第8章光纤传感器ppt课件.ppt

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1、第8章光纤传感器2《传感器原理》北京化工大学信息科学与技术学院测控系第8章光纤传感器2光钎光纤传感器的应用一、马赫-琴特相位干涉型温度传感器二、光偏振态调制型光纤电流传感器三、光频率调制型光纤传感器四、荧光-光纤传感器五、光纤传感液位监控仪原理六、光弹性式光纤压力传感器传感器原理一、马赫-泽特相位干涉型温度传感器马赫-泽特相位干涉型温度传感器所用的光纤单模光纤，芯径小，包层的折射率小。当光沿着单模光纤传播时，表征光特性的某些参数，如：振幅、相位、偏振等，会因外界温度、压力、加速度、振动和电磁场等改变而变化。用两根同样材质，且长度基本相同的单模光纤，入端射入同一光源，出射

2、端两束光平行交汇，它们出射光就会产生干涉条纹-光的干涉现象。一根光纤为测量用光纤，直接感受被测温度的变化，另一根光纤为参考用光纤，使它置于恒定的温度场内；当被测温度变化时，测量光纤出射光的相位将发生变化，从而导致光干涉条纹的移动（相位变化2π，干涉条纹移动一条）,通过计算干涉条纹移动的数目，得出被测温度的变化。马赫-泽特相位干涉温度传感器是根据此原理工作的。一束经参考臂用布拉格调制器产生频移或用光纤延伸器和集成光学相移器来调制相位；图为马赫-泽特相位干涉型温度传感器原理图光源采用（He-Ne）氦氖激光器波长：λ=0.6328μm的单色光另一束经暴露于被测场合中的测量光纤

3、来传输；测量光纤感受被测量（环境温度）；两束光在分光镜2处重新汇合，为光电器件接收。分光镜1把激光束一分为二，光电器件用以检测干涉条纹的移动。分光镜1光源马赫-泽特相位干涉型温度传感器原理图调制器光接收器光电器件PIN透镜4透镜6透镜5分光镜2透镜1透镜3透镜2测量光纤参考光纤当测量光纤周围的温度发生变化时，测量光纤中的光会产生一定的相移Δφ，相移的大小与测量光纤的长度L光纤的折射率n光纤的横截面积S的变化有关（这些量均是温度的函数），式中：ΔL=(L/T)ΔTΔn=(n/n)ΔTeeee对于玻璃光纤ΔL=5×10-7/℃，Δn=10-5/℃，可见在此Δn起主要作用。在

4、测量其它参数时，可能ΔL较大，如果是这样可增加光纤的长度。光电器件PIN分光镜1光源马赫-泽特相位干涉型温度传感器原理图调制器光接收器透镜4透镜6透镜5分光镜2透镜1透镜3透镜2测量光纤参考光纤由于光纤直径受温度变化影响很小，可忽略，相移可表示为：在实际应用中，测量光纤通过一个浸入热水中的铜管，当水温改变时，从铜套中心通过的光纤的长度、折射率发生改变，两者的共同作用，从监视器中可观测到干涉条纹的移动。测量光纤和参考光纤中光的位相差有如下关系：式中：L为接受温度场作用的光纤的长度n为光纤的折射率λ为光波长单位温度变化ΔT引起单位长度光纤中的相位变化如果感温的光纤长度为L，

5、温度变化ΔT，干涉条纹移动了N条，则温度分辨率为：灵敏度为：对石英光纤来说温度灵敏度的理论值约17条/℃.mN/ΔTN/LΔT偏振光（Polarizedlight）-光的偏振性偏振是指波的振动方向相对于波的传播方向的一种空间取向作用。光波的电磁振动相对于转播方向具有不对称性的光称为偏振光。光波是电磁波麦克斯韦从理论上证明了光波的电矢量E和磁矢量H都垂直于光波的传播方向，即光是横波。光在与传播方向垂直的二维空间里电矢量E有各种各样的振动状态，这些状态称为光的偏振状态。常见的偏振状态有5种：自然光平面偏振光部分偏振光圆偏振光椭圆偏振光偏振面：偏振光的振动方向与传播方向组成的

6、面二、光偏振态调制型光纤电流传感器光波是原子或分子内部能量状态发生改变时辐射出来的电磁波。原子自发辐射具有独立性、间歇性和随机性，原子发光的特点：发光的持续时间一般为10-8秒左右，只有在该时间内发出的光波是电矢量E和磁矢量H具有确定振动方向的平面偏振光发光是间歇式的，在停止发光后，经历一段时间间隔，它又能重新发光，但每次发出的平面偏振光的电矢量E和磁矢量H具有不同的振动方向。光源是由大量发光的原子和分子组成的，它们在同一时间发出的光波各自具有不同的初位相和不同的振动方向，它们的振动方向可分布在一切可能的方位。yz光的传播方向与光传播方向垂直的平面x由于自然光中各个方向

7、的振动对称分布，它们沿任何方向的分量产生的透射强度相同，等于入射光强度的一半。分量表示自然光（naturallight）定义：光的电矢量E在与光线垂直的平面内，电矢量振动各个方向机会均等，振幅相等。电振动对传播方向具有对称性的光波。从光源发出的光是具有与传播方向相互垂直的一切可能的振动，这些振动方向同时存在，而且在迅速地、无规则地改变着，它们的总和，从统计学角度看，以光的传播方向为对称轴，这种光称为自然光。平面偏振光（线偏振光）（Planepolarizedlight）定义：光在传播过程中，若其电矢量E的振动始终保持在一个确定的平面内，这