第十讲光纤传感器.ppt

第十讲光纤传感器
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光导纤维传感器（简称光纤传感器）
是20世纪七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。
与其它传感器相比较，光纤传感器有如下对光强度进行调制，光电接收器接收到强度变化的光信号，最后解调出被测量的变化。
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输出ID
入射光
强度调制
ID
t
t
光源
出射光
IS
信号
光探测器
图4 强度调制原理
IO
t
Ii
t
光纤传感器的调制形式
强度调制
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偏振调制
1. 普克耳（Pockels）效应
当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高压，晶体将呈现双折射现象，这种现象称为普克耳效应。
在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为：
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图5 普克耳效应
入射光
正常光
异常光
压电晶体
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2. 法拉第磁光效应
平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转，这种现象称为法拉第磁光效应。
光矢量旋转角 :
式中 V——正常光折射率；
L——物质中的光程；
H——磁场强度。
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图6 法拉第磁光效应
磁场
偏振光片
磁光材料
L
θ
检偏片
光源
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3. 光弹效应
在垂直于光波传播方向施加压力，材料将会产生双折射现象，其强弱正比于应力。这种现象称为光弹效应。
偏振光的相位变化为
式中 k——物质光弹性系数；
P——施加在物体上的压强；
l——光波通过的材料长度。
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图7 光弹效应实验装置
应变材料
F
检偏器
光源
F
起偏器
补偿器
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频率调制
主要利用光学多普勒效应实现频率调制，如图。观察者在O处观察到的频率为fs。根据多普勒原理可得
v
P
L
O
θ1
Θ2
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相位调制
相位调制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常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。
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光信号相位的变化Δ 与温度变化ΔT的关系为
——线膨胀系数；
l——光纤的长度；
n/T——折射率温度系数；
n——纤芯平均折射率；
0——自由空间光波长；
/ε——传播常数与纤芯半径的变化率。
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波长调制
波长调制是利用被测量改变光纤中光的波长，再通过检测光波长的变化来测量各种被测量。波长调制的优点是它对引起光纤或连接器的某些器件的稳定性不敏感，因此被广泛应用于液体浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析及法布里-珀罗等光学滤波器上。其缺点是解调技术较复杂。但采用光学滤波或双波长检测技术后，可使解调技术简化。
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光纤传感器的应用
光纤温度开关
1
2
3
4
图9 水银柱式光纤温度开关
1 浸液；2 自聚焦透镜；3 光纤；4 水银
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图10 热双金属式光纤温度开关
1 遮光板； 2 双金属片
接收
光源
1
2
例2 遮光式光纤温度计
当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。
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例3 透射型半导体光纤温度传感器
半导体的吸收光谱与材料的Eg有关，而Eg却随温度的不同而不同。Eg与温度t的关系可表示为：
半导体材料的Eg随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波长λg随温度的上升而增大。
过量增益(EG)
　　过量增益（EG）[1]是评价传感器工作可靠性的重要指标，它表示接收器接收的光能量能否能使传感器动作，也表示使传感器产生动作所需要最小的光强度。其计算公式如下：
　　EG = 接收器接收的实际光强度 / 接收器产生的输出门槛值
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这个性质反