光导纤维与光纤传感器

光导纤维与光纤传感器 杨 秀 一 、 概 述 光导纤维是二十世纪后半叶一项重要的基础发明 。 它和激光 、 半导体光检波器一同构成 了一个叫光导发光的新光学技术领域 。 在有线通讯方面 , 光导纤维的优越地位已被公认 , 已 经并正在敷设很多实用线路 。 在传感器方面 , 目前正在开发 、 研究 , 有的也已用于实践 。 传感器也叫敏感元件 , 它能敏锐地反映或检测所需测量参数 。 通常是把对象的状态参量 变换成能为人们感知的各种信息 。 由于信息的测取是加工运算和处理的前提 , 故传感器 已成 为 自动检测与控制的重要环节 。 为了提高机器的性能 , 借助微型计算机实现智能化控制 , 需 要各种各样的传感器以获取各种控制信息 。 早期的传感器是把对象的状态信息以几何形态的信息反映出来 , 例如长度 、 角度等 。 随 着电子技术的发展 , 应用 电子检测的传感器得到了迅速的发展和广泛应用 。 检测结果往往以 电信号的形式反映出来 , 通过数字逻辑电路的变换 以更直觉的数字形式加以显示 。 这时期所 说的传感器多半是指电子式传感器 。 目前以光信号的形式输出的光纤传感器正在兴起 , 并越 来越受到普遍的重视 , 这是因为 其一 , 这种传感器是 以把对象的状态参量变换成光信号输出的光学技术为基础 , 以石英 为原材料 , 所以很适于用在高电压 、 电磁环境、 海洋里 、 深水中以及化学气氛中的对象 其二 , 光导纤维原本就是优 良的低损耗传输线路 , 计测时又可 以不必考虑计测仪器和被 测对象的相对位置 , 因此 , 电子或传感器不便于使用的地方它都可 以代劳多 再有 , 光信号不仅能被人们直接感知 , 而且使用光电二极管 、 雪崩光电二极管 、 发光二 极管 、 激光二极管等这样一些小巧的元件 , 就可 以简便地进行 一 光一 电 、 一 电一光 信号变换 , 并且能和高度发达的电子装置很好地配合 。 今后要满足各种各样的需要 , 包括智能化控制和研制各种高性能的新机器 , 必然需要那 些在使用环境和使用 目的上都合适的传感器 。 由于光纤传感器所具备的上述突出优点正好适 合了这一需要 , 因而逐渐形成了技术领域里的一个新分支 。 二 、 光导纤维基础 光导纤维是用石英 、 玻璃 、 塑料等透光性 良好的电介质制成的极细的纤维 , 可作为从近 红外线开始的可见光范围内损耗非常小的优 良的传输线 。 光导纤维的导波原理 因为光也是电磁波 , 所以光纤中光波的传送规律可由麦克斯韦波动方程式表示 , 当光纤 的截面尺寸远大于光的波长时可按光线概念来处理 。 图 是光线的反射和折射图 。 或者 其中 、 。 为媒质 和媒质 根据斯涅耳定律 哪 朋 矽, 图 光线的反射和折射 的折射率 。 当 , 时 , 改变入射角 直到 , , 此时 角叫临界角 。 入射角小于临界角的入射光线在界面发生全反射 。 由式 得 临界角 。 。 二 朋 一‘ 、 初期作为内窥镜使用的光纤是单根裸露玻璃纤维 , 媒质 是空气 , 媒质 是玻璃 , 用 。 二 , 。 代入式 , 临界 角大约是 “ 。 因为临界角大 , 光线沿轴线传送时因反射次数增多而使接 收速度减慢 即使同一个波形的光从不同的方向射入时 , 在出口 通过各种各样途径合成的波 形也会有很大的畸变 , 即分散性大 。 为此采用图 、 的低分散性纤维结构 , 包层用折 射率较低的材料 。 图 相对折射率差 为 时 , 临界角约为 “ 。 图 的折射率距中心 按平方分布 , 传送光沿轴线曲行 , 分散性很小 。 二 互浴 口 公公乡共务之咬 卜卜未关务幕吞琳琳 包皮 月 二 乡乡愁证呈尝尝 刁二 升一橄 八 , 相 ,全折刃才李趁 汉 阶跃 形 光 纤 琳 牵二 , 、厂之不不荀 梯理形龙纤 图 光纤的构造 光导纤维的主要参量 数值孔径是用来度量光纤集光能力的参数 , 通常用 表示 , 二 · 。 其中 为 在一定点能进入或离开一光学元部件或系统 的过轴光线的最大锥体的半顶角 , 。 为 该定 点所在的均匀而各向同性的物质空间的折射 率 。 如图 所示 , 当入射点在空气中 , 。二 , 最大锥体半顶角用 。表示时 , 一 二 。 , · 。 口。 斌 万 式 中 , 人为相对折射率差 , △一 扭号一 斌 “ 。 , 一 。 , , 为光纤 芯体折射率 , 。。为 芯体外包层的折射率 。 ‘了了 一一产找笋咬气气 不不 , 、、 刀刀 日如 刀八 二 ‘比 夕 , 。 , 图 光纤的集光特性 特征频率是光纤传送模式的参数 , 用犷表示 。 只有一个波峰的模 式 二 叫基模 , 波 峰数目多的叫多次模 。 光纤传送模式的总数由参数犷决定 犷一粤 ⋯氏 · “丽 式中 , 元是光的波长 , 是芯体半径 。 当犷的数值较大时 , 传送模式的总数近似地等于厂 ’ 。 透过率是表示光纤传送光能力的参数 , 用 表示 。 输出光能量 输入光能量 影响光透过率的因素有端面反射损失 , 界面内全反射损失 , 芯体材料的吸收损失以及光 导纤维束的填充系数等 。 光纤及其特性 光纤通常分为单模光纤和多模光纤 。 多模光纤芯体直径可达 “。左右 , 易于制造 , 光纤相互间的连接以及和光源的配合容 易处理 , 但是模式分散 , 信息容量小 , 不适于用在利用光相位信息的传感器上 。 单模光纤模式不分散 , 消除了材料构成上的分散 , 信息容量很大 , 能利用光相位信息 , 很适于用在传感器上 , 不过芯体直径在 拌 以下 , 制造困难 。 保持偏振面光纤正在研制 。 既便是圆截面的单模光纤 , 光的偏振面也不一定固定不变 , 有可能 同时传送两个互相垂直的偏振光 , 因而不能用在检测光相位的偏振面的传感器上 。 为 此提出了以下两种结构方案 芯体做成椭圆形 , 改变各模式的传送距离 , 给芯体施加应力 , 改变某一方向的折射率 。 为了抑制千扰 , 保持偏振面 , 无论哪一种都要使传送系数差 △刀在 以上 。 此外 , 还正在研制利用各种添加剂的特殊光纤 。 光导纤维作为传输线路具有重量轻 、 绝缘性好 、 拉伸强度高 、 挠曲半径小 、传输损耗低 、 适用范围广等优点 , 是任何金属导线所不能比拟的 。 作为传感器 , 它又具有变换性能优 良 , 检出的信号品质 良好与检测对象的配合容易 以及故障少 、 特性误差小等优点 。 对其开发应用 正方兴未艾 。 三 、 光纤传感器的构成 光纤传感器是把对象的状态参量 以光信号的形式检测出来的光学传感器 。 这种传感器主 要有两大类 一类是着眼于其变换机能 , 叫 “检测器型 ” 另一类是利用其低传输损耗和忠实 传送信号的传送机能 , 叫 “ 传输线型 ” 。若把这两种型式有机地组合起来 , 还可 以形成各种类 型的 “传感器系统 ” , 其应用范围也就更加扩大了 。 检测器型 图 是这种型式的基本型 。 处于对象的不 同状态中的光纤在传送 光 的时候 , 使传送 光的振幅 强度 、相位 、 偏振面 、 频率等发生不同程度的变化 , 这种变化与各种物理效应有 关。 表 列出了用于检测器型的各种物理效应和检测量 。 传输线型 一 一 检测器型是以各种物理效应为基础的非常理想的型式 , 但在 实 用 上 要解决的间还很 多 。 与此相反 , 传输线型是利用光纤的传送机能 , 目前 已有很多用于实际了 。 图 示出了这种传感器的基本型 。 用于该型的主要光变换元件和检测 量 示于表 。 表 主 要物理效应和检测量 , 传 送 “ 数 的 变 化 ⋯ , 光 本 “ 的 变 化 物理效应 光散射效应 光弹性效应 法拉第效应 光致彩色效应 检测量 应变、 振动 、 音响 压力、 温度 、 应变 、音响 、流速 、 加速度 磁场 、 电流等 光 、 放射性等 物理效应 效应 光散射效应 多普勒效应 光谱吸收效应 检测量 角速度 浊度 , 浓度等 速度 』 化学量 表 主要光变换元件和检测量 口 曰 光 变 换 二 件 ⋯ 检 测 量 液 晶 半 导 体 膜 普 克 尔 元 件 法 拉 第 元 件 光 弹 性 元 件 萤 光 物 质 遮 光 回 路 电 子 回 路 温度 、 压力 、 温度等 电场 、 电压 磁场 、 电流 压力、 温度 、 放射线等 位移 、 振动 、 电磁场 、 其他 振动等 应变、 音响 回转等 为了获得高灵敏度的光纤传感器 , 最好利用光相位或偏振面的变化 。 这种变化用一般光 电元件是不能检测的 , 需要借助于把相位和偏振面的变化转变成光强度变化的鉴别 回路 。 用 分立元件组成的鉴别回路容易产生噪音 , 因而影响灵敏度的提高 。 为此 , 发展集成光路技术 , 开发实用的光集成鉴别回路 , 正象电子工业发展大规模集成电路一样 , 已成为新光学技术领 域内一项十分引人瞩 目的技术 , 很多科技工作者正在为此而努力 。 目前集成光路分立元件如 薄膜棱镜 、 藕合器 、 调制器和光开关等 已研制成功 , 薄膜激光器进展也很快 。 由于光学信息 有很强的抗干扰性和保密性 , 所以集成光学的发展在国防建设上有很重要的意义 。 钟回港变换元 咭牛 阵 检侧器型 , 传 输 线型 图 光纤传感器基本型 一 一 四 、 新型光纤传感器 光纤温度传感器 一 检测器型光纤温度传感器 这种传感器是利用光纤本身的特性 以光纤为主体而构成的 。 图 是利用光的振幅变化 。 由于周围温度的变化 , 光纤的芯 径 和折射率发生改变 , 使传送光向光纤外部散射引起传 出光的振幅发生改变 。 这种温度传感器灵敏度很低 。 图 是利用光的偏振面的旋转 。 只要周围环境的温度 、 压 力 等稍微发生一点变化就 会引起单模光纤内传送光的偏振面旋转 , 利用检光元件很容易将这种 旋 转 变 换成振幅的变 化 。 这种传感器灵敏度高 , 但易受外界干扰 。 图 。 是利用光的相位变化 。 这种传感器结构复杂 , 原理见图 。 由 于 温度的变化引 起单模光纤的长度 、 折射率和芯径改变 , 从而使传出光的相位发生变化产生干涉条纹 , 在参 温度勿乙 垂瑞祭 抵幅札 〔。 雄幅吏钻 偏光板 漫岌如乙 枪光核 非 军浦光针 振幅安佑 照光 相位未发生变化 的干预下 , 使传 出光的 干涉条纹发生移动 。 外界压力的干扰对这种形 式的传感器影响很小 , 振动 、 声波等干扰又可 用滤波的办法去除 , 因而灵敏度很高 。 理论研 究表明 , 温度变 化 时 , 米长的石英 系单模光纤的干涉条纹移动 格 。 ‘ , 偏报面旋转 干渗条气 ‘ , 柑位变花 图 检测器型光纤温度传感器 图 利用光相位变化的检测器型光纤温度 传感器原理框 图 传输线型光纤温度传感器 这种传感器是利用光纤的传输特性 , 即把光纤作为传输线路再与某些传感器组合而成 。 图 是利用液晶的光纤温度传感器 。 把液晶放在传感器的头部 , 通过透 镜 对 着 光纤端 面 。 把三种不 同的液晶按适当比例混合 , 在 一 ℃范围内颜色由绿色 向深红色逐渐变化 , 随之而引起反射率的变化 。 为了增加光纤中的光量 , 通常采用多模光纤 , 本例中照射和反射 都用 根一组的多模光纤 , 精度约为 ℃ 。 此外 , 还有利用双金属片随温度变化发生弯曲而切断光路的 , 利用萤光放射强度与温度 之间关系的 , 利用物体发射红外线通过光纤传送而测其温度的等各种光纤温度传感器 。 光纤位移传感器 物体位置的变化叫位移 。 通过检测位移来计测其他物理呈的传感器很多 , 有机械式的也 青电气式的 。 下面介绍两种光纤位移传感器 。 天线型光纤位移传感器 两根同样直径的光纤端面相对接近 , 由一根光纤来的光通过微小的空气间隙传入另一根 光纤的时候 , 如果两根光纤的轴线相一致 , 则光通过两个端面后几乎没有什么损耗 , 如果发 生轴偏离 , 则光损耗要增加 , 传出光的强度要减小 , 轴偏离 位移 和输出光的强度有一定 的比例关系 光强度与对接的重迭面积成正比 。 如图 所示的位移传感器 , 用芯径为 拼 的多模光纤 , 利用特性曲线的线 性 部分 , 当 位移为 拼 时可望得到 以上的光量变化 。 , ’一二二讼溉飞 周健光并 梭幼允纤 黔嘿排 蓄蓄噩噩噩噩噩噩噩户亡亡亡夕 川” ” 一 滩即 刃 刀 口 盯 布江粕义 图 用液晶的光纤温度传感器 图 利用轴偏损失的光纤位移传感 器 及其特性 测定值 高灵敏度的位移传感器如图 所示的全反射型 。 光纤端面经过研磨与 轴 线成口角 , 光纤 中传输全部模的波在端面进行全反射 。 在端面非正对部分有光能损失 , 在正对部分随着端面 距离增加传出光的强度急剧减小 , 根据理论 计算 , 当 。 时 , 位移 “ 拼 , 传 出 叫 峥 —入射港 光纤 固定 图 利用全反射的位移传感器 光的强度为原来的 。 检测器型光纤位移传感器 光纤的特性并 不 因 其 位置的移动而改 变 , 但是如果其他机械量 如压力 、 弯曲等 作用在光纤上 , 则会引起特性变化 。 图 由于位 移改变了光纤的长度 , 长度的改变又引起光纤直径的变化 , 从而引起传送光的相位发生变化 。 若引入未经变化的参 照光到传出光发生干涉现象 , 即传送光的强度改变了 , 经过变换可 以检测出位移量 。 图 由于位移使光纤发生弯曲 , 产生弯曲损失 , 改变了传送光的强度 。 这两种位移伴随着较大的外力 , 用途有限 。 图 是预先 把 光纤绕成空心线圈状 , 不 需多大的外力 , 就可构成高灵敏度的位移传感器 。 这种检测器型位移传感器在恶劣条件下使用比天线型优越 。用这种传感器预先发现石油 、 煤气等危险物品贮藏罐的形状 、 尺寸等的些微变化 , 通过光纤将信号传出 , 可 以防止重大灾害 一 一 性事故发生 。 传感器及传输线路本身没有发生火花的危险 防爆性 , 不受电气噪音的千扰 , 能承受恶劣环境 , 安全可靠 。 同时也适于油轮 、 油罐车 、 桥梁 、 水坝 、 原子炉等变位测定 。 光纤速度和流速传感器 光纤速度传感器大致有三种类型 。 一种是通过检测运动物体的角速度 例如用光纤陀螺 仪 再经变换求出速度 , 另一种是利用多普勒效应 , 还有一种是利用光纤本身特性或传输特 性构成的速度传感器 。 这节就后两种作一简单介绍 。 光纤流速传感器 图 是检测器型光纤流速传感器的一个例子 。 多模光纤置于铜管中 , 流体通过铜管沿着 光纤流动 , 使光纤发生挠曲 , 光纤中各模的传输相位差发生变化 , 因而传出光的振幅也跟着 发生不 同程度的强弱变化 , 实验结果表明振幅与流速成正比 , 变化的频率范围为 一 。 、 二 队竺些穿 一花瘫莎犷一 , 犷一 一 橱无 〔。 , 扣 用光 歼白乡长 度黄化 。、 一一 厂火筵 改。、 痴习犷 犷一一少 白勺传’比 彻 月 龙少飞的弯你板失 决体 卜二即 , 一叫 入买寸先 铜鸳 、碑少 传岁光 〔〕一戊刊已 丁教光界 。。 , 不哆用光州 ,乡套 助特行生 图 检测器型光纤位移传 感器 、 、 二 丈《 , 兀甩一弋民节 似人而 雇族指 整艘 积摆直麒压表 图 检测器型 多模光纤流速传 感器 光纤多普勒速度传感器 ①多普勒效应 当波源或受波器任一方或两方移动时 , 受波器接收到的波的频率和波源发出的波的频率 不 同 , 这种现象叫多普勒效应 。 图 所示波源 发出频率为 的波 , 当波源 以速度犷向前方移动时 , 到 前 方 波的频率高 出么 , 后方波的频率低一个 △ 。 根据多普勒效应 , 频率变化的大小和 移 动 体 的速度厂成正 比 , 同时和发出波的频率 成正 比 , 所以 人 犷‘ 。、 , , 、 、 一牙厂 、 , 习 之凡 习匕 与 ②光纤多普勒速度传感器 这种传感器从激光光源到被测对象的部分或全部光路都由光纤构成 。 用单模光纤最好是 保持偏振面型单模光纤传送相千波 , 利用光的千涉现象来检测流体的速度 。 例如用裸线直径 约为 “ 的光纤通过注射器的针头插入生物体的血管中可以测定血流速度 。 图玲就是测定血液流速的实例 。 从光纤端面反射回来的光 频率 和 碰 到血液中流动 的红血球反射回来的光 频率为 △ 经 由偏光棱镜和光检波器进行外差混合检出 △ , 再 一 送往频谱仪进行检测 、 变换而求出流速 。 一 一 一万 ‘ 介‘ , , ‘ 一万 ‘ 图 多普勒效应 用光纤激光多普勒速度计 图 测血液流速 光纤磁力传感器 光纤磁力传感器的原理是基于所谓磁力光学效应的直接磁 · 光变换和介入力等物理量的 间接磁 · 光变换 。前者是利用法拉第效应而后者是利用磁致伸缩效应 。 利用法拉第效应的传感器 图 所示 , 在物体中传播的光 , 其偏振面在附加磁场的作用下发生旋转 , 这种现象叫法 图 根据法拉第效应偏振面旋转 拉第效应 。 偏振面的转角 和磁场强度 以及与磁场 相互作用的距离 的乘积成正比 , 当 光 的行进方向与 磁场方向平行时转角最大 。 一 犷 其中 , 犷‘ 是表 示 法拉第效应大小的费尔德系数 , 大 小因物质不 同而异 。 检测磁力时法拉第元件的费尔德系数要大 , 最好 其值不随温度而变 , 反磁性的铅玻璃或者磁性的 镜铁石榴石 都可使用 。 图 是使用 的光纤磁力传感器的例子 。 由光电二极管 发出 的波 长为 拼。的光用直径 拌 的聚合物包层光纤导入 “传感器部 ”。 在 “传感器部 ” 光经过偏 振子使 偏振面保持一定 , 在通过 工 时由于附加磁场的作用偏振面发生旋转 , 穿过握拉斯顿棱镜偏 振面又被分离成两束互相垂直的光 。 这两束光通过两根光纤由 “传感器部 ” 传出送往光检波 器经运算回路进行信号处理变成电信号输出 。 设偏振子和握拉斯顿主轴夹角为二 , 法拉第回转角为口, 而光检波器输出 的电信号为 了‘、、、了、、、 尸 , 尸 。 朋 一 匹 尸 一 尸 。 朋 匹 经过 尸 一尸 尸 , 十尸 运算 , 输出信号为犷 , 则 犷二 侣 一 一 可见愉出信号大小仅与附加磁场成正比 , 而与光源强度变化 , 光纤中光的偏振状态无关 , 计 测稳定 。 利用磁致伸缩效应的传感器 给磁性体加一个磁场 , 它的长度要发生伸缩 , 这种现象叫磁致伸缩效应 。 图 所示 , 给光纤包上一层磁性体膜 , 由于磁场的作用光纤发生轴向伸缩 , 此时光纤中 传送光的相位发生改变与参照光相干涉 , 得到与磁场强度成正 比的输出 。 幸 “”“ 黔 握粼濒核瘫 趣 砂 图 用 的光磁传感器 匕一违鲤缨一一 』图 磁致伸缩型磁力传感器 检测的灵敏度与磁性体的磁致伸缩系数的大小 、 膜厚 、 长度有关 。 有人计算过在直径 “ 。 的石英 系纤维上包覆各种不同磁性体膜 , 随着膜厚增加灵敏度提高 , 但到一定的厚度时 灵敏度的提高趋于饱和 。 材料不同灵敏度也不一样 , 磁致伸缩系数大的材料 例如非晶体金 属 可 以做成高灵敏度的传感器 。 现在磁力传感器中灵敏度最高的是用约瑟夫逊超导元件构成的超导量子 干涉仪 , 最小可检测 一 ’“ , 检出频带为 。 光纤陀螺仪 陀螺仪是供飞机 、 火箭 、 船舰 、 潜水艇等指示方向 、 实现姿态控制和 自动运行所不可缺 少的重要仪器 。 至今仍在使用的机械式陀螺仪有以下几个主要缺点 , 需要 电动机等动力装置起动并维持较重 回转体的高速长时间旋转 为了从陀螺仪取出信号需要有 自整角机一类的装置 转子轴和轴承之间的摩擦是造成误差的主要原因 。 此外 , 体积大 、 重量重 、 造价高也是不容忽视的缺点 。 六十年代初期 , 激光陀螺仪的出现对陀螺仪的发展起了划时代的作用 , 成为今天光纤陀 螺仪的基础 。 激光陀螺仪 ① 环形激光陀螺仪 环形激光陀螺仪如图 所示 。 激光共振器由闭合光路构成 。 在环形激光陀螺仪中 , 分别 沿着顺时针和反时针行进的光产生振荡 。 激光及其光路所围成的平面在静止状态下沿两个方 向的传送光振荡频率是相同的 , 如果光路沿某一方向回转例如顺时针方向 , 则两路光到达光 路上同一点时顺时针行进的光所需时间长 , 反时针行进的光所需时间短 , 结果相当于两个方向 光的激光共振器的长度发生了改变 。 两种光的不 同振荡频率差么 同激光回路回转角速度 。成 正比 。 因而 , 用一个半透明镜和一个反射镜使两个方向的光进行干涉 , 测其频率差 , 可 以检 出。 , 然后对 。 进行时间积分可以求出回转角 , 这样用速率陀螺仪或者连同速率积分 陀螺仪 洛 长起工作就行 。 一个陀螺仪可以检测一个平面内的角速度或回转角 , 若使三个陀螺仪互相垂 、一直放置 , 则可以检出三维的回转角 。 活绿形激光陀螺仪没有 可动部分 , 因而没有机械式螺陀仪那些缺点 , 结构简单 , 体积小 , 一 一 百皿,粗 在飞机 、 火箭等飞行体上使用非常有利 。 可是 , 因为环形激光陀螺仪是利用了光的振荡和光路的可动性 , 所以在低速回转时两个 旋向的振荡会产生同步现象 , 即 △ , 因此这种形式的陀螺仪最小检测值约为 一‘ 右左 。 ② 干涉形激光陀螺仪 干涉形激光陀螺仪如图 所示 。 根据 效应 , 沿左右两个方向回旋行进 的光产生 与回转速度成 比例的相位差 , 从而使两个方向的光发生干涉引起光强度变化 。 检测光强度的 变化可 以换算出相位差 。 设系统回转角速度为。 , 相位差为 △ , 则 口 一几叮一一一 ︹月甘△ 其中 , 为光路所包围的面积 , 和凡分别为干涉系统媒质中的光速和波长 。 由式 可知 , △口与 成正 比 。 和环形激光陀螺仪一样 , 也需要通过测量频率差 △ 来检测 。 。 这种陀螺仪在低速回转时灵敏度也不高 , 另外在光路中由于完全的波动或因振动而引起 反射镜的跳动等也会影响灵敏度 。 于于珍东全态态 面积 、、 图 环 形激光陀螺仪 输允。 。“ 叨 图 干涉形激光 陀螺仪 为了克服这些缺点提出了光纤陀螺仪方案 。 光纤陀螺仪 光纤陀螺仪如图 所示 , 它是用光纤来代替干涉形激光陀螺仪的干涉系统光路 。 为了解 决传送光的相位间题应该用单模光纤 , 最好是用损耗低的单模光纤 比如损耗在 一 。 由于光纤非常柔软 , 容许弯曲半径在数厘米以下 , 这样就和用反射镜传送光的激光陀螺 仪不 同 , 它可 以绕成线圈使左右两方向的光发生干涉 , 此时对应式 的相位差 △ 为 △ 一 红 · 元 其中 , 为光纤线圈的匝数 。 即如果线圈面积和干涉形激光陀螺仪光路面积相 同 , 则光纤陀 螺仪的灵敏度将是激光陀螺仪的 倍 , 并且不受空气的波动 , 反射镜的跳动等外界千扰 , 是 很有前途并正在受到重视的小形化高灵敏度的陀螺仪 。 这种陀螺仪在低速回转时灵敏度也要下降 , 为了解决这个问题 , 采用最佳灵敏度方案 。 一 一 最佳灵敏度光纤陀螺仪的光学系统相当复杂 , 如图 所示 。 为此在光纤以外部分应采用 集成光路或者整个系统都由单模光纤最好是保持偏振面单模光纤构成 。 少少少 日、 。 刘刘 图 光纤 陀螺仪 图 最佳灵敏度光纤陀螺仪 这种最佳灵敏度光纤陀螺仪的检出极 限值估计可达 一日 左右 。 除了上面介绍的几种光纤传感器 以外 , 还有光纤 电压传感器 , 光纤 电流传感器 , 光纤应 力传感器 , 光纤挠曲传感器 , 光纤 电磁场传感器 , 光纤光 谱 传 感 器 , 光纤放射线传感器等 等 。 总之 , 凡是机械式或电子式传感器都有可能被光纤传感器所代替 , 在有些领域无法使用 机械式或电子式传感器的地方 , 已被或正在被光纤传感器所填补 , 象用于生物体内的检测 , 用于危险环境如原子炉内的检测等 。 光纤传感器的应用领域非常广泛 , 是正在兴起大有前途 的重要器件 , 亚待人们去研究去开发 。 本文在编写过程中曾得到叶永清 、 李伟凡商同志的帮助 , 在此表示谢意 。 光 纤 陀 螺 作者 和 摘要 本 文论述 尤纤 陀螺原理 , 讨论 了限 制这种 测量装置性能的各种 因素 。 在 仔细 研 究 萨纳 克干 涉仪基础上 , 提 出一种 高性能 光纤 陀螺 。 最后 , 在介绍 光纤 陀螺 的运 用时 , 还谈 及这种 测量 装置 生产时 的技术 问题 。 一 、 前 一二一 口 光学测量在抗 电磁干扰 、 高灵敏度 、 没有活动部件 、 小型化等各方面比其它类型的测量 摘译自 、 爪 , ,