第9章光纤传感器.ppt

第9章光纤传感器
2．按折射率分类
分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤，如图所示。在纤芯和包层的界面上，纤芯的折射率不随半径而变,但在纤芯与包层界面处折射率有突变的称为阶跃型；而光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至
b
b
b
b
b
偏振调制光纤温度传感器
法拉第效应
泡克尔斯效应
双折射变化
光弹效应
电流、磁场
电场、电压、
温度
振动、压力、加速度、位移
SM
MM
SM
MM
b,a
b
b
b
频率调制光纤温度传感器
多普勒效应
受激喇曼散射
光致发光
速度、流速、振动、加速度
气体浓度
温度
MM
MM
MM
c
b
b
注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型
光纤传感器的分类
光调制技术
调制技术是指在时域上用被测信号对一个高频信号(如光纤传感器中的光信号)的某特征参量(幅值、频率或相位等)进行控制，使该特征参量随着被测信号的变化而变化。这样，原来的被测信号就被这个受控制的高频振荡信号所携带。一般将控制高频信号的被测信号称为调制信号；载送被测信号的高频信号称为载波；经过调制后的高频振荡信号称为已调制波。
按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制和波长调制等。所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到载波——光波上。而能完成这一过程的器件称为调制器。调制器能使载波光波参数随外信号变化而改变，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。

是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。
优点：结构简单、容易实现，成本低。
缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。
强度调制型示例： 膜片反射式光纤压力传感器
光源
接收
Y形光纤束
壳体
P
弹性膜片
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。
强度调制型示例：微弯光纤压力传感器
D
S
F
F
变形器
光纤
d
光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，原来光束以大于临界角θC的角度θ1在纤芯内传输为全反射
但在微弯处θ2<θ1，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移等物理量。
2．相位调制与干涉测量
相位调制型光纤传感器的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播系数发生变化，而导致光的相位变化，然后用干涉仪把相位变化变换为振幅变化，从而还原所检测的物理量。因此，相位调制与干涉测量技术并用，构成相位调制的干涉型光纤传感器。
根据光波的干涉测量基本知识，两束相干光(信号光束和参考光束)同时照射在一光电探测器上，若光振幅分别为E1和E2，如果其中一光束的相位由于某种因素影响或调制，在干涉场中就会引起干涉条纹强度的变化。干涉场中各点的光强数学表达式为
式中： 为相位调制造成的两相干光之间的相位差。
可见，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。
实现干涉测量的仪器称为干涉仪。常用的干涉仪主要有4种：迈克尔逊干涉仪、赛格纳克干涉仪、马赫-泽德干涉仪和法布里-珀***涉仪，如图所示。
(a) 迈克尔逊干涉仪
(b) 赛格纳克干涉仪
(c) 马赫泽-德干涉仪
(d) 法布里-珀***涉仪
光学干涉仪的共同特点就是它们的相干光在空气中传播，由于空气受环境温度变化的影响，引起空气的折射振动及声波干扰。这种影响都会导致空气光程的变化从而引起干涉测量工作的不稳定，使精度降低。而光纤干涉仪利用单模光纤作干涉仪的光路，就可以排除上述影响，并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制，从而可以制造出千米量级光路长度的光纤干涉仪，这种干涉仪成为相位调制型光纤传感器的一个重要组成部分。
以迈克尔逊干涉仪为例，当被测量发生变化时，