二光纤传感器原理课件.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。
光纤传感器的调制区可能是光纤本身(内部调制),
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。
----光纤传感器最早使用的调制方法
概念
利用外界因素改变光纤中光的强度,通过测量光强的变化来测量外界物理量。
光纤强度调制传感器的原理图
特点
技术简单,可靠,成本低。
可以采用多模光纤。
光纤的连接与耦合容易,所使用的光纤连接器与耦合器已经商品化。
光源可以采用非相干光源,如输出稳定的LED等。
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:
T
d
A
最佳传感区域
(二)光闸调制
原理图
(三)反射式强度调制
原理图
传光束
双光纤
单光纤
特点
入射光纤与出射光纤可以是单根光纤、两根光纤也可以是光纤束。
非接触式,探头小,频响高,线性度好。
测量位移~100m。
(四)利用光纤微弯产生的损耗进行调制
原理图
特点
当光纤受到微弯时,一部分芯模能量会转化为包层模能量,通过测量包层模式的能量或芯模能量的变化,就可以测出外界物理量的大小。
主要应用于对应变等物理场的检测。。
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。
梯度折射率光纤α=2
阶跃折射率光纤
变形器的最佳周期
△为光纤芯子与包层之间的相对折射率差;a为纤芯半径;M是总模式;m是模式标号;
特点
可以采用多模光纤。
要达到引起耦合损耗的两模式间的耦合为最佳值,需要根据具体情况设计适当的调制周期。
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。
原理图
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。
........
---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。
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。

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。
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。
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
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
血液流动速度监测传感器
运动物体速度监测传感器

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。
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。
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。
:
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