第4章 光纤传感器1.pptVIP

一个结构更为简单的暗视场微弯传感器如图所示。其检测光纤直接耦合到传输光纤包层的外表面。这种结构的传感器便于组成直线阵列,并可使用许多不同的多路复用方案,实现远距离的传输。 * 4.3 干涉型光纤传感器 4.3.1 基本原理 干涉型光纤传感器的基本换能机理是:在一段单模光纤中传输的相干光,因待测能量场的作用,而产生相位调制。 * 干涉型光纤传感器 迈克尔逊(Michelson) 马赫-泽德(Mach―Zehnder) 萨格奈克(Sagnac) 法布里―珀罗(Fabry―Perol) 1.迈克尔逊(Michelson)干涉仪 * 采用这种技术在He―Ne激光器的红光情况下,它可以检测平面镜小到10-7μm,即0.63×10-13m的位移。迈克尔逊因发明干涉仪和光速的测量而获得1907年诺贝尔物理学奖金。 2. 马赫―泽德(Mach―Zehnder)干涉仪 这种结构也可用于检测可动平面镜小到10-13m的位移。与迈克尔逊干涉仪相比,它的优点是:只有少量的或者没有光直接返回激光器，灵敏度增加一倍。 * 3. 萨格奈克(Sagnac)干涉仪 若某块平面镜沿着与反射面垂直的方向移动, 两个光程的长度改变同样的数量。 若固定该干涉仪的台子绕着垂直于光束平面的轴作顺时针旋转,那么沿顺时针方向传输的光束追赶同一方向运动的终端,而逆时针传输的光束则迎头撞向反方向运动的终端,因此,顺时针方向的光束就滞后于逆时针方向的光束。 * 顺、反两光束之间的光程差为： ? 若由光检测器测得ΔL,则求得干涉仪的相对惯性空间的转动角速度。可见,萨格奈克干涉仪可用作灵敏的旋转检测器，可以用于惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺。 * 光路系统围成的面积 光速 旋转的角速度 4. 法布里―珀罗(Fabry―Perol)干涉仪 ? 法布里―珀罗干涉仪是由两块平行的部分透射平面镜组成的。这两块平面镜的反射率(反射系数)通常是非常大的,一般大于或等于95%。假定反射率为95%,那么在任何情况下,激光器输出光的95%将朝着激光器反射回来,余下的5%的光将透过平面镜而进入干涉仪的谐振腔内。 * 5.干涉仪的灵敏度（ Michelson 、 Mach―Zehnder 、 Sagnac ） ? 用矢量E1和E2表示干涉仪两臂上的电场,光强度与矢量和的平方E2成正比,有 * 其中： 传播常数 5.干涉仪的灵敏度（ Fabry―Perol ） 法布里―珀罗干涉仪相应的有一系列电场矢量,在原理上它们的数量是无限的,每个后续电场矢量都按Ｒ2递减。当反射镜间的距离为半波长的某一整数倍时, 输出强度达到最大值。当反射镜间的距离稍稍增加时,每一个后续矢量都相对于前一个矢量位移相同的角度，无限地把矢量相加, 光检测器探测到的光强为 * 光透射率 反射镜反射率 相邻光束间的相位差 精细度 当θ=0,2π,4π…时,干涉光强有最大值;当θ=π,3π,5π…时干涉光强有最小值。注意到 * 反射率越大,干涉光强变化越明显,分辨率越高。I是一个在θ=0，2π，4π…等处具有最大值的陡峭的多峰函数 。法布里―珀罗干涉仪是一种极灵敏的位置和长度测量装置。 * 4.3.2 光纤干涉仪 上面介绍的几种干涉仪共同之处:由空气光路和多个光学器件组成；光源的输出光束均被分成两束或两束以上的光沿不同光路传输。这些干涉仪有极高灵敏度,还具有非常大的动态范围,可用于检测位移,还可用于测量应变和应力。 * 如果把集成电路技术和目前的电光技术能力结合起来,则可以把其他所有元件(包括激光器、检测器和信号处理器等)组装在一小块与光纤可以对接、耦合简单的小型集成片上。 四种不同类型的“全光纤”干涉仪结构： * * * 光纤耦合器是使光信号能量实现分路/合路的器件。光纤耦合有光纤强耦合和弱耦合。光纤强耦合是由于纤芯间形成直通,传输模直接进入耦合臂。光纤弱耦合是由于光纤的弯曲和锥状,纤芯中的部分传导模变为包层模,再由包层进入耦合臂中的纤芯,形成传导模。 * 耦合器常用的三种结构： 腐蚀光纤耦合器 (a)剥离护套扭绞;(b)腐蚀;(c)固化 特例：发射、接收各300根光纤组成0.762mm的光缆。内芯折射率为1.62的火石玻璃,包层折射率为1.52的玻璃。光缆的后部分一支用于发射光一支用于接收光。光源是2.5V的白炽灯泡,接收光信号的敏感元件是光电池。光敏检测器输出与接收到的光强