二光纤传感器原理课件.ppt

第1页，共73页。
光 源
信号
调制
光纤
光纤
光探
测器
信号
处理
外界参量
第2页，共73页。
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 ........
第26页，共73页。
二. 波长调制---颜色调制
概念
利用外界因素改变光纤中光的波长，通过测量光波长的变化来测量外界物理量。
第27页，共73页。
特 点
对引起光纤或连接器损耗增加的某些器件的稳定性不敏感。
解调技术复杂，常常需要分光仪。
通常采用比值测量（两个波长的测量值为基准），要求校准以建立比值测量所需要的参考点。
探测的波长范围有限。
第28页，共73页。
典型应用
外界因素对传输光的光谱成分中，不同波长的光吸收特性不同。
如：溶液浓度的化学分析等。
外界因素引起光的波长发生漂移。
如：光纤光栅应力传感器，光纤光栅温度传感器等。
第29页，共73页。
三．频率调制
概念
利用外界因素改变光纤中光的频率，通过测量光频率的变化来测量外界物理量。
第30页，共73页。
特 点
外界因素以多普勒效应的形式影响光的频率。
适用于对运动目标的探测。
空间分辨率高，光束不干扰流动状态。
第31页，共73页。
多普勒效应
研究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。
如果频率为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
第32页，共73页。
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
第33页，共73页。
典型应用
血液流动速度监测传感器
运动物体速度监测传感器
第34页，共73页。
四．相位调制
概念
利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过测量光相位的变化来测量外界物理量。
第35页，共73页。
特 点
灵敏度高，几何形状灵活多样。
工作对象广泛。
需要特殊光纤。目前市场上各类光探测器均不能够感知光波相位的变化，必须采用光的干涉技术将光的相位变化改变为光的强度变化，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：
产生光相位变化的物理机理。
光的干涉技术。
第36页，共73页。
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的变化可以获得 的变化，进一步可以得出待测物理量的变化。
：
第37页，共73页。
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）都将发生变化，这些变化将导致光纤中的光波相位发生变化。
第38页，共73页。
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）
第39页，共73页。
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。
第40页，共73页。
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
第41页，共73页。
几种典型的光纤干涉仪