自动检测技术教学课件作者刘丽红第10章节光纤传感器课件幻灯片.pptVIP

第十章 光纤传感器 本章主要内容: 1、光纤的导波原理 2、光调制技术 3、光纤传感器的应用 需要掌握的知识: 1、理解光纤的导波原理 2、掌握光调制技术及光纤传感器的应用 光纤传感器是70年代末期迅速发展起来的一种新型传感器。 具有灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可挠性、以及可实现不带电的全光型探头等独特的优点。 它可用于位移、速度、加速度、转角、压力、温度、液位、流量、水声、浊度、电流、磁场、电压等物理量的测量。还用于气体(尤其是可燃性气体)浓度等化学量的检测。它在生物医学领域中也有广阔的应用前景。 分功能型和非功能型两类。 功能型利用光纤本身感受被测量变化而改变传输光的特性（光强、相位、偏振态、波长）；光纤既是传光元件，又是敏感元件；也称传感型光纤传感器。 非功能型是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光信号的传输介质，也称为传光型光纤传感器。 10.1 光纤的导波原理 光纤是一种工作在光频的圆柱形介质波导。其中心部分是由折射率为 的 介质制作的纤芯， 纤芯周围包封一层折射率 较低的石英玻璃（或塑料）包层（ ）。 阶跃折射率光纤中子午光线的传播 光纤 阶跃折射率光纤 梯度折射率光纤 多模光纤:传输多于一个模式的光波 单模光纤:纤芯中仅能传输一个基模模式的光波 单模光纤:纤芯中仅能传输一个基模模式的光波 多模光纤:传输多于一个模式的光波 根据斯涅尔（Snell）定律，能使子午光线发生全反射的最小角度 为: 引入光纤的数值孔径NA，并考虑到 =1，则上式可以写成： 由于 故： 式中 ，称相对折射率差。 数值孔径NA是表征光纤集光能力，以及计算光源至光纤的光功率耦合效率的基本参量。 在一定条件下， NA值大，则由光源输入光纤的光功率大；反之则小。 数值孔径NA是一个比1小的无量纲量，其数值通常在0.14～0.50之间。 光波在光纤中的传播实质上是电磁波在介质波导中的传播 如果电磁波是沿 轴传播的，则： 为自由空间的波数量，等于 （ 为自由空间的光波长）。 设以上方程的波函数为以下形式： 边界条件为，在r=0时，波函数为有限值；在 时，波函 数为零。 从而可得场函数的轴向分量为：在纤芯内 为振动波， 用第一类贝尔塞尔函数表示，其幅值为 在包层内 ，用第二类贝塞尔函数表示，即 令 由上列诸式可得： 是一个无量纲数，它是确定在光纤芯部沿轴线z方向传播 光波模式数量的参数。 纤芯中沿轴线方向传播的这些波型，正是在纤芯内波动方程独立的离散解，称这些解为场模。 基模- 只能传播基模而其它高次模都被截止掉的光纤称单模光纤 能传播多种模式的光纤称为多模光纤。 多模光纤中传播的模式数目，随着 值的增加而增多，其上限总数约为 /2（阶跃光纤）。 光纤除了传播一定数量的传导模以外，还有许多幅射模。这些幅射模没有被封闭在纤芯中受到光纤的导引。幅射场基本上是由光纤接受角以外而被折射到纤芯外面的光幅射产生的。 在单模光纤中，光场偏振问题突出。给传感器的应用造成严重问题 。 现在已研制出单模保偏光纤。 保偏光纤有两类：低双折射 率光纤和高双折射率光纤。 10.2 光调制技术 光调制技术在光纤传感器中非常重要，各种光纤传感器都不同程度利用了光调制技术。 分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等。 调制器即为将携带信息的信号叠加到载波光波上的器件。 调制器能使载波光波参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的强度（幅值）、相位、频率、偏振、波长等。 被信息调制的光波在光纤中传输，然后再由光探测系统解调，将原信号恢复。 以相位调制为例介绍光调制技术 相位调制与干涉测量 相位调制的光传感器，其基本原理是通过被测物理量的作 用，使某段单模光纤内传播的光波发生相位变化，再用干涉技 术把相位变化变换为振幅变化，从而还原所检测的物理量。 在光波的干涉测量中，参与工作的光波是两束或多束相 干光。干涉场中各点的光强可表示为 —相位调制造成的两相干光之间的相位差 如果检测到干涉光强的变化就可以确定两光束间相位的 变化，从而得到待测物理量的数值大小。 通常采用的干涉仪主要有四种：迈克尔逊干涉仪、马赫泽德干涉仪、塞格纳克干涉仪和法布里—伯罗干涉仪。 迈克尔逊干涉仪 马赫泽德干涉仪 塞格纳克干涉仪 法布罗.伯罗干涉仪 当一真空中波长为 的光入射到长度 为的光纤时，若以其入射端面为基准，则出射光的相位为