进修情境三：频率调制型光纤传感器及其应用.ppt

光纤光缆制备一、学习目标★掌握频率调制机理的原理★掌握光纤多普勒技术★了解光纤多普勒系统的局限性★了解多普勒效应光纤振动传感器★掌握频率调制的应用二、学习内容3.1频率调制机理的原理 采用频率调制技术可以对有限的几个物理量进行测量。它主要是利用运动物体发射或散射光的多普勒频移效应来检测其运动速度。当然，频率调制还有一些其它方法，如某些材料的吸收和荧光现象随外界参量也发生频率变化，以及量子相互作用产生的布里渊和拉曼散射也是一种频率调制现象。本节主要讨论光纤多普勒传感器调制机理。当光源和观察者做相对运动时，观察者接收到的光频率和光源发射的频率不同，这种现象称为多普勒效应。设光源和观察者处于同一位置。如果频率为的f光照射在相对光速度为的运动物体上，那么观察者接收的运动物体反射光频率f1为（3-2）根据上述两式，并考虑实际上V≤C,可近似把双重多普勒频率方程表示为多普勒效应广泛应用于雷达、气象、光学、声学以及核物理学等领域，大多数用于测量物体运动速度，液体的流量、流速等。光学多普勒位移检测方法，具有高的测量灵敏度。例如，用He-Ne激光器作光源，运动速度为1m/s的频移达1.6MHz，可测速度范围为1um/s～100m/s。根据多普勒频率原理，采用激光作为光源的测量技术是研究流体流动的有效手段。它的主要特点是空间分配率高，光束不干扰流动性，并具有跟踪快速变化的能力。在许多特殊场合下，例如在测量密封容器中的流体速度和生物系统之血流速时，不能按照普通的多普勒装置，必须采用光纤组成的具有微型探头的测量系统。光纤传感器及应用激光通过偏振分束器和输入光学装置射入多模光纤，光纤的另一端插入流体中以便测量流体或其中粒子运动速度。光在流体中散射，其中一部分散射光被光纤收集，沿光纤返回。散射光是随机偏振光，因此返回光有一部分被偏振分束器反射到光探测器。光频差必须通过两个光波的干涉才能进行测量，所以对返回光束要有一个参考光束，且参考光束必须从相对被测的移动物质为静止的点获得。在图3-2中，满足这个要求的点只有光纤的A端面，因此参考光束通常是取自该端面的反射波。在A面反射的参考光大小取决于光纤和流体媒质的折射率之差,而且总是小于玻璃和空气界面全反射所得到的功率（反射与入射功率比为4%）。这意味着参考信号的强度还是足够的。系统的杂散反射主要发生在光纤的输入端面B。由于在输入端使用了偏振激光源，并把这个偏振与偏振分束器的方向严格校准，这样B面得入射光偏振态将是被精确限定的。因此，B面产生的反射光将直接返回到激光器，而不会进入光探测器影响参考光与信号光的干涉。B面反射到光源的光，对Hz-Ne激光器基本没什么影响，而对半导体激光器的工作影响比较大。此外，多模光纤在几厘米距离内就会把输入光消去偏振，光纤的任何返回信号，包括光纤中的背向散射和端面A处的反射，都是非偏振光。因此，运动物质的背向散射光和A端面的反射参考光通过偏振分束器只有一部分到达光探测器。为了消除透镜等光学元件产生的双折射和偏振分束器不完善的影响，系统又设置了附加偏振矫正器。从以上分析可知，实现系统正常工作的主要问题是：保证系统A面的反射参考信号功率足够大；传感信号与其它杂散反射的干涉要小。因此，保证系统中光学元件的偏振性能是非常重要的。有时杂散反射在强度上甚至超过表征被测物体
速度的传感信号，产生附加的干涉输出。然而，运
动体与A面相对速度和运动体与B面的相对速度有很
大的差别。前者是由物体运动引起，后者主要是由
热变化引起的，因此在检测端用频率滤波方法就能
把两者分开。
现在来讨论一下检查信号的光功率计算方法。流体
中运动体的返回信号大小取决于背向散射光强、媒
质衰减和光纤接收面积及数值孔径，其物理过程可
由图3-3说明。光纤传感器及应用媒质衰减决定散射和吸收两个因素。假如光纤为阶跃型的，且在光纤发射的光锥体内功率密度为均匀分布。这样，在距光纤端面z处的平面所得到的功率为式中，as是散射衰减系数，P散以4π立体角向四处散射。从这个散射平面返回耦合进光纤的功率可以这样来估算，即把该散射面看作朗伯光源，因此两者的耦合系数为注意到散射源面积是；a是纤芯半径，所以返回进入光纤的总功率pr为式中x是对式(3-10)进行适当代换引入的，在NA值较小条件下，所以有式中，；函数，由图3—17曲线给定，其中图3.4函数F(L)曲线这相当于最大允许耦合损失为128dB。由于上述讨论中，忽略了偏振器损失、反射损失及非校准等损失，所以最大允许耦合还应加上一个20dB的安全系数。对单模光纤系统，安全系数还要大一些。一般系统特性应保证Pr/P0>4*10-11。若光纤芯径a=50um，对空气的NA=0.15，相当于水的NA=0.0113，并假设全部衰减是由散射引起的，即R=1，则有Pr/P0=0.0064F（L）。这表明F（L