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时间:2020-01-27
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1、第五章光纤传感器基本原理5.1引言光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点,如灵敏度高,抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好,防爆,光路有可挠曲性,便于与计算机联接,结构简单,体积小,重量轻,耗电少等。光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,所以也称传感型光纤传感器,或全光纤传感器。非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为传输介质,传输来自远处或难以接近场所的光信号.所以也称为传光型传感器.或混合型传
2、感器。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5.2强度调制机理5.2.1反射式强度调制这是一种非功能型光纤传感器,光纤本身只起传光作用.输出光纤端面受光锥照射的表面所占的百分比为被输出光纤接收的入射光功率百分数为(F被称为耦合效率)5.2.2透射式强度调制动光纤式光强调制模型,用来测量位移、压力、温度等物理量。这些物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离,光强度调制器的线性度和灵敏度都
3、很好。采用双透镜系统使入射光纤在出射光纤上聚焦,遮光屏在垂直于两透镜之间的光传播方向上下移动。这种传感器光耦合计算方法与反射式传感器是一样的。在上述的简化分析限定范围内,比值δ/r与可移动遮光屏及两透镜问半径为r的光柱相交叠面积的百分比α。不用透镜的两光纤直接耦合系统,结构虽然简单,但也能很好地工作。只是接收光纤端面只占发射光纤发出的光锥底面的一部分,使光耦合系数减小,灵敏度也降低一个数量级(r/dT)2。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
4、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。作业1、由图5-2的几何关系推导出下列关系式2、由图5-2,已知光纤芯直径为2r=200um,数据孔径NA=0.5,光纤间距a=100um。若取函数F(d)的最大斜率处为该系统的灵敏度,则耦合功率F随d变化速率为何值?5.2.3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
5、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光纤传播模式的改变,还可以改变光纤模斑斑图,依据模斑图形的变化也可进行光模式强度调制。多模光纤出射的远场光斑就像一个切开的“西瓜”,“亮”、“黑”无规则地相间变化。5.2.4折射率强度调制一、光纤折射率变化型一般光纤的纤芯和包层的折射军温度系数不同。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
6、,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确定温度的变化。二、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惭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。三、反射系数型由菲涅尔反射
7、公式式中,R∥为平行偏振方向的强度反射系数,R⊥为垂直偏振方向的强度反射系数;n=n3/n1,θ为入射光波在界面上的入射角。5.2.5光吸收系数强度调制一、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。二、利用半导体的吸收特性进行强度调制大多数半导体的
8、禁带宽度Eg都随着温度T的升高而几乎线性地减小。它们的光吸收边的波长将随着T的升高而变化。5.3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
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