新型傳感器第章

1、新新型型傳傳感感器器New Type Sensors新新型型傳傳感感器器New Type Sensors新新型型傳傳感感器器New Type Sensors新新型型傳傳感感器器New Type Sensors光光 纖纖 傳傳 感感 器器 第一節(jié)第一節(jié) 光纖傳感原理光纖傳感原理第二節(jié)第二節(jié) 常見(jiàn)光纖傳感器常見(jiàn)光纖傳感器新新型型傳傳感感器器New Type Sensors一、概述一定規(guī)格的一定規(guī)格的玻璃纖維玻璃纖維可以作可以作為光波導(dǎo)體而用于通信。為光波導(dǎo)體而用于通信。 1966年年美籍華裔科學(xué)家美籍華裔科學(xué)家高焜高焜博士第一個(gè)博士第一個(gè) 提出：提出：新新型型傳傳感感器器New Type Sens

2、ors光纖結(jié)構(gòu)：光纖結(jié)構(gòu)：主體是二氧化硅，主體是二氧化硅，摻雜的作用是提高材料的光折射率摻雜的作用是提高材料的光折射率。纖芯直徑約纖芯直徑約5 57575 m m 。一般用純二氧化硅，一般用純二氧化硅，也有的摻雜是降低材料的光折射也有的摻雜是降低材料的光折射率率，總直徑在，總直徑在100100200200 m m上下。上下。保護(hù)光纖不受外來(lái)的損害，增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度。保護(hù)光纖不受外來(lái)的損害，增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度。纖芯纖芯包層包層涂敷層涂敷層尼龍外層尼龍外層纖芯纖芯包層包層涂敷層和外層涂敷層和外層新新型型傳傳感感器器New Type Sensorsv 光纖在受到環(huán)境因素的影響時(shí)（壓力、溫度、電磁場(chǎng)

3、光纖在受到環(huán)境因素的影響時(shí)（壓力、溫度、電磁場(chǎng)等），將影響在光纖中傳輸?shù)墓獠承┪锢砹康龋?，將影響在光纖中傳輸?shù)墓獠承┪锢砹?光強(qiáng)、光強(qiáng)、相位、頻率、偏振態(tài)）的變化，相位、頻率、偏振態(tài)）的變化，v 光纖傳感器光纖傳感器。纖芯，纖芯， ，n1包層，包層，n2保護(hù)層，保護(hù)層，n3 n2 arcsinNA，光線進(jìn)入光纖后都不能傳播而在包層消失；，光線進(jìn)入光纖后都不能傳播而在包層消失；i n2,且且 cv NA越大，在較大的入射角范圍內(nèi)輸入全反射光，該光越大，在較大的入射角范圍內(nèi)輸入全反射光，該光波沿著纖芯傳輸。波沿著纖芯傳輸。22210sinnnNAi新新型型傳傳感感器器New Type Sens

4、orsv沿著光纖線芯傳輸?shù)墓饪梢苑纸鉃閮刹糠制矫嫜刂饫w線芯傳輸?shù)墓饪梢苑纸鉃閮刹糠制矫娌?，波，一部分沿軸向，一部分沿徑向。一部分沿軸向，一部分沿徑向。v沿徑向傳輸?shù)钠矫娌ㄔ诶w芯和包層的界面處發(fā)沿徑向傳輸?shù)钠矫娌ㄔ诶w芯和包層的界面處發(fā)生全反射，所以每一往復(fù)傳輸?shù)纳瓷?，所以每一往?fù)傳輸?shù)南辔蛔兓窍辔蛔兓?的整數(shù)倍的整數(shù)倍時(shí)，可以對(duì)徑向形成時(shí)，可以對(duì)徑向形成駐波駐波。新新型型傳傳感感器器New Type Sensorsv 光波相位變化光波相位變化2整數(shù)倍形成的整數(shù)倍形成的駐波光線駐波光線又稱(chēng)為又稱(chēng)為“模?！?v 模只能離散地存在。模只能離散地存在。v 光纖內(nèi)只能存在特定數(shù)目的模傳輸光波。光

5、纖內(nèi)只能存在特定數(shù)目的模傳輸光波。v 某一光纖傳輸模的總數(shù)某一光纖傳輸模的總數(shù) v (1-20) v 依據(jù)式依據(jù)式(1-20),分分單模光纖（歸一化頻率小于單模光纖（歸一化頻率小于2.41）和和多模光纖多模光纖.v 多模光纖纖芯與包層折射率差大，傳輸光亮多。多模光纖纖芯與包層折射率差大，傳輸光亮多。4/2/22/2 rNA新新型型傳傳感感器器New Type Sensorsv光纖芯光纖芯6um，折射率差約，折射率差約0.005時(shí)，只傳輸由相時(shí)，只傳輸由相互垂直的?；ゴ怪钡哪x和模和模Ey合成基模光波。合成基模光波。vex=Ax(x,y)ej(t-xz) vey=Ay(x,y)ej(t-yz)

6、 (1-21)單模光纖單模光纖傳輸光波（傳輸光波（線偏振光線偏振光）特性）特性:1) x =y 兩種模等速傳播兩種模等速傳播2) Ax =Ay 橢圓偏振光橢圓偏振光若若|x -y |=m (m=0,1,2,) 線偏振光線偏振光若若|x -y |=(m+1/2) (m=0,1,2,)圓偏振光圓偏振光若若|x -y |=一般情況，橢圓偏振光一般情況，橢圓偏振光新新型型傳傳感感器器New Type Sensorsv 如如:輸入輸入Ey模的線偏振光模的線偏振光,在外界干擾作用于光纖時(shí)，在外界干擾作用于光纖時(shí)，偏振光特性發(fā)生變化，產(chǎn)生偏振光特性發(fā)生變化，產(chǎn)生Ex模。模。v 模之間的功率變換比例（用消化比

7、模之間的功率變換比例（用消化比 表示）表示）: =|ex|2/|ey|2=tanh(KL/m) (1-23) K-常數(shù)；常數(shù)；L-長(zhǎng)度；長(zhǎng)度；m-干擾常數(shù)（干擾常數(shù)（4，6，8）v 為了在較長(zhǎng)距離內(nèi)保持偏振面狀態(tài)不變?yōu)榱嗽谳^長(zhǎng)距離內(nèi)保持偏振面狀態(tài)不變,應(yīng)盡量縮小應(yīng)盡量縮小值。值。v 手段：加大手段：加大=|x-y|v 實(shí)際中實(shí)際中 3000rad/m 較好較好,防止光線兩種模之防止光線兩種模之間的能量交換，進(jìn)而保持偏振面固定不變。間的能量交換，進(jìn)而保持偏振面固定不變。保偏光纖保偏光纖-用于傳感技術(shù)的特殊光纖用于傳感技術(shù)的特殊光纖新新型型傳傳感感器器New Type Sensors光導(dǎo)纖維的主要

8、參數(shù)1. 數(shù)值孔徑（NA）2. 光纖模式3. 傳播損耗新新型型傳傳感感器器New Type Sensors1. 數(shù)值孔徑（NA）v反映纖芯接收光量的多少，標(biāo)志光纖接收性能。v意義：無(wú)論光源發(fā)射功率有多大，只有2i張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。v大的數(shù)值孔徑：有利于耦合效率的提高v數(shù)值孔徑太大，光信號(hào)畸變也越嚴(yán)重。2221sinnnNAi新新型型傳傳感感器器New Type Sensors2. 光纖模式v按傳輸模式分為單模光纖和多模光纖。v階躍型的圓筒波導(dǎo)內(nèi)傳播的模式數(shù)量表示為 。/)(212221nndV希望希望V小：?。篸不能太大，不能太大，n2與與n1之差很小之差很小 新新型型傳傳感感

9、器器New Type Sensors3. 傳播損耗v損耗原因：光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗等的影響 0201IAalgI傳播損耗（單位為傳播損耗（單位為dB） 式中式中, I光纖長(zhǎng)度；光纖長(zhǎng)度； a單位長(zhǎng)度的衰減；單位長(zhǎng)度的衰減； I0光導(dǎo)纖維輸入端光強(qiáng)；光導(dǎo)纖維輸入端光強(qiáng)； I光導(dǎo)纖維輸出端光強(qiáng)。光導(dǎo)纖維輸出端光強(qiáng)。新新型型傳傳感感器器New Type Sensors二、光纖的種類(lèi)二、光纖的種類(lèi)單模光纖單模光纖1、按材料性質(zhì)：、按材料性質(zhì)：玻璃光纖玻璃光纖 耐溫度較高耐溫度較高, 導(dǎo)光效率佳導(dǎo)光效率佳塑料光纖塑料光纖 損耗小，體積小，廣泛應(yīng)用于短距損耗小，體積小，廣泛應(yīng)用于

10、短距離傳輸，醫(yī)療器械，光纖傳感，汽車(chē)，光纖離傳輸，醫(yī)療器械，光纖傳感，汽車(chē)，光纖照明等領(lǐng)域照明等領(lǐng)域 2、按折射率分布：、按折射率分布：階躍折射率光纖階躍折射率光纖梯度折射率光纖梯度折射率光纖3、按光纖的傳輸模式：、按光纖的傳輸模式：多模光纖多模光纖新新型型傳傳感感器器New Type Sensors光纖傳感器的分類(lèi)傳感器傳感器光學(xué)現(xiàn)象光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量被測(cè)量光纖光纖分類(lèi)分類(lèi)干干涉涉型型光纖傳感器相位調(diào)制光纖傳感器相位調(diào)制干涉（磁致伸縮）干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)效應(yīng)光彈效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉干涉電流、磁場(chǎng)電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓電場(chǎng)、電壓角速度角速度振動(dòng)、壓力、加速度

11、、位移振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非非干干涉涉型型光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制遮光板斷光路遮光板斷光路半導(dǎo)體透射率的變化半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗光纖微彎損耗振動(dòng)膜或液晶的反射振動(dòng)膜或液晶的反射氣體分子吸收氣體分子吸收光纖漏泄模光纖漏泄模溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度溫度溫度溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移振動(dòng)、壓力、加速度、位移振動(dòng)、壓力、位移振動(dòng)、壓力、位移氣體濃度氣體濃度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纖傳感器偏振調(diào)制光纖傳感

12、器偏振調(diào)制法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化雙折射變化光彈效應(yīng)光彈效應(yīng)電流、磁場(chǎng)電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓電場(chǎng)、電壓溫度溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移振動(dòng)、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纖傳感器頻率調(diào)制光纖傳感器頻率調(diào)制多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)受激喇曼散射受激喇曼散射光致發(fā)光光致發(fā)光速度、流速、振動(dòng)、加速度速度、流速、振動(dòng)、加速度氣體濃度氣體濃度溫度溫度MMMMMMCbb注：注：MM多模光纖；多模光纖；SM單模光纖；單模光纖；PM偏振保持光纖偏振保持光纖 新新型型傳傳感感器器New Type Sensors三、什么是三、什么是光纖光纖傳感技術(shù)？傳感技術(shù)？v 是現(xiàn)代通信

13、的產(chǎn)物，是隨著是現(xiàn)代通信的產(chǎn)物，是隨著光纖及通信技術(shù)光纖及通信技術(shù)的發(fā)展的發(fā)展而逐步發(fā)展起來(lái)的一門(mén)嶄新技術(shù)。而逐步發(fā)展起來(lái)的一門(mén)嶄新技術(shù)。R由于光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質(zhì)，而且由于光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質(zhì)，而且光光波在光纖中的傳播時(shí)表征光波的特征參量波在光纖中的傳播時(shí)表征光波的特征參量（振幅、相振幅、相位、偏振態(tài)位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)波長(zhǎng)等）因等）因外界因素外界因素（如（如溫度、壓力、溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、位移磁場(chǎng)、電場(chǎng)、位移等）的作用而間接或直接地發(fā)生變等）的作用而間接或直接地發(fā)生變化，從而可化，從而可將光纖用作傳感器元件將光纖用作傳感器元件來(lái)探測(cè)各種待測(cè)量來(lái)探測(cè)各種待測(cè)量（物理量、化

14、學(xué)量和生物量），這就是（物理量、化學(xué)量和生物量），這就是光纖傳感器的光纖傳感器的基本原理?；驹?。光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù)-R利用光纖研制光纖傳感器始于利用光纖研制光纖傳感器始于1977年。年。新新型型傳傳感感器器New Type Sensors 光纖傳感器的特點(diǎn)光纖傳感器的特點(diǎn) 7、 綜合性?xún)r(jià)比高。綜合性?xún)r(jià)比高。6、 便于復(fù)用，便于成網(wǎng)。便于復(fù)用，便于成網(wǎng)。5、 對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，可用于航空航天的對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，可用于航空航天的 復(fù)合材料中。復(fù)合材料中。 4、 測(cè)量對(duì)象廣泛。測(cè)量對(duì)象廣泛。3、 重量輕、體積小、可撓曲。重量輕、體積小、可撓曲。2、 靈敏度高。靈敏度高。1、 抗電磁干擾、電

15、絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全?？闺姶鸥蓴_、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全。新新型型傳傳感感器器New Type Sensors第一節(jié)第一節(jié) 光纖傳感器原理光纖傳感器原理一、傳感原理及分類(lèi)一、傳感原理及分類(lèi)傳光型傳光型光纖傳感器：光纖傳感器：非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器 None Function FilterNFF（非本征型） 原理：原理：利用其它敏感元件測(cè)得特征量，由光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。利用其它敏感元件測(cè)得特征量，由光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 調(diào)制器入射光纖出射光纖光敏器件信信號(hào)號(hào)特點(diǎn)特點(diǎn)：是充分利用：是充分利用現(xiàn)有的傳感器現(xiàn)有的傳感器，便于推廣應(yīng)用。，便于推廣應(yīng)用。新新型型傳傳感感器器New Type

16、Sensors原理原理：指利用外界因素改變光纖中光的特征參量，：指利用外界因素改變光纖中光的特征參量，從而對(duì)外界因素進(jìn)行計(jì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，從而?duì)外界因素進(jìn)行計(jì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，傳感型傳感型光纖傳感器光纖傳感器（功能型光纖傳感器（功能型光纖傳感器 Function FilterFF） （本征型）入射光纖信信號(hào)號(hào)出射光纖光敏器件特點(diǎn)特點(diǎn)：傳感合一，信息的獲取和傳輸都在光纖之中。：傳感合一，信息的獲取和傳輸都在光纖之中。新新型型傳傳感感器器New Type Sensorsv把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置 光受到被測(cè)量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器，光受到被測(cè)量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接

17、收器，使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)得到被測(cè)量。使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)得到被測(cè)量。 新新型型傳傳感感器器New Type Sensors 這兩類(lèi)光纖傳感器都可再分成這兩類(lèi)光纖傳感器都可再分成光強(qiáng)、相位、偏振光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)態(tài)和和波長(zhǎng)波長(zhǎng)等幾種等幾種調(diào)制調(diào)制形式形式.小結(jié)：小結(jié)：光纖傳感器的基本組成：光纖傳感器的基本組成：光源、入射光纖、出射光纖、調(diào)制器、光電探測(cè)器光源、入射光纖、出射光纖、調(diào)制器、光電探測(cè)器新新型型傳傳感感器器New Type Sensors二、傳感器的二、傳感器的調(diào)制調(diào)制技術(shù)技術(shù)沿某一方向傳播的沿某一方向傳播的光波光波可以用平面波的波動(dòng)方程表示：可以用平面波

18、的波動(dòng)方程表示：其中，空間頻率其中，空間頻率k = 2 / 。光具有以下基本特性參量：光具有以下基本特性參量：初始相位初始相位 ：初始相位反映了光波的：初始相位反映了光波的光程光程。幅值幅值A(chǔ)：振幅振幅A決定了決定了光的強(qiáng)度光的強(qiáng)度，光強(qiáng)度的極大值就是，光強(qiáng)度的極大值就是A2。振動(dòng)方向振動(dòng)方向：振幅：振幅A是一個(gè)矢量，有是一個(gè)矢量，有偏振偏振方向。方向。頻率頻率： 為光的角頻率，外部特征表現(xiàn)為為光的角頻率，外部特征表現(xiàn)為顏色顏色。波長(zhǎng)波長(zhǎng) ：同樣的光波，在不同折射率的介質(zhì)中光的：同樣的光波，在不同折射率的介質(zhì)中光的波長(zhǎng)波長(zhǎng)是是不相等的。不相等的。原理原理：)sin(tkxAE)sin(tBE新

19、新型型傳傳感感器器New Type Sensors光纖傳感器調(diào)制器光纖傳感器調(diào)制器：光纖本身（光纖本身（FT）、敏感元件（）、敏感元件（NFT）利用外界物理量改變光）利用外界物理量改變光纖中纖中光的強(qiáng)度光的強(qiáng)度，通過(guò)測(cè)量，通過(guò)測(cè)量 光強(qiáng)變化光強(qiáng)變化來(lái)測(cè)量外界物理量變化。來(lái)測(cè)量外界物理量變化。調(diào)制原理調(diào)制原理：外界物理量的大小與其所引起的光的特性變化之間的關(guān)系外界物理量的大小與其所引起的光的特性變化之間的關(guān)系變化的光參數(shù)變化的光參數(shù): :一個(gè)或幾個(gè)一個(gè)或幾個(gè)光敏器件只能探測(cè)光強(qiáng)度，其他性能（偏振態(tài)、頻率、相光敏器件只能探測(cè)光強(qiáng)度，其他性能（偏振態(tài)、頻率、相位等）的改變需先變換成光強(qiáng)度變化。位等）

20、的改變需先變換成光強(qiáng)度變化。新新型型傳傳感感器器New Type Sensors（一）（一） 強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制S定義定義：利用外界物理量改變光纖中：利用外界物理量改變光纖中光的強(qiáng)度光的強(qiáng)度，通過(guò)測(cè)量，通過(guò)測(cè)量 光強(qiáng)變化光強(qiáng)變化來(lái)測(cè)量外界物理量變化。來(lái)測(cè)量外界物理量變化。強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制：使用最早的調(diào)制方法：使用最早的調(diào)制方法特點(diǎn)特點(diǎn)：計(jì)算簡(jiǎn)單、可靠、價(jià)格低：計(jì)算簡(jiǎn)單、可靠、價(jià)格低傳感器傳感器：多模光纖：多模光纖光源光源：LED、白熾燈、白熾燈光敏器件：光敏器件：光電二極管（光電二極管（PD/photodiode）、）、光電二極管光電二極管(PIN/Positive Intrinsic-Nega

21、tive）和光電池）和光電池探頭拾光機(jī)理探頭拾光機(jī)理：反射、透射、折射：反射、透射、折射新新型型傳傳感感器器New Type Sensorsn通常入射光纖不動(dòng)，出射光纖平移或轉(zhuǎn)動(dòng)；n光纖間距大約23 m，端面為平面；1 透射式強(qiáng)度調(diào)制透射式強(qiáng)度調(diào)制（一）（一） 強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制橫向轉(zhuǎn)動(dòng)縱向差動(dòng)SSDDDDDSS新新型型傳傳感感器器New Type Sensors偏置點(diǎn)應(yīng)當(dāng)選擇在偏置點(diǎn)應(yīng)當(dāng)選擇在A點(diǎn)，為什么？點(diǎn)，為什么？為了得到高的靈敏度和好的線性度。為了得到高的靈敏度和好的線性度。設(shè)輸入、輸出光纖均為同一種設(shè)輸入、輸出光纖均為同一種單模光纖單模光纖，則：，則：n徑向位移徑向位移x與功率耦合系數(shù)

22、與功率耦合系數(shù)T之間近似之間近似高斯型曲線高斯型曲線的關(guān)系：的關(guān)系：T = exp(x2/s20) 式中，式中，s0為光纖中的光斑尺寸為光纖中的光斑尺寸位移測(cè)量范圍在位移測(cè)量范圍在10 m以?xún)?nèi)。以?xún)?nèi)。A點(diǎn)點(diǎn)橫向新新型型傳傳感感器器New Type Sensors開(kāi)關(guān)式強(qiáng)度調(diào)制開(kāi)關(guān)式強(qiáng)度調(diào)制R入射和出射光纖相對(duì)位置固定不動(dòng)入射和出射光纖相對(duì)位置固定不動(dòng)R外界物體運(yùn)動(dòng)使光強(qiáng)發(fā)生變化外界物體運(yùn)動(dòng)使光強(qiáng)發(fā)生變化R外界物體如薄膜或管式壓力計(jì)、熱膨脹元件、液位等。外界物體如薄膜或管式壓力計(jì)、熱膨脹元件、液位等。n入射光：入射光：被透鏡準(zhǔn)直成半徑為被透鏡準(zhǔn)直成半徑為 r 平行光束平行光束；n遮光屏：遮光屏：

23、固體材料、液體材料固體材料、液體材料n出射光出射光強(qiáng)變化與強(qiáng)變化與擋板（遮光板）擋板（遮光板）位移位移關(guān)系：關(guān)系：與與(/r)成比例成比例。DrP彈性薄膜光開(kāi)關(guān)調(diào)制光開(kāi)關(guān)調(diào)制（一）（一） 強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制新新型型傳傳感感器器New Type Sensorsn假設(shè)假設(shè)光柵距光柵距5 m 、柵寬柵寬5 m；nhttp:/ Type Sensors新新型型傳傳感感器器New Type Sensors3 反射式強(qiáng)度調(diào)制反射式強(qiáng)度調(diào)制可測(cè)量可測(cè)量距離、對(duì)象表面反射率、角度距離、對(duì)象表面反射率、角度等等為提高光強(qiáng)的耦合效率，可采用為提高光強(qiáng)的耦合效率，可采用大數(shù)值孔徑大數(shù)值孔徑光纖光纖非接觸、探頭小、頻響

24、高、線性度好等，其測(cè)量范圍非接觸、探頭小、頻響高、線性度好等，其測(cè)量范圍在在100 m以?xún)?nèi)。以?xún)?nèi)。特點(diǎn)：特點(diǎn)：新新型型傳傳感感器器New Type Sensors 4、折射率調(diào)制法、折射率調(diào)制法n溫度溫度傳感器。傳感器。n油改變纖芯表面折射率；油改變纖芯表面折射率；n可以測(cè)量液體的溫可以測(cè)量液體的溫度、折射率、液面度、折射率、液面等。等。n液體折射率液體折射率nt隨溫隨溫度變化而變化；度變化而變化；n纖芯折射率纖芯折射率n1不變；不變；n測(cè)量水中的含油量。測(cè)量水中的含油量。新新型型傳傳感感器器New Type Sensors定義：定義：利用外界物理量改變利用外界物理量改變光的偏振特性光的偏振特

25、性，通過(guò)檢測(cè)光的，通過(guò)檢測(cè)光的偏振態(tài)的變化來(lái)檢測(cè)物理量。偏振態(tài)的變化來(lái)檢測(cè)物理量。1、法拉第效應(yīng)、法拉第效應(yīng)(二二)、偏振態(tài)調(diào)制法、偏振態(tài)調(diào)制法 通入電流，產(chǎn)生通入電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)磁場(chǎng)，光矢量的方向，光矢量的方向旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度 ，P2有光出射。有光出射。N為光纖；為光纖；I為導(dǎo)線中通過(guò)的電流。為導(dǎo)線中通過(guò)的電流。n利用利用 = VdLB，可計(jì)算出磁感，可計(jì)算出磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)強(qiáng)度 B。P1+-旋旋光光物物質(zhì)質(zhì)P2P1、P2偏振偏振片片S光光源源n這種結(jié)構(gòu)可以制成電流傳感器。這種結(jié)構(gòu)可以制成電流傳感器。又：又：光纖磁傳感器光纖磁傳感器新新型型傳傳感感器器New Type Sensorsn

26、起偏器起偏器：對(duì)于一束自然光，其光矢量的振動(dòng)方向：對(duì)于一束自然光，其光矢量的振動(dòng)方向是是360360的，為了獲得的，為了獲得只有一個(gè)振動(dòng)方向的光（偏振只有一個(gè)振動(dòng)方向的光（偏振光光），就需要借助于起偏器。），就需要借助于起偏器。n起偏器一般是用具有起偏器一般是用具有二相色性的介質(zhì)二相色性的介質(zhì)制作而成的，制作而成的，這種這種介質(zhì)只讓某一個(gè)振動(dòng)方向的光矢量透過(guò)，這個(gè)介質(zhì)只讓某一個(gè)振動(dòng)方向的光矢量透過(guò)，這個(gè)方向叫做方向叫做“透光軸透光軸”，而垂直與透光軸方向的光矢，而垂直與透光軸方向的光矢量或光矢量的分量被吸收。量或光矢量的分量被吸收。新新型型傳傳感感器器New Type Sensors雙折射雙折

27、射n折射現(xiàn)象折射現(xiàn)象：一束單色光入射到：一束單色光入射到各項(xiàng)同性介質(zhì)各項(xiàng)同性介質(zhì)表面，折射光線只有一束光；表面，折射光線只有一束光；n雙折射雙折射：當(dāng)一束單色光入射到：當(dāng)一束單色光入射到各向異性介質(zhì)各向異性介質(zhì)表面時(shí)，一般產(chǎn)生兩束折射光；表面時(shí)，一般產(chǎn)生兩束折射光；新新型型傳傳感感器器New Type Sensors晶體的光軸晶體的光軸：雙折射晶體存在的這樣一個(gè)方：雙折射晶體存在的這樣一個(gè)方向，光沿此方向入射進(jìn)入晶體，不發(fā)生雙折向，光沿此方向入射進(jìn)入晶體，不發(fā)生雙折射現(xiàn)象，這個(gè)方向叫做射現(xiàn)象，這個(gè)方向叫做晶體的光軸晶體的光軸。晶體的主截面晶體的主截面：由晶體光軸和晶體表面法線：由晶體光軸和晶體

28、表面法線組成的面即為晶體的主截面。組成的面即為晶體的主截面。光束在主截面的雙折射現(xiàn)象最為簡(jiǎn)單。光束在主截面的雙折射現(xiàn)象最為簡(jiǎn)單。雙折射雙折射新新型型傳傳感感器器New Type Sensors尋常光：尋常光：遵守折射定律，遵守折射定律，O光光矢量，折射率矢量，折射率為為no ；非常光非常光：不遵守折射定律，為：不遵守折射定律，為E光光矢量，折矢量，折射率為射率為ne ；O光光和和E光光都是線偏振光；都是線偏振光； O光光矢量垂直于矢量垂直于晶體主截面；晶體主截面；E光光矢量在主截面內(nèi)；矢量在主截面內(nèi)；雙折射雙折射新新型型傳傳感感器器New Type Sensorsv產(chǎn)生產(chǎn)生雙折射途徑雙折射途徑

29、： 具有天然雙折射特性的天然材料：石英晶體具有天然雙折射特性的天然材料：石英晶體、方解石晶體、方解石晶體 人為產(chǎn)生：硝基苯人為產(chǎn)生：硝基苯v非晶體一般情況下不是雙折射物質(zhì)非晶體一般情況下不是雙折射物質(zhì)v受到外力或電場(chǎng)作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生人為雙折射現(xiàn)受到外力或電場(chǎng)作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生人為雙折射現(xiàn)象。象。雙折射雙折射新新型型傳傳感感器器New Type Sensors克爾盒 克爾電光效應(yīng)：克爾電光效應(yīng)：電場(chǎng)作用下，硝基苯的雙折射現(xiàn)象電場(chǎng)作用下，硝基苯的雙折射現(xiàn)象1）光矢量沿電場(chǎng)方向，為）光矢量沿電場(chǎng)方向，為O光光矢量，折射率為矢量，折射率為no ；2）光矢量與電場(chǎng)垂直，為）光矢量與電場(chǎng)垂直，為E光光矢量，折射

30、率為矢量，折射率為ne ；n線偏振光沿著與線偏振光沿著與電場(chǎng)電場(chǎng)垂直的方向通過(guò)垂直的方向通過(guò)克爾盒克爾盒時(shí)，分時(shí)，分解為兩束線偏振光：解為兩束線偏振光：+-S起偏器檢偏器新新型型傳傳感感器器New Type Sensors 克爾電光效應(yīng)（續(xù)克爾電光效應(yīng)（續(xù)1）n設(shè)設(shè)O光和光和E光折射率為光折射率為no 、 ne，折射率變化，折射率變化 n與電與電場(chǎng)之間的關(guān)系為：場(chǎng)之間的關(guān)系為： K為克爾常數(shù)、為克爾常數(shù)、 E為電場(chǎng)強(qiáng)度、為電場(chǎng)強(qiáng)度、 為真空中光波長(zhǎng)。為真空中光波長(zhǎng)。克爾盒+-S起偏器檢偏器-此為克爾電光效應(yīng)克爾電光效應(yīng)n兩束線偏振光通過(guò)克爾盒后產(chǎn)生的兩束線偏振光通過(guò)克爾盒后產(chǎn)生的光程差光程差為

31、：為：U為外加電壓、為外加電壓、L為光在克爾盒中的空間長(zhǎng)度、為光在克爾盒中的空間長(zhǎng)度、 d為電極間距為電極間距其中其中應(yīng)用新新型型傳傳感感器器New Type Sensors利用利用克爾效應(yīng)克爾效應(yīng)可以構(gòu)成可以構(gòu)成光纖電壓傳感器光纖電壓傳感器。n對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的相位差相位差為：為：n若檢偏器與起偏器正交，而且與電場(chǎng)方向成若檢偏器與起偏器正交，而且與電場(chǎng)方向成45 ，則出射，則出射光波的光波的光強(qiáng)光強(qiáng)為：為：I= I0 sin (/2)= I0 sin kL (U/d) 克爾電光效應(yīng)（續(xù)克爾電光效應(yīng)（續(xù)2）克爾盒+-S起偏器檢偏器新新型型傳傳感感器器New Type Sensors3、光壓效應(yīng)、光壓

32、效應(yīng)n光壓效應(yīng)光壓效應(yīng) 又稱(chēng)作又稱(chēng)作應(yīng)力雙折射應(yīng)力雙折射。n壓力或張力壓力或張力MN方向的折射率和其它方向不同。方向的折射率和其它方向不同。 設(shè)設(shè)MN方向上的折射率為方向上的折射率為ne、垂直、垂直MN方向的折射率為方向的折射率為no。n折射率的變化與外加壓強(qiáng)折射率的變化與外加壓強(qiáng) P 的關(guān)系：的關(guān)系：K為物質(zhì)的為物質(zhì)的壓強(qiáng)光學(xué)系數(shù)壓強(qiáng)光學(xué)系數(shù)。MN壓力壓力光源起偏器補(bǔ)償片檢偏器none其中-此為光光壓壓效應(yīng)效應(yīng)新新型型傳傳感感器器New Type Sensors 相應(yīng)的出射光強(qiáng)相應(yīng)的出射光強(qiáng) I 為為 3、光壓效應(yīng)（續(xù)、光壓效應(yīng)（續(xù)1）n可以構(gòu)成可以構(gòu)成壓力、聲、振動(dòng)、位移壓力、聲、振動(dòng)、位

33、移等光纖傳感器等光纖傳感器。若光波通過(guò)的物質(zhì)厚度為若光波通過(guò)的物質(zhì)厚度為l，則產(chǎn)生的，則產(chǎn)生的光程差光程差 等于：等于：由此引起的相位差由此引起的相位差為：為：MN壓力壓力光源起偏器補(bǔ)償片檢偏器none應(yīng)用新新型型傳傳感感器器New Type Sensors(三、相位調(diào)制三、相位調(diào)制 法法)定義定義： 外界物理量改變光纖中外界物理量改變光纖中光波的相位光波的相位，通過(guò)檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)相位相位變化變化來(lái)測(cè)量物理量的原理。來(lái)測(cè)量物理量的原理。n借助于借助于光纖干涉儀光纖干涉儀可以將相位變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)變化，可以將相位變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)變化，從而最終轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。從而最終轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。n光纖中光波的相位由光

34、纖的光纖中光波的相位由光纖的物理長(zhǎng)度、折射率及其分物理長(zhǎng)度、折射率及其分布、橫向幾何尺寸布、橫向幾何尺寸決定，決定，壓力、張力壓力、張力、溫度溫度等能直接等能直接改變上述參數(shù)，產(chǎn)生相位變化，實(shí)現(xiàn)光纖的相位調(diào)制。改變上述參數(shù)，產(chǎn)生相位變化，實(shí)現(xiàn)光纖的相位調(diào)制。新新型型傳傳感感器器New Type Sensors1、應(yīng)力、應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變效應(yīng)效應(yīng)n受縱向應(yīng)力作用，纖芯的受縱向應(yīng)力作用，纖芯的長(zhǎng)度、直徑、折射率長(zhǎng)度、直徑、折射率都都 將變化，導(dǎo)致光纖中光波相位變化。將變化，導(dǎo)致光纖中光波相位變化。n通過(guò)通過(guò) L長(zhǎng)的光纖后，出射光波的長(zhǎng)的光纖后，出射光波的相位延遲相位延遲為：為： n 為光纖中光波的傳播系

35、數(shù)。為光纖中光波的傳播系數(shù)。n纖芯半徑為纖芯半徑為 r 的光纖長(zhǎng)度的光纖長(zhǎng)度 L或傳播系數(shù)或傳播系數(shù)變化時(shí)，變化時(shí)，引起光波相位變化引起光波相位變化 ： 1為為光纖長(zhǎng)度變化光纖長(zhǎng)度變化引起的相位延遲引起的相位延遲(應(yīng)變效應(yīng)或縱向應(yīng)變應(yīng)變效應(yīng)或縱向應(yīng)變)； 2為為折射率變化折射率變化(光彈效應(yīng)光彈效應(yīng))引起的相位延遲；與引起的相位延遲；與 1、 2、 3有關(guān)。有關(guān)。 3為為光纖芯的直徑變化光纖芯的直徑變化(泊松效應(yīng)或橫向應(yīng)變泊松效應(yīng)或橫向應(yīng)變)引起的相位延遲。引起的相位延遲。 其中：其中：新新型型傳傳感感器器New Type Sensorsn相對(duì)于相對(duì)于1、 2， 3小得多，忽略不計(jì)，有：小得多

36、，忽略不計(jì)，有：n其中：其中：k0 = 2 / ；P12、P12為光纖的光彈系數(shù)，為光纖的光彈系數(shù)，第一項(xiàng)為第一項(xiàng)為縱向縱向應(yīng)變的相位調(diào)制項(xiàng)、應(yīng)變的相位調(diào)制項(xiàng)、第二項(xiàng)為第二項(xiàng)為光彈光彈效應(yīng)的相位調(diào)制項(xiàng)、效應(yīng)的相位調(diào)制項(xiàng)、第三項(xiàng)為第三項(xiàng)為橫向橫向應(yīng)變的相位調(diào)制項(xiàng)應(yīng)變的相位調(diào)制項(xiàng) 。新新型型傳傳感感器器New Type Sensors2、溫度應(yīng)變效應(yīng)、溫度應(yīng)變效應(yīng)式中，應(yīng)變式中，應(yīng)變 1、 3與光纖材料性質(zhì)有關(guān)。與光纖材料性質(zhì)有關(guān)。在光纖中光是沿橫向偏振的，可以?xún)H考慮徑向折射率變化，則：在光纖中光是沿橫向偏振的，可以?xún)H考慮徑向折射率變化，則：若用溫度變化若用溫度變化 T 和相位變化（光纖的溫度靈敏

37、度）來(lái)描述，和相位變化（光纖的溫度靈敏度）來(lái)描述，則有：則有：n由由 F引起光纖中光波相位延遲為：引起光纖中光波相位延遲為：n將將溫度溫度變化等效為變化等效為作用力作用力 F 對(duì)光纖的應(yīng)變作用，那么，對(duì)光纖的應(yīng)變作用，那么，作用力作用力 F 將同時(shí)影響光纖折射率將同時(shí)影響光纖折射率n和長(zhǎng)度和長(zhǎng)度 L 的變化。的變化。新新型型傳傳感感器器New Type Sensorsu需用保偏光纖才能獲得好的干涉效果，需用保偏光纖才能獲得好的干涉效果，u具有很高的相位調(diào)制靈敏度。具有很高的相位調(diào)制靈敏度。u探頭形式靈活多樣，適用于不同的測(cè)試環(huán)境；探頭形式靈活多樣，適用于不同的測(cè)試環(huán)境；相位調(diào)制法特點(diǎn)：相位調(diào)制

38、法特點(diǎn)：vvv 保偏光纖保偏光纖 vvv偏振保持光纖傳輸線偏振光，廣泛用于航天、航空、航海、工業(yè)制造技術(shù)及通信等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。在以光學(xué)相干檢測(cè)為基礎(chǔ)的干涉型光纖傳感器中，使用保偏光纖能夠保證線偏振光偏振方向不變，提高相干信噪比，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的高精度測(cè)量。新新型型傳傳感感器器New Type Sensors領(lǐng)結(jié)型保偏光纖 橢圓型保偏光纖 保偏光纖 新新型型傳傳感感器器New Type Sensors(四四)、頻率調(diào)制法、頻率調(diào)制法通過(guò)測(cè)量通過(guò)測(cè)量多普勒頻移多普勒頻移量量 = s - 0實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體（如實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體（如流流體）的速度、流量體）的速度、流量的測(cè)量。的測(cè)量。光接收元件與光源之間

39、有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，光敏器件所接收到光接收元件與光源之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，光敏器件所接收到的光頻率的光頻率fs與光源本身的光頻率與光源本身的光頻率f不相同，這種現(xiàn)象稱(chēng)為多不相同，這種現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒頻移。普勒頻移。fs=f/(1-v/c)新新型型傳傳感感器器New Type Sensors(四四)、頻率調(diào)制法、頻率調(diào)制法通過(guò)測(cè)量通過(guò)測(cè)量多普勒頻移多普勒頻移量量 = s - 0實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)流體速度流體速度的測(cè)量的測(cè)量n由于余弦函數(shù)為偶函數(shù)，對(duì)于由于余弦函數(shù)為偶函數(shù)，對(duì)于的正負(fù)不易斷定，因此零差的正負(fù)不易斷定，因此零差測(cè)量法只能測(cè)量運(yùn)動(dòng)大小，不測(cè)量法只能測(cè)量運(yùn)動(dòng)大小，不能測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)方向。能測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)方向。0000

40、1、零差法、零差法干涉光的光強(qiáng)干涉光的光強(qiáng)I(t)為：為：n利用利用頻譜分析儀頻譜分析儀測(cè)量光敏測(cè)量光敏器件電信號(hào)，即可測(cè)出頻移。器件電信號(hào)，即可測(cè)出頻移。新新型型傳傳感感器器New Type Sensors 通過(guò)調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)節(jié)聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率 1，就可以檢測(cè)出測(cè)量光的多普勒光頻移量，就可以檢測(cè)出測(cè)量光的多普勒光頻移量 s 的大小與頻移方向。的大小與頻移方向。2、外差法、外差法干涉光的光強(qiáng)干涉光的光強(qiáng)I(t)為：為：式中，式中， = s - 1為兩為兩束光干涉而形成的光強(qiáng)束光干涉而形成的光強(qiáng)變化的拍頻。變化的拍頻。當(dāng)當(dāng) = s - 1=0時(shí)，時(shí)， s = 1。新新型型傳傳

41、感感器器New Type Sensors第二節(jié)第二節(jié) 常見(jiàn)光纖傳感器常見(jiàn)光纖傳感器1. 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器2. 光纖位置傳感器光纖位置傳感器3. 光纖流量傳感器光纖流量傳感器4. 光纖力傳感器光纖力傳感器5. 光纖速度傳感器光纖速度傳感器6. 光纖磁場(chǎng)傳感器光纖磁場(chǎng)傳感器7. 光纖電流傳感器光纖電流傳感器8. 光纖電壓傳感器光纖電壓傳感器9. 光纖圖像傳感器光纖圖像傳感器10.光纖醫(yī)用傳感器光纖醫(yī)用傳感器新新型型傳傳感感器器New Type Sensors第二節(jié)第二節(jié) 常見(jiàn)光纖傳感器常見(jiàn)光纖傳感器一、偏振式光纖溫度傳感器一、偏振式光纖溫度傳感器新新型型傳傳感感器器New Type S

42、ensorsn光線透過(guò)光線透過(guò)1/4波片之前，光矢量與其波片之前，光矢量與其快軸快軸的夾角為（的夾角為（- ）。）。光線穿過(guò)波片后再被反射鏡反射回來(lái)，往返兩次通過(guò)光線穿過(guò)波片后再被反射鏡反射回來(lái)，往返兩次通過(guò)1/4波片波片后，光矢量以后，光矢量以1/4波片的快軸對(duì)稱(chēng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)（波片的快軸對(duì)稱(chēng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)（- ）角。）角。n光線第一次穿過(guò)石英晶體，被石英晶體光線第一次穿過(guò)石英晶體，被石英晶體左左旋，即旋，即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了 角。角。n迎著光的入射方向觀察，迎著光的入射方向觀察，y軸是平行于紙面的方向，軸是平行于紙面的方向，F(xiàn)為為1/4波片的快軸方向，它與波片的快軸方向，它與y軸夾角為軸夾角為。設(shè)石

43、英晶體設(shè)石英晶體為左旋晶體。為左旋晶體。新新型型傳傳感感器器New Type Sensorsn光線第二次經(jīng)過(guò)石英晶體，再次被光線第二次經(jīng)過(guò)石英晶體，再次被左左旋旋 角。注意光線的方向。角。注意光線的方向。n測(cè)溫范圍測(cè)溫范圍18180，分辨率為，分辨率為2。n當(dāng)當(dāng)2(- ) = 45 時(shí)，輸出光強(qiáng)與時(shí)，輸出光強(qiáng)與 之間的線性度最好。當(dāng)測(cè)溫的范圍確定之間的線性度最好。當(dāng)測(cè)溫的范圍確定后，可以通過(guò)調(diào)整后，可以通過(guò)調(diào)整1/4波片快軸來(lái)滿足要求。波片快軸來(lái)滿足要求。n設(shè)透過(guò)棱鏡的偏振光強(qiáng)度為設(shè)透過(guò)棱鏡的偏振光強(qiáng)度為I 0，返回的光矢量被旋轉(zhuǎn)了，返回的光矢量被旋轉(zhuǎn)了角，按照角，按照馬呂馬呂斯定律斯定律，返

44、回光線透過(guò)偏振棱鏡后的光強(qiáng)度，返回光線透過(guò)偏振棱鏡后的光強(qiáng)度I與原來(lái)的光強(qiáng)與原來(lái)的光強(qiáng)I 0之間的關(guān)系之間的關(guān)系為：為：I = I 0cos2(- ) + 2(- ) - = 2(- )n光線兩次通過(guò)石英晶體后，光矢量光線兩次通過(guò)石英晶體后，光矢量總的轉(zhuǎn)角總的轉(zhuǎn)角為：為：新新型型傳傳感感器器New Type Sensors2、反射式光纖位移傳感器、反射式光纖位移傳感器n當(dāng) b(d+2a)/2 tg(sin-1N)時(shí)，即輸出光纖位于光錐之內(nèi)，兩光纖的耦合最強(qiáng)，接收光強(qiáng)達(dá)到最大值。1、基本原理被測(cè)表面被測(cè)表面2adb探測(cè)器光源n輸出光纖接收光強(qiáng)等效于輸入光纖像發(fā)出的光強(qiáng)，有：bb2adn由于 =

45、sin-1N，所以：n當(dāng) bd2 tg(sin-1N)時(shí)，輸出光纖位于光纖像的光錐之外，兩光纖的耦合為零，無(wú)反射光進(jìn)入輸出光纖；n最大檢測(cè)范圍bmax為a/tg(sin-1N)。新新型型傳傳感感器器New Type Sensorsn由于輸出光纖芯徑很小，常常把光錐邊緣與輸出光纖芯由于輸出光纖芯徑很小，常常把光錐邊緣與輸出光纖芯交界弧線看成直線。交界弧線看成直線。 2、耦合效率、耦合效率n投影光斑與輸出光纖端面有一交疊面，交疊面積的大小投影光斑與輸出光纖端面有一交疊面，交疊面積的大小決定了輸出光纖接收到的光強(qiáng)大小。決定了輸出光纖接收到的光強(qiáng)大小。n假定反射面無(wú)光吸收，兩光纖的光功率耦合效率為：假

46、定反射面無(wú)光吸收，兩光纖的光功率耦合效率為：式中，弧矢高度式中，弧矢高度 = 2btg(sin-1N) - d。n交疊面積與光纖端面積之比交疊面積與光纖端面積之比M為：為：新新型型傳傳感感器器New Type Sensors3、標(biāo)準(zhǔn)光纖結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)光纖結(jié)構(gòu)n影響光纖位移傳感器的測(cè)量范圍和靈敏度的主要因素影響光纖位移傳感器的測(cè)量范圍和靈敏度的主要因素是輸入光纖和輸出光纖端部的是輸入光纖和輸出光纖端部的光纖分布形態(tài)光纖分布形態(tài)。n標(biāo)準(zhǔn)的光纖位移傳感器由標(biāo)準(zhǔn)的光纖位移傳感器由600根根直徑直徑0.762的光導(dǎo)的光導(dǎo)纖維組成，纖維組成，纖芯是折射率為纖芯是折射率為1.62的火石玻璃的火石玻璃，包層為折射

47、包層為折射率為率為1.52的玻璃的玻璃。光纖采用。光纖采用型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)。光纖分布形態(tài)一般有四種光纖分布形態(tài)一般有四種新新型型傳傳感感器器New Type Sensors三、光纖加速度傳感器三、光纖加速度傳感器1、干涉型光纖加速度傳感器干涉型光纖加速度傳感器n質(zhì)量上，質(zhì)量塊m遠(yuǎn)大于順變體mc，結(jié)構(gòu)上可簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的二階質(zhì)量彈簧系統(tǒng)。n以加速度a運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊對(duì)順變體施加一個(gè)軸向力F，并且：n在力F的作用下，順變柱體產(chǎn)生軸向應(yīng)變i： 式中，E為順變柱體材料的彈性模量，d為順變柱體的直徑。n順變柱體的徑向應(yīng)變?yōu)椋?其中， 為順變柱體材料的泊松比。n引起光纖長(zhǎng)度變化l / l（=）。設(shè)光纖匝數(shù)為N，則：n

48、光纖長(zhǎng)度的變化可用干涉儀測(cè)量，光束的位相變化為： =l1-0.5n (1-f )p12-f p11 式中，n為纖芯的折射率；p11，p12為光彈系數(shù)；f為纖芯的泊宋比；=2n/。n若定義加速度傳感器的靈敏度為/a，則：新新型型傳傳感感器器New Type Sensors2、強(qiáng)度型光纖加速度傳感器、強(qiáng)度型光纖加速度傳感器n質(zhì)量塊受力F作用時(shí)，板簧的變形可表示為： 式中：E為板彈簧材料的楊氏模量； J為板彈簧的慣性矩； L為板彈簧長(zhǎng)度。n對(duì)(x)關(guān)于x微分，得質(zhì)量塊傾角(x)： 當(dāng) x = L 時(shí)n質(zhì)量塊所受作用力由加速度引起，根據(jù)牛頓第二定律： 式中，K為板彈簧的彈性系數(shù)。新新型型傳傳感感器器N

49、ew Type Sensorsn由于反射鏡的傾斜，光斑偏向某一個(gè)輸出光纖。當(dāng)全部光線只照射在某一個(gè)光纖上時(shí)，反射鏡的偏轉(zhuǎn)角為最大值max。n由最大傾斜角可以確定本傳感器所能測(cè)量的最大加速度：n系統(tǒng)的固有頻率r為： 式中，W為寬度、H為厚度。n一般設(shè)計(jì)要求，質(zhì)量塊承受最大加速度amax時(shí)，反射光偏轉(zhuǎn)max，并全部落在一個(gè)輸出光纖上。若光纖的直徑為d，則這時(shí)光斑相對(duì)于a=0時(shí)的移動(dòng)距離為d/2。n設(shè)自聚焦透鏡長(zhǎng)度為z，透鏡材料的折射率n0。假定反射鏡與透鏡之間只有最小氣隙，則：n加速度傳感器可測(cè)量的最大加速度實(shí)際為：n這種結(jié)構(gòu)的加速度傳感器靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大，而且不易受沖擊振動(dòng)和電源波動(dòng)的影響，

50、最小可可測(cè)加速度值小于 10-5m / s2 ，而且整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小。新新型型傳傳感感器器New Type Sensors第三節(jié)第三節(jié) 光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用機(jī)敏材料、機(jī)敏結(jié)構(gòu)光纖傳感器風(fēng)力、地震、交通運(yùn)輸、熱應(yīng)變、橋梁、水壩、核電站安全狀態(tài)、內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變變化、裂縫的發(fā)生與發(fā)展新新型型傳傳感感器器New Type Sensors第三節(jié)第三節(jié) 光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用1. 埋入式光纖傳感器（干涉型、偏振型）2. 傳感器的安裝3. 力學(xué)特性對(duì)測(cè)量的影響彈性模量不一致泊松比不一致線膨脹系數(shù)4. 光纖化學(xué)傳感器新新型型傳傳感感器器New Type Sensors法拉第效應(yīng)法拉第

51、效應(yīng)定義：當(dāng)偏振光通過(guò)某種透明介質(zhì)時(shí)，偏振光的偏振態(tài)將以光的傳播方向?yàn)檩S線旋轉(zhuǎn)一定的角度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為旋光現(xiàn)象。例如石英玻璃。在磁場(chǎng)作用下的旋光效應(yīng)稱(chēng)作法拉第效應(yīng)或磁致旋光效應(yīng)。例如稀土玻璃。特性：當(dāng)線偏振光通過(guò)處于磁場(chǎng)下的透明介質(zhì)時(shí)，光線的偏振面（光矢量振動(dòng)方向）的偏轉(zhuǎn)角與磁場(chǎng)強(qiáng)度B以及介質(zhì)的長(zhǎng)度L為：= KBL式中，K為維爾德（Verdet）常數(shù)，數(shù)值與光波波長(zhǎng)及溫度有關(guān)。例如：已知稀土玻璃的維爾德常數(shù)是0.130.27/Gs.cm。0.1T(103Gs)磁場(chǎng)下長(zhǎng)10cm的稀土玻璃棒可使偏振光的光矢量偏轉(zhuǎn)22 45。新新型型傳傳感感器器New Type Sensors 當(dāng)一束單色光入射到各

52、向異性介質(zhì)表面時(shí)，一般產(chǎn)生兩束折射光，這種現(xiàn)象稱(chēng)為雙折射。 兩束光中，一束光遵守折射定律，稱(chēng)為尋常光，或O光。另一束光不遵守折射定律，稱(chēng)為非常光，或E光。O光和E光都是線偏振光，O光、E光的折射率分別表示為no，nE， 產(chǎn)生雙折射有兩種途徑，一是利用具有雙折射特性的天然材料如石英晶體、方解石晶體等；另一種方法是人為產(chǎn)生。光的雙折射光的雙折射新新型型傳傳感感器器New Type Sensors光纖干涉儀光纖干涉儀馬赫 - 澤德光纖干涉儀激光器發(fā)出的相干光通過(guò)蝕刻或搭接的3dB耦合器分成兩個(gè)相等的光束，一束為信號(hào)臂，另一束為參考臂。外界信號(hào)S(t)作用于信號(hào)臂。第二個(gè)3dB耦合器把兩束光再耦合，再

53、分成兩束經(jīng)光纖傳送到光探測(cè)器。兩個(gè)光探測(cè)器接收到的光強(qiáng)分別為：I1 = 0.5I0(1+coss)I2 = 0.5I0(1- coss)式中，I0為激光源發(fā)出的光強(qiáng)a；為耦合系數(shù)；s為外界信號(hào) S(t)引起的相位移?？梢?jiàn)，馬赫 - 澤德干涉儀將信號(hào) S(t)引起的相位移變換為光強(qiáng)的變化。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理系統(tǒng)能將信號(hào) S(t)從光強(qiáng)中解調(diào)檢測(cè)出來(lái)。 邁克爾遜干涉儀 光束被3dB耦合器分成兩路入射到光纖，光從末端反射回來(lái)并經(jīng)耦合器輸出到探測(cè)器。 如果外界信號(hào)S(t)作用于信號(hào)臂，則在兩臂之間產(chǎn)生光程差，并通過(guò)測(cè)量干涉光強(qiáng)的大小知道光程差大小，從而確定S(t)。 邁克爾遜干涉儀兩臂的光程彼此獨(dú)立，因而可分別對(duì)兩臂的光采用相位和偏振態(tài)的補(bǔ)償方法。新新型型傳傳感感器器New Type Sensors應(yīng)變應(yīng)變u長(zhǎng)度為 l 的彈性材料，受外力作用引起幾何形變 l ，定義材料應(yīng)變 = l / l 。u材料沿受力方向發(fā)生的應(yīng)變稱(chēng)作縱向應(yīng)變，可用x表示。u垂直于受力方向發(fā)生的應(yīng)變稱(chēng)作橫向應(yīng)變，可用y表示，并且y = x 。u光纖受外力作用產(chǎn)生的應(yīng)變分縱向應(yīng)變3與橫向應(yīng)變1、2 。u對(duì)于各向同性光纖材料，1 = 2 。u折射率變化(光彈效應(yīng)) 引起的相位延遲，與光纖的橫向應(yīng)變1、2、3有關(guān)。應(yīng)變應(yīng)變光纖的應(yīng)變光纖的應(yīng)變新新型型傳傳感感器器New Type Sensors 當(dāng)