新型传感器第四章幻灯片.ppt

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1、新型传感器第四章第1页，共55页，编辑于2022年，星期六一、概述一定规格的一定规格的玻璃纤维玻璃纤维可以作为光可以作为光波导体而用于通信波导体而用于通信 1966年美籍华裔科学家年美籍华裔科学家高焜高焜博士第一个博士第一个 提出：提出：第2页，共55页，编辑于2022年，星期六第3页，共55页，编辑于2022年，星期六第4页，共55页，编辑于2022年，星期六第5页，共55页，编辑于2022年，星期六光纤结构：主体是二氧化硅，主体是二氧化硅，掺杂的作用是提高材料的光折射率掺杂的作用是提高材料的光折射率。纤芯直。纤芯直径约径约5 57575 m m。一般用纯二氧化硅，一般用纯二氧化硅，也有的掺

2、杂是降低材料的光折射率也有的掺杂是降低材料的光折射率，总，总直径在直径在100100200200 m m上下。上下。保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。纤芯纤芯包层包层涂敷层涂敷层尼龙外层尼龙外层纤芯纤芯包层包层涂敷层和外层涂敷层和外层第6页，共55页，编辑于2022年，星期六传光原理（一）Sin 1/sin 2=n2/n1n2n11 c1 c1 c2sin c=n2/n1全反射全反射第7页，共55页，编辑于2022年，星期六传光原理（二）01 1d n2n1n0第8页，共55页，编辑于2022年，星期六二、光纤的种类二、光纤的种类单模光纤单

3、模光纤1、按材料性质：、按材料性质：玻璃光纤玻璃光纤 耐温度较高耐温度较高,导光效率佳导光效率佳塑料光纤塑料光纤损耗小，体积小，广泛应用于短距离损耗小，体积小，广泛应用于短距离传输，医疗器械，光纤传感，汽车，光纤照明等传输，医疗器械，光纤传感，汽车，光纤照明等领域领域 2、按折射率分布：、按折射率分布：阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤梯度折射率光纤梯度折射率光纤3、按光纤的传输模式：、按光纤的传输模式：多模光纤多模光纤第9页，共55页，编辑于2022年，星期六三、什么是三、什么是光纤光纤传感技术？传感技术？v是现代通信的产物，是随着是现代通信的产物，是随着光纤及通信技术光纤及通信技术的发展而逐步的

4、发展而逐步发展起来的一门崭新技术。发展起来的一门崭新技术。由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤光波在光纤中的传播时表征光波的特征参量中的传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态振幅、相位、偏振态、波长波长等）因等）因外界因素外界因素（如（如温度、压力、磁场、电场、位移温度、压力、磁场、电场、位移等）等）的作用而间接或直接地发生变化，从而可的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感将光纤用作传感器元件器元件来探测各种待测量（物理量、化学量和生物量），这就来探测各种待测量（物理量、化学量和生物量），这就是是光纤传感器的基本原理。光纤

5、传感器的基本原理。光纤传感技术光纤传感技术-利用光纤研制光纤传感器始于利用光纤研制光纤传感器始于1977年年第10页，共55页，编辑于2022年，星期六 光纤传感器的特点光纤传感器的特点 7、综合性价比高。综合性价比高。6、便于复用，便于成网。便于复用，便于成网。5、对被测介质影响小，可用于航空航天的对被测介质影响小，可用于航空航天的 复合复合材料中。材料中。4、测量对象广泛。测量对象广泛。3、重量轻、体积小、可挠曲。重量轻、体积小、可挠曲。2、灵敏度高。灵敏度高。1、抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。第11页，共55页，编辑于2022年，星期六第一节

6、第一节 光纤传感器原理光纤传感器原理一、传感原理及分类一、传感原理及分类传光型传光型光纤传感器：非功能型光纤传感器光纤传感器：非功能型光纤传感器 None Function FilterNFF（非本征型）原理：原理：利用其它敏感元件测得特征量，由光纤进行数据传输。利用其它敏感元件测得特征量，由光纤进行数据传输。调制器入射光纤出射光纤光敏器件信信号号特点特点：是充分利用：是充分利用现有的传感器现有的传感器，便于推广应用。，便于推广应用。第12页，共55页，编辑于2022年，星期六原理原理：指利用外界因素改变光纤中光的特征参量，从而对外界：指利用外界因素改变光纤中光的特征参量，从而对外界因素进行计

7、量和数据传输的，因素进行计量和数据传输的，传感型传感型光纤传感器（功能型光纤传感器光纤传感器（功能型光纤传感器 Function FilterFF）（本征型）入射光纤信信号号出射光纤光敏器件特点特点：传感合一，信息的获取和传输都在光纤之中。：传感合一，信息的获取和传输都在光纤之中。第13页，共55页，编辑于2022年，星期六 这两类光纤传感器都可再分成光强、相位、偏振态和波这两类光纤传感器都可再分成光强、相位、偏振态和波长等几种长等几种调制调制形式形式.小结：小结：光纤传感器的基本组成：光纤传感器的基本组成：光源、入射光纤、出射光纤、调制器、光电探测器光源、入射光纤、出射光纤、调制器、光电探测

8、器第14页，共55页，编辑于2022年，星期六二、传感器的二、传感器的调制调制技术技术沿某一方向传播的沿某一方向传播的光波光波可以用平面波的波动方程表示：可以用平面波的波动方程表示：E=Asin(kx-t+)其中，空间频率其中，空间频率k=2/。光具有以下基本特性参量：光具有以下基本特性参量：初始相位初始相位：初始相位反映了光波的光程。：初始相位反映了光波的光程。幅值幅值A：振幅振幅A决定了光的强度，光强度的极大值就是决定了光的强度，光强度的极大值就是A2。振动方向振动方向：振幅：振幅A是一个矢量，有是一个矢量，有 偏振方向。偏振方向。频率频率：为光的角频率，外部特征表现为颜色。为光的角频率，

9、外部特征表现为颜色。波长波长：同样的光波，在不同折射率的介质中光的波长是不相等的。：同样的光波，在不同折射率的介质中光的波长是不相等的。原理原理：第15页，共55页，编辑于2022年，星期六定义定义：利用外界物理量改变光纤中：利用外界物理量改变光纤中光的强度光的强度，通过测量，通过测量 光强变光强变化化来测量外界物理量变化。来测量外界物理量变化。n通常入射光纤不动，出射光纤平移或转动；n光纤间距大约23m，端面为平面；1、透射式强度调制（一）（一）、强度调制、强度调制横向转动纵向差动SSDDDDDSS第16页，共55页，编辑于2022年，星期六为了得到高的灵敏度和好的线性度，偏置点应当选择在为

10、了得到高的灵敏度和好的线性度，偏置点应当选择在A点。点。设输入、输出光纤均为同一种单模光纤，则：设输入、输出光纤均为同一种单模光纤，则：n径向位移径向位移x与功率耦合系数与功率耦合系数T之间近似高斯型曲线的关系：之间近似高斯型曲线的关系：T=exp(x2/s20)式中，式中，s0为光纤中的光斑尺寸为光纤中的光斑尺寸位移测量范围在位移测量范围在10 m以内。以内。第17页，共55页，编辑于2022年，星期六、开关式强度调制、开关式强度调制 入射和出射光纤相对位置固定不动，外界物体运动使光强入射和出射光纤相对位置固定不动，外界物体运动使光强发生变化，外界物体如薄膜或管式压力计、热膨胀元件、液位发生

11、变化，外界物体如薄膜或管式压力计、热膨胀元件、液位等。等。n入射光入射光 ：被透镜准直成半径为：被透镜准直成半径为 r 平行光束；平行光束；n出射光出射光强变化强变化 与挡板位移与挡板位移的关系：与的关系：与（/r）成比例。）成比例。DrP弹性薄膜第18页，共55页，编辑于2022年，星期六n假设光栅距假设光栅距5 m、栅宽、栅宽5 m；n输出光强随位移发生周期性变化。输出光强随位移发生周期性变化。n减栅宽可提高灵敏度，但降低了测量范围。减栅宽可提高灵敏度，但降低了测量范围。n结构：光栅有两个：一个固定，一个随被测量而移动；结构：光栅有两个：一个固定，一个随被测量而移动；n原理：当光栅运动时，

12、两光栅的投射光强发生变化。原理：当光栅运动时，两光栅的投射光强发生变化。SDrP弹性薄膜第19页，共55页，编辑于2022年，星期六3、反射式强度调制、反射式强度调制可测量可测量距离、对象表面反射率、角度距离、对象表面反射率、角度等等为提高光强的耦合效率，可采用大数值孔径光纤为提高光强的耦合效率，可采用大数值孔径光纤非接触、探头小、频响高、线性度好等，其测非接触、探头小、频响高、线性度好等，其测量范围在量范围在100 m以内。以内。特点：特点：第20页，共55页，编辑于2022年，星期六 4、折射率调制法、折射率调制法n可以做成可以做成温度温度传传感器。感器。n油改变纤芯表面折射油改变纤芯表面

13、折射率；率；可以测量液体的可以测量液体的温度、折射率、温度、折射率、液面等。液面等。n液体折射率液体折射率nt随温随温度变化；度变化；n纤芯折射率纤芯折射率n1不变；不变；n测量水中的含油测量水中的含油量。量。第21页，共55页，编辑于2022年，星期六定义：利用外界物理量改变光的偏振特性，通过检测光的偏定义：利用外界物理量改变光的偏振特性，通过检测光的偏振态的变化来检测物理量。振态的变化来检测物理量。1、法拉第效应、法拉第效应(二)、偏振态调制法通入电流，产生通入电流，产生磁场磁场，光矢量的，光矢量的方向旋转了一个角度方向旋转了一个角度 ，P2有有光出射。光出射。式中，式中，I为导线中通过的

14、电流。为导线中通过的电流。n利用利用 =VdLB，可计算出磁感，可计算出磁感应强度应强度 B。P1+-旋旋光光物物质质P2P1、P2偏振偏振片片S光光源源n这种结构可以制成电流传感器。这种结构可以制成电流传感器。又：第22页，共55页，编辑于2022年，星期六起偏器起偏器：对于一束自然光，其光矢量的振动方向是：对于一束自然光，其光矢量的振动方向是360360的，为了获得的，为了获得只有一个振动方向的光（偏振光只有一个振动方向的光（偏振光），就需要），就需要借助于起偏器。起偏器一般是用具有二相色性的介质制作而借助于起偏器。起偏器一般是用具有二相色性的介质制作而成的，这种成的，这种介质只让某一个振

15、动方向的光矢量透过，介质只让某一个振动方向的光矢量透过，这个方向叫做这个方向叫做“透光轴透光轴”，而垂直与透光轴方向的光矢，而垂直与透光轴方向的光矢量或光矢量的分量被吸收。量或光矢量的分量被吸收。第23页，共55页，编辑于2022年，星期六克尔盒 1）光矢量沿着电场方向，为）光矢量沿着电场方向，为O光光矢量，折射率为矢量，折射率为no；、克尔电光效应、克尔电光效应 2）光矢量与电场垂直，为）光矢量与电场垂直，为E光光矢量，折射率为矢量，折射率为ne；n线偏振光沿着与线偏振光沿着与电场电场垂直的方向通过克尔盒时，垂直的方向通过克尔盒时，分解为两束线偏振光：分解为两束线偏振光：+-S起偏器检偏器第

16、24页，共55页，编辑于2022年，星期六、克尔电光效应（续、克尔电光效应（续1）n设设O光和光和E光折射率为光折射率为no、ne，折射率变化，折射率变化 n与电场之间与电场之间的关系为：的关系为：K为克尔常数、为克尔常数、E为电场强度、为电场强度、为真空中光波长。为真空中光波长。克尔盒+-S起偏器检偏器-此为克尔电光效应克尔电光效应n两束线偏振光通过克尔盒后产生的两束线偏振光通过克尔盒后产生的光程差光程差为：为：U为外加电压、为外加电压、L为光在克尔盒中的空间长度、为光在克尔盒中的空间长度、d为电极间距为电极间距其中其中应用第25页，共55页，编辑于2022年，星期六利用利用克尔效应克尔效应

17、可以构成可以构成光纤电压传感器光纤电压传感器。n对应的对应的相位差相位差为：为：n若检偏器与起偏器正交，而且与电场方向成若检偏器与起偏器正交，而且与电场方向成45，则出射光波的，则出射光波的光光强强为：为：I=I0 sin(/2)=I0 sin kL(U/d)、克尔电光效应（续、克尔电光效应（续2）克尔盒+-S起偏器检偏器第26页，共55页，编辑于2022年，星期六3、光压效应、光压效应n光压效应光压效应又称作应力双折射。又称作应力双折射。n压力或张力压力或张力MN方向的折射率和其它方向不同。方向的折射率和其它方向不同。设设MN方向上的折射率为方向上的折射率为ne、垂直、垂直MN方向的折射率为

18、方向的折射率为no。n折射率的变化与外加压强折射率的变化与外加压强 P 的关系：的关系：K为物质的为物质的压强光学系数压强光学系数。MN压力压力光源起偏器补偿片检偏器none其中-此为光光压压效应效应第27页，共55页，编辑于2022年，星期六 相应的出射光强相应的出射光强 I 为为 3、光压效应（续1）n可以构成可以构成压力、声、振动、位移压力、声、振动、位移等光纤传感器等光纤传感器。若光波通过的物质厚度为若光波通过的物质厚度为l，则产生的光程差，则产生的光程差 等于：等于：由此引起的相位差由此引起的相位差为：为：MN压力压力光源起偏器补偿片检偏器none应用第28页，共55页，编辑于202

19、2年，星期六(三三)、相位调制法、相位调制法定义定义：外界物理量改变光纤中：外界物理量改变光纤中光波的相位光波的相位，通过检测，通过检测相位相位变化变化来测量物理量的原理。来测量物理量的原理。n借助于借助于光纤干涉仪光纤干涉仪可以将相位变化转变为光强变化，从而最终可以将相位变化转变为光强变化，从而最终转变成电信号。转变成电信号。n光纤中光波的相位由光纤的光纤中光波的相位由光纤的物理长度、折射率及其分布、横向物理长度、折射率及其分布、横向几何尺寸几何尺寸决定，决定，压力、张力压力、张力、温度温度等能直接改变上述参数，产等能直接改变上述参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。生相位变化，实现光纤的

20、相位调制。第29页，共55页，编辑于2022年，星期六1、应力、应力应变应变效应效应n受纵向应力作用，纤芯的受纵向应力作用，纤芯的长度、直径、折射率长度、直径、折射率都将变化，都将变化，导致光纤中光波相位变化。导致光纤中光波相位变化。n通过通过 L长的光纤后，出射光波的长的光纤后，出射光波的相位延迟相位延迟为：为：n 为光纤中光波的传播系数。为光纤中光波的传播系数。n纤芯半径为纤芯半径为 r 的光纤长度的光纤长度 L或传播系数或传播系数变化时，引起光变化时，引起光波相位变化波相位变化：1为光纤长度变化引起的相位延迟为光纤长度变化引起的相位延迟(应变效应或纵向应变应变效应或纵向应变)；2为折射率

21、变化为折射率变化(光弹效应光弹效应)引起的相位延迟；与引起的相位延迟；与 1、2、3有关。有关。3为光纤芯的直径变化为光纤芯的直径变化(泊松效应或横向应变泊松效应或横向应变)引起的相位延迟。引起的相位延迟。其中：其中：第30页，共55页，编辑于2022年，星期六n相对于相对于1、2而言，而言，3要小得多，可以忽略不计，因此有：要小得多，可以忽略不计，因此有：n其中：其中：式中，式中，k0=2 /；P12、P12为光纤的光弹系数，为光纤的光弹系数，第一项为第一项为径向径向应变的相位调制项、应变的相位调制项、第二项为第二项为横向横向应变的相位调制项、应变的相位调制项、第三项为第三项为光弹光弹效应的

22、相位调制项。效应的相位调制项。第31页，共55页，编辑于2022年，星期六2、温度应变效应、温度应变效应式中，应变式中，应变 1、3与光纤材料性质有关。与光纤材料性质有关。在光纤中光是沿横向偏振的，可以仅考虑径向折射率变化，则：在光纤中光是沿横向偏振的，可以仅考虑径向折射率变化，则：若用温度变化若用温度变化 T 和相位变化（光纤的温度灵敏度）来描述，则有：和相位变化（光纤的温度灵敏度）来描述，则有：n由由 F引起光纤中光波相位延迟为：引起光纤中光波相位延迟为：n将将温度温度变化等效为变化等效为作用力作用力 F 对光纤的应变作用，那么，作用对光纤的应变作用，那么，作用力力 F 将同时影响光纤折射

23、率将同时影响光纤折射率n和长度和长度 L 的变化。的变化。第32页，共55页，编辑于2022年，星期六u需用保偏光纤才能获得好的干涉效果，需用保偏光纤才能获得好的干涉效果，u具有很高的相位调制灵敏度。具有很高的相位调制灵敏度。u探头形式灵活多样，适用于不同的测试环境；探头形式灵活多样，适用于不同的测试环境；n相位调制法具有一下特点：相位调制法具有一下特点：vvv 保偏光保偏光纤 vvv偏振保持光纤传输线偏振光，广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域。在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振光偏振方向不变，提高相干信噪比，以实现对物理量的高

24、精度测量。第33页，共55页，编辑于2022年，星期六领结型保偏光纤 椭圆型保偏光纤 保偏光纤 第34页，共55页，编辑于2022年，星期六(四四)、频率调制法、频率调制法通过测量多普勒频移量通过测量多普勒频移量=s-0实现流体速度的测量实现流体速度的测量n由由于于余余弦弦函函数数为为偶偶函函数数，对对于于的的正正负负不不易易断断定定，因因此此零零差差测测量量法法只只能能测测量量运运动动大大小小，不不能能测测量量物物体运动方向。体运动方向。1、零差法、零差法干涉光的光强干涉光的光强I(t)为：为：n利用利用频谱分析仪频谱分析仪测量光敏器件测量光敏器件电信号，即可测出频移。电信号，即可测出频移。

25、第35页，共55页，编辑于2022年，星期六 通过调节通过调节声光调制器的调制频率声光调制器的调制频率 1，就可以检测出测量光的多普勒光频移量，就可以检测出测量光的多普勒光频移量 s的大小与频移方向。的大小与频移方向。2、外差法、外差法干涉光的光强干涉光的光强I(t)为：为：式中，式中，=s-1为两束光干为两束光干涉而形成的光强变化的拍频。涉而形成的光强变化的拍频。当当=s-1=0时，时，s=1。第36页，共55页，编辑于2022年，星期六第二节第二节 常见光纤传感器常见光纤传感器一、偏振式光纤温度传感器一、偏振式光纤温度传感器第37页，共55页，编辑于2022年，星期六n光线透过光线透过1/

26、4波片之前，光矢量与其快轴的夹角为（波片之前，光矢量与其快轴的夹角为（-）。光）。光线穿过波片后再被反射镜反射回来，往返两次通过线穿过波片后再被反射镜反射回来，往返两次通过1/4波片后，光矢波片后，光矢量以量以1/4波片的快轴对称轴转动（波片的快轴对称轴转动（-）角。）角。n光线第一次穿过石英晶体，被石英晶体光线第一次穿过石英晶体，被石英晶体左左旋，即顺时针旋，即顺时针旋转了旋转了 角。角。n迎着光的入射方向观察，迎着光的入射方向观察，y轴是平行于纸面的方向，轴是平行于纸面的方向，F为为1/4波片波片的快轴方向，它与的快轴方向，它与y轴夹角为轴夹角为。设石英晶体为左旋晶体。设石英晶体为左旋晶体

27、。第38页，共55页，编辑于2022年，星期六n光线第二次经过石英晶体，再次被光线第二次经过石英晶体，再次被左左旋旋 角。注意光线的方向。角。注意光线的方向。n测温范围测温范围18180，分辨率为，分辨率为2。n当当2(-)=45 时，输出光强与时，输出光强与 之间的线性度最好。当测温的范围之间的线性度最好。当测温的范围确定后，可以通过调整确定后，可以通过调整1/4波片快轴来满足要求。波片快轴来满足要求。n设透过棱镜的偏振光强度为设透过棱镜的偏振光强度为I 0，返回的光矢量被旋转了，返回的光矢量被旋转了角，按照马角，按照马吕斯定律，返回光线透过偏振棱镜后的光强度吕斯定律，返回光线透过偏振棱镜后

28、的光强度I与原来的光强与原来的光强I 0之间的之间的关系为：关系为：I=I 0cos2(-)+2(-)-=2(-)n光线两次通过石英晶体后，光矢量总的转角为：光线两次通过石英晶体后，光矢量总的转角为：第39页，共55页，编辑于2022年，星期六2、反射式光纤位移传感器、反射式光纤位移传感器n当 b(d+2a)/2 tg(sin-1N)时，即输出光纤位于光锥之内，两光纤的耦合最强，接收光强达到最大值。1、基本原理被测表面被测表面2adb探测器光源n输出光纤接收光强等效于输入光纤像发出的光强，有：bb2adn由于=sin-1N，所以：n当 bd2 tg(sin-1N)时，输出光纤位于光纤像的光锥之

29、外，两光纤的耦合为零，无反射光进入输出光纤；n最大检测范围bmax为a/tg(sin-1N)。第40页，共55页，编辑于2022年，星期六n由由于于输输出出光光纤纤芯芯径径很很小小，常常常常把把光光锥锥边边缘缘与与输输出出光光纤纤芯芯交交界弧线看成直线。界弧线看成直线。2、耦合效率n投影光斑与输出光纤端面有一交叠面，交叠面积的大小决定了输投影光斑与输出光纤端面有一交叠面，交叠面积的大小决定了输出光纤接收到的光强大小。出光纤接收到的光强大小。n假定反射面无光吸收，两光纤的光功率耦合效率为：假定反射面无光吸收，两光纤的光功率耦合效率为：式中，弧矢高度式中，弧矢高度 =2btg(sin-1N)-d。

30、n交叠面积与光纤端面积之比交叠面积与光纤端面积之比M为：为：第41页，共55页，编辑于2022年，星期六3、标准光纤结构、标准光纤结构n影影响响光光纤纤位位移移传传感感器器的的测测量量范范围围和和灵灵敏敏度度的的主主要要因因素素是是输输入入光纤和输出光纤端部的光纤和输出光纤端部的光纤分布形态光纤分布形态。n标准的光纤位移传感器由标准的光纤位移传感器由600根直径根直径0.762的光导纤维组的光导纤维组成，成，纤芯是折射率为纤芯是折射率为1.62的火石玻璃的火石玻璃，包层为折射率为，包层为折射率为1.52的玻的玻璃。光纤采用型结构。璃。光纤采用型结构。光纤分布形态一般有四种光纤分布形态一般有四种

31、第42页，共55页，编辑于2022年，星期六三、光纤加速度传感器三、光纤加速度传感器1、干涉型光纤加速度传感器干涉型光纤加速度传感器n质量上，质量块m远大于顺变体mc，结构上可简化为简单的二阶质量弹簧系统。n以加速度a运动的质量块对顺变体施加一个轴向力F，并且：n在力F的作用下，顺变柱体产生轴向应变i：式中，E为顺变柱体材料的弹性模量，d为顺变柱体的直径。n顺变柱体的径向应变为：其中，为顺变柱体材料的泊松比。n引起光纤长度变化l/l（=）。设光纤匝数为N，则：n光纤长度的变化可用干涉仪测量，光束的位相变化为：=l1-0.5n(1-f)p12-f p11 式中，n为纤芯的折射率；p11，p12为

32、光弹系数；f为纤芯的泊宋比；=2n/。n若定义加速度传感器的灵敏度为/a，则：第43页，共55页，编辑于2022年，星期六2、强度型光纤加速度传感器、强度型光纤加速度传感器n质量块受力F作用时，板簧的变形可表示为：式中：E为板弹簧材料的杨氏模量；J为板弹簧的惯性矩；L为板弹簧长度。n对(x)关于x微分，得质量块倾角(x)：当 x=L 时n质量块所受作用力由加速度引起，根据牛顿第二定律：式中，K为板弹簧的弹性系数。第44页，共55页，编辑于2022年，星期六n由于反射镜的倾斜，光斑偏向某一个输出光纤。当全部光线只照射在某一个光纤上时，反射镜的偏转角为最大值max。n由最大倾斜角可以确定本传感器所

33、能测量的最大加速度：n系统的固有频率r为：式中，W为宽度、H为厚度。n一般设计要求，质量块承受最大加速度amax时，反射光偏转max，并全部落在一个输出光纤上。若光纤的直径为d，则这时光斑相对于a=0时的移动距离为d/2。n设自聚焦透镜长度为z，透镜材料的折射率n0。假定反射镜与透镜之间只有最小气隙，则：n加速度传感器可测量的最大加速度实际为：n这种结构的加速度传感器灵敏度高，动态范围大，而且不易受冲击振动和电源波动的影响，最小可可测加速度值小于 10-5m/s2，而且整体结构简单，体积小。第45页，共55页，编辑于2022年，星期六法拉第效应法拉第效应定义：当偏振光通过某种透明介质时，偏振光

34、的偏振态将以光的传播方向为轴线旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象。例如石英玻璃。在磁场作用下的旋光效应称作法拉第效应或磁致旋光效应。例如稀土玻璃。特性：当线偏振光通过处于磁场下的透明介质时，光线的偏振面（光矢量振动方向）的偏转角与磁场强度B以及介质的长度L为：=KBL式中，K为维尔德（Verdet）常数，数值与光波波长及温度有关。例如：已知稀土玻璃的维尔德常数是0.130.27/Gs.cm。0.1T(103Gs)磁场下长10cm的稀土玻璃棒可使偏振光的光矢量偏转22 45。第46页，共55页，编辑于2022年，星期六 当一束单色光入射到各向异性介质表面时，一般产生两束折射光，这种现象称为双折

35、射。两束光中，一束光遵守折射定律，称为寻常光，或O光。另一束光不遵守折射定律，称为非常光，或E光。O光和E光都是线偏振光，O光、E光的折射率分别表示为no，nE，产生双折射有两种途径，一是利用具有双折射特性的天然材料如石英晶体、方解石晶体等；另一种方法是人为产生。光的双折射光的双折射第47页，共55页，编辑于2022年，星期六光纤干涉仪光纤干涉仪马赫-泽德光纤干涉仪激光器发出的相干光通过蚀刻或搭接的3dB耦合器分成两个相等的光束，一束为信号臂，另一束为参考臂。外界信号S(t)作用于信号臂。第二个3dB耦合器把两束光再耦合，再分成两束经光纤传送到光探测器。两个光探测器接收到的光强分别为：I1=0

36、.5I0(1+coss)I2=0.5I0(1-coss)式中，I0为激光源发出的光强a；为耦合系数；s为外界信号 S(t)引起的相位移。可见，马赫-泽德干涉仪将信号 S(t)引起的相位移变换为光强的变化。经过适当的信号处理系统能将信号 S(t)从光强中解调检测出来。迈克尔逊干涉仪 光束被3dB耦合器分成两路入射到光纤，光从末端反射回来并经耦合器输出到探测器。如果外界信号S(t)作用于信号臂，则在两臂之间产生光程差，并通过测量干涉光强的大小知道光程差大小，从而确定S(t)。迈克尔逊干涉仪两臂的光程彼此独立，因而可分别对两臂的光采用相位和偏振态的补偿方法。第48页，共55页，编辑于2022年，星期

37、六应应变变u长度为 l 的弹性材料，受外力作用引起几何形变 l，定义材料应变 =l/l。u材料沿受力方向发生的应变称作纵向应变，可用x表示。u垂直于受力方向发生的应变称作横向应变，可用y表示，并且y=x。u光纤受外力作用产生的应变分纵向应变3与横向应变1、2。u对于各向同性光纤材料，1=2。u折射率变化(光弹效应)引起的相位延迟，与光纤的横向应变1、2、3有关。n应变应变n光纤的应变光纤的应变第49页，共55页，编辑于2022年，星期六 当光接收元件与光源之间有相对运动时，光敏器件所接收到的光频率fs与光源本身的光频率f不相同，这种现象成作光的“多普勒效应”。设光敏器件相对于光源的运动速度为v

38、，则光敏器件所接收到的光频率fs可以简单地表示为：fs=f/(1-v/c)(1+v/c)f 式中：c为光速。光光 的的 多多 普普 勒勒 频频 移移第50页，共55页，编辑于2022年，星期六偏偏 振振 分分 光光 棱棱 镜镜n把入射光线的光矢量分解为平行于入射面的分量（P分量）和垂直于入射面的分量（S分量）两个部分。n一般情况下，经光学界面折射和反射的光线中，既包含S分量又包含P分量。所包含的两个分量的光强比例可以由菲涅耳公式推导。n按照菲涅耳公式推导，存在这样一个十分独特的入射角B，当光线沿着这个角度入射时，入射光线将被分解为两个纯粹的偏振光，这个角度称作布儒斯特（Brewster）角。并

39、且：)n线偏振光入射至偏振分光棱镜，如果入射光的光矢量与纸面平行，则只有透射光而无反射光；n如果入射光的光矢量与纸面垂直，则只有反射光而无透射光。n如果入射光的光矢量既不平行也不垂直于纸面，则反射与透射光都有，各自的光强大小AAA取决于入射光的光矢量在垂直和平行于纸面方向的分量。B=tg-1(n 2/n 1第51页，共55页，编辑于2022年，星期六石石英英晶晶体体波长为的光线经过石英晶体时，光矢量受到旋转，如图412所示。按照菲涅耳的解释，进入石英晶体的线偏振光可以分解为左旋园偏振光和右旋园偏振光。设左、右旋园偏振光在石英晶体中的折射率分别为nL、nR，则线偏振光穿过石英晶体后其光矢量的旋转

40、角为：式中的d为光线穿过石英晶体的几何长度。光矢量的旋转角与温度有关，就其原因，只能是石英晶体的折射率nL、nR受温度的调制。第52页，共55页，编辑于2022年，星期六1/4波波片片 光线经1/4波片后产生的光程差为：式中，m为整数。光线两次通过1/4波片的话，光矢量将被以1/4波片的快轴为对称轴转动相同的角度，第53页，共55页，编辑于2022年，星期六u在石英管内壁用化学办法沉积纤芯，形成折射率内高(石英包层)，外低的结构。u氧气及原料气体SiCl4由原料气道送入石英管内，氧化反应生成的SiO2纤芯：SiCl4+O2SiO2+2Cl2u用氢氧灯来回加热到13001600，使管内气体发生

41、氧 化 反 应。同 时，石 英 管 匀 速 转 动（约50r/min），以保证加热温度均匀，防止玻璃管变形。u沉积完毕后再氢氢灯光焰温度提高到18002000，将玻璃管烧成透明的实心棒。u 10mm、长5001000mm预制棒，可拉制标准光纤(125m)58km。有的大预制棒可拉丝5060km的光纤。n预制棒的制作：管内沉积法预制棒的制作：管内沉积法(MCVD法法)u高折射率实心玻璃棒作支撑体，在玻璃棒沉积低折射率的材料。u原料气体流经氢氧灯，反应生成氧化物粉末喷溅于芯棒表面：SiCl4+2H2OSiO2+4HClu预制棒最大可连续拉丝200km以上，一般可拉1020km(125m)。n预制棒

42、的制作：外附法预制棒的制作：外附法(OCVD)光光 纤纤 的的 拉拉 制制n光纤拉制光纤拉制第54页，共55页，编辑于2022年，星期六第四章习题与思考第四章习题与思考4 4、什么是强度调制？有哪几大类？能测哪些参数、什么是强度调制？有哪几大类？能测哪些参数5 5、什么是偏振态调制法？、什么是偏振态调制法？解释名词：法拉第效应、解释名词：法拉第效应、克尔电光效应、克尔电光效应、光压效应、光压效应、应力应力应变应变效应、温度应变效应、光的效应、温度应变效应、光的多普勒多普勒效应效应1 1、什么是光纤传感技术？它有哪些、什么是光纤传感技术？它有哪些调制技术调制技术？6 6、反射式光纤位移传感器的构成有哪些？利用了什么原理反射式光纤位移传感器的构成有哪些？利用了什么原理测量？测量？2 2、简述光纤结构。、简述光纤结构。3 3、按传感原理，光纤传感器有哪两大类？各是什么？有什么、按传感原理，光纤传感器有哪两大类？各是什么？有什么特点？特点？7 7、偏振式光纤温度传感器的组成有哪些？敏感元件是什么？、偏振式光纤温度传感器的组成有哪些？敏感元件是什么？第55页，共55页，编辑于2022年，星期六