第九章 第2节 光纤传感原理与技术PPT.ppt

第九章新型敏感材料及器件第2节 光纤传感原理与技术 1、强度调制型光纤传感器技术 1.1 反射式强度调制 光纤传感原理与技术 1、强度调制型光纤传感器技术 1.2 透射式强度调制 位移x （D为芯径） -0.9D -0.5D 0 0.5D 0.9D 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 输出光强相对变化值 发射光纤 接收光纤 可移动遮光镜 ? 图4?6 带有遮光屏和透镜的透射式光强调制结构 发射光纤 接收光纤 可移动遮光镜 图4?7 带有遮光屏的透射式光强调制结构 光纤传感原理与技术 1、强度调制型光纤传感器技术 1.3 光模式强度调制 多模光纤 光输入 光输出 变形器 L 光纤由变形器引起微弯变形时，有些导波模变成了辐射模，纤芯中的光有一部分逸出到包层，从而引起损耗。若采取适当的方式探测光强的变化，则可知道位移变化量，据此可以制作出温度、振动、位移、应变等光纤传感器。 光纤传感原理与技术 1、强度调制型光纤传感器技术 1.4 折射率强度调制 （1）光纤折射率变化型 一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同。在温度恒定时，包层折射率与纤芯折射率之间的差值是恒定的。当温度变化时，两者之间的差发生变化。选择具有不同折射率温度系数的材料做纤芯和包层，如图所示。 包层折射率 纤芯折射率 光纤传感原理与技术 1、强度调制型光纤传感器技术 1.4 折射率强度调制 （2）倏逝场 当光在一界面产生全反射时，在光疏介质中仍存在电磁场，其强度按指数规律迅速衰减，透射深度一般约为几个波长，因此被称为倏逝场。倏逝场型光纤传感器也可分为功能型和非功能型两类。非功能型一般使用棱镜作为传感元件。 这种传感原理可以用于纳米级别的位移测量和光谱分析，以及高灵敏度的水声或液位传感器等。 光纤传感原理与技术 2、相位调制型光纤传感器技术 相位调制型光纤传感器的基本传感机理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再利用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。 光纤中光波的相位，一方面由光纤的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定。一般来说，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数，从而产生相位变化，实现光波的相位调制。另一方面也可以由Sagnac效应产生。 光纤传感原理与技术 2、相位调制型光纤传感器技术 2.1 光纤相位调制的普通干涉测量 （1）光相干条件 两列光波叠加在一起能产生干涉现象，但并非任意两列光波相遇都能产生干涉现象。 必要条件：频率相同的两光波在相遇点有相同的振动方向和固定的相位差。 补充条件：A-两光波在相遇点所产生的振动的振幅相差不悬殊。 B-两束光波在相遇点的光程差不能太大。 光纤传感原理与技术 2.2 四种常见的光纤干涉仪 （1）迈克尔逊(Michelson)光纤干涉仪(Fiber Interferometer) LD 光探测器 可移动 反射镜 固定反射镜 分光镜 光探测器 LD 固定反射镜 可动端S(t) 3dB 光纤干涉仪与普通的光学干涉仪相比，优点在于： （1）容易准直； （2）可以通过增加光纤长度来增加光程，以提高干涉仪的灵敏度； （3）封闭式的光路，不受外界干扰； （4）测量的动态范围大。 光纤传感原理与技术 2.2 四种常见的光纤干涉仪 （2）马赫?曾德(Mach?Zehnder)光纤干涉仪(Fiber Interferometer) 光纤干涉仪与普通的光学干涉仪相比，优点在于： （1）容易准直； （2）可以通过增加光纤长度来增加光程，以提高干涉仪的灵敏度； （3）封闭式的光路，不受外界干扰； （4）测量的动态范围大。 LD 光探测器 可移动 反射镜 固定 反射镜 分光镜1 分光镜2 图4?20马赫—曾德干涉仪原理图 LD S(t) 信号处理 PD1 PD2 DC1 DC2 光纤传感原理与技术 2.2 四种常见的光纤干涉仪 （3）萨格纳克(Sagnac)光纤干涉仪(Fiber Interferometer) 2 1 光纤耦合器 光纤陀螺仪是近20年来发展起来的一门新技术，除了在航空航天技术中用于导航、制导、定位外，也可用于石油钻井中跟踪钻头位置、机器人控制、汽车以及在其他测量角度的系统中应用。与传统的机电陀螺相比，光纤陀螺具有启动快、体积小、成本低等优点，因此它更具有竞争力。 光纤传感原理与技术 2.2 四种常见的光纤干涉仪 （4）法布里?珀罗（Fabry?Perot）光纤干涉仪 (c) 光纤传感原理与技术 3、偏振调制型光纤传感器技术 当线偏振光沿磁场方向通过