自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)第九

自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)第九第1頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第9章

光纖式傳感器

光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)如下:

(1)具有很高的靈敏度。

(2)頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大。

(3)可根據(jù)實(shí)際需要做成各種形狀。

(4)可以用很相近的技術(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成傳感不同物理量的傳感器，這些物理量包括聲場(chǎng)、磁場(chǎng)、壓力、溫度、加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)(陀螺)、位移、液位、流量、電流、輻射等。第2頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第9章

光纖式傳感器(5)便于與計(jì)算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙測(cè)和控制。

(6)可用于高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾、腐蝕等各種惡劣環(huán)境。

(7)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、耗能少。第3頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第9章

光纖式傳感器9.1&9.2

光纖及其傳光原理9.3

光纖傳感器的組成及分類9.4&9.5

光調(diào)制方式9.6

光纖式傳感器應(yīng)用舉例第4頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1&9.2

光纖及其傳光原理9.1.1

光纖的結(jié)構(gòu)9.1.2

光纖的傳光原理9.1.3

光纖的主要參數(shù)第5頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.1

光纖的結(jié)構(gòu)

如圖所示，中心圓柱體稱為纖芯，由某種玻璃或塑料制成。纖芯外圍的圓筒形外殼稱為包層，通常也是由玻璃或塑料制成。包層外面有涂敷層，之外是一層塑料保護(hù)外套。光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，機(jī)械強(qiáng)度取決于塑料保護(hù)外套。第6頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1

光纖及其傳光原理9.1.1

光纖的結(jié)構(gòu)9.1.2

光纖的傳光原理9.1.3

光纖的主要參數(shù)√第7頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.2

光纖的傳光原理

當(dāng)光線由光密媒質(zhì)(折射率n1)射入光疏媒質(zhì)(折射率n2，n1＞n2)時(shí)，若入射角大于等于臨界角f＝sin－1(n2/n1)，在媒質(zhì)界面上會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象。

第8頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.2

光纖的傳光原理

光在光纖中傳播的基本原理可用光線或光波的概念來描述。光線的概念是一個(gè)簡(jiǎn)便、近似方法，可用來導(dǎo)出一些重要概念，如全反射的概念、光線截留的概念等。然而，要進(jìn)一步研究光的傳播理論，將光看作射線就不夠了，必須借助波動(dòng)理論。即需要考慮到光是電磁波動(dòng)現(xiàn)象以及光纖是圓柱形介質(zhì)波導(dǎo)等，才能研究光在圓柱形波導(dǎo)中允許存在的傳播模式，并導(dǎo)出經(jīng)常要提到的波導(dǎo)參數(shù)(V值)等概念。第9頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.2

光纖的傳光原理

以階躍型多模光纖為例，在子午面內(nèi)光線從空氣(折射率n0)射入光纖端面，與軸線的夾角為q0，若入射角小于某一值qC，光線在纖芯和包層的界面上將發(fā)生全反射，光線射不出纖芯，從而能夠從光纖的一端傳播到另一端，這就是光纖傳光的基本原理。子午面通過物點(diǎn)和光軸的截面稱為子午面第10頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.2

光纖的傳光原理由Snell定律得則即第11頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.2

光纖的傳光原理

若要使入射光線在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，由臨界角定義，應(yīng)滿足代入第12頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.2

光纖的傳光原理

能使光線在光纖內(nèi)全反射的最大入射角qC可由上式求得，即

得第13頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.2

光纖的傳光原理式中，NA稱為光纖的數(shù)值孔徑，它表示當(dāng)入射光從外部介質(zhì)射入光纖時(shí)，只有入射角小于qC的光才能在光纖中傳播。第14頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1

光纖及其傳光原理9.1.1

光纖的結(jié)構(gòu)9.1.2

光纖的傳光原理9.1.3

光纖的主要參數(shù)√√第15頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.3

光纖的主要參數(shù)

1.數(shù)值孔徑

定義：光從空氣入射到光纖輸入端面時(shí)，處在某一角錐內(nèi)的光線一旦進(jìn)入光纖，就將被截留在纖芯中，此光錐半角(qC)的正弦稱為數(shù)值孔徑。

數(shù)值孔徑NA是光纖的一個(gè)基本參數(shù)，反映了光纖與光源或探測(cè)器等元件耦合時(shí)的耦合效率，只有入射光處于2qC的光錐內(nèi),光纖才能導(dǎo)光。一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于耦合效率的提高，但數(shù)值孔徑過大，會(huì)造成光信號(hào)畸變。第16頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.3

光纖的主要參數(shù)

可知，NA與光纖的幾何尺寸無關(guān)，僅與纖芯和包層的折射率有關(guān)，纖芯和包層的折射率差別越大，數(shù)值孔徑就越大，光纖的集光能力就越強(qiáng)。石英光纖的NA＝0.2～0.4。由第17頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.3

光纖的主要參數(shù)

2.光纖的傳輸模式

根據(jù)電介質(zhì)中電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程，考慮到光纖圓柱形波導(dǎo)和纖芯—包層界面處的幾何邊界條件時(shí)，則只存在波動(dòng)方程的特定(離散)解。允許存在的不同的解代表許多離散的沿波導(dǎo)軸傳播的波。每一個(gè)允許傳播的波稱為一個(gè)模。第18頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.3

光纖的主要參數(shù)

光纖傳輸?shù)墓獠?，可分解為沿軸向和沿橫截面?zhèn)鬏數(shù)膬煞N平面波。因?yàn)檠貦M截面?zhèn)鬏數(shù)钠矫娌ㄊ窃诶w芯和包層的界面處全反射的，所以，當(dāng)每一次往返相位變化是2p的整數(shù)倍時(shí)，將在截面內(nèi)形成駐波。能形成駐波的光線稱為“?！?，“?！笔请x散存在的，某種光纖只能傳輸特定模數(shù)的光。第19頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.3

光纖的主要參數(shù)

實(shí)際中常用由麥克斯韋方程導(dǎo)出的歸一化頻率n作為確定光纖傳輸模數(shù)的參數(shù)。n的值可以由纖芯半徑r、傳輸光波波長(zhǎng)l及光纖的數(shù)值孔徑NA確定，即第20頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.3

光纖的主要參數(shù)當(dāng)N比較大時(shí)，光纖傳輸?shù)哪５目倲?shù)N近似為n值小于2.41的光纖，纖芯很細(xì)(5mm～10mm)，僅能傳輸基模(截止波長(zhǎng)最長(zhǎng)的模式)，故稱為單模光纖。n值大的光纖傳輸?shù)哪?shù)多，稱為多模光纖，通常纖芯直徑較粗(幾十mm以上)，能傳輸幾百個(gè)以上的模。第21頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.3

光纖的主要參數(shù)

(1)單模光纖這類光纖傳輸性能好，常用于功能型光纖傳感器，制成的傳感器比多模傳感器有更好的線性、更高的靈敏度和動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍。但由于纖芯太小，制造、連接和耦合都很困難。

(2)多模光纖這類光纖性能較差。但纖芯截面大，容易制造，連接耦合也比較方便。這種光纖常用于非功能型光纖傳感器。第22頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.3

光纖的主要參數(shù)

3.傳輸損耗

光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。形成光纖損耗的原因很多，光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗，光纖與光源的耦合損耗，光纖之間的連接損耗等，都會(huì)造成光信號(hào)在光纖中的傳播有一定程度的損耗。通常用衰減率A表示傳播損耗第23頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.3

光纖的主要參數(shù)

4.色散

光纖的色散是由于光信號(hào)中的不同頻率成分或不同的模式，在光纖中傳輸時(shí)，由于速度不同而使得傳播時(shí)間不同，從而產(chǎn)生波形畸變的現(xiàn)象。

當(dāng)輸入光束是光脈沖時(shí)，隨著光的傳輸，光脈沖的寬度可被展寬，如果光脈沖變得太寬以致發(fā)生重疊或完全吻合，施加在光束上的信息就會(huì)喪失。這種光纖中產(chǎn)生的脈沖展寬現(xiàn)象稱為色散。第24頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.3

光纖的主要參數(shù)常用光纖類型及參數(shù)如表所示。類型折射率分布纖芯直徑/mm包層直徑/mm數(shù)值孔徑單模2～880～1250.10～0.15多模階躍光纖(玻璃)80～200100～2500.1～0.3多模階躍光纖(玻璃/塑料)200～1000230～12500.18～0.50多模梯度光纖50～100125～1500.1～0.2第25頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1

光纖及其傳光原理9.1.1

光纖的結(jié)構(gòu)9.1.2

光纖的傳光原理9.1.3

光纖的主要參數(shù)√√√第26頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第9章

光纖式傳感器9.1&9.2

光纖及其傳光原理9.3

光纖傳感器的組成及分類9.4&9.5

光調(diào)制方式9.6

光纖式傳感器應(yīng)用舉例√第27頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.3

光纖傳感器的組成及分類9.3.1

光纖傳感器的基本組成9.3.2

光纖傳感器的分類第28頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.3.1

光纖傳感器的基本組成

光纖傳感器主要包括光導(dǎo)纖維、光源、光探測(cè)器三個(gè)重要部件。

①光源分為相干光源(各種激光器)和非相干光源(白熾光、發(fā)光二極管)。實(shí)際中，一般要求光源的尺寸小、發(fā)光面積大、波長(zhǎng)合適、足夠亮、穩(wěn)定性好、噪聲小、壽命長(zhǎng)、安裝方便等。第29頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.3.1

光纖傳感器的基本組成

②光探測(cè)器包括光敏二極管、光敏三極管、光電倍增管、光電池等。光探測(cè)器在光纖傳感器中有著十分重要的地位，它的靈敏度、帶寬等參數(shù)將直接影響傳感器的總體性能。第30頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.3

光纖傳感器的組成及分類9.3.1

光纖傳感器的基本組成9.3.2

光纖傳感器的分類√第31頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.3.2

光纖傳感器的分類

光纖傳感器一般可分為功能型和非功能型兩大類。1.功能型光纖傳感器

功能型光纖傳感器又稱傳感型光纖傳感器，主要使用單模光纖，基本結(jié)構(gòu)原理如圖所示。光纖在這類傳感器中不僅是傳光元件，而且利用光纖本身的某些特性來感知外界因素的變化，所以它又是敏感元件。第32頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.3.2

光纖傳感器的分類

在功能型光纖傳感器中，由于光纖本身是敏感元件，因此改變幾何尺寸和材料性質(zhì)可以改善靈敏度。功能型光纖傳感器中光纖是連續(xù)的，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但為了能夠靈敏地感受外界因素的變化，往往需要用特種光纖作探頭，使得制造比較困難。第33頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.3.2

光纖傳感器的分類

2.非功能型光纖傳感器

非功能型光纖傳感器又稱傳光型光纖傳感器。它是利用在兩根光纖中間或光纖端面放置敏感元件，來感受被測(cè)量的變化，光纖僅起傳光作用，如圖所示。第34頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.3.2

光纖傳感器的分類

這類光纖傳感器可以充分利用現(xiàn)有的性能優(yōu)良的敏感元件來提高靈敏度。為了獲得較大的受光量和傳輸光的功率，這類傳感器使用的光纖主要是數(shù)值孔徑和芯徑較大的階躍型多模光纖。第35頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.3.2

光纖傳感器的分類

在非功能型光纖傳感器中，也有并不需要外加敏感元件的情況。比如，光纖把測(cè)量對(duì)象輻射或反射、散射的光信號(hào)傳播到光電元件。這種光纖傳感器也稱為探針型光纖傳感器，使用單模光纖或多模光纖。典型的例子有光纖激光多普勒速度傳感器和光纖輻射溫度傳感器等。第36頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.3

光纖傳感器的組成及分類9.3.1

光纖傳感器的基本組成9.3.2

光纖傳感器的分類√√第37頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第9章

光纖式傳感器9.1&9.2

光纖及其傳光原理9.3

光纖傳感器的組成及分類9.4&9.5

光調(diào)制方式9.6

光纖式傳感器應(yīng)用舉例√√第38頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4&9.5

光調(diào)制方式

光纖傳感器的工作原理是，通過被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸光的振幅、波長(zhǎng)、相位、頻率或偏振態(tài)等發(fā)生變化，再對(duì)被調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而得出相應(yīng)的被測(cè)量。所謂光調(diào)制可歸結(jié)為將一個(gè)攜帶信息的信號(hào)疊加到載波光波上的過程。這個(gè)過程稱為光波的調(diào)制，簡(jiǎn)稱光調(diào)制。第39頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4&9.5

光調(diào)制方式

光調(diào)制技術(shù)是光纖傳感器的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。按調(diào)制方式可分為：強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制和波長(zhǎng)調(diào)制等。而且，同一種光調(diào)制方式可以實(shí)現(xiàn)多種物理量的檢測(cè)，同一物理量也可利用多種光調(diào)制方式來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。第40頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4&9.5

光調(diào)制方式9.4.1

強(qiáng)度調(diào)制(功能型)9.4.2

波長(zhǎng)調(diào)制(功能型)9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量(功能型)9.4.4

頻率調(diào)制(功能型)9.4.5

偏振調(diào)制(功能型)9.5.1

強(qiáng)度調(diào)制(遮斷光路-非功能型)9.5.2

強(qiáng)度調(diào)制(改變位置-非功能型)第41頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.1

強(qiáng)度調(diào)制

利用被測(cè)量直接或間接地改變光纖中傳輸光的強(qiáng)度，再通過測(cè)量光強(qiáng)的變化檢測(cè)出被測(cè)量的方法，稱為強(qiáng)度調(diào)制，如圖所示。Is為外力場(chǎng)強(qiáng)。第42頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.1

強(qiáng)度調(diào)制

同理，可利用其他各種對(duì)光強(qiáng)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)制器。強(qiáng)度調(diào)制是光纖傳感器使用最早的調(diào)制方法，其特點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單可靠、價(jià)格低廉?？刹捎枚嗄９饫w，光纖的連接器和耦合器均已商品化。光源可采用LED和白熾燈等非相干光源，探測(cè)器一般用光敏二極管、光敏三極管和光電池。第43頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.1

強(qiáng)度調(diào)制

1.微彎損耗光強(qiáng)調(diào)制

根據(jù)模態(tài)理論，當(dāng)光纖受力微彎時(shí)，一部分纖芯模式能量會(huì)轉(zhuǎn)化為包層模式能量，通過測(cè)量包層模式能量或纖芯模式能量的變化就能測(cè)出被測(cè)量。第44頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.1

強(qiáng)度調(diào)制

當(dāng)把多模光纖夾在一個(gè)空間周期為L(zhǎng)的梳狀結(jié)構(gòu)變形器中時(shí)，只要適當(dāng)選擇空間周期L和光纖傳輸模式間的傳輸常數(shù)差，使其相匹配，則變形器位移產(chǎn)生的光纖微彎就會(huì)引起各傳輸模式間的耦合，光能在光纖纖芯中的模式就會(huì)轉(zhuǎn)變成耦合模被送進(jìn)包層中，形成模輻射。第45頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.1

強(qiáng)度調(diào)制

模態(tài)理論表明，當(dāng)纖芯傳輸模b1和包層傳輸模b2的傳輸常數(shù)之差為時(shí)，纖芯傳輸模與包層傳輸模之間的耦合最強(qiáng)。在梯度光纖中第46頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.1

強(qiáng)度調(diào)制在階躍光纖中n(0)、n(r)為距離光纖軸為0和r處的折射率；r為纖芯半徑。上面兩式中第47頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.1

強(qiáng)度調(diào)制

2.利用小的線位移和角位移進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制

采用端面為平面的兩根光纖，一根為入射光纖，一根為出射光纖，光纖間距約2～3mm。出射光纖相對(duì)于入射光纖橫向或縱向微小移動(dòng)或微小轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，出射光強(qiáng)隨之發(fā)生變化。第48頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.1

強(qiáng)度調(diào)制

3.利用折射率的變化進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制

當(dāng)某些物理量(如溫度或壓力等)作用于光纖時(shí)，引起光纖的纖芯和包層的折射率發(fā)生變化，若包層的折射率變得大于或等于纖芯的折射率，則光在纖芯和包層界面上的全反射遭到破壞，產(chǎn)生輸出光強(qiáng)的變化即實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制。第49頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.1

強(qiáng)度調(diào)制

4.利用光纖的吸收特性進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制

X射線、g射線等輻射會(huì)使光纖材料的吸收損耗增加，光纖的輸出功率降低，從而形成強(qiáng)度調(diào)制。由于不同材料對(duì)不同的射線敏感，因此改變光纖材料的成分可對(duì)不同的射線進(jìn)行測(cè)量。圖示是根據(jù)這種原理制成的測(cè)量輻射量的傳感器。第50頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4&9.5

光調(diào)制方式9.4.1

強(qiáng)度調(diào)制(功能型)9.4.2

波長(zhǎng)調(diào)制(功能型)9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量(功能型)9.4.4

頻率調(diào)制(功能型)9.4.5

偏振調(diào)制(功能型)9.5.1

強(qiáng)度調(diào)制(遮斷光路-非功能型)9.5.2

強(qiáng)度調(diào)制(改變位置-非功能型)√第51頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.2

波長(zhǎng)調(diào)制

利用外界因素改變光纖中光的波長(zhǎng)，通過檢測(cè)波長(zhǎng)的變化來檢測(cè)各種物理量，稱為波長(zhǎng)調(diào)制。波長(zhǎng)調(diào)制的解調(diào)技術(shù)比較復(fù)雜，與強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)相比應(yīng)用較少。常用的波長(zhǎng)調(diào)制方法有：利用熱色物質(zhì)的顏色變化、利用磷光和熒光光譜的變化、利用黑體輻射、利用濾光器參數(shù)的變化和利用位移進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制。第52頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.2

波長(zhǎng)調(diào)制

如圖所示，是利用位移進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制的原理。光纖線性位移、光柵旋轉(zhuǎn)或衍射板位移都能進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制。由此可以設(shè)計(jì)出光纖位移傳感器。第53頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4&9.5

光調(diào)制方式9.4.1

強(qiáng)度調(diào)制(功能型)9.4.2

波長(zhǎng)調(diào)制(功能型)9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量(功能型)9.4.4

頻率調(diào)制(功能型)9.4.5

偏振調(diào)制(功能型)9.5.1

強(qiáng)度調(diào)制(遮斷光路-非功能型)9.5.2

強(qiáng)度調(diào)制(改變位置-非功能型)√√第54頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量

1.相位調(diào)制

利用外界因素改變光纖中光波的相位，通過檢測(cè)相位變化來測(cè)量被測(cè)量的方法，稱為相位調(diào)制。這是光纖傳感器中最基本的調(diào)制技術(shù)，以靈敏度高著稱。例如，若信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)1mrad的相移，則每米光纖的檢測(cè)靈敏度對(duì)溫度為10－9℃、對(duì)壓力為10－7Pa、對(duì)應(yīng)變?yōu)?0－7(即0.1me)，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)1010。第55頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量

理論表明，當(dāng)真空中波長(zhǎng)為l0的光入射到長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖時(shí)，若以其入射端面為基準(zhǔn)，則出射光的相位為式中，K0為光在真空中的傳播常數(shù)，n為折射率。由此，纖芯折射率n變化和光纖長(zhǎng)度L變化導(dǎo)致的光相位變化為第56頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量

當(dāng)光纖受到縱向(軸向)的機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，由于應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)，光纖的長(zhǎng)度(應(yīng)變效應(yīng))、光纖的直徑(泊松效應(yīng))、纖芯折射率(光彈性效應(yīng))都將變化，這些變化將導(dǎo)致光纖中光波相位的變化。若將光纖放在變化的溫度場(chǎng)中，由于溫度應(yīng)變效應(yīng)，引起光纖的折射率和幾何長(zhǎng)度的變化也會(huì)引起相位變化。第57頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量

最常用的相位調(diào)制方法是在PZT圓管上繞若干圈光纖，并且稍稍拉緊。對(duì)單模光纖，當(dāng)l＝633nm，圓管工作頻率遠(yuǎn)低于機(jī)械共振頻率時(shí)，通過施加70～100V的反轉(zhuǎn)電壓可產(chǎn)生2p弧度的相移。若工作在機(jī)械共振頻率，相移的調(diào)制幅度可增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)。第58頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量

圖示為帶有共軸壓電換能器的光纖相位調(diào)制器。光纖置于PZT圓管的軸線上，圓管與光纖間充以聲學(xué)材料(環(huán)氧樹脂)。PZT圓管工作于厚度模式，由圓管薄壁產(chǎn)生的聲波會(huì)聚于圓管中心，對(duì)纖芯施加壓力，通過光彈效應(yīng)使光纖的折射率受到調(diào)制。第59頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量

圖示為被覆壓電外套的光纖相位調(diào)制器。在光纖上被覆一層壓電塑料外套，如聚偏二氟乙烯(PVDF)，外套的內(nèi)外表面被覆金屬膜作電極。第60頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量

2.干涉測(cè)量

目前光探測(cè)器對(duì)光的相位變化都不敏感，須采用干涉技術(shù)將相位變化轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度變化，才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物理量的測(cè)量。相位變化將引起干涉條紋的運(yùn)動(dòng)，記錄干涉條紋移動(dòng)的數(shù)目，就可測(cè)得相位的變化，從而測(cè)得導(dǎo)致相位變化的物理量，這就是干涉測(cè)量的原理。第61頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量光纖干涉儀的一般系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。L—激光器；P1—分束器；P2—耦合器；D—檢測(cè)器第62頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量(1)邁克爾遜干涉儀

基本原理如左圖所示。激光波長(zhǎng)為632.9nm時(shí)，可檢測(cè)平面鏡6.3×10－14m的位移。下圖為實(shí)際應(yīng)用。第63頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量(2)馬赫—曾特爾干涉儀

結(jié)構(gòu)如右圖所示。與邁克爾遜干涉儀相比，優(yōu)點(diǎn)是只有少量或者沒有光直接返回激光器，避免了反饋光使激光器不穩(wěn)定和產(chǎn)生噪聲。下圖為實(shí)際應(yīng)用。第64頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量(3)薩格奈克干涉儀

結(jié)構(gòu)如右圖所示。平面鏡移動(dòng)時(shí)，兩束光的光程不會(huì)出現(xiàn)差別。但如果使固定該干涉儀的臺(tái)子繞著垂直于光束平面的軸旋轉(zhuǎn)，則出現(xiàn)差別。下圖為實(shí)際應(yīng)用。第65頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量可以求得順、反時(shí)針兩光束之間的光程差為式中，A為光路系統(tǒng)圍成的面積，c為光速，w為光路系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的角速度。

由此可測(cè)干涉儀的臺(tái)子相對(duì)于慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。從原理上講，它是目前許多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所用的環(huán)形激光陀螺和光線陀螺的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。第66頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量

(4)法布里—珀羅干涉儀

原理如右圖所示。兩平行平面鏡的反射率通常非常大，一般大于或等于95%。下圖為實(shí)際應(yīng)用。第67頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量

光檢測(cè)器接收到的電場(chǎng)有一系列電場(chǎng)矢量，在原理上它們的數(shù)量是無限的，每一個(gè)后續(xù)電場(chǎng)矢量都按系數(shù)R2遞減，這里R是反射系數(shù)。設(shè)相鄰兩出射光束間的相位差為q，可得第68頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量

當(dāng)q＝0,2p,4p,…時(shí)，干涉光強(qiáng)有最大值。當(dāng)q＝p,3p,5p,…時(shí)干涉光強(qiáng)有最小值。注意到反射率越大，干涉光強(qiáng)變化越明顯，分辨率越高。它是能用于現(xiàn)代科學(xué)的最靈敏的位移測(cè)量裝置之一。第69頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4&9.5

光調(diào)制方式9.4.1

強(qiáng)度調(diào)制(功能型)9.4.2

波長(zhǎng)調(diào)制(功能型)9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量(功能型)9.4.4

頻率調(diào)制(功能型)9.4.5

偏振調(diào)制(功能型)9.5.1

強(qiáng)度調(diào)制(遮斷光路-非功能型)9.5.2

強(qiáng)度調(diào)制(改變位置-非功能型)√√√第70頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.4

頻率調(diào)制

利用外界因素改變光纖中光波的頻率，通過檢測(cè)光頻率的變化來測(cè)量被測(cè)量，這種方法稱為頻率調(diào)制。這里光纖本身只作為傳光元件，而頻率調(diào)制多是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。第71頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.4

頻率調(diào)制

如圖所示，S為單色光源，P為運(yùn)動(dòng)物體，Q是觀察者所處的位置。設(shè)物體P的運(yùn)動(dòng)速度為u，運(yùn)動(dòng)方向與PS和PQ的夾角分別為q1和q2。根據(jù)多普勒效應(yīng)，對(duì)于從光源S發(fā)出的頻率為f的光，在P點(diǎn)觀察到的頻率f1可表示為SPQuq1q2第72頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.4

頻率調(diào)制

頻率為f1的光通過物體P產(chǎn)生散射，在Q處所觀察到的頻率f2可表示為第73頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.4

頻率調(diào)制考慮到u<<c，則可把雙重多普勒頻移方程表示為第74頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.4

頻率調(diào)制

如圖所示，設(shè)激光頻率為f0，流體流速為u。根據(jù)多普勒效應(yīng)，光纖接收到的散射光的頻率為f0＋Df或f0－Df(視流向而定)，由檢偏器檢出散射光與光纖端面反射光(參考光)中振動(dòng)方向相同的光，探測(cè)器檢測(cè)出二者的差頻Df，可知流體的流速。第75頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4&9.5

光調(diào)制方式9.4.1

強(qiáng)度調(diào)制(功能型)9.4.2

波長(zhǎng)調(diào)制(功能型)9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量(功能型)9.4.4

頻率調(diào)制(功能型)9.4.5

偏振調(diào)制(功能型)9.5.1

強(qiáng)度調(diào)制(遮斷光路-非功能型)9.5.2

強(qiáng)度調(diào)制(改變位置-非功能型)√√√√第76頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.5

偏振調(diào)制

利用外界因素改變光的偏振特性，通過檢測(cè)光的偏振態(tài)變化(即偏振面的旋轉(zhuǎn))來測(cè)量被測(cè)量的方法，稱為偏振調(diào)制。在光纖傳感器中，偏振調(diào)制主要基于人為旋光現(xiàn)象和人為雙折射現(xiàn)象，如法拉第磁光效應(yīng)、克爾電光效應(yīng)和光彈效應(yīng)等。第77頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.5

偏振調(diào)制

根據(jù)電磁場(chǎng)理論，光波是一種橫波；光振動(dòng)的電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量始終與傳播方向垂直。若光波電場(chǎng)矢量的方向在傳播過程中保持不變，稱為線偏振光。線偏振光電場(chǎng)矢量方向與傳播方向組成的面稱為線偏振光的振動(dòng)面。若電場(chǎng)矢量的大小不變，振動(dòng)方向繞傳播軸轉(zhuǎn)動(dòng)，矢量端點(diǎn)軌跡為圓，稱為圓偏振光；如果矢量軌跡為一個(gè)橢圓，稱為橢圓偏振光。第78頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.5

偏振調(diào)制

若自然光在傳播過程中受到外界的作用而使各個(gè)振動(dòng)方向上強(qiáng)度不等，使某一方向的振動(dòng)比其他方向占優(yōu)勢(shì)，稱為部分偏振光。若外界作用使自然光的振動(dòng)方向只有一個(gè)，稱為起偏。利用光波的偏振性質(zhì)，可以制成偏振調(diào)制傳感器。注意，關(guān)于光的振動(dòng)方向通常是指電場(chǎng)矢量的方向。第79頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.5

偏振調(diào)制

1.法拉第磁光效應(yīng)

法拉第磁光效應(yīng)表明，在磁場(chǎng)作用下，偏振光的振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度q與光在物質(zhì)中通過的距離L及磁場(chǎng)強(qiáng)度H成正比，即式中，Vd為物質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)。第80頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.5

偏振調(diào)制

應(yīng)用法拉第磁光效應(yīng)可測(cè)量高壓大電流。通過高壓輸電線的電流為I，在高壓輸電線上繞有N圈光纖。光纖中傳輸?shù)木€偏振光在高壓輸電線形成的磁場(chǎng)作用下，偏振面旋轉(zhuǎn)的角度為q。利用q＝VdLH可得

光纖材料的Vd非常小(0～0.0161/A)，用此法測(cè)量的電流值可達(dá)幾十到幾十萬安。第81頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.5

偏振調(diào)制

2.克爾電光效應(yīng)

在與入射光垂直的方向上加高電壓，各向同性體便可呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象即為克爾電光效應(yīng)。一束入射光變成兩束出射光，兩束出射光的相位差為式中，K為克爾常數(shù)。L為光程，d為電極間距。第82頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.5

偏振調(diào)制

3.光彈效應(yīng)

在垂直于光波傳播方向上施加應(yīng)力，材料將會(huì)使光產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其折射率的變化與應(yīng)力有關(guān)，這種現(xiàn)象稱為光彈效應(yīng)。利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)可以構(gòu)成壓力、振動(dòng)、位移等光纖傳感器。第83頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4

光調(diào)制方式√√√√9.4.1

強(qiáng)度調(diào)制(功能型)9.4.2

波長(zhǎng)調(diào)制(功能型)9.4.3

相位調(diào)制及干涉測(cè)量(功能型)9.4.4

頻率調(diào)制(功能型)9.4.5

偏振調(diào)制(功能型)9.5.1

強(qiáng)度調(diào)制(遮斷光路-非功能型)9.5.2

強(qiáng)度調(diào)制(改變位置-非功能型)√第84頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第9章

光纖式傳感器9.1&9.2

光纖及其傳光原理9.3

光纖傳感器的組成及分類9.4&9.5

光調(diào)制方式9.6

光纖式傳感器應(yīng)用舉例√√√第85頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6

光纖式傳感器應(yīng)用舉例9.6.1

光纖溫度傳感器9.6.2

光纖位移傳感器9.6.3

光纖流量、流速傳感器9.6.4

光纖磁傳感器9.6.5

醫(yī)用光纖傳感器9.6.6

分布式光纖傳感器第86頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6

光纖式傳感器應(yīng)用舉例9.6.7

工業(yè)用內(nèi)窺鏡9.6.8

光纖加速度傳感器9.6.9

光纖光柵傳感器9.6.10

光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用9.6.11

光纖納米生物傳感器9.6.12

光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展第87頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.1

光纖溫度傳感器

光纖測(cè)溫技術(shù)是一種新技術(shù)，光纖溫度傳感器是工業(yè)中應(yīng)用最多的光纖傳感器之一。按調(diào)制原理分為相干型和非相干型兩類。在相干型中有偏振干涉、相位干涉以及分布式溫度傳感器等；在非相干型中有輻射溫度計(jì)、半導(dǎo)體吸收式溫度計(jì)、熒光溫度計(jì)等。第88頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.1

光纖溫度傳感器

1.半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器

半導(dǎo)體材料的光吸收和溫度的關(guān)系曲線如圖所示。半導(dǎo)體材料的吸收邊波長(zhǎng)lg(T)隨溫度增加而向較長(zhǎng)波長(zhǎng)方向位移。第89頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.1

光纖溫度傳感器

若能適當(dāng)選擇發(fā)光二極管，使其光譜范圍正好落在吸收邊的區(qū)域，即可做成透射式光纖溫度傳感器。透過半導(dǎo)體的光強(qiáng)隨溫度升高而減少。第90頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.1

光纖溫度傳感器

圖示為雙光纖參考基準(zhǔn)通道法半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。

光源為GaAlAs發(fā)光二極管，測(cè)溫介質(zhì)為測(cè)量光纖上的半導(dǎo)體材料CdTe。參考光纖上面沒有敏感材料。采用除法器消除外界干擾，提高測(cè)量精度。測(cè)溫范圍在40℃～120℃之間，精度為±1℃。第91頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.1

光纖溫度傳感器2.干涉型光纖溫度傳感器

溫度變化能引起光纖中傳輸?shù)墓獾南辔蛔兓?，利用光纖干涉儀檢測(cè)相位變化即可測(cè)得溫度。圖示是利用馬赫—曾特爾干涉儀測(cè)溫的原理圖。光通過信號(hào)臂產(chǎn)生的相位變化為式中，L為感受溫度變化的光纖段的長(zhǎng)度。第92頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.1

光纖溫度傳感器

例9.1

若已知光源波長(zhǎng)l＝0.6329mm，對(duì)n＝1.456的單模石英玻璃光纖，有試計(jì)算在1m的光纖上，溫度每變化1℃時(shí)，將有幾根條紋移動(dòng)。第93頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6

光纖式傳感器應(yīng)用舉例9.6.1

光纖溫度傳感器9.6.2

光纖位移傳感器9.6.3

光纖流量、流速傳感器9.6.4

光纖磁傳感器9.6.5

醫(yī)用光纖傳感器9.6.6

分布式光纖傳感器√第94頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.2

光纖位移傳感器

1.反射強(qiáng)度調(diào)制型位移傳感器

通過改變反射面與光纖端面之間的距離來調(diào)制反射光的強(qiáng)度。Y形光纖束由幾百根至幾千根直徑為幾十mm的階躍型多模光纖集束而成。它被分成纖維數(shù)目大致相等，長(zhǎng)度相同的兩束。第95頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.2

光纖位移傳感器

發(fā)送光纖束和接收光纖束在匯集處端面的分布有多種，如隨機(jī)分布、對(duì)半分布、同軸分布(分為接收光纖在外層和接收光纖在內(nèi)層兩類)，如圖所示。第96頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.2

光纖位移傳感器

反射光強(qiáng)與位移的關(guān)系如圖所示。可以看出，隨機(jī)分布時(shí)傳感器的靈敏度和線性都較好。還可以看出，AB段的靈敏度和線性好，但測(cè)量范圍小，CD段的斜率小即靈敏度低，但線性范圍寬。1—隨機(jī)分布；2—對(duì)半分布；3—同軸分布；4—同軸分布AMBCDM第97頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.2

光纖位移傳感器

假設(shè)傳感器工作在AB段，偏置工作點(diǎn)在M，被測(cè)物體的反射面與光纖端面之間的初始距離是M點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的距離XM。由曲線可知，隨位移增加光強(qiáng)增加，反之則光強(qiáng)減少，故由此可確定位移方向。光纖位移傳感器一般用來測(cè)量小位移。最小能檢測(cè)零點(diǎn)幾mm的位移量。這種傳感器已在鍍層不平度、零件橢圓度、錐度、偏斜度等測(cè)量中得到應(yīng)用，它還可以用來測(cè)量微弱振動(dòng)，而且是非接觸測(cè)量。第98頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.2

光纖位移傳感器

2.干涉型光纖位移傳感器

干涉型光纖位移傳感器和反射光強(qiáng)調(diào)制型位移傳感器相比，測(cè)量范圍大，測(cè)量精度高。測(cè)量位移的邁克爾遜干涉儀如圖所示。1－氦氖激光器；2－分束器；3－擴(kuò)束鏡；4－反射鏡；5－可移動(dòng)四面體棱鏡；6－全息照片；7－光纖參考臂；9－光探測(cè)器；9－可逆計(jì)數(shù)器；10－光闌第99頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.2光纖位移傳感器

物光和參考光干涉，在全息干板上形成干涉條紋。如因被測(cè)物體位移變化引起四面體移動(dòng)時(shí)，由于光程差變化而使干涉條紋移動(dòng)，從干涉條紋的移動(dòng)量可以確定位移的大小。1－氦氖激光器；2－分束器；3－擴(kuò)束鏡；4－反射鏡；5－可移動(dòng)四面體棱鏡；6－全息照片；7－光纖參考臂；8－光探測(cè)器；9－可逆計(jì)數(shù)器；10－光闌第100頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6

光纖式傳感器應(yīng)用舉例9.6.1

光纖溫度傳感器9.6.2

光纖位移傳感器9.6.3

光纖流量、流速傳感器9.6.4

光纖磁傳感器9.6.5

醫(yī)用光纖傳感器9.6.6

分布式光纖傳感器√√第101頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.3

光纖流量、流速傳感器

1.光纖渦流流量計(jì)

原理如圖所示。采用一根橫貫液流管的大數(shù)值孔徑的多模光纖作為傳感元件。光纖受到液體渦流的作用而振動(dòng)，這種振動(dòng)與液體的流速有關(guān)。第102頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.3

光纖流量、流速傳感器

根據(jù)流體力學(xué)原理，由于光纖不是流線體，在一定條件下，在其下游會(huì)產(chǎn)生渦流。這種渦流是在光纖下游兩側(cè)產(chǎn)生的有規(guī)律的漩渦，稱為卡門“渦街”，由于漩渦列之間的相互作用，渦列一般不穩(wěn)定，但是實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)滿足h/l＝0.281時(shí)，渦列是穩(wěn)定的。第103頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.3

光纖流量、流速傳感器

當(dāng)每個(gè)漩渦產(chǎn)生并瀉下時(shí)，它會(huì)在光纖上產(chǎn)生一種側(cè)向力，這樣就有一個(gè)周期力作用在光纖上，使其振動(dòng)。野外的電線等在風(fēng)吹動(dòng)下會(huì)嗡嗡作響，就是這種現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明，光纖振動(dòng)的頻率由下式得出式中，u為流速；d為光纖直徑；s為斯特羅哈數(shù)(無量綱)，當(dāng)雷諾數(shù)在Re＝500～150000范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)圓柱體s≈0.2。第104頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.3

光纖流量、流速傳感器

當(dāng)光通過未受擾動(dòng)的光纖時(shí)，如果光纖直徑為200mm～300mm，在距離光纖端面約15～20cm的地方可以觀察到清晰而穩(wěn)定的斑圖，但它的分布是無規(guī)則的。當(dāng)光纖振動(dòng)時(shí)，這些斑圖就會(huì)不斷地振動(dòng)，如用光探測(cè)器接收斑圖的一個(gè)小區(qū)域，即可通過頻譜儀讀出光纖振動(dòng)的頻率。由式(8.23)算出流速，在管子尺寸一定的條件下，就可得出流量。第105頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.3

光纖流量、流速傳感器

這種流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且安全可靠，可用于易燃、易爆及有腐蝕性的液體測(cè)量。因?yàn)楣饫w直徑很細(xì)，對(duì)流體的流阻小，對(duì)流場(chǎng)幾乎沒有影響。不足之處是對(duì)低速流體不敏感。第106頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.3

光纖流量、流速傳感器

2.光纖多普勒血流傳感器

利用多普勒效應(yīng)可構(gòu)成光纖速度傳感器。由于光纖很細(xì)(外徑約幾十mm)，能裝在注射器針頭內(nèi)，插入血管中。又由于光纖速度傳感器沒有觸電的危險(xiǎn)，所以用于測(cè)量心臟內(nèi)的血流十分安全。第107頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.3

光纖流量、流速傳感器

圖示為光纖多普勒血流傳感器的原理圖。測(cè)量光束通過光纖探針進(jìn)到被測(cè)血流中，經(jīng)直徑約7mm的紅血球散射，一部分光按原路返回，得到多普勒頻移信號(hào)f＋Df，頻移Df為式中，u為血流速度；n為血液的折射率；q為光纖軸線與血管軸線的夾角；l為激光波長(zhǎng)。第108頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.3光纖流量、流速傳感器

另一束進(jìn)入驅(qū)動(dòng)頻率為f1＝40MHz的布喇格盒(頻移器)，得到頻率為f－f1的參考光信號(hào)。f1+Dff-f1

將參考光信號(hào)與多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行混頻，就得到要探測(cè)的信號(hào)。這種方法稱為光學(xué)外差法。f+Df第109頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.3

光纖流量、流速傳感器

經(jīng)光電二極管將混頻信號(hào)變換成光電流送入頻譜分析儀，得出對(duì)應(yīng)于血流速度的多普勒頻移譜(速度譜)，如右圖所示。f1+Dff-f1f+Df第110頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.3

光纖流量、流速傳感器

典型的光纖血流傳感器可在0～1000cm/s速度范圍內(nèi)使用，空間分辨率為100mm，時(shí)間分辨率為8ms。光纖血流傳感器的缺點(diǎn)是光纖插入血管中會(huì)干擾血液流動(dòng)，另外背向散射光非常微弱，在設(shè)計(jì)信號(hào)檢測(cè)電路時(shí)必須考慮。第111頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6

光纖式傳感器應(yīng)用舉例9.6.1

光纖溫度傳感器9.6.2

光纖位移傳感器9.6.3

光纖流量、流速傳感器9.6.4

光纖磁傳感器9.6.5

醫(yī)用光纖傳感器9.6.6

分布式光纖傳感器√√√第112頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.4

光纖磁傳感器

按工作原理可分為：①根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)直接實(shí)現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換，②根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)，利用力或其他物理量間接實(shí)現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換。

1.利用法拉第磁光效應(yīng)的光纖傳感器

利用法拉第磁光效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的方法很多，如強(qiáng)度調(diào)制方式，偏振光度測(cè)量方式和外差方式等，這里僅介紹偏振光度測(cè)量方式。第113頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.4

光纖磁傳感器

偏振光經(jīng)保偏光纖、自聚焦透鏡進(jìn)入法拉第磁光盒，經(jīng)多次反射后進(jìn)入渥拉斯登棱鏡，把偏振光變成振動(dòng)方向相互垂直的兩束光。第114頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.4

光纖磁傳感器

設(shè)無磁場(chǎng)時(shí)出射光的偏振軸與棱鏡的偏振軸夾角為45，這樣D1和D2光電管接收的光強(qiáng)為式中，q為偏振面的旋轉(zhuǎn)角度；I0為入射光強(qiáng)；I1、I2為兩偏振光的強(qiáng)度。第115頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.4

光纖磁傳感器

采用圖中的“加”、“減”和“除”法運(yùn)算后，其輸出通過測(cè)量P就能確定q，利用式(8.17)即可確定B。第116頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.4

光纖磁傳感器

2.利用磁致伸縮效應(yīng)的光纖傳感器

在磁場(chǎng)作用下，磁性物體的尺寸會(huì)發(fā)生改變，這種現(xiàn)象即為磁致伸縮效應(yīng)。光纖磁致伸縮效應(yīng)傳感器是在光纖上涂覆磁致伸縮性能良好的材料薄膜，或者將光纖緊繞在磁致伸縮材料芯棒上。在外磁場(chǎng)作用下，由于磁致伸縮效應(yīng)，纖芯長(zhǎng)度變化及纖芯折射率變化，都會(huì)導(dǎo)致光程的相應(yīng)變化。第117頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.4

光纖磁傳感器

圖示為結(jié)構(gòu)原理圖。其靈敏度與磁性體磁致伸縮效應(yīng)的強(qiáng)弱、膜厚度和膜長(zhǎng)度有關(guān)，主要取決于材料的磁致伸縮常數(shù)。第118頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6

光纖式傳感器應(yīng)用舉例9.6.1

光纖溫度傳感器9.6.2

光纖位移傳感器9.6.3

光纖流量、流速傳感器9.6.4

光纖磁傳感器9.6.5

醫(yī)用光纖傳感器9.6.6

分布式光纖傳感器√√√√第119頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.5

醫(yī)用光纖傳感器

在醫(yī)用領(lǐng)域，用來測(cè)量人體和生物體內(nèi)部醫(yī)學(xué)參量的光纖傳感器越來越引起有關(guān)方面的關(guān)注和興趣。醫(yī)用光纖傳感器體積小、電絕緣和抗電磁性能好，特別適于身體的內(nèi)部檢測(cè)。可以用來測(cè)量體溫、體壓、血流量、pH值等醫(yī)學(xué)參量。光纖多普勒血流傳感器已用于薄壁血管、小直徑血管、蛙的蛛網(wǎng)狀組織，老鼠的視網(wǎng)膜皮層的血流測(cè)量等。第120頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.5

醫(yī)用光纖傳感器

1.醫(yī)用內(nèi)窺鏡

由于光纖柔軟、自由度大、傳輸圖像失真小，引入醫(yī)用內(nèi)窺鏡后，可以方便的檢查人體的許多部位。上圖為腹腔鏡的剖視圖。圖像導(dǎo)管直徑約3.4mm。下圖為觀察部位的照片。第121頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.5

醫(yī)用光纖傳感器

2.光纖體壓計(jì)

可用來檢測(cè)人體各部位的體壓，如膀胱、直腸、顱內(nèi)和心血管等，測(cè)量范圍通常為0～40kPa。

圖所為一種醫(yī)用體壓計(jì)探針的結(jié)構(gòu)示意圖，在探針端部的開孔上安裝有對(duì)壓力敏感的防水薄膜。膜片通過懸臂梁與反射鏡相連。

第122頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6

光纖式傳感器應(yīng)用舉例9.6.1

光纖溫度傳感器9.6.2

光纖位移傳感器9.6.3

光纖流量、流速傳感器9.6.4

光纖磁傳感器9.6.5

醫(yī)用光纖傳感器9.6.6

分布式光纖傳感器√√√√√第123頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.4.6

分布式光纖傳感器

分布式傳感器是指能同時(shí)測(cè)量空間多個(gè)點(diǎn)甚至空間連續(xù)分布的環(huán)境參數(shù)的傳感器。

利用光纖本身特征的功能型光纖可構(gòu)成性能優(yōu)良的分布式光纖傳感器，特別適于需要同時(shí)監(jiān)測(cè)在光纖通過的路途上大量位置處連續(xù)變化的物理量，如建筑物、橋梁、水壩、儲(chǔ)油罐等大型結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的檢測(cè)，石油鉆井平臺(tái)、飛機(jī)、航天器、電力變壓器、發(fā)電機(jī)組、反應(yīng)堆等場(chǎng)合應(yīng)力和溫度分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。第124頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.6

分布式光纖傳感器

根據(jù)不同的原理，可構(gòu)成不同的分布式光纖傳感器，如利用后向瑞利散射的、利用喇曼效應(yīng)的、利用布里淵效應(yīng)的和利用前向傳輸模耦合的分布式光纖傳感技術(shù)等。

分布式光纖傳感技術(shù)具有同時(shí)獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間和空間變化的被測(cè)量分布信息的能力，其基本特征為第125頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.6

分布式光纖傳感器

①分布式光纖傳感系統(tǒng)中的傳感元件僅為光纖；

②一次測(cè)量就可獲取整個(gè)光纖區(qū)域內(nèi)被測(cè)量的一維分布圖，將光纖架設(shè)成光柵狀，就可測(cè)定被測(cè)量的二維和三維分布情況；

③系統(tǒng)的空間分辨力一般在米的量級(jí)，因而對(duì)被測(cè)量在更窄范圍的變化一般只能觀測(cè)其平均值；第126頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.6

分布式光纖傳感器

④系統(tǒng)的測(cè)量精度與空間分辨力一般存在相互制約關(guān)系；

⑤檢測(cè)信號(hào)一般較微弱，因而要求信號(hào)處理系統(tǒng)具有較高的信噪比；

⑥由于在檢測(cè)過程中需要進(jìn)行大量的信號(hào)加法平均、頻率的掃描、相位的跟蹤等處理，因而實(shí)現(xiàn)一次完整的測(cè)量需較長(zhǎng)的時(shí)間。第127頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.6

分布式光纖傳感器

瑞利散射是入射光與介質(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈性碰撞所引起的，散射光的頻率與入射光的頻率相同。光脈沖在光纖中傳播時(shí)，由于瑞利散射而發(fā)生能量損耗，通過檢測(cè)后向散射光的強(qiáng)度，就可獲得衰減程度沿光纖的分布狀況，這是一種最簡(jiǎn)單的分布式傳感器，也是光纖通信中查找光纜故障和缺陷定位的一種診斷技術(shù)。第128頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.6

分布式光纖傳感器

在利用后向瑞利散射的光纖傳感技術(shù)中，一般采用光時(shí)域反射(OTDR)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的空間定位。依據(jù)瑞利散射光在光纖中受到的調(diào)制作用，該傳感技術(shù)可分為強(qiáng)度調(diào)制型和偏振態(tài)調(diào)制型。第129頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.6

分布式光纖傳感器

OTDR原理如圖所示。根據(jù)后向散射功率的對(duì)數(shù)斜率ai是否變化，可知道光纖內(nèi)是否存在故障點(diǎn)。觀測(cè)后向散射脈沖的到達(dá)時(shí)間t，便可測(cè)得故障點(diǎn)的位置z。第130頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.6

分布式光纖傳感器

式中，c為真空中光速；n為纖芯折射率。

OTDR的空間分辨率，即可分辨的兩個(gè)故障點(diǎn)的最小距離，是由脈沖寬度t決定的，可表示為

一般情況下，OTDR反射信號(hào)很弱，要獲得高信噪比，常常需要對(duì)多個(gè)探測(cè)脈沖求平均。第131頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.6

分布式光纖傳感器

利用適當(dāng)?shù)墓饫w結(jié)構(gòu)，使損耗系數(shù)ai與環(huán)境的某個(gè)物理量有關(guān)，則可對(duì)其進(jìn)行分布式測(cè)量。例如：①外界壓力或變形使光纖產(chǎn)生的微彎損耗；②在光纖中摻雜稀土離子后，衰減與環(huán)境溫度有關(guān)；③利用保偏光纖，當(dāng)環(huán)境使光纖產(chǎn)生應(yīng)力，將導(dǎo)致光信號(hào)的偏振狀態(tài)發(fā)生變化；④利用克爾效應(yīng)或法拉第磁光效應(yīng)，通過監(jiān)測(cè)偏振狀態(tài)來測(cè)量電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布。第132頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6

光纖式傳感器應(yīng)用舉例9.6.1

光纖溫度傳感器9.6.2

光纖位移傳感器9.6.3

光纖流量、流速傳感器9.6.4

光纖磁傳感器9.6.5

醫(yī)用光纖傳感器9.6.6

分布式光纖傳感器√√√√√√第133頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6

光纖式傳感器應(yīng)用舉例9.6.7

工業(yè)用內(nèi)窺鏡9.6.8

光纖加速度傳感器9.6.9

光纖光柵傳感器9.6.10

光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用9.6.11

光纖納米生物傳感器9.6.12

光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展第134頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.7

工業(yè)用內(nèi)窺鏡

在工業(yè)生產(chǎn)的某些過程中，經(jīng)常需要檢查某些系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況，而這些系統(tǒng)由于種種原因不能打開或靠近觀察，采用光纖圖像傳感器可解決這一難題。第135頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6

光纖式傳感器應(yīng)用舉例9.6.7

工業(yè)用內(nèi)窺鏡9.6.8

光纖加速度傳感器9.6.9

光纖光柵傳感器9.6.10

光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用9.6.11

光纖納米生物傳感器9.6.12

光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展√第136頁(yè)，課件共151頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.6.9