二光纤传感器原理.ppt

二.光纤传感器原理光源本讲提要光纤对许多外界参数有一定的效应，研究光纤传感原理就是研究如何应用光纤的这些效应，实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能，这是光纤传感器的核心，也是光纤传感器系统和光纤通信系统的主要区别。光纤传感器的调制区可能是光纤本身（内部调制），也可能是其他材料制成的敏感元件（外部调制），单就调制原理而言，仅研究外界因素引起光的性质的变化，不论是内部调制还是外部调制都是一样的。一.强度调制----光纤传感器最早使用的调制方法光纤强度调制传感器的原理图特点构成传感器探头的物理机理若输入输出为同一种单模光纤，S0为光纤中的光斑尺寸，则径向位移d与功率耦合系数T的关系为高斯型曲线，存在下列关系：
特点（二）光闸调制特点（三）反射式强度调制特点（四）利用光纤微弯产生的损耗进行调制特点空间周期
选取适当的空间周期，使得它与光纤中适当选择的两个模式的传播常数差相匹配。则光纤中光功率的分布随着这个空间感应耦合而变，原来在纤芯中传播的某些光转移到包层中。
相位匹配条件

和’为引起耦合的两个模式的传输常数。相邻的两个模式，其传输常数差为

梯度折射率光纤α=2
特点（五）利用折射率的变化进行调制

特点：
在光纤的纤芯折射率不变的情况下，通过外界因素的改变引起光纤包层折射率的大小发生变化，从而使得其中传输光的强度发生变化。典型图
（六）利用光纤的吸收特性进行调制
利用射线的辐射使光纤的吸收损耗增加，光纤的输出功率降低，从而构成强度调制的测量辐射量的传感器。特点其它强度调制方法

利用光纤模斑斑图的强度随外界参数影响的变化，来测量待测物理量。
........二.波长调制---颜色调制特点典型应用三．频率调制特点多普勒效应光纤多普勒系统典型应用四．相位调制特点相位调制器是基于干涉测量原理构成相位调制传感器传感探头的几种物理机理当光波通过长度为L的光纤后，引起的光波相位延迟为

光波在光纤中的传播常数。
当光纤长度或传播速度发生变化时，引起的光波相位变化为

a为光纤的纤芯半径
第一项：光纤的长度变化引起的相位延迟（应变效应）
第二项：光纤的感应折射率变化引起的相位延迟（光弹效应）
第三项：光纤的纤芯直径变化引起的相位延迟（泊松效应）纵向应变的相位调制----应变效应
温度应变效应
将光纤放置在变化的温度场中，设温度场的变化等效为作用力F时，则力的存在将影响光纤的长度以及光纤的纤芯折射率将发生变化，从而产生光波相位的变化。
由作用力F所引起的光纤中的相位延迟为：

温度变化引起相位延迟

光纤的长度变化引起相位延迟

光纤的纤芯折射率变化引起相位延迟几种典型的光纤干涉仪原理：
根据双光束相干原理，两个光探测器接收到的光强分别为：
2.萨格纳克光纤干涉仪
结构：原理：
当闭合光路相对惯性空间以转速Ω转动时，顺、逆时针传播的光将产生一个非互易性的光程差，由于光程差又引入了两相反传播的光波之间的时间差，进一步引入相位延迟。
3.F-P光纤干涉仪
结构：光程分别为：d,3d,5d……
由于光程差引入了光波之间的时间差，进一步引入相位延迟。各光束相干叠加，由光强的变化可以得出外界参量的变化。

典型应用：
应力传感器，位移传感器等。4.迈克尔逊干涉仪
结构：

光束被3dB耦合器分成两路入射到光纤，然后，光从末端反射回来并经过耦合器输出到探测器。
S(t)为外界信号，它引起两臂的光程差，通过探测器对信号光强的检测，可以获得外界参量的大小。干涉仪的分类五．偏振态调制光的偏振光的偏振理想圆对称光纤中，完全简并，x=y，两个模式的存在，对单模光纤的传输性质及模式的偏振态没有影响。

光纤中的双折射调制方法

光纤电流传感器示意图

长直导线上扰有N圈光纤，I为导线中通过的电流
θ=VdNI2.克尔电光效应

定义：当线偏振光沿着与电场垂直的方向通过克尔盒（克尔盒：在外电场作用下，物质产生双折射现象）时，分成光矢量沿着电场方向的O光矢量，和光矢量垂直电场方向的e光矢量，且

克尔常数
外电场强度光程差为：

相位差为：

出射光波的光强为：

由光强的变化可以测得外界参量的大小。
主要应用：光纤电压传感器3.光弹效应
定义：当物质的某个方向存在压力或张力时，则物质在该方向上的折射率和其它方向的折射率不同，设该方向上的偏振光的折射率为ne,与之垂直方向上的偏振光的折射率为no，则：

Δn=no-ne=kP

K为物质的压强光学系数，P为外加压强。
同理，由折射率的变化可以获得光程差，相位差，最终获得出射光波的光强，由光强的变化可以测得外界参量的大小。
主要应用：光纤压力、声音、震动、位移等传感器六.时分调制分布式传感分布式光纤传感技术的特点
①分布式光纤传感系统中的