第七章 光纤传感检测技术

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辐射模:在纤芯和包层中均为传输场,不 满足全反射条件,模场能量向包层外 溢出,光纤失去对光波场功率的限制 作用。
三种模式: a)TEmn模。在轴向只有磁场分量H,而横截 面上只有电场分量E。称为横电模。 b)TMmn模。在轴向只有电场分量E,而横截 面上只有磁场分量H。称为横磁模。 c)HEmn模( EHmn模) 。轴向同时存在电 场分量和磁场分量。称为混合模。m,n表示 贝塞尔函数的阶及相应的根数。代表不同的 模式。
梯度型光纤中:
2 r 阶跃型光纤中: 2 r
[n (0) n (r )]/ 2n (0)
2 2 2
2)折射率变化强度调制
温度变化可引起光纤折射率变化,外界 环境折射率变化,都可以实现强度调制。
3)线位移或角位移强度调制
光强分布
4)光闸强度调制
5)反射式强度调制
M gv /[2( g 2)]
2
M v /2
2
阶跃型 梯度型
M v /4
2
归一化频率与传输模式之间的关系
4、光纤的特性
损耗和色散 1)损耗 定义为:光波在光纤中传输1km产生的功率 衰减分贝数。
10 Pi lg (dB/Km) L Po
式中 Pi——光纤输入端光功率; Po——光纤输出端光功率; L——光纤长度;
S θ1 P θ2 Q
多普勒光纤测速仪
光纤传感器的基础
光纤的光波调制技术
光纤传感器实例 分布式光纤传感器
7.3 光纤传感器实例
1、光纤位移传感器
反射式光纤位移传感器
液面测量
2、光纤温度传感器 1)辐射温度传感器
辐射曲线
2)半导体吸收式温度传感器
半导体材料吸收的波长随温度增加向长波移 动。透过率随温度增加而减小。
双折射: 一束自然光入射于单轴晶体时,会变成两束 折射光,其中一束遵守折射定律称为o光,另 一束不遵守折射定律,称为e光。o光、e光都 是线偏振光,o光的振动方向垂直于o光的主 平面,e光的振动方向在e光的主平面内。
偏振调制就是利用电光、磁光和光弹等物 理效应,改变光的偏振态,实现调制。 1)调制原理 a)泡克尔斯(Pockels)效应(感应双折射) 压电晶体在电场作用下表现出双折射现象。 两正交偏振光的相位变化为:
晶体在压力作用下表现出双折射性质。
折射率变化为: n
ρ——物质常数 σ——施加的应力
光程差:
L l
相位变化可表示为:
2l /
c)其他方式(非功能型)
透射式
反射式
d)光偏振态的检测
偏振态光强
单光路法 输出光强: I I 0 sin
2
双光路法
WP:沃拉斯登棱镜 D1,D2的输出:
高纯度石英玻璃纤维 多组分玻璃光纤 塑料光纤
2)按传输模式分
单模光纤
多模光纤
3)按折射率分布特点分
阶跃光纤 梯度光纤
阶跃光纤
4)按用途分
通信光纤 特殊光纤
梯度光纤
5)按制作方法分
化学气相沉积法、双坩埚/三坩埚法。
3、光纤的传输原理 1)光线传播解释
将光看作光线。光由光密介质向光疏介质传 播,在满足一定条件时发生全反射。
6、光纤传感器的特点
检测精度和灵敏度高。 响应速度快,频响宽,可实现非接触高
速检测。 环境适应性强。 体积小、重量轻、具有可集成的潜力。
光纤传感器的基础
光纤的光波调制技术
光纤传感器实例 分布式光纤传感器
外界信号可能引起光的强度、波长(颜色)、 频率、相位、偏振态等性质发生变化,从而构 成强度、波长、频率、相位和偏振态的调制原 理。 调制方式:强度调制、相位调制、偏振调制、 频率调制、光谱调制等。 1、强度调制 1)微弯损耗强度调制 多模光纤(或单模光纤)微弯时,一部分芯模 能量会转化为包层模式能量,通过测量包层模 式的能量或芯模能量的变化就能测量外界物理 量。 以模式耦合造成的损耗为主。
不同模式的传输特性不同。 若光纤中仅传播HE11基模,则因该模在芯心 处最强,所以光纤输出的光斑是一个外围光 强较弱的圆光斑。TE01模则因芯心处电场最 弱,所以光纤输出光斑将在芯心处出现暗区。
电磁波可表示为:
E(,, z, t ) E(, )e j (t z )
β 为传播常数。
n r U l 0 d
3 0 e
b)法拉第磁光效应
光通过带磁性的物体时,偏振方向发生旋转。
V Hdl
L
光传播方向与磁场一致时,V>0,迎着光传 播方向看,偏振面顺时针方向偏转 光传播方向与磁场一致时,V<0,迎着光传 播方向看,偏振面逆时针方向偏转
d)光弹效应(压力双折射)
kn1 cos
2
0
n1 cos
β 决定了在传播过程中等效在z方向上引入的 相位变化值。光纤轴向相速度由ω /β 决定。
归一化频率为:
2rNA / 0
2
0
2 r n12 n2
归一化频率是表征光纤中模式传播特性的 重要参数。在一个给定结构参数的光纤中, 允许存在的导模数目取决于v,v越大,允 许存在的导模越多,反之亦然。 v 3.401 (平方分布率梯度光纤) 当 v 2.2048(阶跃光纤)或 时,只允许一个模式(HE11)。
2
c
相位差:
3)温度应变效应
温度应变效应与应力应变相似。同时引 起长度和折射率的变化。相位改变值与 待测场中光纤长度L成正比,具有很高的 灵敏度。 4)相位解调 相位表现在复振幅的复数部分,只有通 过干涉将其转换为光强才能被探测器接 收到。
5)几种光纤干涉仪 a)双光束光纤干涉仪
迈克尔逊光纤干涉仪、马赫-泽德尔光纤干涉 仪、斐索光纤干涉仪
c)波导色散
又称结构色散。光纤结构不同,同一模 式的传播常数随频率变化引起。 5、光纤传感器分类 1)功能型传感器(function fiber optical sensor FF) 光纤作为传感元件 2)非功能型传感器(non function fiber optical sensor NF) 光纤作为传光元件
透 射 式
反 射 式
输出的光强:
优点是灵敏度高 本征F-P干涉仪(FFPI)
e)光强探测
常采用光电二极管(PIN)、光电三极 管和雪崩二极管(APD)作为光电探测 器。 输出的电流为:
可采用单探测器法、双探测器法和三探 测器法
可采用单探测器法
双探测器法
三探测器法
4、频率调制
利用外界因素改变光的频率,通过检测 光的频率变化来测量外界物理量的原理, 称为频率调制。 频率调制基于多普勒效应。 v f s f1[1 (cos 1 cos 2 )] c
I1 I 0 sin 2 ( / 4 ) I 2 I 0 cos ( / 4 )
2
偏转角为:
1 1 I1 I 2 sin 2 I I 1 2
3、相位调制
利用外界因素改变光纤中光波的相位通过 检测相位变化来测量物理量的原理称为相 位调制。 相位调制的灵敏度极高。 1)应力应变效应 当光纤受到纵向(横向)的机械应力时, 光纤的长度(应变效应)、光纤芯的直径 (泊松效应)、纤芯折射率(光弹效应) 都将变化,从而引起光波相位变化。
2、偏振调制
振动方向对于传播方向的不对称性叫做 偏振。 光按偏振态可分为:自然光、偏振光、 部分偏振光。 自然光:
偏振光:线偏振光、椭圆偏振光、圆偏 振光
(a)线偏振光 光矢量端点的轨迹为直线,即光矢量只沿 着一个确定的方向振动,其大小、方向不 变,称为线偏振光。
(b)椭圆偏振光 光矢量端点的轨迹为一椭圆,即光矢量不 断旋转,其大小、方向随时间有规律的变 化。 (c)圆偏振光 光矢量端点的轨迹为一圆,即光矢量不断 旋转,其大小不变,但方向随时间有规律 地变化。 部分偏振光:
弯曲损耗
曲率半径远大于光纤直径的弯曲所产生的附 加损耗。 产生弯曲损耗的效应主要有:空间滤波、模 式泄漏、模式耦合 空间滤波:光纤弯曲部分高阶模因全反射条 件破坏而折射到包层中,将所携带的能量辐 射到光纤之外的一中物理效应。 弯曲半径越小,损耗越大。是弯曲损耗中的 主要损耗。 模式泄漏:光场远离纤芯的部分因弯曲不再 满足模式传输要求而辐射出光纤。
a)双光纤参考基准通道法
b)双光源参考基准通道法
3)热色效应光纤温度传感器
4)光纤角速度传感器
5)光纤压力传感 a)快门式
b) 动栅式
光栅常数越小,灵敏度越高。
c) 光弹压力传感
损耗随波长的 增大而减小。
光纤损耗主要有: 吸收损耗 由于光纤材料的量子跃迁致使一部分光功率 转换为热量造成的传输损耗。 本征吸收、杂质吸收和原子缺陷吸收。 本征吸收是物质固有的,主要是由紫外和红 外波段电子跃迁和振动跃迁引起的吸收。 本征损耗一般很小,约0.01~0.05dB/Km。 杂质吸收是由于光纤材料中的正过渡金属离 子的电子跃迁和氢阳根负离子的分子振动跃 迁引起的吸收。
迈克尔逊光纤干涉仪
马赫-泽德尔光纤干涉仪
优点:不带纤端反射镜,克服了回波干扰 的问题。
斐索光纤干涉仪
P1、P2:偏振片 M1、M2:反射镜,构成斐索干涉腔
b)三光束光纤干涉仪
优点:形成多光束干涉,清晰度、锐度比双 光束干涉好,可提高测量精度。
c)塞格纳克光纤干涉仪
多饶可提高精度
d)法布里-泊罗光纤干涉仪 本征F-P腔和非本征F-P腔 非本征F-P干涉仪(EFPI)
第七章 光纤传感检测技术
光纤传感器的基础
光纤的光波调制技术
光纤传感器实例 分布式光纤传感器
7.1 光纤传感器的基础
1、光纤的结构 光导纤维(Optical Fiber 简称光纤)又纤芯、
包层及外套组成。纤芯折射率大于包层折射 率。 光纤具有使光封闭在纤芯里面传输的功能。 外套起保护作用。
2、光纤的种类 1)按制作材料
原子缺陷吸收是由于强烈的热、光或射线辐射 使光纤材料受激出现原子缺陷产生的损耗。 散射损耗 瑞利散射、布里渊散射 、拉曼散射等 瑞利散射是由于光纤中远小于光波长的物质密 度不均匀性和掺杂浓度不均匀引起的散射。 分为斯托克斯散射(波长向长波方向偏移)和 反斯托克斯散射(向短波方向偏移)
散射光正比于1/λ4。 用长波可减小瑞利散射。
在梯度光纤中: 在梯度光纤中的折射
在梯度光纤中的传播
自聚焦效应
2)波导传播解释
将光看作电磁波。用麦克斯韦方程解表 示光波。
满足麦克斯韦方程的任一特解称为一种模式, 简称模。任意电磁波可以看作多个模式的线 性组合,同样满足麦克斯韦方程。电磁波主 要有横模和纵模。
光波在光纤中传播存在三类模式: 传输模(导模)、泄漏模(漏模)、辐射 模 导模:光功率限制在纤芯内传播的光波场, 又称为芯模。包括横电模、横磁模和 混合模。 漏模:在纤芯内及距纤壁一定距离的包层 中传播的光波场,又称为包层模。
模式耦合:纤芯中的导模和包层中的辐射模发 生模式耦合,使导模能量减小。 2)色散 光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。 不同波长、不同模式下的β 值不同。 光纤色散主要有:材料色散、模式色散、波导 色散。
几种色散: a)材料色散 又称折射率色散。不同波长的折射率不同 引起。发射光谱宽度越窄,材料色散越小。 是单模光纤的主要色散。 b)模式色散 梯度光纤中模式间传播速度不同引起。是 梯度型多模光纤的主要色散。单模光纤中 不存在模式色散。 自聚焦光纤中理论上也不存在模式色散。
n2 sin c n1
n2
n1
全反入射角:
n0 sin 0 n1 sin n1 (1 sin 1 )
2 1 2
可得:
n0 sin 0 n n NA
2 1 2 2
NA称为数值孔径(Numerical Aperture)。 NA是光纤受光能力的标度。
标准多模光纤的NA公称值一般为0.2,孔 径角为11.5o; 标准单模光纤的NA公称值一般为0.1~0.15, 孔径角约5.7o~8.6o
L L L n L ห้องสมุดไป่ตู้ L n a
2)塞格纳克效应
顺时针一周的实际光程:Lcw 2R Rt
逆时针一周的实际光程:Lccw 2R Rt
光程差: L 2Rt 4R
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