二光纤传感器原理.ppt

光 源
信号
调制
光纤
光纤
光探
测器
信号
处理
外界参量
本讲提要
外界参数对光纤内传输光的作用方式，即各种调制的原理与方法。
光纤对很多外界参数有确定的效应，探运动目标的探测。
空间辨别率高，光束不干扰流淌状态。
多普勒效应
探讨光源与观测者之间的相对运动对接收到的光的频率产生的影响。
假如频率为f的光入射到相对于探测器速度为v的运动物体上，则从物体上反射到探测器的光频率为：
c为真空中的光速
光纤多普勒系统
激光器
f0
f0
f0
f1
f0-f1
以速度v运动的被测物体
f0±Δf
混频
f1±Δf
Δf
v
典型应用
血液流淌速度监测传感器
运动物体速度监测传感器
四．相位调制
概念
利用外界因素变更光纤中光波的相位，通过测量光相位的变更来测量外界物理量。
特 点
灵敏度高，几何形态敏捷多样。
工作对象广泛。
须要特殊光纤。目前市场上各类光探测器均不能够感知光波相位的变更，必需接受光的干涉技术将光的相位变更变更为光的强度变更，才可以测量外界物理量。
光纤传感器中的相位调制技术包括两部分：
产生光相位变更的物理机理。
光的干涉技术。
相位调制器是基于干涉测量原理
设两束相干光的振幅分别为A1和A2，当其中一束光的相位受到某种因素影响时，两束光在干涉域中产生干涉，各点光强为：
: 外界因素所引起的两束相干光之间的相位差。
由A的变更可以获得 的变更，进一步可以得出待测物理量的变更。
：
构成相位调制传感器传感探头的几种物理机理
应力应变效应
当光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，光纤的长度（应变效应）、光纤的纤芯直径（泊松效应）、光纤的纤芯折射率（光弹效应）都将发生变更，这些变更将导致光纤中的光波相位发生变更。
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更时，引起的光波相位变更为
a为光纤的纤芯半径
第一项：光纤的长度变更引起的相位延迟（应变效应）
其次项：光纤的感应折射率变更引起的相位延迟（光弹效应）
第三项：光纤的纤芯直径变更引起的相位延迟（泊松效应）
纵向应变的相位调制----应变效应
径向应变的相位调制----泊松效应
光弹效应的相位调制
其中，
为光纤的纤芯折射率。a为光纤的纤芯半径，L为光纤长度，
为光纤的光弹系数。
为光纤的径向应变。
为光纤的纵向应变。
温度应变效应
将光纤放置在变更的温度场中，设温度场的变更等效为作用力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更，从而产生光波相位的变更。
由作用力F所引起的光纤中的相位延迟为：
温度变更引起相位延迟
光纤的长度变更引起相位延迟
光纤的纤芯折射率变更引起相位延迟
几种典型的光纤干涉仪
-Z光纤干涉仪
结构：
原理：
依据双光束相干原理，两个光探测器接收到的光强分别为：
其中，
为光源的光强，
为耦合系数，
为外界参量引起的相移
由两个光探测器接收到的光强变更，可检测出
的变更，进一步得出外界参量。

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。
其中，A为光纤圈的面积，N为光纤的圈数，Ω为角速度。
-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，由光强的变更可以得出外界参量的变更。
典型应用：
应力传感器，位移传感器等。

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。
S(t)
干涉仪的分类
第一类：M-Z光纤干涉仪、萨格纳克光纤干涉仪、迈克尔逊干涉仪
检测光强大小主要与两束光的相差相关
其次类：F-P光纤干涉仪
检测光强大小主要与腔长有关,由多光束产生干涉。
五．偏