光纤传感技术基本原理ppt课件

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1、一、光是某一波段的电磁波1.在真空中电磁波的传播速度:EH第六章光纤传感器基本原理二、光波是横波（振向和传向垂直）实验证明：对人眼视觉和感光仪器起作用的主要是光的振动部分，所以，一般用电振动矢量来代表光的振动。光在不同介质中，光速不同，但频率不变，所以波长变，波长一般指真空中的波长。介质中真空中2.折射率连接光学和电磁学的桥梁。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1.强度调制机理（1）反射式强度调制这是一

2、种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用.利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器．通过一对光栅遮光屏的透射率，从50％(当两个屏完全重叠时)变到零(当一个屏的不透明条完全覆盖住另一个屏的透明部分)。在此周期性结构范围内，光的输出强度是周期性的。而且它的分辨率在光珊条纹间距的10-6数量级以内。这是能够构成很灵敏、很简单、高可靠的位移传感器的基础（3）光模式强度调制两个模的传播常数分别为β和β′，当Δβ=│β-β′│=2π/λ相位失配为零，模间精合达到最佳。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，变

3、形器的位移改变了弯曲处的模振幅，从而产生强度调制。对于抛物线(或平方律或梯度)折射率分布的光纤．变形器的临界空间周期为对于阶跃光纤微弯式光纤压力传感基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。1聚碳酸酯薄膜2可动变形板3固定变形板4、5光纤微弯式光纤水听器探头（4）折射率强度调制A、光纤折射率变化型一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同。在温度恒定时，包层折射率n2与纤芯折射率n1之间的差值是恒定的。当温度变化时，n2、n1之间的差发生变化，从而改变传输损耗。因此，以某一温度时接收到的光强为基准,根据传输功率的变化可

4、确定温度的变化。B、渐逝波耦合型通常．渐逝波在光疏媒质中深人距离有几个波长时．能量就可以忽略不计了。如果采用一种办法使渐逝场能以较大的振幅穿过光疏媒质，并伸展到附近的折射率高的光密媒质材料中，能量就能穿过间隙，这一过程称为受抑全反射。L表示一对单模或多模光纤的相互作用长度，d表示纤芯之间的距离。光纤包层被减薄或完全剥去，足以产生渐逝场耦合。d、L或n2稍有变化，光探测器的接收光强就有明显变化、从而实现光强调制、这一原理已应用于水听器。（5）光吸收系数强度调制利用光纤的吸收特性进行强度调制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

5、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。2.相位调制机理利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以获得极高的灵敏度。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。2.1相位调制一、应力应变效应当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时，光纤的

6、长度、芯径、纤芯折射率都将发生变化，这些变化将导致光波的相位变化.式中，a为光纤芯的半径；第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟(应变效应)；第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟(光隙效应)；第三项则表示光纤的半径改变所产生的相位延迟(泊松效应)。A．纵向应变引起的相位变化B．径向应变引起的相位变化不考虑泊松效应时有实现纵向、径向应变最简便的方法是，采用一个空心的压电陶瓷圆柱筒(PZT)，在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号，由于PZT筒的直径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光纤承受到应力，光波相位随之变

7、化。二、温度应变效应仅考虑径向折射率变化时，其相位随温度变化为2.2光纤干涉仪光纤相位传感器要求有相应的干涉仪来完成相位检测过程。对于一个相位调制干涉型光纤传感器，敏感光纤和干涉仪缺一不可。敏感光纤完成相位调制任务，干涉仪完成相位—光强的转换任务。干涉的定义在多个波迭加的区域内，有些地方振动始终加强，而有些地方的振动始终减弱（与时间无关），这一强度按空间周期性变化的现象称为干涉。这种不均匀分布的图样称干涉条纹。29PS2S1r2r1波源振动(1)在P点相遇：S1P=r1S2P=r2(2)1.P点总振动EP=E1P+E2P=A（3）式中A有三种求法

8、用旋转矢量法最简单：如图A为合振动的总振幅（4）（余弦定理）（3）为合振动的初相位（5）（1）瞬时光强Ⅰp=A2但我们关心的是在观察时间