《光纤传感原理3》PPT课件

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1、第三讲光纤传感技术基础（二）《光纤传感原理》光纤传感的物理基础光纤传感基本器件本讲小结1北京交大光信息所光纤传感的物理基础1反射原理折射原理吸收原理光信号及光纤与外界作用产生的现象或效应是光纤传感的物理基础弹光效应电光效应磁光效应声光效应多普勒效应Sagnac效应光声效应基本重要特殊2北京交大光信息所1.基本原理I.反射镜面反射漫反射3北京交大光信息所光纤通常由许多根光纤组成。发射和接收光纤的组合方式有混合式、对半分式、共轴内发射分布等。反射式光纤位移传感器4北京交大光信息所光纤浓度传感器入射光束中的一部分光线，由于其入射角小于临界角而折射进人溶液之中，其反

2、射光通量很小，因此在光电接收器件CCD的接收面上形成了“暗区”;入射光束中的另一部分光线，由于其入射角大于临界角而产生全反射，从而在光电器件CCD的接收面上形成了“亮区”。亮、暗区的交界线位，取决于临界角的大小，亦即与被测溶液的浓度(或者说折射率)相对应。当被测溶液的浓度变化时，亮、暗区交界线在CCD上的位置也发生变化。据此就可以测得溶液浓度。5北京交大光信息所光在空气与液体中具有不同的折射率。几十根光纤排列成束，每一根光纤在不同的高度具有极小弯曲。如果弯曲部分暴露在空气中，光通过光纤将发生全内反射。如果弯曲部分完全浸入液体中，全内反射条件不满足，光通过光纤

3、后强度将急剧下降。光纤液位传感器6北京交大光信息所光纤瓦斯传感基于全光缓存器的光纤甲烷检测系统9北京交大光信息所2.重要效应I.弹光效应由机械应力引起的材料折射率分布变化应变张量弹性系数力致双折射10北京交大光信息所介电张量弹光系数折射率变化11北京交大光信息所纤芯应力分布（一阶近似）12北京交大光信息所纤芯中的非零应力分量（二阶近似）纤芯应力分布（二阶近似）13北京交大光信息所实验结果实验原理光纤压力传感114北京交大光信息所ComputerTunableLaserSourcePol.StateGeneratorIn-linePA&PAFiberUnder

4、Press15北京交大光信息所光纤压力传感216北京交大光信息所光纤应力双折射υ:泊松比例题已知：SMF光纤E=7.0×1010Pa,υ=0.17，p11=0.121,p12=0.270,n=1.5，求：该SMF在50000Pa的压应力作用下，对1550nm的光信号引起的相移.其他应用残余内应力Δn=2.1×10-7Δδ=48.8°/m17北京交大光信息所II.电光效应由外电场引起的材料折射率分布变化的现象电致双折射一阶电光效应，Pockels效应r：线性电光系数A：电场感量系数18北京交大光信息所二阶电光效应，Kerr效应介质感生双折射是外加电场强度的二次

5、函数（克尔效应）。这类介质有晶体（如钽铌酸钾）和液体（如硝基苯、溴化苯等）。应用电光调制器19北京交大光信息所双路式光纤电压传感原理光纤电压传感锗酸铋（BGO）20北京交大光信息所III.磁光效应由外磁场引起的材料折射率分布变化的现象磁致双折射材料在外加磁场作用下呈现光学各向异性，从而使通过材料的光波偏振性质发生改变。磁光效应具有独特的光学非互易性，有特殊重要的应用价值1845年，Faraday磁光旋转效应（光活性）1876年，Kerr磁光旋转效应19世纪末，Zeeman效应、磁致双折射效应（Cotton-Mouton、Voigt）21北京交大光信息所某些物

6、质（如石英、氯酸钠、糖的水溶液、酒石酸溶液、松节油等）具有能使线偏振光的振动面发生旋转的性质，称为旋光性(opticalactivity)。振动面旋转角度θ=VHd，V：Verdet系数，104~105m-1T-1Faraday磁光旋转应用量糖计22北京交大光信息所偏振态调制型光纤回转仪是MOCT（光纤电流互感器）的核心部件，它由光源，探测器，调节器，以及缠绕电流导线的光电探头组成。（最早由波音公司和霍尼韦尔公司共同研制，主要用于导弹巡航系统，1994年开始在电流测量领域的研发工作，1998年第一此投入商业应用。目前主要的生产厂家有：TRENCH，RITZ，

7、ABB，ALSTOM，GE，SIEMENS，NGK，NXTPHASE等）属敏感及禁止出口器件磁光效应的传感应用光纤回转仪23北京交大光信息所IV.声光效应由外界声场引起的材料折射率分布变化的现象声致双折射超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变,该应变随时间和空间作周期性变化,使介质出现疏密相间的现象,如同一个相位光栅.当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象,这种现象称之为声光效应。衍射光偏转角随超声波频率的变化现象称为声光偏转；衍射光强度随超声波功率而变化的现象称为声光调制。声光调制器件，声光偏转器件，声光调Q开关，可调谐滤光器

8、，等。声光调制器通常由电声换能器、声光介质和吸声装置