光纖傳感調(diào)制技術(shù)-文檔資料

1、1第第9章章 光纖傳感調(diào)制技術(shù)光纖傳感調(diào)制技術(shù)燕山大學(xué)光電子系2光纖傳感的理論基礎(chǔ)光纖傳感的理論基礎(chǔ)v光光效應(yīng)：光光效應(yīng)： 多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng) 薩格納克效應(yīng)薩格納克效應(yīng) 拉曼和布里淵效應(yīng)拉曼和布里淵效應(yīng)v光電效應(yīng)：光電效應(yīng)： 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)v電光效應(yīng)電光效應(yīng) 鮑格魯斯效應(yīng)鮑格魯斯效應(yīng) 電光克爾效應(yīng)電光克爾效應(yīng) 古亭古亭-鮑魯鮑魯 底歇效應(yīng)底歇效應(yīng)v磁光效應(yīng)磁光效應(yīng) 法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) 磁光克爾效應(yīng)磁光克爾效應(yīng) 科頓科頓-蒙頓效應(yīng)蒙頓效應(yīng)燕山大學(xué)光電子系3(1) 光纖的傳感器中的作用光纖的傳感器中的作用v功能型功能型v非功能型非功能型v拾光型拾光型 燕山大學(xué)光電子

2、系4(a) 功能型（全光纖型）光纖傳感器v光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制。敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制。v優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。v缺點：須用特殊光纖，成本高，缺點：須用特殊光纖，成本高，v典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。 燕山大學(xué)光電子系5(b) 非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器v光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。元件上受被測量調(diào)制。v優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，優(yōu)點：無需特殊光纖及其

3、他特殊技術(shù)， 比較容易實現(xiàn)，成本低。比較容易實現(xiàn)，成本低。v缺點：靈敏度較低。缺點：靈敏度較低。v實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。燕山大學(xué)光電子系6(c) 拾光型光纖傳感器v 用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光 或被其反射、散射的光?；虮黄浞瓷?、散射的光。v 典型例子：典型例子：光纖激光多普勒速度計光纖激光多普勒速度計輻射式光纖溫度傳感器輻射式光纖溫度傳感器燕山大學(xué)光電子系7第第9 9章章 光纖傳感調(diào)制技術(shù)光纖傳感調(diào)制技術(shù)v從光信號調(diào)制方式的角度分類，光纖傳感器可分為光從光信號調(diào)制方式的角度分類，光纖傳感器可分為

4、光強調(diào)制型、頻率調(diào)制型、相位調(diào)制型及偏振調(diào)制型。強調(diào)制型、頻率調(diào)制型、相位調(diào)制型及偏振調(diào)制型。v其中，光強調(diào)制型光纖傳感器在一般工程測量中因結(jié)其中，光強調(diào)制型光纖傳感器在一般工程測量中因結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍大而應(yīng)用較多，而在對測量精度要構(gòu)簡單、測量范圍大而應(yīng)用較多，而在對測量精度要求較高的場所，則采用相位型和偏振型調(diào)制光纖傳感求較高的場所，則采用相位型和偏振型調(diào)制光纖傳感器。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，對傳感器的精度、穩(wěn)器。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，對傳感器的精度、穩(wěn)定性及小型化的要求越來越高。因此，相位調(diào)制型及定性及小型化的要求越來越高。因此，相位調(diào)制型及偏振調(diào)制型光纖傳感器是目前研究和開發(fā)的主要對

5、象。偏振調(diào)制型光纖傳感器是目前研究和開發(fā)的主要對象。燕山大學(xué)光電子系89.1 光強調(diào)制型光纖傳感器光強調(diào)制型光纖傳感器19.2 相位調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制型光纖傳感器29.3 偏振調(diào)制型光纖傳感器偏振調(diào)制型光纖傳感器 3 9.4 頻率調(diào)制型光纖傳感器頻率調(diào)制型光纖傳感器 4 燕山大學(xué)光電子系99.1 9.1 光強調(diào)制型光纖傳感器光強調(diào)制型光纖傳感器v光強調(diào)制型光纖傳感器是用被測信號調(diào)制光強，使光強調(diào)制型光纖傳感器是用被測信號調(diào)制光強，使探測器接收到的光強隨被測信號的變化而變化，這探測器接收到的光強隨被測信號的變化而變化，這類光纖傳感器稱為類光纖傳感器稱為光強調(diào)制型光纖傳感器。光強調(diào)制型光纖傳

6、感器。v光強調(diào)制型光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)等光強調(diào)制型光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)等優(yōu)點。常用的類型有：微彎型、蝕刻型、遮光型和優(yōu)點。常用的類型有：微彎型、蝕刻型、遮光型和纏繞型。纏繞型。微彎型微彎型、蝕刻型蝕刻型遮光型遮光型纏繞型纏繞型9.1.1 9.1.2 9.1.39.1.4 燕山大學(xué)光電子系109.1 9.1 光強調(diào)制型光纖傳感器光強調(diào)制型光纖傳感器 利用被測量的作用改變光纖中光的強度，再通過光強的變化來測量被測量，利用被測量的作用改變光纖中光的強度，再通過光強的變化來測量被測量，稱為強度調(diào)制。其原理如圖所示。稱為強度調(diào)制。其原理如圖所示。 當(dāng)一恒定光源的光波當(dāng)一恒定光源的

7、光波I IN注入調(diào)制區(qū)，在外力場強注入調(diào)制區(qū)，在外力場強Is的作用下，輸出光波的的作用下，輸出光波的強度被強度被Is所調(diào)制，載有外力場信息的出射光所調(diào)制，載有外力場信息的出射光 IOUT 的包絡(luò)線與的包絡(luò)線與Is形狀相同，光形狀相同，光（強度）探測器的輸出電流（強度）探測器的輸出電流ID(或電壓或電壓)也反映出了作用力場。同理，可以利用也反映出了作用力場。同理，可以利用其他各種對光強的調(diào)制方式，如光纖位移、光柵、反射式、微彎、模斑、斑圖、其他各種對光強的調(diào)制方式，如光纖位移、光柵、反射式、微彎、模斑、斑圖、輻射等來調(diào)制入射光，從而形成相應(yīng)的調(diào)輻射等來調(diào)制入射光，從而形成相應(yīng)的調(diào)制器。制器。強度

8、調(diào)制是光纖強度調(diào)制是光纖傳感器使用最早的調(diào)制傳感器使用最早的調(diào)制方法，其特點是技術(shù)簡方法，其特點是技術(shù)簡單可靠、價格低廉?？蓡慰煽?、價格低廉?？刹捎枚嗄９饫w，光纖的采用多模光纖，光纖的連接器和連接器和耦合耦合器均已商器均已商品化。光源可采用品化。光源可采用LED和白熾燈等非相干光和白熾燈等非相干光源，探測器一般用光電二極管、三極管和光電池等。源，探測器一般用光電二極管、三極管和光電池等。 燕山大學(xué)光電子系119.1.1 微彎型 光纖的彎曲能夠使光從纖芯射入包層而產(chǎn)生損耗，微彎型光纖傳感光纖的彎曲能夠使光從纖芯射入包層而產(chǎn)生損耗，微彎型光纖傳感器就是根據(jù)光纖彎曲時纖芯中的光注入包層的原理研制成的

9、，微彎型光器就是根據(jù)光纖彎曲時纖芯中的光注入包層的原理研制成的，微彎型光纖傳感器如圖纖傳感器如圖9.19.1所示。所示。 在無外力作用時，光纖輸出端光強為一常量；當(dāng)被測面受外力作用在無外力作用時，光纖輸出端光強為一常量；當(dāng)被測面受外力作用時，將產(chǎn)生變形，光纖的彎曲狀況發(fā)生變化，光在光纖中傳輸所經(jīng)過的時，將產(chǎn)生變形，光纖的彎曲狀況發(fā)生變化，光在光纖中傳輸所經(jīng)過的路程和入射角發(fā)生變化，則光傳輸時的損耗也發(fā)生變化。路程和入射角發(fā)生變化，則光傳輸時的損耗也發(fā)生變化。圖圖9.1 9.1 微彎型光纖傳感器微彎型光纖傳感器燕山大學(xué)光電子系12 微彎效應(yīng)造成的損耗微彎效應(yīng)造成的損耗可寫成如下形式：可寫成如下形

10、式： (9.1) 式中，式中，K 為比例系數(shù)；為比例系數(shù)；l 為齒距；為齒距；m為齒數(shù)目；為齒數(shù)目；x 為變形幅度；為變形幅度；a 為纖心半徑；為纖心半徑；b 為光纖外半徑；為光纖外半徑； 為內(nèi)、外層折射率的差值。為內(nèi)、外層折射率的差值。 在實際問題中，變形器及光纖參數(shù)全部固定在實際問題中，變形器及光纖參數(shù)全部固定時，則可以認為時，則可以認為 (9.2)( , , , , )Kf l m x a b( )kg x燕山大學(xué)光電子系139.1.2 蝕刻型 蝕刻型光纖傳感器如圖蝕刻型光纖傳感器如圖9.29.2所示。當(dāng)外力作用在蝕刻后的所示。當(dāng)外力作用在蝕刻后的多模光纖上時，光纖長度的變化將引起折射率

11、和模量系數(shù)的多模光纖上時，光纖長度的變化將引起折射率和模量系數(shù)的變化，進而將引起功耗的變化，此變化大于未蝕刻光纖的功變化，進而將引起功耗的變化，此變化大于未蝕刻光纖的功耗的變化，且蝕刻得越深，功耗越多。耗的變化，且蝕刻得越深，功耗越多。 圖圖9.2 蝕刻型光纖傳感器蝕刻型光纖傳感器v 實驗結(jié)果表明，光纖長實驗結(jié)果表明，光纖長度變化與功耗成正比，度變化與功耗成正比，光纖長度變化的靈敏度光纖長度變化的靈敏度與蝕刻深度成正比。與蝕刻深度成正比。燕山大學(xué)光電子系149.1.3 9.1.3 遮光型遮光型 遮光型光纖傳感器如圖遮光型光纖傳感器如圖9.39.3所示。所示。 遮光型光纖傳感器是將發(fā)射光纖和輸出

12、光纖對準(zhǔn)，遮光型光纖傳感器是將發(fā)射光纖和輸出光纖對準(zhǔn)，光強調(diào)制信號加在移動的遮光板上使接收光纖只能接光強調(diào)制信號加在移動的遮光板上使接收光纖只能接收到發(fā)送光纖發(fā)出的部分光，從而實現(xiàn)光調(diào)制。收到發(fā)送光纖發(fā)出的部分光，從而實現(xiàn)光調(diào)制。圖圖9.3 遮光型光纖傳感器遮光型光纖傳感器燕山大學(xué)光電子系159.1.4 纏繞型 纏繞型光纖傳感器是將傳感光纖纏繞在被測物纏繞型光纖傳感器是將傳感光纖纏繞在被測物體上或者由兩根或多根多模光纖相互纏繞絞合而成體上或者由兩根或多根多模光纖相互纏繞絞合而成的，如圖的，如圖9.49.4所示。所示。 隨著被測物體的變形，光纖的曲率、節(jié)距都在隨著被測物體的變形，光纖的曲率、節(jié)距

13、都在隨之變化，光纖的輸出光強隨之變化，以此來計算隨之變化，光纖的輸出光強隨之變化，以此來計算被測量的變化。被測量的變化。 圖圖9.4 纏繞型光纖傳感器纏繞型光纖傳感器燕山大學(xué)光電子系169.1.5 微小的線性位移和角位移調(diào)制方法微小的線性位移和角位移調(diào)制方法 這種調(diào)制方法使用兩根光纖，一根為光的入射光纖，另一根為光被調(diào)制這種調(diào)制方法使用兩根光纖，一根為光的入射光纖，另一根為光被調(diào)制后的出射光纖，如下圖所示。兩根光纖的間距為后的出射光纖，如下圖所示。兩根光纖的間距為23m，端面為平面，兩者，端面為平面，兩者對置。通常入射光纖固定，外界作用（如壓力、張力等）使得出射光纖作橫對置。通常入射光纖固定，

14、外界作用（如壓力、張力等）使得出射光纖作橫向或縱向位移或轉(zhuǎn)動，于是出射光纖輸出的光強被其位移所調(diào)制。向或縱向位移或轉(zhuǎn)動，于是出射光纖輸出的光強被其位移所調(diào)制。 若入射和出射光纖均采用相同性能的單模光纖，徑向位移若入射和出射光纖均采用相同性能的單模光纖，徑向位移 d 與功率耦合與功率耦合系數(shù)系數(shù) T 之間存在下列關(guān)系：之間存在下列關(guān)系：式中式中S0為光纖中的為光纖中的光斑尺寸；光斑尺寸；T和和d的的關(guān)系為高斯型曲線。關(guān)系為高斯型曲線。這種調(diào)制方法可以這種調(diào)制方法可以測量測量10m以內(nèi)的以內(nèi)的位移量。位移量。202SdcT 燕山大學(xué)光電子系179.1.6 吸收特性的強度調(diào)制吸收特性的強度調(diào)制 x、

15、射線等輻射會引起光纖材料的吸收損耗增加，使光纖的輸出功率降射線等輻射會引起光纖材料的吸收損耗增加，使光纖的輸出功率降低，從而可以構(gòu)成強度調(diào)制器，用來測量各種輻射量，其原理如下圖低，從而可以構(gòu)成強度調(diào)制器，用來測量各種輻射量，其原理如下圖(a)所示。所示。用不同材料制成的光纖對不同射線的敏感程度是不一樣的，由此還可以鑒別用不同材料制成的光纖對不同射線的敏感程度是不一樣的，由此還可以鑒別不同的射線。例如鉛玻璃光纖對不同的射線。例如鉛玻璃光纖對x、射線和中子射線特別靈敏，并且這種材射線和中子射線特別靈敏，并且這種材料的光纖在小劑量射線照射時，具有較好的線性，可以測量射線的輻射劑量。料的光纖在小劑量射

16、線照射時，具有較好的線性，可以測量射線的輻射劑量。燕山大學(xué)光電子系189.2 相位調(diào)制型光纖傳感器 相位調(diào)制型光纖傳感器主要是利用光干涉原理相位調(diào)制型光纖傳感器主要是利用光干涉原理來完成信號的檢測。來完成信號的檢測。 由于測試裝置的結(jié)構(gòu)和原理不同，相位調(diào)制型由于測試裝置的結(jié)構(gòu)和原理不同，相位調(diào)制型光纖傳感器又有麥克爾遜光纖傳感器又有麥克爾遜(Michelson)(Michelson)干涉型、馬干涉型、馬赫赫- -曾德爾曾德爾(Mach-Zehnder)(Mach-Zehnder)干涉型、塞格納克干涉型、塞格納克(Sagnac)(Sagnac)型及法布里型及法布里- -珀羅珀羅(Fabry-Pe

17、rot)(Fabry-Perot)干涉型光干涉型光纖傳感器。纖傳感器。 此外還有相位關(guān)系檢測的布拉格光柵此外還有相位關(guān)系檢測的布拉格光柵(Bragg-(Bragg-Grating)Grating)型、模間干涉型等光纖傳感器。型、模間干涉型等光纖傳感器。燕山大學(xué)光電子系19 9.2.1 麥克爾遜干涉型光纖傳感器 麥克爾遜麥克爾遜(Michelson)(Michelson)干涉型光纖傳感器干涉型光纖傳感器的原理圖如圖的原理圖如圖9.59.5所示。所示。 圖圖9.5 麥克爾遜干涉型光纖傳感器原理圖麥克爾遜干涉型光纖傳感器原理圖燕山大學(xué)光電子系20麥克爾遜麥克爾遜(Michelson)干涉型光纖傳感器

18、的工作干涉型光纖傳感器的工作原理：原理：光源光源(激光器激光器)發(fā)出的光經(jīng)耦合器后分成發(fā)出的光經(jīng)耦合器后分成兩路，一路經(jīng)參考臂（光纖）到達反射鏡兩路，一路經(jīng)參考臂（光纖）到達反射鏡M1，經(jīng)經(jīng)M1反射后的光反向傳輸再經(jīng)光纖耦合器到反射后的光反向傳輸再經(jīng)光纖耦合器到達光探測器，這束光稱為參考光；另一路經(jīng)傳達光探測器，這束光稱為參考光；另一路經(jīng)傳感臂到反射鏡感臂到反射鏡M2，被，被M2反射的光沿傳感臂反反射的光沿傳感臂反向傳輸經(jīng)耦合器傳輸至光探測器，這束光稱為向傳輸經(jīng)耦合器傳輸至光探測器，這束光稱為信號光。信號光。燕山大學(xué)光電子系21 傳感臂放置在被測場，被測量的變化將傳感臂放置在被測場，被測量的變

19、化將引起傳感光纖的長度發(fā)生變化，則光在光纖引起傳感光纖的長度發(fā)生變化，則光在光纖內(nèi)部傳輸時的相位隨之變化。內(nèi)部傳輸時的相位隨之變化。 當(dāng)參考光與信號光相遇時將發(fā)生干涉，當(dāng)參考光與信號光相遇時將發(fā)生干涉，干涉光的相位是被測量的函數(shù)，即干涉后光干涉光的相位是被測量的函數(shù)，即干涉后光束的相位受被測量的調(diào)制。通過光探測器輸束的相位受被測量的調(diào)制。通過光探測器輸出的信號經(jīng)解調(diào)可得到被測量。出的信號經(jīng)解調(diào)可得到被測量。燕山大學(xué)光電子系22 麥克爾遜干涉型光纖傳感器中的干涉光屬于兩麥克爾遜干涉型光纖傳感器中的干涉光屬于兩光束干涉，若兩束反射光的幅度分別為光束干涉，若兩束反射光的幅度分別為A A1 1, A,

20、 A2 2，這兩，這兩束反射光的相位差為束反射光的相位差為，則光電探測器接收到的光，則光電探測器接收到的光強的數(shù)學(xué)表達式為強的數(shù)學(xué)表達式為 (9.3) (9.3) 由于由于 ，則，則 (9.4) (9.4) 因此，如果因此，如果L隨被測量變化，則光電探測器輸隨被測量變化，則光電探測器輸出的電信號隨被測量的變化而變化。出的電信號隨被測量的變化而變化。22det12122cos()IAAA ALnkLLnkLknL燕山大學(xué)光電子系23 這種傳感器有兩個特點：這種傳感器有兩個特點： 其一是信號光纖與參考光纖在同一環(huán)境中，受環(huán)境其一是信號光纖與參考光纖在同一環(huán)境中，受環(huán)境的影響?。坏挠绊懶。?其二是光

21、的發(fā)出與接收在同一側(cè)，屬單端操作。使其二是光的發(fā)出與接收在同一側(cè)，屬單端操作。使用時可放在被測體的內(nèi)部形成智能結(jié)構(gòu)，也可放在用時可放在被測體的內(nèi)部形成智能結(jié)構(gòu)，也可放在被測體的外部，長期預(yù)留。被測體的外部，長期預(yù)留。燕山大學(xué)光電子系249.2.2 馬赫-曾德爾干涉型光纖傳感器 馬赫馬赫- -曾德爾曾德爾(Mach-Zehnder)(Mach-Zehnder)干涉型光纖傳感干涉型光纖傳感器與麥克爾遜干涉型光纖傳感器的器與麥克爾遜干涉型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)相似結(jié)構(gòu)相似，都是，都是由兩根光纖由兩根光纖( (雙臂雙臂)信號光纖和參考光纖組成，信號光纖和參考光纖組成，如圖如圖9.69.6所示。所示。圖圖9.

22、6 馬赫馬赫-曾德爾干涉型光纖傳感器原理圖曾德爾干涉型光纖傳感器原理圖燕山大學(xué)光電子系25 光源發(fā)出光后經(jīng)過光纖耦合器光源發(fā)出光后經(jīng)過光纖耦合器1 1分兩路至參考光纖分兩路至參考光纖和信號光纖中。信號光纖中的光信號在傳輸過程中受被和信號光纖中。信號光纖中的光信號在傳輸過程中受被測信號調(diào)制成為信號光；參考光纖的光不經(jīng)過調(diào)制直接測信號調(diào)制成為信號光；參考光纖的光不經(jīng)過調(diào)制直接作為參考光。兩束光再次相遇時發(fā)生干涉形成干涉光，作為參考光。兩束光再次相遇時發(fā)生干涉形成干涉光，此干涉光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換變?yōu)榕c被測信號成比例的電信號。此干涉光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換變?yōu)榕c被測信號成比例的電信號。燕山大學(xué)光電子系26 馬赫馬赫-

23、-曾德爾干涉型與麥克爾遜干涉型光纖傳感曾德爾干涉型與麥克爾遜干涉型光纖傳感器中的干涉光均屬于器中的干涉光均屬于雙光束干涉雙光束干涉，由麥克爾遜干涉，由麥克爾遜干涉型光纖傳感器得到的干涉光計算公式型光纖傳感器得到的干涉光計算公式(9.3)(9.3)與公式與公式(9.4)(9.4)可用于馬赫可用于馬赫- -曾德爾干涉型光纖傳感器。曾德爾干涉型光纖傳感器。 馬赫馬赫- -曾德爾干涉型與麥克爾遜干涉型光纖傳感曾德爾干涉型與麥克爾遜干涉型光纖傳感器的不同點在于：器的不同點在于： (1) (1)信號光纖可在被測環(huán)境中，而參考光纖可在其他信號光纖可在被測環(huán)境中，而參考光纖可在其他環(huán)境中；環(huán)境中；(2)(2)

24、光的發(fā)射與接收在傳感器的兩端，屬雙光的發(fā)射與接收在傳感器的兩端，屬雙端操作。端操作。燕山大學(xué)光電子系27 這種傳感器于這種傳感器于2020世紀世紀8080年代被廣泛研究。研究年代被廣泛研究。研究結(jié)果表明，這種傳感器的優(yōu)點是靈敏度高，且由于結(jié)果表明，這種傳感器的優(yōu)點是靈敏度高，且由于它提供了兩個輸出信號，從而能避免向激光腔的光它提供了兩個輸出信號，從而能避免向激光腔的光反饋。反饋。 但它也具有兩個缺點但它也具有兩個缺點：一是它所用的光纖較多，使：一是它所用的光纖較多，使用及安裝都比較麻煩；二是它需要一個參考光纖，用及安裝都比較麻煩；二是它需要一個參考光纖，而一般情況下它不和測量光纖安在同一位置，

25、這就而一般情況下它不和測量光纖安在同一位置，這就使得輸入臂與輸出臂不對稱，從而導(dǎo)致測量的不穩(wěn)使得輸入臂與輸出臂不對稱，從而導(dǎo)致測量的不穩(wěn)定，環(huán)境對其影響較大，限制了這種傳感器的應(yīng)用。定，環(huán)境對其影響較大，限制了這種傳感器的應(yīng)用。燕山大學(xué)光電子系28 隨著研究的不斷深入，隨著研究的不斷深入，2020世紀世紀9090年代涌現(xiàn)出年代涌現(xiàn)出了多種衍生方案，如利用光在雙折射單模光纖的了多種衍生方案，如利用光在雙折射單模光纖的快、慢軸上傳輸速度不同的原理構(gòu)成傳感器，其快、慢軸上傳輸速度不同的原理構(gòu)成傳感器，其典型結(jié)構(gòu)如圖典型結(jié)構(gòu)如圖9.79.7所示。所示。圖圖9.7 雙折射單模光纖馬赫雙折射單模光纖馬赫-

26、曾德爾傳感器曾德爾傳感器燕山大學(xué)光電子系29 雙折射單模光纖馬赫雙折射單模光纖馬赫- -曾德爾傳感器的工作原理：曾德爾傳感器的工作原理： 它使用了一對雙折射單模光纖，當(dāng)一束正交線性偏振的它使用了一對雙折射單模光纖，當(dāng)一束正交線性偏振的頻率子波被分為兩路射入信號光纖和參考光纖，信號臂中頻率子波被分為兩路射入信號光纖和參考光纖，信號臂中1 1和和 2 2子波相位被測量調(diào)制。子波相位被測量調(diào)制。 調(diào)制后沿信號光纖快軸輸出的調(diào)制后沿信號光纖快軸輸出的2 2子波在光電檢測器子波在光電檢測器D D1 1處處與參考臂中沿快軸傳輸?shù)呐c參考臂中沿快軸傳輸?shù)? 1子波進行光學(xué)差拍，同時信號臂子波進行光學(xué)差拍，同時

27、信號臂中沿慢軸傳輸?shù)闹醒芈S傳輸?shù)? 1子波與參考臂中沿慢軸傳輸?shù)淖硬ㄅc參考臂中沿慢軸傳輸?shù)? 2子波在另子波在另一光電檢測器一光電檢測器D D2 2處差拍，兩差拍電流又被送入相位解調(diào)器，處差拍，兩差拍電流又被送入相位解調(diào)器，進而得到被測量的變化規(guī)律。進而得到被測量的變化規(guī)律。 其靈敏度較單個的其靈敏度較單個的MachZehnderMachZehnder干涉型光纖傳感器的靈干涉型光纖傳感器的靈敏度提高了敏度提高了6 6倍。缺點是系統(tǒng)復(fù)雜，造價高。倍。缺點是系統(tǒng)復(fù)雜，造價高。燕山大學(xué)光電子系309.2.3 塞格納克干涉型光纖傳感器 塞格納克塞格納克(Sagnac)(Sagnac)干涉型光纖傳感器

28、的原理圖如圖干涉型光纖傳感器的原理圖如圖9.89.8所示。激光器輸出的光經(jīng)耦合器后分為兩部分，這兩所示。激光器輸出的光經(jīng)耦合器后分為兩部分，這兩束光分別從兩端耦合進入一個多匝（多環(huán)）單模光纖環(huán)，束光分別從兩端耦合進入一個多匝（多環(huán)）單模光纖環(huán)，在光纖中相向傳播再回到耦合器會合相干，干涉條紋經(jīng)耦在光纖中相向傳播再回到耦合器會合相干，干涉條紋經(jīng)耦合器的另一臂輸出至光探測器檢測，即可解調(diào)出環(huán)路的角合器的另一臂輸出至光探測器檢測，即可解調(diào)出環(huán)路的角速度。速度。 圖圖9.8 塞格納克干涉型光纖傳感器原理圖塞格納克干涉型光纖傳感器原理圖4 ALc燕山大學(xué)光電子系319.2.4 9.2.4 法布里法布里-

29、-珀羅干涉型光纖傳感器珀羅干涉型光纖傳感器 法布里法布里- -珀羅珀羅(Fabry-Perot)(Fabry-Perot)干涉型光纖傳感器干涉型光纖傳感器的特點：的特點：采用單根光纖利用多束光干涉來檢測被測采用單根光纖利用多束光干涉來檢測被測量。避免了前兩種傳感器所需雙根光纖配對的問題，量。避免了前兩種傳感器所需雙根光纖配對的問題，且比且比MichelsonMichelson型光纖傳感器更適合于低頻率變化型光纖傳感器更適合于低頻率變化信號的測量。信號的測量。 因此，這種傳感器從因此，這種傳感器從2020世紀世紀8080年代誕生至今一年代誕生至今一直為主要開發(fā)和研究的對象。直為主要開發(fā)和研究的對

30、象。 Fabry-Perot(F-P) Fabry-Perot(F-P)型光纖傳感器可分為本征、型光纖傳感器可分為本征、非本征兩種。非本征兩種。燕山大學(xué)光電子系321 1本征本征F-PF-P型光纖傳感器型光纖傳感器如圖如圖9.99.9所示為本征所示為本征F-PF-P型光纖傳感器。型光纖傳感器。 圖圖9.9 本征本征F-P型光纖傳感器型光纖傳感器燕山大學(xué)光電子系33 這種傳感器的傳感頭的特點為：這種傳感器的傳感頭的特點為： (1) (1)光纖光纖F-PF-P腔是由一段光纖和兩個端面上的反射鏡腔是由一段光纖和兩個端面上的反射鏡構(gòu)成的。若兩個反射鏡的反射率不同，則稱為非對構(gòu)成的。若兩個反射鏡的反射率

31、不同，則稱為非對稱本征稱本征F-PF-P干涉腔；若兩個反射鏡的反射率相同，則干涉腔；若兩個反射鏡的反射率相同，則稱為對稱本征稱為對稱本征F-PF-P干涉腔；干涉腔； (2) (2)構(gòu)成構(gòu)成F-PF-P腔的一段光纖與傳光光纖為同一種光纖，腔的一段光纖與傳光光纖為同一種光纖，便于光纖便于光纖F-PF-P腔與傳光光纖的連接。腔與傳光光纖的連接。 (3) (3)所設(shè)計的所設(shè)計的F-PF-P腔的性價比高，入射光與諸束出射腔的性價比高，入射光與諸束出射干涉光在干涉光在F-PF-P腔的同側(cè)，便于安裝使用；腔的同側(cè)，便于安裝使用；燕山大學(xué)光電子系34(4) (4) 使用一條光纖完成信號光與參考光的傳輸，使傳使

32、用一條光纖完成信號光與參考光的傳輸，使傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低，特別適用于惡劣的感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低，特別適用于惡劣的監(jiān)測環(huán)境，它的前景十分樂觀。監(jiān)測環(huán)境，它的前景十分樂觀。 光纖光纖F-PF-P干涉腔是由一段光纖的兩個端面上所鍍的干涉腔是由一段光纖的兩個端面上所鍍的反射面形成的。這里以非對稱本征反射面形成的。這里以非對稱本征F-PF-P干涉結(jié)構(gòu)為例，干涉結(jié)構(gòu)為例，介紹其工作原理，并推導(dǎo)其數(shù)學(xué)表達式。介紹其工作原理，并推導(dǎo)其數(shù)學(xué)表達式。燕山大學(xué)光電子系35 光射入光纖光射入光纖F-P干涉腔后反射與折射的示意圖如圖干涉腔后反射與折射的示意圖如圖9.11所示。圖中，入射光的振幅為所示

33、。圖中，入射光的振幅為E；頻率為；頻率為；初；初相為相為 ；干涉腔的反射面；干涉腔的反射面M1在介質(zhì)在介質(zhì)1側(cè)的反射比為側(cè)的反射比為 ，在介質(zhì)在介質(zhì)2側(cè)的反射比為側(cè)的反射比為r1，r1= ；反射面；反射面M2在介質(zhì)在介質(zhì)2側(cè)的反射比為側(cè)的反射比為r2，在介質(zhì)，在介質(zhì)3側(cè)的反射比為，側(cè)的反射比為，r2= ；由；由介質(zhì)介質(zhì)1到介質(zhì)到介質(zhì)2的透射比為的透射比為t1，由介質(zhì)，由介質(zhì)2到介質(zhì)到介質(zhì)1的透射的透射比為比為 ，由介質(zhì)，由介質(zhì)2到介質(zhì)到介質(zhì)3的透射比為的透射比為t2。01r1r2r1t燕山大學(xué)光電子系36圖圖9.11 光射入光射入F-P腔后的折射與反射腔后的折射與反射燕山大學(xué)光電子系37 由圖

34、由圖9.119.11可知，反射光（或透射光）中任何兩束可知，反射光（或透射光）中任何兩束光的光程差或相位差是相同的，設(shè)第一次反射光的初光的光程差或相位差是相同的，設(shè)第一次反射光的初相為，第一束透射光的初相為，任兩束光間的相位差相為，第一束透射光的初相為，任兩束光間的相位差為，則反射光合成振幅的復(fù)數(shù)形式為為，則反射光合成振幅的復(fù)數(shù)形式為jj()11 1 2j1 21ee1etErEt t rrr1111j()j()j(2 )j(3 )22 3R111 2111 2111 2eeeetttteErEttrEttrrEttr r (9.5)燕山大學(xué)光電子系38透射光合成振幅的復(fù)數(shù)形式為透射光合成振幅

35、的復(fù)數(shù)形式為j()1 2j1 2e1etEt tr r2222j()j()j()j()2 23 3T121212121 2121 2eeeetttteEttEttrrEttr rEttrr (9.6)反射光的光強為反射光的光強為(9.7)22222*21 1 21 1 1 1 21 1 1 2RRR121 21 2()22cos()1()2cosEt t rE t t rrrE t t rrIeeErrrrr 燕山大學(xué)光電子系39透射光的光強為透射光的光強為 (9.8)2*1 2TTT21 21 2()1()2cosEt tIeerrrr由于，由于， ， 則式則式(9.7)和式和式(9.8)可

36、寫為可寫為 (9.9)(9.10)21 111t tr 11rr 222222122 2121 2R221 21 21 21 2( )2cos 2cos 1 ()2cos1 ()2cosE rrrrE rrrrIrrrrrrrr221T21 21 211()2cosErIrrrr燕山大學(xué)光電子系40令令 ，透射光的干涉結(jié)果為，透射光的干涉結(jié)果為 (9.11)(9.11) (9.12)(9.12)20IE220121 2R21 21 2(2cos )1()2cosI rrrrIrrrr201T21 21 2(1)1()2cosIrIrrrr燕山大學(xué)光電子系41 式式(9.11)(9.11)與式與

37、式(9.12)(9.12)為為F-PF-P腔兩反射面反射率為腔兩反射面反射率為任意值時反射光和透射光的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)任意值時反射光和透射光的數(shù)學(xué)模型。當(dāng) 時，可近似為兩束光干涉，其表達式為時，可近似為兩束光干涉，其表達式為 (9.13) (9.13) 同理同理, ,由于由于=knL其表達式為其表達式為 22R0121 2(2cos )II rrrr2212 1rrLnkLLnkL(9.14)(9.14)燕山大學(xué)光電子系422 2非本征非本征F-PF-P型光纖傳感器型光纖傳感器 非本征非本征F-PF-P型光纖傳感器如圖型光纖傳感器如圖9.10(a)9.10(a)所示所示圖圖9.10 非本征非本征F

38、-P型光纖傳感器型光纖傳感器燕山大學(xué)光電子系43 這種傳感器的傳感頭的特點為：這種傳感器的傳感頭的特點為：v光纖光纖F-PF-P腔是由兩段光纖的兩個端或一根光纖的腔是由兩段光纖的兩個端或一根光纖的一個端面和另一個被測面構(gòu)成。若兩個反射面要一個端面和另一個被測面構(gòu)成。若兩個反射面要平等放置，且一般情況下在兩個面上鍍上反射率平等放置，且一般情況下在兩個面上鍍上反射率相同反射鏡面。由于兩個反射面間是空氣，故稱相同反射鏡面。由于兩個反射面間是空氣，故稱為非本征為非本征F-PF-P干涉干涉(EFPI)(EFPI)。v其他特點與本征其他特點與本征F-PF-P結(jié)構(gòu)相同。其數(shù)學(xué)表達式與結(jié)構(gòu)相同。其數(shù)學(xué)表達式與

39、本征的數(shù)學(xué)表達式類似，這里不再累述。本征的數(shù)學(xué)表達式類似，這里不再累述。 燕山大學(xué)光電子系44v隨著研究的不斷深入，近年來又出現(xiàn)了雙隨著研究的不斷深入，近年來又出現(xiàn)了雙F-PF-P腔傳腔傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖感器，其結(jié)構(gòu)如圖9.129.12所示。它可以方便地探測加所示。它可以方便地探測加載方向，具有實用價值。載方向，具有實用價值。圖圖9.12 雙雙F-P腔傳感器結(jié)構(gòu)腔傳感器結(jié)構(gòu) 燕山大學(xué)光電子系45 這類傳感器的缺點是制作工藝難度較大，如光這類傳感器的缺點是制作工藝難度較大，如光纖端面鍍反射鏡的加工、傳感頭中帶有反射鏡的光纖端面鍍反射鏡的加工、傳感頭中帶有反射鏡的光纖與光纖的連接等問題目前還無文獻

40、詳述。盡管如纖與光纖的連接等問題目前還無文獻詳述。盡管如此，它們?nèi)允亲钣邢Ｍ粡V泛應(yīng)用的光纖傳感器。此，它們?nèi)允亲钣邢Ｍ粡V泛應(yīng)用的光纖傳感器。 在麥克爾遜在麥克爾遜(Michelson)(Michelson)干涉型、馬赫干涉型、馬赫- -曾德爾曾德爾(Mach-Zehnder)(Mach-Zehnder)干涉型、塞格納克干涉型、塞格納克(Sagnac)(Sagnac)型及法布型及法布里里- -珀羅珀羅(Fabry-Perot)(Fabry-Perot)干涉型傳感器四種干涉結(jié)構(gòu)中，干涉型傳感器四種干涉結(jié)構(gòu)中，以以F-PF-P干涉結(jié)構(gòu)最為簡單。干涉結(jié)構(gòu)最為簡單。 燕山大學(xué)光電子系46 F-PF-

41、P干涉結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是：干涉結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是： (1)F-P (1)F-P干涉結(jié)構(gòu)只用一根光纖就可以實現(xiàn)傳感與傳干涉結(jié)構(gòu)只用一根光纖就可以實現(xiàn)傳感與傳光兩種功能，因而光路體積小，調(diào)整較為簡單；光兩種功能，因而光路體積小，調(diào)整較為簡單； (2) (2)光纖光纖F-PF-P干涉腔是由兩個平行反射端面構(gòu)成的，干涉腔是由兩個平行反射端面構(gòu)成的，當(dāng)入射光進入當(dāng)入射光進入F-PF-P腔后發(fā)生多次反射形成多束反射光腔后發(fā)生多次反射形成多束反射光與透射光。由于任何兩束反射光與透射光。由于任何兩束反射光( (或透射光或透射光) )都滿足都滿足干涉條件，因此干涉條件，因此 相遇時會發(fā)生干涉，且相遇時會發(fā)生干涉，且

42、F-PF-P結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的干涉光光強相對于相位差的靈敏度干涉光光強相對于相位差的靈敏度I/I/ 比其他比其他干涉結(jié)構(gòu)都高；干涉結(jié)構(gòu)都高；燕山大學(xué)光電子系47 (3)F-P(3)F-P結(jié)構(gòu)只有短短的腔體感受外界環(huán)境的變化，因結(jié)構(gòu)只有短短的腔體感受外界環(huán)境的變化，因此若對腔體合理設(shè)計，它的抗干擾能力就會比其他干此若對腔體合理設(shè)計，它的抗干擾能力就會比其他干涉結(jié)構(gòu)高得多；涉結(jié)構(gòu)高得多； (4) (4)由于由于F-PF-P結(jié)構(gòu)測量時的靈敏度高，簡單的信號處理結(jié)構(gòu)測量時的靈敏度高，簡單的信號處理電路就可滿足測試要求，所以整個系統(tǒng)調(diào)整簡單、價電路就可滿足測試要求，所以整個系統(tǒng)調(diào)整簡單、價格相對較低。這些特點

43、使格相對較低。這些特點使F-PF-P干涉型光纖傳感器成為當(dāng)干涉型光纖傳感器成為當(dāng)今國際上研究的重點之一。今國際上研究的重點之一。燕山大學(xué)光電子系489.2.5 9.2.5 布拉格光柵型光纖傳感器布拉格光柵型光纖傳感器 Bragg Bragg光柵是應(yīng)用特殊的技術(shù)制作成的纖心折射光柵是應(yīng)用特殊的技術(shù)制作成的纖心折射率周期變化的一段光纖。率周期變化的一段光纖。 當(dāng)光通過光柵時，由于纖心折射率的周期性變當(dāng)光通過光柵時，由于纖心折射率的周期性變化而產(chǎn)生反射?；a(chǎn)生反射。一般說來，除滿足一般說來，除滿足BraggBragg波長條件的波長條件的入射光外的其他光波均被濾掉。入射光外的其他光波均被濾掉。光柵的

44、光柵的BraggBragg波長為波長為 (9.15) (9.15) 式中，式中，為折射率變化的周期；為折射率變化的周期；ne為纖心的有效折為纖心的有效折射率。射率。 Be2n 燕山大學(xué)光電子系49 當(dāng)當(dāng)和和 ne中的任一個發(fā)生變化時都將引起光柵波中的任一個發(fā)生變化時都將引起光柵波長的移動，即長的移動，即 (9.16)eeBeeeBee22nnnnnnnn 由式由式(9.16)(9.16)可知，當(dāng)光纖長度產(chǎn)生變化時，則將可知，當(dāng)光纖長度產(chǎn)生變化時，則將產(chǎn)生產(chǎn)生和和ne的變化，通過測量的變化，通過測量 的變化就可以得到的變化就可以得到待測量。待測量。B 利用利用Bragg光柵測量應(yīng)變的結(jié)構(gòu)框圖如圖

45、光柵測量應(yīng)變的結(jié)構(gòu)框圖如圖9.13所示，所示，它 在 低 頻 應(yīng) 變 擾 動 下 的 應(yīng) 變 的 分 辨 率 為它 在 低 頻 應(yīng) 變 擾 動 下 的 應(yīng) 變 的 分 辨 率 為0.006 。/Hz燕山大學(xué)光電子系50圖圖9.13 利用利用Bragg光柵測量應(yīng)變的結(jié)構(gòu)框圖光柵測量應(yīng)變的結(jié)構(gòu)框圖燕山大學(xué)光電子系519.2.6 9.2.6 模間干涉型光纖傳感器模間干涉型光纖傳感器 模間干涉型光纖傳感器是近幾年出現(xiàn)的新型傳模間干涉型光纖傳感器是近幾年出現(xiàn)的新型傳感器，它利用光纖中不同模式的光信號的傳播速度感器，它利用光纖中不同模式的光信號的傳播速度不同而產(chǎn)生相位差的原理來實現(xiàn)被測信號的檢測。不同而產(chǎn)

46、生相位差的原理來實現(xiàn)被測信號的檢測。設(shè)兩個不同的傳播常數(shù)分別為設(shè)兩個不同的傳播常數(shù)分別為 和和 ，傳播常數(shù)，傳播常數(shù)之差為之差為 ，則光通過長為，則光通過長為L L的光纖后，模間的相位的光纖后，模間的相位差為差為 (9.17)(9.17) 模間相位差的變化為模間相位差的變化為 (9.18) (9.18) vvuvuvLuvuvuvL L 燕山大學(xué)光電子系52 模間干涉型光纖傳感器的典型結(jié)構(gòu)圖如圖模間干涉型光纖傳感器的典型結(jié)構(gòu)圖如圖9.149.14所示。它的特點是僅需要一根光纖，光路簡單，對所示。它的特點是僅需要一根光纖，光路簡單，對光源的要求不高；但這種傳感器需要的電信號處理光源的要求不高；但

47、這種傳感器需要的電信號處理電路比較復(fù)雜，要求在多種信號中選出所需的信號。電路比較復(fù)雜，要求在多種信號中選出所需的信號。圖圖9.14 模間干涉型光纖傳感器的典型結(jié)構(gòu)圖模間干涉型光纖傳感器的典型結(jié)構(gòu)圖燕山大學(xué)光電子系539.3 偏振調(diào)制型光纖傳感器光波是橫波。光振動的電場矢量光波是橫波。光振動的電場矢量E E和磁場矢量和磁場矢量H H和光線傳和光線傳播方向播方向s s正交。按照光的振動矢量正交。按照光的振動矢量E E、H H在垂直于光線平面在垂直于光線平面內(nèi)矢端軌跡的不同，又可分為內(nèi)矢端軌跡的不同，又可分為線偏振光線偏振光（又稱平面偏振（又稱平面偏振光）、光）、圓偏振光、橢圓偏振光圓偏振光、橢圓偏

48、振光和和部分偏振光部分偏振光。利用光波。利用光波的這種偏振性質(zhì)可以制成光纖的偏振調(diào)制傳感器。的這種偏振性質(zhì)可以制成光纖的偏振調(diào)制傳感器。 光纖傳感器中的偏振調(diào)制器常利用光纖傳感器中的偏振調(diào)制器常利用電光、磁光、光彈電光、磁光、光彈等等物理效應(yīng)。在解調(diào)過程中應(yīng)用檢偏器。物理效應(yīng)。在解調(diào)過程中應(yīng)用檢偏器。 燕山大學(xué)光電子系549.3 偏振調(diào)制型光纖傳感器 偏振調(diào)制型傳感器能較好地克服馬赫偏振調(diào)制型傳感器能較好地克服馬赫- -曾德爾曾德爾干涉型光纖傳感器的缺點。偏振調(diào)制型傳感器中的干涉型光纖傳感器的缺點。偏振調(diào)制型傳感器中的偏振調(diào)制主要是采用光彈效應(yīng)和光纖的雙折射，根偏振調(diào)制主要是采用光彈效應(yīng)和光纖

49、的雙折射，根據(jù)關(guān)系式據(jù)關(guān)系式 實現(xiàn)被測量的傳感。這里，實現(xiàn)被測量的傳感。這里，是偏振光的相位，是偏振光的相位， 是給定模在光纖中的傳播常數(shù)，是給定模在光纖中的傳播常數(shù)，L L 是光纖測量部是光纖測量部分的長度。分的長度。LL (9.19)燕山大學(xué)光電子系55 如圖所示，當(dāng)如圖所示，當(dāng)壓電晶體受光照壓電晶體受光照射并在其正交方射并在其正交方向上加以高電壓，向上加以高電壓，晶體將呈現(xiàn)雙折晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象射現(xiàn)象普克普克耳效應(yīng)。在晶體耳效應(yīng)。在晶體中，兩正交的偏中，兩正交的偏振光的相位變化：振光的相位變化：調(diào)制原理 9.3.1普克耳（Pockels）效應(yīng)燕山大學(xué)光電子系56平面偏振光通平面偏振光通

50、過帶磁性的物過帶磁性的物體時，其偏振體時，其偏振光面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為法拉第磁光效法拉第磁光效應(yīng)，光矢量旋應(yīng)，光矢量旋轉(zhuǎn)角：轉(zhuǎn)角：9.3.2.法拉第磁光效應(yīng)光纖燕山大學(xué)光電子系57在垂直于光波傳播在垂直于光波傳播方向施加應(yīng)力，材方向施加應(yīng)力，材料將產(chǎn)生雙折射現(xiàn)料將產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其強弱正比于象，其強弱正比于應(yīng)力。這種現(xiàn)象稱應(yīng)力。這種現(xiàn)象稱為光彈效應(yīng)。偏振為光彈效應(yīng)。偏振光的相位變化光的相位變化：9.3.3.光彈效應(yīng)燕山大學(xué)光電子系58 圖圖9.159.15為偏振調(diào)制型光纖傳感器的原理圖。圖中，為偏振調(diào)制型光纖傳感器的原理圖。圖中，激光器發(fā)出的線偏振光經(jīng)光學(xué)準(zhǔn)直器、

51、激光器發(fā)出的線偏振光經(jīng)光學(xué)準(zhǔn)直器、1/41/4波片成為波片成為圓偏振光，再經(jīng)透鏡聚光后進入光纖。光纖的測量部圓偏振光，再經(jīng)透鏡聚光后進入光纖。光纖的測量部分與被測面相連（一般采用粘貼或埋入結(jié)構(gòu)）。分與被測面相連（一般采用粘貼或埋入結(jié)構(gòu)）。圖圖9.15 偏振調(diào)制型光纖傳感器的原理圖偏振調(diào)制型光纖傳感器的原理圖燕山大學(xué)光電子系59 由光波導(dǎo)理論可知，作用在光纖上的應(yīng)變將改變由光波導(dǎo)理論可知，作用在光纖上的應(yīng)變將改變光纖心的折射率，從而改變在光纖輸出的圓偏振光光纖心的折射率，從而改變在光纖輸出的圓偏振光的偏振方向。這樣，被測對象的應(yīng)變將使檢偏器處的偏振方向。這樣，被測對象的應(yīng)變將使檢偏器處光波偏振方

52、向變化光波偏振方向變化，而且可以推得，而且可以推得和和為線性關(guān)為線性關(guān)系。而檢偏器的輸出為系。而檢偏器的輸出為 。I0為光纖輸為光纖輸出光強的最大值。顯然，光電檢測器的輸出與結(jié)構(gòu)出光強的最大值。顯然，光電檢測器的輸出與結(jié)構(gòu)應(yīng)變的關(guān)系為余弦關(guān)系。這種結(jié)構(gòu)的特點也是僅需應(yīng)變的關(guān)系為余弦關(guān)系。這種結(jié)構(gòu)的特點也是僅需要一根光纖，但光路相對復(fù)雜，它需要起偏器和檢要一根光纖，但光路相對復(fù)雜，它需要起偏器和檢偏器。偏器。0 = cosII燕山大學(xué)光電子系60 頻率調(diào)制頻率調(diào)制 利用外界作用改變光纖中光的波長或頻率，通過檢測光纖中光的波長或利用外界作用改變光纖中光的波長或頻率，通過檢測光纖中光的波長或頻率的變

53、化來測量各種物理量頻率的變化來測量各種物理量,這兩種調(diào)制方式分別稱為波長調(diào)制和頻率調(diào)制。這兩種調(diào)制方式分別稱為波長調(diào)制和頻率調(diào)制。波長調(diào)制技術(shù)比強度調(diào)制技術(shù)用得少，其原因是解調(diào)技術(shù)比較復(fù)雜。波長調(diào)制技術(shù)比強度調(diào)制技術(shù)用得少，其原因是解調(diào)技術(shù)比較復(fù)雜。 頻率調(diào)制技術(shù)目前主要利用多普勒效應(yīng)來實現(xiàn)。光纖常采用傳光型光纖。頻率調(diào)制技術(shù)目前主要利用多普勒效應(yīng)來實現(xiàn)。光纖常采用傳光型光纖。光學(xué)多普勒效應(yīng)告訴我們：當(dāng)光源光學(xué)多普勒效應(yīng)告訴我們：當(dāng)光源S發(fā)射出的光，經(jīng)運動的物體散射后，觀察發(fā)射出的光，經(jīng)運動的物體散射后，觀察者所見到的光波頻率者所見到的光波頻率f l相對于原頻率相對于原頻率f 0發(fā)生了變化，如

54、圖所示。發(fā)生了變化，如圖所示。S為光源，為光源，N為為運動物體，運動物體，M為觀察者所處的位置，若物體為觀察者所處的位置，若物體N的運動速度為的運動速度為，其運動方向與，其運動方向與NS和和MN的夾角分別為的夾角分別為1和和2，則從，則從S發(fā)出的光頻率發(fā)出的光頻率f 0經(jīng)運動物體經(jīng)運動物體N散射后，觀散射后，觀察者在察者在M處觀察到的運動物體反射的頻率為處觀察到的運動物體反射的頻率為f l，根據(jù)多普勒效應(yīng)，它們之問有，根據(jù)多普勒效應(yīng)，它們之問有如下關(guān)系：如下關(guān)系： (式中式中c為光速）為光速） 2101coscos1cff9.4 頻率調(diào)制型光纖傳感器頻率調(diào)制型光纖傳感器燕山大學(xué)光電子系6121

55、01coscos1cff證明：設(shè)在運動的物體證明：設(shè)在運動的物體N上觀測到的光波頻上觀測到的光波頻率為率為f /，則，則 2101cos1ccffM點觀測到從運點觀測到從運動物體動物體N上發(fā)出上發(fā)出的光波頻率：的光波頻率： 2211cos1ccff221222102221011coscoscoscos11cos11cos1ccccfccccff由于由于c，所以可以忽略式中的平方項。，所以可以忽略式中的平方項。 與機械波不同，光與機械波不同，光波（電磁波）存在波（電磁波）存在橫向多普勒效應(yīng)。橫向多普勒效應(yīng)。燕山大學(xué)光電子系62 根據(jù)上述的近似公式，可以設(shè)計出激光多普勒光纖流速測量系統(tǒng)，如下根據(jù)上

56、述的近似公式，可以設(shè)計出激光多普勒光纖流速測量系統(tǒng)，如下圖所示。設(shè)激光光源頻率為圖所示。設(shè)激光光源頻率為f 0，經(jīng)半反射鏡和聚焦透鏡進入光纖射入到被測物，經(jīng)半反射鏡和聚焦透鏡進入光纖射入到被測物流體，當(dāng)流體以速度流體，當(dāng)流體以速度運動時，根據(jù)多普勒效應(yīng)，其向后散射光的頻率為運動時，根據(jù)多普勒效應(yīng)，其向后散射光的頻率為f 0+f或或f 0-f（視流向而定），向后散射光與光纖端面反射光（參考光）經(jīng)聚焦透鏡（視流向而定），向后散射光與光纖端面反射光（參考光）經(jīng)聚焦透鏡和半反射鏡，由檢偏器檢出相同振動方向的光，探測器檢測出端面反射光和半反射鏡，由檢偏器檢出相同振動方向的光，探測器檢測出端面反射光f 0

57、與與向后散射光向后散射光f 0+f或或f 0-f的差拍的拍頻的差拍的拍頻f，由此可知流體的的流速。，由此可知流體的的流速。 激光器半反射鏡透鏡透鏡探測器分析器光纖光纖多普勒流速測量系統(tǒng)檢偏器起偏器燕山大學(xué)光電子系63強度型強度型(振幅型振幅型)光纖傳感器光纖傳感器 v反射式光纖位移傳感器反射式光纖位移傳感器 v 反射式光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活、反射式光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活、性能穩(wěn)定、造價低廉、能適應(yīng)惡劣環(huán)境性能穩(wěn)定、造價低廉、能適應(yīng)惡劣環(huán)境,在實際在實際工作中得到了廣泛應(yīng)用。反射式光纖位移傳感工作中得到了廣泛應(yīng)用。反射式光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖器結(jié)構(gòu)示意圖如圖6.7(a)所示。由光源發(fā)出的所示。由光源發(fā)出的光經(jīng)發(fā)射光纖束傳輸入射到被測目標(biāo)表面光經(jīng)發(fā)射光纖束傳輸入射到被測目標(biāo)表面,目標(biāo)目標(biāo)表面的反射光由與發(fā)射光纖束扎在一起的接收表面的反射光由與發(fā)射光纖束扎在一起的接收光纖束傳輸至光敏元件。光纖束傳輸至光敏元件。 燕山大學(xué)光電子系64v