
应力应变、温度
萨格纳克(Sagnac)效应
5.3 光纤相位调制机理
光波通过长度为L的光纤，出射光波的相位延迟为
2
L kL
光波在外界因素的作用下，相位的变化为
L
k
k
(
k
Lk
)
L
n
L
a
L
n
a
应变效应或
热胀效应
光弹效应或 泊松效应（灵敏度
➢ 使用方便。封闭式光路，不受外界干扰，减少了
干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，可使干涉
仪小型化。
➢ 灵活多样。光纤本身是传感器的敏感部分，其探
头的形状可按使用要求设计成不同形状。
➢ 对象广泛。不论何种物理量，只要对干涉仪中的
光程产生影响，就可用于传感。
缺点
➢ 需相干光源，单模光纤以及高精度光电检测系统
萨格纳克(Sagnac)干涉仪
法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉仪
常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤
实现的干涉型光纤传感器。
迈克耳逊
（A.A.Michelson）
美籍德国人
迈克耳逊在工作
因创造精密光学
仪器，用以进行
光谱学和度量学
的研究，并精确
测出光速，获
1907年诺贝尔物
理奖。
➢由激光器输出的单
2
I min
透射的干涉光强的最大值与最小值之比
I max 1 R
I min 1 R
2
反射率R越大，干涉光强越显著，分辨力越高。
应力应变、温度
萨格纳克(Sagnac)效应
5.3 光纤相位调制机理
光波通过长度为L的光纤，出射光波的相位延迟为
2
L kL
光波在外界因素的作用下，相位的变化为
L
k
k
(
k
Lk
)
L
n
L
a
L
n
a
应变效应或
热胀效应
光弹效应或 泊松效应（灵敏度
➢ 使用方便。封闭式光路，不受外界干扰，减少了
干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，可使干涉
仪小型化。
➢ 灵活多样。光纤本身是传感器的敏感部分，其探
头的形状可按使用要求设计成不同形状。
➢ 对象广泛。不论何种物理量，只要对干涉仪中的
光程产生影响，就可用于传感。
缺点
➢ 需相干光源，单模光纤以及高精度光电检测系统
萨格纳克(Sagnac)干涉仪
法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉仪
常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤
实现的干涉型光纤传感器。
迈克耳逊
（A.A.Michelson）
美籍德国人
迈克耳逊在工作
因创造精密光学
仪器，用以进行
光谱学和度量学
的研究，并精确
测出光速，获
1907年诺贝尔物
理奖。
➢由激光器输出的单
2
I min
透射的干涉光强的最大值与最小值之比
I max 1 R
I min 1 R
2
反射率R越大，干涉光强越显著，分辨力越高。
光纤传感原理与应用 尚盈 电子课件 第五章.光纤解调技术
5.2 波长解调 5.2.2 滤波解调法
5.2 波长解调 5.2.2 滤波解调法
5.3 频率解调 5.3.1 频率调制基本原理
s O 光学多普勒效应原理
5.3 频率解调 5.3.2光纤多普勒流速测量技术
5.3 频率解调 5.3.2光纤多普勒流速测量技术
光束1 光束2
前方散射形成的干涉条纹
5.3 频率解调
Ⅰ
三角函数象限图
5.4 相位解调 5.4.4 I/Q解调算法
5.4 相位解调 5.4.4 I/Q解调算法
5.4 相位解调 5.4.4 I/Q解调算法
5.5 偏振态解调
5.1 强度解调
强度解调的方案结构简单,适合短距离且信噪比要求不太高的场合,受激光器相位噪声影响较小。强 度解调过程如图5.1所示，先将光信号进行光学滤波,滤除中心波长以外的其他噪声，光电探测器将光信 号转成电信号,将获得的信号进行放大，然后将信号进行滤波，保证只将有用信号进行放大。
强度解调型FBG传感器是通过测量传感FBG的光强或光功率来解调被测参量的传感器,其传感系统 通常由光源、传感头、光信号传输器件和解调模块四部分组成，而解调模块中方案的选择直接决定了系 统成本的高低和系统的精度,是传感系统的关键部分。
在零差方式下,解调电路直接将干涉仪中的相位变化转变为电信号。零差方式又包括主动零差法 (Active Homodyne Method)和被动零差法(Passive Homodyne Method)。
外差方式包括普通外差法、合成外差法和伪外差法。
1.主动零差法
在主动零差法中,需要“主动”地控制干涉仪参考臂的长度,使得干涉仪工作在正交工作点处。常 见的主动零差法包括两种，即主动相位跟踪零差法和主动波长调谐零差法。
第5章 偏振调制型传感器
2 2
E2 1 cos(2 2 ) J E cos ( ) 2 在θ＝0，φ ＝±45º 时，检测灵敏度最高
E2 1 sin( 2 ) J 2
sin( 2 ) 2
NxtPhase
OVT进行-18℃的测试。
（a）
（b）
BSO晶体光纤电场传感器
可构成压力、振动、位移等光纤传感器。
压力与水声传感器
折射系数与声强的关系
材料的光弹性声强检测灵敏度
n3 p 2 I S p n 2 VS3
6 2
1 2
Pyrex玻璃材料
n p M 3 VS
最小可测压差：9.5Pa（理论值为1.4Pa） 在0～500kPa：有良好的线性；测量范围可扩展至2MPa, 动态范围达86dB
光电转换
t
电子式光纤电流互感器
Rogowski Ring 电流母线I
DCБайду номын сангаас源
A/D 调制器
探测器 光源 光纤
Kerr二次电光效应
克尔效应（Kerr effect）(1875年)
克尔盒内充某种液体，如硝基本（C6H5NO2）
不加电场→液体各向同性→P2不透光 P1P2
加外电场→液体呈单轴晶体性质，光轴平行 透光 E P2
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
. . . .
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
. . . .
.
检偏器
双折射
各向异性介质中，一束入射光常有被分解为两束的现象 注意，这种现象不是因为不同频率的光在介质中的折射 率不同而产生的。 o光（寻常光）：对于任意的入射角，其入射角的正弦与 折射角的正弦值比为一常数（即通常所说的折射率）； e光（非寻常光）：若其入射角的正弦与折射角的正弦值 比随入射角而变化。
E2 1 cos(2 2 ) J E cos ( ) 2 在θ＝0，φ ＝±45º 时，检测灵敏度最高
E2 1 sin( 2 ) J 2
sin( 2 ) 2
NxtPhase
OVT进行-18℃的测试。
（a）
（b）
BSO晶体光纤电场传感器
可构成压力、振动、位移等光纤传感器。
压力与水声传感器
折射系数与声强的关系
材料的光弹性声强检测灵敏度
n3 p 2 I S p n 2 VS3
6 2
1 2
Pyrex玻璃材料
n p M 3 VS
最小可测压差：9.5Pa（理论值为1.4Pa） 在0～500kPa：有良好的线性；测量范围可扩展至2MPa, 动态范围达86dB
光电转换
t
电子式光纤电流互感器
Rogowski Ring 电流母线I
DCБайду номын сангаас源
A/D 调制器
探测器 光源 光纤
Kerr二次电光效应
克尔效应（Kerr effect）(1875年)
克尔盒内充某种液体，如硝基本（C6H5NO2）
不加电场→液体各向同性→P2不透光 P1P2
加外电场→液体呈单轴晶体性质，光轴平行 透光 E P2
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
. . . .
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
. . . .
.
检偏器
双折射
各向异性介质中，一束入射光常有被分解为两束的现象 注意，这种现象不是因为不同频率的光在介质中的折射 率不同而产生的。 o光（寻常光）：对于任意的入射角，其入射角的正弦与 折射角的正弦值比为一常数（即通常所说的折射率）； e光（非寻常光）：若其入射角的正弦与折射角的正弦值 比随入射角而变化。
第四章-强度调制型光纤传感器11
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
反射面
LD
Emitting Fiber x
发射光纤像
yo
z
a
2r
PIN
Receiving Fiber
位移方向
d
确定传感器的响应（发射光纤-平面镜-接收光纤的光 路耦合）等效于计算虚光纤与接收光纤之间的耦合
假设发射光纤与接收光纤的间距为d，且都具有阶跃型折射 率分布，芯径为2r，光纤数值孔径为NA，且T tan(sin1 NA)
第四章 强度调制型光纤传感器
➢等芯错位式
4.2 反射式强度调制
✓ TF 与RF1、RF2均相同，芯径为r1、包层厚度为t1， 包层之间无间隙；
✓ TF反射端面与RF1、RF2的接收端面间错位量分 别为b1和b2。
第四章 强度调制型光纤传感器
➢等芯错位式
4.2 反射式强度调制
✓ 可抑制光源功率波动、反射率变化的影响，但对 特性曲线的线性范围、灵敏度改善不明显。
第四章 强度调制型光纤传感器
➢等芯不等间距式
4.2 反射式强度调制
✓ 光强调制特性本质上没有区别。 ✓ Ⅰ式由于光纤之间紧密排列，因而光轴间距容
易准确确定，仅由光纤芯径和包层决定；Ⅱ式 由于光纤包层之间存在间隙，因此光纤的间距 不容易准确给定，容易引入测量误差；
实际应用中采用Ⅰ式结构
第四章 强度调制型光纤传感器
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
发射光纤 接收光纤
反射式光纤传感器的基本结构
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。
• 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
第 5 章 光纤传感技术
5.1 引言
5.2 强度调制机理
5.3 相位调制机理
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
பைடு நூலகம்
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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
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。
偏振调制型传感器
l
d
克尔盒
Kerr盒
ne no kE 2 2
45 P1
+
P2 45
l
d
kV 2 k ne no l 2 l d
克尔盒
2
k 时，克尔盒相当于半波片－P2透光最强 硝基苯 k 1.44 10 18 m2 / V 2 ，设l =3cm，d = 0.8cm， 则λ= 600nm， V 2 104 V 优点：响应时间10-9s－用于光开关、高速摄影、 激光通讯、光速测距、脉冲激光系统（作为Q开关） 缺点：如硝基苯有毒，易爆炸，需极高纯度和高电 压，故现在很少用。
4 光弹效应
在垂直于k方向上施加应力(内应力或外来的机械应力) 双折射
F
·
P1
S
C
P2
有机玻璃
d
干涉
F
片状、插在两偏振片之间，不同地点因（no-ne）不同会 引起o光和e间不同的相位差δ干涉图样。
应力越集中地方，各向异性越强，干涉条纹越细密。 在白光照射下，则显示出彩色的干涉图样。
<10-9s，可用作超高速开关，激光调Q，显示技
术，数据处理…
Kerr二次电光效应
克尔效应（Kerr effect）(1875年)
克尔盒内充某种液体，如硝基苯（C6H5NO2）
不加电场→液体各向同性→P2不透光 透光
45 P1
加外电场→液体呈单轴晶体性质，光轴平行
+
P2 45
45 2 90
··
磁致旋光物质
研究物质结构：结构不同-其碳氢化合物的法拉第
旋转效应也不同 测电流和磁场：在电工测量中，用来测电流和磁 场，特别可制造用于测量超高压电网电流的光纤 电流传感器 磁光调制：光通信技术中，应用磁致旋光效应， 使信号电流产生的光振动面旋转，转化为光的强 度变化，这就是磁光调制
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旋转效应也不同 测电流和磁场：在电工测量中，用来测电流和磁 场，特别可制造用于测量超高压电网电流的光纤 电流传感器 磁光调制：光通信技术中，应用磁致旋光效应， 使信号电流产生的光振动面旋转，转化为光的强 度变化，这就是磁光调制
应用：光纤电流传感器
强度H的磁场中
I
激光器 起偏器 显微物镜 光纤 光探测器
双折射晶体
o光 e光
o光和e光示意图
下图是不同的相位差对应的偏振态
0
4
2
3 4
5 4
2
7 4
2
Pockels 效应（一次电光效应）
线性电光效应 晶体中，两正交的偏振光的相位变化为：
Pockels效应
单晶电光材料
磷酸二氢钾（KH2PO4，简称KDP）
反 射 镜
对自然旋光物质，光顺磁场与逆磁场方向传播， 其振动面旋向相反。
左旋 入射光
反射镜
右旋 反射光
B
反射镜
B
磁旋光物质－光顺磁场与逆磁场方向传播， 其振动面旋向相同。
法拉第效应的应用
··
P
B
M
隔离器 应用很广泛：
45 2 90
··
磁致旋光物质
研究物质结构：结构不同-其碳氢化合物的法拉第
高双折射光纤(拍长=3.2mm)
光纤
耦合器
光纤偏振器
耦合器
光弹效应
在垂直于k方向上施加应力(内应力或外来的机械应力) 双折射
F
·
P1
S
C
P2
有机玻璃
d
干涉
F
片状、插在两偏振片之间，不同地点因（no-ne）不同会 引起o光和e间不同的相位差δ干涉图样。
应力越集中地方，各向异性越强，干涉条纹越细密。 在白光照射下，则显示出彩色的干涉图样。
2 2
E2 1 cos(2 2 ) J E cos ( ) 2 在θ＝0，φ ＝±45º 时，检测灵敏度最高
E2 1 sin( 2 ) J 2
sin( 2 ) 2
NxtPhase
OVT进行-18℃的测试。
（a）
（b）
BSO晶体光纤电场传感器
偏振调制型光纤传感器
Lecture 8-9
内容提要
偏振、双折射与波片
偏振调制和偏振干涉
Pockles电光效应
OCT OVT
旋光效应（法拉第磁光效应）
Kerr效应 光弹效应
偏振光的干涉与光纤偏振干涉仪
压力、水声
偏振与偏振调制
概念：
线偏振光
振动面（E×K ） 偏振面：包含k、垂直于振动面
. . . .
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
线偏振光
. . . .
.
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
线偏振光
. . . .
.
检偏器
起偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
线偏振光
. . . .
.
检偏器
起偏器
两偏振片的偏振化方向相互垂直 光强为零
2
可探测的最小压力： f 2tp0
pmin 2 f h B 2 f eB f I 0 f rI 0
1 2 1 2
2）传感方案、探头设计
3）分析讨论
光纤电压传感器
输入激光
起偏光 纤
电场
保偏光纤 输出至 分束器和探测 器
（a） （b）
晶体
旋光效应
晶体和溶液的旋光性
P1 单轴双折射(o光和e的传播方向和波速都一 P2 样)
垂直于光轴切割出一块平行平面晶片 从偏振 c
片I透出来的线偏振光经过此晶片时偏振状态 石英的旋光现象 没有改变，在偏振片 II之后仍然消光。
BSO晶体
同时具有电光Pockels效应和磁光Faraday效
应；且其温度系数较小
光源 起偏器 电光晶体 检偏器 信号处理
系统结构
V /mV
El I 1 sin * U
光强
电光转换 0 信 号 处 理
2 0 0
4
t
电流导线
光强
0.5
双芯光缆
1.0 E /(kV· cm-1)
可构成压力、振动、位移等光纤传感器。
压力与水声传感器
折射系数与声强的关系
材料的光弹性声强检测灵敏度
n3 p 2 I S p n 2 VS3
6 2
1 2
Pyrex玻璃材料
n p M 3 VS
最小可测压差：9.5Pa（理论值为1.4Pa） 在0～500kPa：有良好的线性；测量范围可扩展至2MPa, 动态范围达86dB
E EL t=0 ER EL E
wt
-wt
ER
(a)
(b)
图6.6-2 同频率左右圆偏振光的叠加
偏振光的干涉
平行偏振光的干涉 汇聚偏振光的干涉
光纤偏振干涉仪
原理：单根高双折射单模光纤－两正交偏振 模式－相移差 比较：
探测器 测温：灵敏度 2.5rad/ （℃· m）<< MZ的~100rad/（℃· m） 信号处理 LED 仪器装置简单，压力灵敏度为M-Z干涉仪的 1/7300，因此有较强的压力去敏作用
设计举例：医用体压计
设计要求
压力范围内：-50～+300mmHg 灵敏度：1mmHg 频率范围：dc～100Hz
解决方案
调研综述 光弹传感器及探头的设计 分析与讨论
1）调研综述、方案确定
探测器端：
t p 2 I I 0 sin p I 0 sin f 2 p0 物质的光弹系数：
人工方法产生旋光性法拉第旋 转（Faraday rotation） 1846年,法拉第发现
隔离器－非互易性即只允许 光从一个方向通过，而不能从 反方向通过的光阀门。在激光 的多级放大装置中 水、二硫化碳、食盐、乙醇等 都是磁致旋光物质
应用
磁光材料
左旋 入射光
反射光
左旋
反 射 镜
I H 2 r
载流导线
检偏器
记录显示器
光纤电流传感器原理示意图
y
光纤电流传感器
振动面偏转角仅与电流 I 有关 设：
E
P
VL I 2 r
J
x
检偏器方向设置
载流导线中的电流 I＝0 时，线偏振光振动方向在检偏器 处的与y 轴平行，检偏器P（普通检偏器）的方位为φ； I≠0 时的方位为θ，在P上的投影（即光探测器的输出信号 强度）为J，则
no=1.51，λ=546nm时，半波电压 V 7.6 103 V 比克尔盒要求的电压低得多
磷酸二氢胺（NH4H2PO4，ADP）
开关响应时间也极短
<10-9s，可用作超高速开关，激光调Q，显示技
术，数据处理…
旋光效应－磁致旋光效应
磁致旋光(magnetic opticity)
Kerr盒
ne no kE 2 2
45 P1
+
P2 45
l
d
kV 2 k ne no l 2 l d
克尔盒
k 时，克尔盒相当于半波片－P2透光最强 硝基苯 k 1.44 10 18 m2 / V 2 ，设l =3cm，d = 0.8cm， 则λ= 600nm， V 2 104 V 优点：响应时间10-9s－用于光开关、高速摄影、 激光通讯、光速测距、脉冲激光系统（作为Q开关） 缺点：如硝基苯有毒，易爆炸，需极高纯度和高电 压，故现在很少用。
圆偏振光、椭圆偏振光 部分偏振光、全偏振光 常用：电光、磁光、光弹等物理效应进行调制。 注：光的振动方向通常是指电场矢量 E的方向
偏振调制传感器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光 线偏振光
.
. . . .
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
线偏振光
.
' Cd
' 溶液的比旋光率
应用：在制糖、制药和化工等方面
例：糖度分析仪
糖量计（saccharimeter）
测定糖溶液浓度
根据糖溶液的旋光性而设计的一种仪器 在一定的温度和波长下，事先测得比旋长率αˊ 然后再测出未知浓度溶液使振动面偏转的角度ψ
旋光效应的解释
起偏器
c
用石英晶体实验时发现：要使偏振片II之后消
光，必须将偏振片II的透振方向向左或向右旋 转一个角度ψ
3-7
旋光效应
旋光现象、旋光性(optical activity)与旋光物质
旋光物质
d
晶体:振动面旋转角度ψ与晶片厚度d 成正比
d
：晶体旋光率，与 有
溶液:ψ还与溶液的浓度C成正比，即
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
.
. . . .
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
.
. . . .
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光