学习情境三：频率调制型光纤传感器及其应用

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1、光纤光缆制备电信学院光电子技术专业主讲：张森一、学习目标★掌握频率调制机理的原理★掌握光纤多普勒技术★了解光纤多普勒系统的局限性★了解多普勒效应光纤振动传感器★掌握频率调制的应用二、学习内容3.1频率调制机理的原理采用频率调制技术可以对有限的几个物理量进行测量。它主要是利用运动物体发射或散射光的多普勒频移效应来检测其运动速度。学习情境三：频率调制型光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业光纤传感器及应用当然，频率调制还有一些其它方法，如某些材料的吸收和荧光现象随外界参量也发生频率变化，以及量子相互作用产生

2、的布里渊和拉曼散射也是一种频率调制现象。本节主要讨论光纤多普勒传感器调制机理。当光源和观察者做相对运动时，观察者接收到的光频率和光源发射的频率不同，这种现象称为多普勒效应。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业设光源和观察者处于同一位置。如果频率为的f光照射在相对光速度为的运动物体上，那么观察者接收的运动物体反射光频率f1为式中，c是真空中的光速；Ө是光源至观察者方向与运动方向的夹角。当光源和观察者处于相对静止的二个位置时，可当作双重多普勒效应来考虑。先考虑从光源到运动体，在考虑从运动物体到观察者。如图3-1

3、所示，其中S是光源，P为运动物体，而Q是观察者（3-1）光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业（3-2）图3.1多普勒效应示意图物体P相对于光源S运动时，在P点观察到得光频率f1为：光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业根据上述两式，并考虑实际上V≤C,可近似把双重多普勒频率方程表示为频率f1的光通过物体P的散射重新发出来，在Q处所观察到得光频率f2为：（3-3）（3-4）光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业多普勒效应广泛应用于雷达、气象、光学、声学以及核物理学等领域，大多数用于

4、测量物体运动速度，液体的流量、流速等。光学多普勒位移检测方法，具有高的测量灵敏度。例如，用He-Ne激光器作光源，运动速度为1m/s的频移达1.6MHz，可测速度范围为1um/s～100m/s。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业根据多普勒频率原理，采用激光作为光源的测量技术是研究流体流动的有效手段。它的主要特点是空间分配率高，光束不干扰流动性，并具有跟踪快速变化的能力。在许多特殊场合下，例如在测量密封容器中的流体速度和生物系统之血流速时，不能按照普通的多普勒装置，必须采用光纤组成的具有微型探头的测量系统。3.

5、2光纤多普勒技术光纤多普勒系统的主要优点是发射和接收光学元件不需要重新定线就可调整测量区的位置。典型的光纤多普勒测速装置如图3-2所示。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业激光通过偏振分束器和输入光学装置射入多模光纤，光纤的另一端插入流体中以便测量流体或其中粒子运动速度。光在流体中散射，其中一部分散射光被光纤收集，沿光纤返回。散射光是随机偏振光，因此返回光有一部分被偏振分束器反射到光探测器。光频差必须通过两个光波的干涉才能进行测量，所以对返回光束要有一个参考

6、光束，且参考光束必须从相对被测的移动物质为静止的点获得。在图3-2中，满足这个要求的点只有光纤的A端面，因此参考光束通常是取自该端面的反射波。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业在A面反射的参考光大小取决于光纤和流体媒质的折射率之差,而且总是小于玻璃和空气界面全反射所得到的功率（反射与入射功率比为4%）。这意味着参考信号的强度还是足够的。系统的杂散反射主要发生在光纤的输入端面B。由于在输入端使用了偏振激光源，并把这个偏振与偏振分束器的方向严格校准，这样B面得入射光偏振态将是被精确限定的。因此，B面产生的反射光

7、将直接返回到激光器，而不会进入光探测器影响参考光与信号光的干涉。B面反射到光源的光，对Hz-Ne激光器基本没什么影响，而对半导体激光器的工作影响比较大。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业此外，多模光纤在几厘米距离内就会把输入光消去偏振，光纤的任何返回信号，包括光纤中的背向散射和端面A处的反射，都是非偏振光。因此，运动物质的背向散射光和A端面的反射参考光通过偏振分束器只有一部分到达光探测器。为了消除透镜等光学元件产生的双折射和偏振分束器不完善的影响，系统又设置了附加偏振矫正器。从以上分析可知，实现系统正常工作

8、的主要问题是：保证系统A面的反射参考信号功率足够大；传感信号与其它杂散反射的干涉要小。因此，保证系统中光学元件的偏振性能是非常重要的。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业有时杂散反射在强度上甚至超过表征被测物体速度的传感信号，产生附加的干涉输出