光纤传感器基本原理

特点
➢ 对引起光纤或连接器损耗增加的某些器件的 稳定性不敏感。
➢ 解调技术复杂，常常需要分光仪。 ➢ 通常采用比值测量（两个波长的测量值为基
准），要求校准以建立比值测量所需要的参 考点。 ➢ 探测的波长范围有限。
光纤传感器基本原理
典型应用
➢ 外界因素对传输光的光谱成分中，不同波长的 光吸收特性不同。 如：溶液浓度的化学分析等。
➢ 外界因素引起光的波长发生漂移。 如：光纤光栅应力传感器，光纤光栅温
度传感器等。
光纤传感器基本原理
三．频率调制
➢ 概念 利用外界因素改变光纤中光的频率，通过
测量光频率的变化来测量外界物理量。
光纤传感器基本原理
特点
➢ 外界因素以多普勒效应的形式影响光的频 率。
➢ 适用于对运动目标的探测。 ➢ 空间分辨率高，光束不干扰流动状态。
过外界因素的改变引起光纤包层折射率的大 小发生变化，从而使得其中传输光的强度发 生变化。
光纤传感器基本原理
➢ 典型图
光纤传感器基本原理
（六）利用光纤的吸收特性进行调制 利用射线的辐射使光纤的吸收损耗增加，光
纤的输出功率降低，从而构成强度调制的测量辐射 量的传感器。
光纤传感器基本原理
原理图
特点
➢ 测量各种辐射，例如x射线的大小。 ➢ 灵敏度高、线性范围大。 ➢ 实时性强。 ➢ 典型应用：卫星外层空间剂量的监测；核电
光纤传感器基本原理
多普勒效应
研究光源与观测者之间的相对运动对接收 到的光的频率产生的影响。 ➢ 如果频率为f的光入射到相对于探测器速度为v 的运动物体上，则从物体上反射到探测器的光 频率为：
f c为fs真空1中v的/c光速(1v/c)f
光纤传感器基本原理
光纤多普勒系统
➢
激光器
f0
f1
f0
f0 以
光纤传感器基本原理
➢ （二）光闸调制
光纤传感器基本原理
原理图
特点
➢ 入射光纤与出射光纤均保持不动，依靠遮光屏随 外界因素影响而引起的运动来对出射光纤的输出 光强进行调制。
➢ 遮光屏本身材料不限，可以是固体，也可以是液 体。
➢ 入射光纤与出射光纤的端面要设置准直透镜。
光纤传感器基本原理
➢ （三）反射式强度调制
站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监测。
光纤传感器基本原理
➢ 其它强度调制方法 利用光纤模斑斑图的强度随外界参数影响
的变化，来测量待测物理量。 ........
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二. 波长调制---颜色调制
➢ 概念 利用外界因素改变光纤中光的波长，通过
测量光波长的变化来测量外界物理量。
光纤传感器基本原理
➢ 主要应用于对应变等物理场的检测。分辨率可 达0.1nm。
光纤传感器基本原理
➢ 空间周期 ➢ 选取适当的空间周期，使得它与光纤中适当选择
的两个模式的传播常数差相匹配。则光纤中光功 率的分布随着这个空间感应耦合而变，原来在纤 芯中传播的某些光转移到包层中。 ➢ 相位匹配条件
’ 2
和’ 为引起耦合的两个模式的传输常数。
光纤传感器基本原理
光纤强度调制传感器的原理图
光纤传感器基本原理
特点
➢ 技术简单，可靠，成本低。 ➢ 可以采用多模光纤。 ➢ 光纤的连接与耦合容易，所使用的光纤连接器与
耦合器已经商品化。 ➢ 光源可以采用非相干光源，如输出稳定的LED等。
光纤传感器基本原理
构成传感器探头的物理机理
➢ （一）利用线性位移或角位移进行调制
光纤传感器基本原理
原理图
d2 若输入输出为同一种单模光纤，S0为光纤中的
T
=
e
s
2 0
光斑尺寸，则径向位移d与功率耦合系数T的关
系为高斯型曲线，存在下列关系：
d2
T
=
e
s
2 0
光纤传感器基本原理
T
最佳传
A
感区域
d
特点
➢ 光纤间距离很小，约2-3µm。 ➢ 入射光纤保持不动（除去差动法）。 ➢ 出射光纤进行位移或转动。
二.光纤传感器原理
光纤传感器基本原理
外界பைடு நூலகம்量
光 光纤 信号 光纤 光探
源
调制
测器
信号 处理
光纤传感器基本原理
本讲提要
➢ 外界参数对光纤内传输光的作用方式，即 各种调制的原理与方法。
光纤传感器基本原理
➢ 光纤对许多外界参数有一定的效应，研究光纤 传感原理就是研究如何应用光纤的这些效应， 实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能，这 是光纤传感器的核心，也是光纤传感器系统和 光纤通信系统的主要区别。
aM
△为光纤芯子与包层之间的相对折射率差；a 为纤芯半径；M是总模式；m是模式标号；
光纤传感器基本原理
特点
➢ 可以采用多模光纤。 ➢ 要达到引起耦合损耗的两模式间的耦合为最佳
值，需要根据具体情况设计适当的调制周期。
光纤传感器基本原理
（五）利用折射率的变化进行调制
➢ 特点： 在光纤的纤芯折射率不变的情况下，通
传
双
单
光
光 原理图 光
束
纤 光纤传感器基本原理
纤
特点
➢ 入射光纤与出射光纤可以是单根光纤、两 根光纤也可以是光纤束。
➢ 非接触式，探头小，频响高，线性度好。 ➢ 测量位移~100m。
光纤传感器基本原理
➢ （四）利用光纤微弯产生的损耗进行调制 原理图
光纤传感器基本原理
特点
➢ 当光纤受到微弯时，一部分芯模能量会转化为 包层模能量，通过测量包层模式的能量或芯模 能量的变化，就可以测出外界物理量的大小。
光纤传感器基本原理
➢ 光纤传感器的调制区可能是光纤本身（内部调 制），也可能是其他材料制成的敏感元件（外 部调制），单就调制原理而言，仅研究外界因 素引起光的性质的变化，不论是内部调制还是 外部调制都是一样的。
光纤传感器基本原理
一.强度调制----光纤传感器最早使 用的调制方法
➢ 概念 利用外界因素改变光纤中光的强度，通过 测量光强的变化来测量外界物理量。
光纤传感器基本原理
➢ 相邻的两个模式，其传输常数差为
模式标号
表征光纤折相 射射对 率率折 差
2
分m 布1 的m 参数( 2)1/22 a 1/2
m2 M
纤芯半径
n12 n2 2 2n12
光纤传感器基本原理
总模式
梯度折射率光纤 α=2
（2）1/ 2
a
阶跃折射率光纤
变形器的最佳周期
21/ 2 m
f0-f1
f0±Δf
混频
f1 ±
速
Δf
度v
Δf
运
动
的
v
被 光纤传感器基本原理
典型应用
➢ 血液流动速度监测传感器 ➢ 运动物体速度监测传感器
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四．相位调制
➢ 概念 利用外界因素改变光纤中光波的相位，
通过测量光相位的变化来测量外界物理量。