光纖傳感原理及應(yīng)用技術(shù)

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1、光纖傳感原理與應(yīng)用技術(shù)1、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)1.1反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感原理與應(yīng)用技術(shù)1、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)1.2透射式強(qiáng)度調(diào)制位移x（D為芯徑）-0.9D-0.5D00.5D0.9D0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0輸出光強(qiáng)相對(duì)變化值發(fā)射光纖接收光纖可移動(dòng)遮光鏡?圖4?6帶有遮光屏和透鏡的透射式光強(qiáng)調(diào)制結(jié)構(gòu)發(fā)射光纖接收光纖可移動(dòng)遮光鏡圖4?7帶有遮光屏的透射式光強(qiáng)調(diào)制結(jié)構(gòu)光纖傳感原理與應(yīng)用技術(shù)1、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)1.3光模式強(qiáng)度調(diào)制多模光纖光輸入光輸出變形器L光纖由變形器引起微彎變形時(shí)，有些導(dǎo)波模變成了輻射模，纖芯

2、中的光有一部分逸出到包層，從而引起損耗。若采取適當(dāng)?shù)姆绞教綔y(cè)光強(qiáng)的變化，則可知道位移變化量，據(jù)此可以制作出溫度、振動(dòng)、位移、應(yīng)變等光纖傳感器。光纖傳感原理與應(yīng)用技術(shù)1、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)1.4折射率強(qiáng)度調(diào)制（1）光纖折射率變化型一般光纖的纖芯和包層的折射率溫度系數(shù)不同。在溫度恒定時(shí)，包層折射率與纖芯折射率之間的差值是恒定的。當(dāng)溫度變化時(shí)，兩者之間的差發(fā)生變化。選擇具有不同折射率溫度系數(shù)的材料做纖芯和包層，如圖所示。包層折射率纖芯折射率光纖傳感原理與應(yīng)用技術(shù)1、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)1.4折射率強(qiáng)度調(diào)制（2）漸逝場(chǎng)型當(dāng)光在一界面產(chǎn)生全反射時(shí)，在光疏介質(zhì)中仍存

3、在電磁場(chǎng)，其強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律迅速衰減，透射深度一般約為幾個(gè)波長，因此被稱為漸逝場(chǎng)。漸逝場(chǎng)型的光纖傳感器也可分為功能型和非功能型兩類。非功能型一般使用棱鏡作為傳感元件。這種傳感原理可以用于納米級(jí)別的位移測(cè)量和光譜分析，以及高靈敏度的水聲或液位傳感器等。光纖傳感原理與應(yīng)用技術(shù)1、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)1.5光吸收強(qiáng)度調(diào)制圖4?16光吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制輻射量傳感器射線輻射會(huì)使光纖材料的吸收損耗增加，使光纖的輸出功率降低，從而構(gòu)成強(qiáng)度調(diào)制輻射量傳感器。FiberFiberPorcelainbushingGasketcementCeramicpinGaAs圖3光纖傳感器傳感探頭

4、具體的結(jié)構(gòu)形式Fig.3Diagramofthefiber-optictemperaturesensorprobeProtectivebushing光纖傳感原理與應(yīng)用技術(shù)2、相位調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)相位調(diào)制型光纖傳感器的基本傳感機(jī)理是：通過被測(cè)能量場(chǎng)的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再利用干涉測(cè)量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測(cè)出待測(cè)的物理量。光纖中光波的相位，一方面由光纖的物理長度、折射率及其分布、波導(dǎo)橫向幾何尺寸所決定。一般來說，應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等外界物理量能直接改變上述三個(gè)波導(dǎo)參數(shù)，從而產(chǎn)生相位變化，實(shí)現(xiàn)光波的相位調(diào)制。另一方面也可以由Sagnac

5、效應(yīng)產(chǎn)生。光纖傳感原理與應(yīng)用技術(shù)2、相位調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)2.1光纖相位調(diào)制的普通干涉測(cè)量（1）光相干條件兩列光波疊加在一起能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，但并非任意兩列光波相遇都能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。必要條件：頻率相同的兩光波在相遇點(diǎn)有相同的振動(dòng)方向和固定的相位差。補(bǔ)充條件：A-兩光波在相遇點(diǎn)所產(chǎn)生的振動(dòng)的振幅相差不懸殊。B-兩束光波在相遇點(diǎn)的光程差不能太大。光纖傳感原理與應(yīng)用技術(shù)2.2四種常見的光纖干涉儀（1）邁克爾遜(Michelson)光纖干涉儀LD光探測(cè)器可移動(dòng)反射鏡固定反射鏡分光鏡光探測(cè)器LD固定反射鏡可動(dòng)端S(t)3dB光纖干涉儀與普通的光學(xué)干涉儀相比，優(yōu)點(diǎn)在于：（1）

6、容易準(zhǔn)直；（2）可以通過增加光纖長度來增加光程，以提高干涉儀的靈敏度；（3）封閉式的光路，不受外界干擾；（4）測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍大。光纖傳感原理與應(yīng)用技術(shù)2.2四種常見的光纖干涉儀（2）馬赫?曾德（Mach?Zehnder）光纖干涉儀光纖干涉儀與普通的光學(xué)干涉儀相比，優(yōu)點(diǎn)在于：（1）容易準(zhǔn)直；（2）可以通過增加光纖長度來增加光程，以提高干涉儀的靈敏度；（3）封閉式的光路，不受外界干擾；（4）測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍大。LD光探測(cè)器可移動(dòng)反射鏡固定反射鏡分光鏡1分光鏡2圖4?20馬赫—曾德干涉儀原理圖LDS(t)信號(hào)處理PD1PD2DC1DC2光纖傳感原理與應(yīng)用技術(shù)2.2四種常見

7、的光纖干涉儀（3）薩格納克（Sagnac）光纖干涉儀21光纖耦合器光纖陀螺是近20年來發(fā)展起來的一門新技術(shù)，除了在航空航天技術(shù)中用于導(dǎo)航、制導(dǎo)、定位外，也可用于石油鉆井中跟蹤鉆頭位置、機(jī)器人控制、汽車以及在其他測(cè)量角度的系統(tǒng)中應(yīng)用。與傳統(tǒng)的機(jī)電陀螺相比，光纖陀螺具有啟動(dòng)快、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此它更具有競(jìng)爭(zhēng)力。光纖傳感原理與應(yīng)用技術(shù)2.2四種常見的光纖干涉儀（4）法布里?珀羅（Fabry?Perot）光纖干涉儀(c)光纖傳感原理與應(yīng)用技術(shù)3、偏振調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)當(dāng)線偏振光沿磁場(chǎng)方向通過置于磁場(chǎng)中的磁光介質(zhì)時(shí)，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為法拉