光导纤维传感器

光导纤维传感器 1 光导纤维传感器 一、概述 1970年美国Cornig公司研制成功了传输损耗为20dB/km的石英玻璃光导纤维，这是光通信史上的一个划时代的贡献，它使得人类长期以来试图用光长距离传送信息的愿望得以实现。此后，光导纤维的研制取得了突飞猛进的发展，到1979年，日本已研制出传输损耗仅为0.2dB/km的光导纤维。与此同时，用于光纤通信的光源(半导体激光器LD，半导体发光二极管LED等)，接收器件(PIN-PD，APD等)和其它相关技术也取得了长足的进步。因此，光纤通信技术已步入实用阶段。 在通信中，用光代替电来传输信息，之所以非常优越，关键在于作为光信息载体的光导纤维本身具有许多优点:损耗低、传输频带宽、容量大、不受电磁干扰、绝缘性好、安全防爆、直径细、重量轻、可绕曲、耐腐蚀等。 由于光导纤维具有以上优点，所以很快被应用到了信号检测领域。 利用光导纤维的特性与传输的光学检测技术相结合，近年来国际上已研制出大量的光导纤维传感器，它们可广泛应用于工业，农业，生物医学，国防等方面的各种物理，化学参数的检测，解决了许多从前认为是难以解决，甚至是不能解决的检测技术难题。因此，作为新型检测手段的光纤传感器技术得到了世界上许多国家的高度重视，尤其在近几年来，在实用化方面已得到了飞速发展。 二、光纤传感器技术的发展及其动向 在国际上，以美国发展最快，投资大，成果多，许多项目获得专利。美国光纤传感器消费量以年增长率为30%的速度增长。全美国市场需要的传感器，1983年为10亿美元，到1993年将达到26亿美元。今后美国在光纤传感器方面主要研究: ?光纤传感器系统(FOSS) ?现代数字光纤控制系统(ADOSS) ?光纤陀螺(FOG) ?核辐射监控(NRG) ?飞机发动机监控(AEM) ?民用研究(CRP)。 1 2 英国十分重视光纤传感技术，许多研究所和大学都在进行光纤传感技术的研究，在特殊光纤的研究方面卓有成效。 日本光纤传感技术的研究已制定了庞大的计划，为赶上美国，不惜投入巨额资金，并计划将光纤传感器用于大型工厂，解决生产过程的检测、传输和控制问题。 自1983年4月在英国伦敦召开第一次国防光纤传感器学术交流会以后，又分别在法国、美国、日本等国每隔一年半时间召开一次国际学术会议。 我国在1983年由国家科委新技术局在杭州召开了第一次全国性光纤传感器会议。目前研究工作主要在高校和研究所进行，对一般物理量如位移，温度，电磁参数等许多量的探测均有报导，也有部分产品投入市场。 今后光纤传感技术的研究工作主要集中于以下几方面: (1)研究光纤传感器专用的特殊光纤。因为仅使用通信光纤制作光纤传感器有许多不足之处，根据光纤传感器的要求，制作特殊性能的光纤是发展光纤传感技术的关键。 (2)提高元器件，如光源、探测器、耦合器、偏振元件、接插件等的性能和稳定性，逐步定型生产，达到商品化，满足光纤传感技术的要求。 (3)随着单一光纤传感器逐步达到实用程度，进一步的工作是对于多点监测，遥测，微机联网等光纤传感器系统的研究。 (4)继续深入对光纤传感技术理论和单元技术的研究，发展新型原理的光纤传感器，解决漂移，抗干扰等问题，使尽快实用化。 (5)随着高新技术的不断发展，光纤工艺的不断改进，以及传感器市场的不断竞争，光纤传感技术一定会取得惊人的发展。 2 3 ?4-1光导纤维的基础知识 1 光导纤维的理论 1.1光的全反射原理和光导纤维 1.1.1光的全的全反射原理(是研究光导纤维的基础) 在几何光学中，当光线由光密媒质()射入光疏媒质()，且入射角大于临界nnit 角θc时，就会发生全反射现象。θc由下式决定: ntsin, () θ θ n ,n,nc ictini nt 1.1.2普通光导纤维的构成 普通光导纤维是一种透明的圆柱形细丝，它的中间是折射率较高的透明介质，称为光纤芯，外面一层为折射率较低的透明介质，称为包层。其光纤的截面结构如下图。 光纤芯 包层 高分子涂层(1次被覆层) 硅胶 (2次被覆层) 尼龙外套 φ125μm φ0.9mm 光导纤维按其折射率在径向分布不同分为:阶梯折射率光纤(反射型光纤);渐变折射率光纤(折射型光纤)。 n(r) n(r) nn(0) 1 1 nn 2 2 0 r 0 r 阶梯折射率光纤 渐变折射率光纤 3 4 1.2 阶梯折射率光纤中子午光线的分析 1.2.1子午光线的传输条件 ?子午光线:在光导纤维中，如果某光线的传输路径始终在同一平面内，则称之为子午光线。 ?子午面:包含子午线的平面叫子午面。对于圆柱光导纤维来说，子午面就是包含圆柱体轴线的平面。 ?子午光线的传输 θφ 1 θ n 1 n 0 n 2 设一子午光线以入射角θ入射到光纤的端面，假设其到达光纤芯和包层界面上时满足全反射条件，则依靠不断的全反射，该光线即可在光纤中传输。 根据折射定律 nsin11,0,,nn(-空气中折射率为1，-为光纤芯折射率)(1) 01 sin,nn1 nncos,sin,sin1,=.=. (2) 11 要在界面上满足全反射条件,必须满足 n2sin,, n1 n2222由知, (3) sin,，cos,,1cos,1,()n1 n式中,为光纤包层的折射率. 2 (3)式代入(2)式 22 (子午光线在光纤中传输的条件) (4) sin,,,nn12 4 5 1.2.2 数值孔径 (4)式反映了能在光纤内部传输的子午光线在光纤端面的入射角的范围.也就是说, ,要使子午光线能在光纤中传输,其入射角有一极限值,满足 ,,MM 22sin,,,nn M12 ,,,sin,只有入射角的子午线才能在光纤中传输.即称为光纤的数值孔径,记为MM NA.即 22NA,n,n,sin, (5) M12 nn在与不是很大的情况下,我们定义: 12 22n,nn,nn12222 ,,,,1,2nn2n111 ,-为光纤的相对折射率差,则NA又可示为 NA,n2,1 数值孔径反映了光纤的集光本领,数值孔径越大,光纤对子午光线的集光本领越强. 1.2.3 光纤弯曲对子午线传输的影响 光纤的特点之一就是可以弯曲,但光纤弯曲后将对子午线的传输产生一定的影响. 有部分光逸出 直部 外界面 φ 1 φ φ 02 内界面 ,当光纤发生弯曲时,光线在内部的入射角将发生变化,并且此时子午面只有一个. ,图中,,分别为子午线在光纤的直部、弯部外界面和内界面的入射角. ,,021 ,,,,, 可以证明: 102 ,假设入射角为的光线正好满足全反射条件,则由于光纤弯曲后,显然,,,010该光线在弯曲外界面不能满足全反射条件,将逸出界面. 因此,当光纤弯曲时,一部分子午线将在弯曲部分逸出,从而引起传输损耗,这种损耗叫微弯损耗. 下面看概念. 光纤的微弯损耗 5 6 一般,由于光纤芯的直径是很小的(几个微米至几百微米),当弯曲曲率半径相对于光纤直径来说很大时,局部仍近似于直线,因此弯曲损耗是可以忽略的. 但当弯曲曲率半径较小时,其引起的损耗就不能忽略了,我们称这种弯曲损耗为光纤的微弯损耗. 1.3 斜光线的分析 入射到光纤端面的光线,除了子午光线外,还有许多斜光线. 所谓斜光线:是指与光纤中心轴线既不平行又不相交的光线. 子午光线的传播路径始终保持在一个平面中,而斜光线在光纤中进行一次全反射,平面方位就要改变一次,其光路轨迹是空间螺旋折线,在光纤横截面上的投影如图 传播路径截面投影 传播情况 下面分析斜光线在光纤中的传输条件(如上图)。 设斜光线AB由B点入射,在C,D等点发生全反射.过C,D点分别作平行于轴线OO’的直径与端面相交于P,Q两点. 。，,,,CBP,,90’,'为光线BC与轴线的夹角,, 由于CBP平面和端面BOP垂直,故由立体任何公式有 cos,,,,,,,cos.cossin'cos (6) ,,，OBC式中,为光线BC与光纤界面过B点的法线之间的夹角.将式(6)两边乘以n得 1 nn.sin'coscos,,,, (7) 11 由折射定律得 nnnnsin'sinsin,,,1000 代入(7)式得 (8) ncos,,,,sincos10 n2又因为满足全反射条件为 sin,, n1 6 7 代入(8)式得 22nn,12sin, (斜光线能在光纤中传播的条件) ,0cos, H能在光纤中传输的斜光线的最大端面入射角为 M 22nn,sin,M12 sinH,,Mcoscos,, 式中,,为子午光线的最大入射角. M ,,,,0,cos1讨论: ?因为,所以，即斜光线的极限入射角比子午光H,,MM 线要大. ,,0?当时,即子午光线的情况,此时, H,,MM ?通常把称为斜光线的数值孔径. sinHM ?斜光线的数值孔径>子午光线的数值孔径. 引起传输损耗. ?光纤弯曲同样引起一部分斜光线逸出光纤芯, 1.4光在渐变折射率光纤中的传输 1.4.1光纤的径向折射率分布 渐变折射率光纤芯中的折射率n(r)是径向距离r的函数,中心折射率最大,随着半径增大而逐渐减小. n(r) 0 r 径向折射率分布 1.4.2光在多层介质中的传输 光线在渐变折射率光纤中的传输情况可以作这样的解释: 假设将折射率不同的多 nnnn,,,....层介质按折射率的次序叠在一起,如下面图 1234 n 6 n 5 n 4 n 3 n 2 n 1 光在多层介质中的传输 7 8 n则当光线从介质入射时,光线发生多次折射,不断改变入射角,直到满足全反射条件1 后又折射回来,其轨迹为一条折线. 1.4.3光线的传输轨迹 ?子午光线在渐变折射率光纤中 n 1 n 2 因此,光线的传输轨迹将是一条在渐变折射率光纤中,光纤芯折射率是连续变化的,光滑的曲线.上图即为子午光线在渐变折射率光纤中的传播轨迹. ?斜光线在渐变折射率光纤中的传播轨迹 对于斜光线,它在渐变折射率光纤中传输时是滚动前进的. n 1 n 2 斜光线在渐变折射率光纤中的传播轨迹轴向投影,如上图.其轨迹在横截面的投影: 截面的投影 在特殊情况下,斜光线的前进轨迹的横截面投影为一圆,此时斜光线的前进轨迹为 一条螺旋线. ?子午光线在自聚焦光纤中的传播轨迹 可以证明: 当渐变折射率光纤芯的折射率分布满足下式时 2222224 (9) nrnohdrnodrdr()()sec()()[1()()...],,,，11138 9 no(),式中,为光纤轴心的折射率,为常数.所有子午光线将以相同的周期传输,其1 2,周期为 ,, , n 1 n 2 , 讨论: (1) 对于满足(9)式的渐变折射率光纤,对子午光线具有聚合作用,即同一点入射的子午光线在传播了一定距离后又汇聚到一点.所以这种光纤又称为自聚焦光纤. (2) 以不同入射角入射的子午光线尽管走过的路程不一样,但它的轴向传播速度是相等的. 一般近似取式(9)中的前两项,即 在实际制作时, 222 nrnodr()()[1()],, 11 满足上式折射率分布称为平方分布. 9 10 2 光导纤维的特性 2.1光纤的传输损耗 光在光纤传输过程中,由于种种原因将会产生损耗,损耗的程度可用衰减率来衡量. I(1)衰减率定义:假设光纤的入射光强为,经过1000m传输后强度下降到,则I01衰减率定义为 I 1衰减率 dB/km ,,10lg I 0(2)引起传输损耗的原因 第一种为材料吸收。它是由光纤材料中的金属杂质如铁、铜、铬、镍的电子能级及进入光纤芯及包层的氢氧根离子的振动能级对光能的吸收所引起的。 第二种为散射损耗。散射损耗主要包括由于光纤介质密度起伏引起的瑞利散射，由于温度引起的动态密度起伏引起的布里渊散射及由于原子振动和旋转能级的吸收和再辐射所引起的拉曼散射。 第三种为弯曲损耗。这种损耗产生的原因已在前面分析中做过解释。 (3)不同波长的光在光纤中的传输损耗是不同的。 为了尽量减小传输损耗，工作波长应尽量选择损耗小的波段。 目前常用的波源有: 砷化镓系列(GaAs/AlGaAs) 磷化镓系列(InP/InGaAsP) 半导体激光器 发光二极管 硅和锗光电探测器件的发光光谱和接收灵敏度均与光纤的低损耗波段有良好的匹配。故被广泛用于光纤通信如光纤传感器中。 2.2 光纤的色散 ?光纤的色散是指光纤中传输的各部分光之间存在的速度差，具体在性能上体现为脉冲展宽。 即若有一窄脉冲光输入光纤，由于光纤中存在色散各部分光的传输速度不一样，因此，经过一定距离的传输后，达到终点的时间各不相同。这样使原先脉冲光的脉冲宽度在出射端展宽了，脉冲展宽的程度即反映了光纤色散的大小。 ?引起光纤色散的原因(两个) 模式色散: 在阶梯折射率多模光纤中由于各导入模的传播速度不一样，从而引起的色散称为模式色散。 材料色散又称颜色色散: 它的产生是因为光波在介质中的传播速度是波长的函数。光纤的色散越大，所能传输的调制信号带宽就越窄，即传输信号的容量越小。 10 11 3 光导纤维种类及特性 光纤种类 传光特性 光纤芯 数值孔径 带宽 材料 直径 (μm) 光纤芯 包层 阶梯折射率 50-800 0.3-0.6 20MH.km 石英玻璃 石英玻璃 Z 多模光纤(光 石英玻璃 高分子材料 纤中传输的 复合玻璃 复合玻璃 模式是多个) 高分子材料 高分子材料 渐变折射率 50 0.2-0.3 300 MH.km 石英玻璃 石英玻璃 Z 多模光纤 -1 GH.km Z 单模光纤(只 0.1 40GH.km 石英玻璃 石英玻璃 ,10Z 传输一个模式 的光波 4光纤的连接和耦合 4.1光纤与光纤之间的连接 固定连接:固定连接最常见的是焊接，将要连接的两根光纤的端面对在一起，用专用的光纤焊接机中的高温电火花将两根光纤熔接在一起。 光纤焊接连接 两根光纤在焊接好后，应在外面套上玻璃套管并用胶封好，以保护焊接接头。 光纤连接器: 为了使光纤连接接头能很方便地进行反复装拆，目前已研制出了许多种结构的适用于单模光纤，多模光纤，塑料光纤及多芯光缆的光纤连接器。 单根光纤连接器的结构，包括:支架、准心轴套、金属套、弹簧、光纤心线、光纤护套。 11 12 4.2光纤与光源的耦合 光纤中使用最多的光源为半导体激光器LD(Laser Diode)和半导体发光二极管LED。 光纤与这类光源的耦合方法一般有直接耦合方法一般有直接耦合和透镜耦合两种。 耦合结构也分:固定耦合 可拆接的耦合 (1)光纤与半导体激光器LD的耦合 ?直接耦合(最简单的方法) LD 光纤 0010,30但由于LD的出射光在水平方向发散角约为，而垂直方向发射角约为,//,?0030,60，故其发射光斑为一椭圆形，如下图。 0 10 0 50 半导体激光器输出光束 00而一般光纤的数值孔径所对应的接收角只有10-14。并且，为了保护LD的发射面，不允许将光纤端面与LD直接接触。即中间有一定间距，加上折射率匹配的胶或液体，因此，使LD发射的光斑有所扩大。以上的这两种因素都将使LD发射的光有一部分不能进入光纤中，所以直接耦合的效率较低，一般耦合损耗达5-7dB。 ?透镜耦合 这种耦合是利用透镜的聚光功能提高耦合效率。 LD 光纤 LD 光纤 端部透镜耦合 这样耦合可使耦合损耗降低到1dB和2 dB。 12 13 ?LD和光纤之间外加透镜耦合 LD 光纤 自聚焦透镜 LD 光纤 圆柱透镜 自聚焦透镜 圆柱透镜的作用:是压缩LD在垂直方的发射角，拿出射光斑近似地为圆形。 自聚透镜作用:相当于一焦距很短的凸透镜，起到对LD光束聚焦的作用。 采用组合透镜耦合时，损耗可降低为0.7 dB. (2)光纤与半导体发光二极管LED的耦合 1) 、2) 1)LED的结构主要有鲍洛斯型和端面发光型 - 出射光 电极 N-GaAs(砷化镓) N-AlGaAs P-GaAs P-AlGaAs + P-GaAs 鲍洛斯型 + 电极 P-GaAs(砷化镓) P-AlGaAs 出射光 P-AlGaAs N-AlGaAs - 电极 N-GaAs 端面发光型 13 14 2)耦合方式 鲍洛斯型LED与光纤直接耦合 光纤 胶 - 电极 N-GaAs(砷化镓) N-AlGaAs P-GaAs P-AlGaAs + P-GaAs 鲍洛斯型 端面发光型的LED与光纤耦合的方法与LD相似,耦合的特点:由于LED发光面较大,出射光发散角也较大,故与光纤直接耦合的效率很低.芯径为50um的渐变折射率型光纤与LED的耦合效率一般只有1%-10% 对于GaAs系列LED，其发射功率一般为1-5 m W，耦合进光纤的功率一般只有100uW 左右。 4.3 光纤耦合器 (1)作用:是将一光纤中的光耦合进多根光纤或将多根光纤的光耦合进一根光纤中。 光分配器:将一根光纤中的光耦合进多根光纤 光结合器:将多根光纤的光耦合进一根光纤中。 (2) 常见的光纤耦合器分为:X形光纤耦合;Y形光纤耦合器 I αγI 00 α(1-γ)I 0 Y形光纤耦合器 I α[γI+(1-γ)I] 1 12 I α[(1-γ)I+γI] 212 X形光纤耦合器 α-损耦系数 γ-分光系数 14 15 (3) 光纤耦合器的制作方法 a) 熔融法:将两根光纤并排用高温电火花熔融烧结在一起。 这种方法制成的耦合器特点:损耗小，适用于制作单模光纤耦合器。 缺点:分光比较难控制。 b) 蚀刻法:将两根光纤的外套去掉后绞扭在一起，用化学试剂腐蚀掉一部分包 层后用折射率匹配的胶将其固化好。 不满足全反射 折射率匹配的胶 c) 研磨抛光法:将光纤的外套去掉后固定在具有弧形槽的石英基片中，研磨石 英基片，直到露出光纤芯，并进行抛光。 将两块抛光好的基片合在一起，用折射率匹配的胶粘接在一起，固化后即可。 石英基片 光纤 截面结构 15 16 4-2光纤传感器的概念与原理 一、概述 (光纤传感器的分类 1 从广义上讲: 凡是采用了光导纤维的传感器均可称为光纤传感器。其一般形式为利用光纤本身的特性或外加敏感元件，将外界待测信号的变化调制成光参数的变化，并由光纤传输该信息到光电探测器，通过检测被调制的光参数的变化来检测出待测信号。 若将光看成简谐振荡的电磁波，则其电场分量可表示为，光被E,Esin(,t，,)0调制的四个参数。 2? 光强度 |E|0 ,? 相位 ? 偏振态(E矢量的方向等) ? 频率 , 根据被调制参数的不同，光纤传感器分为四类: ? 强度调制型光纤传感器 ? 相位调制型光纤传感器 ? 偏振调制型光纤传感器 ? 频率调制型光纤传感器 根据光纤在传感器中起的作用不同可分: ? 非功能型光纤传感器 ? 功能型光纤传感器 非功能型光纤传感器是利用外加的敏感元件对光进行调制，而光纤仅仅作为传光之用，故又称为传光型光纤传感器。 特点:对光纤要求不高，结构简单，可靠性好。 16 17 缺点:由于非功能型的光纤传感器中，光调制在光纤外进行，故容易产生附加损耗。 功能型光纤传感器中，光纤不仅用作传光，本身也是敏感器件。 2.光纤传感器的特点 ? 检测精度和灵敏度高 ? 响应速度高，频响宽，可实现非接触高速检测 ? 环境适应性强 ? 体积小，重量轻，具有可集成的潜力 二、强度调制型光纤传感器 特点:结构简单，可靠性好，对光纤要求不高，信号检测简单 1( 强度调制型光纤传感器的基本形式 ? 反射式 当被测表面移动时，引起接收到的反射光强度发生变化。利用该原理，可进行位移，振动和压力等参数的检测 ? 遮光式图 在两根光纤中间放上一遮光板，当遮光板的位置上下发生变化时，引起接收到的光强度发生变化。 该结构可用于位移，振动等参数的检测。 ? 透射式 在两根光纤中间夹一光吸收体，当待测量变化时引起吸收体对光的吸收量发生变化，从而使接收到的透射光强度发生变化。 如当吸收体为半导体晶片时，可用于温度的检测。 ? 微弯式 变形器 17 18 将光纤放于两块齿形变形器中间，当变形器受力时，使光纤发生周期性弯曲，从而使输出光强度发生变化。 可用于位移，力，压力，振动，加速度等参数的检测。 ? 拾感式 辐射体 接收 这种本身无光源，而待测体为一光辐射体。根据光纤收集到的辐射光强度来检测待测量的大小。 例子， 利用黑体辐射来检测温度 ? 受激辐射体 激励光源 荧光体 接收 荧光的强度及当紫外线或放射线照射某类荧光物质时，就会激发出荧(ying)光。谱线与温度等参数有强烈的依存关系。利用这一原理进行温度、放射线辐射量等参数检测。 18 19 ?4-3光纤传感技术 一( 机械量的光纤传感技术 机械量的检测技术地应用于工业自动化，科技，国防等各个领域，尤其在高技术领域中，通常需要提供高精度，高分辨率，安全可靠的检测手段。光纤传感器采用不同的调制技术，可以实现多机械量的检测，某些光纤传感器的检测精度，灵敏度和频响已大大超过了电传感器。 1( 非接触光纤式光电开关:透射式和反射式。 ? 物体的有无、计数 透射式: 当两根光纤中间有物体通过时，光路被遮断，输出光强就发生一跳变。 反射式: 将两根光纤的端部并在一起，其中一根光纤用来传输光源的光，另一根用于接 收反射光。 当物体靠近探头时，反射光强度就发生变化，在达到某一值时，就可以输出一 开关报警信号。 优点:1)由于光纤可挠曲，且直径很小，光纤式开关尤其是反射式，使用起来 非常灵活方便，可用于计数，邻近报警等场合。 2)工作距离，可达到数十毫米。 3)响应时间，0.5ms. ? 转角及转速的检测 利用光纤式开关还可进行转角及转速的测量. 1) 转角角位移测量系统 带自聚焦透镜的光纤 孔径 带自聚焦透镜的光纤 编码盘 2)转速测量系统 利用反射式开关进行转轴的转速测量,在转轴上贴上一反射镜片,则当转轴转过一周时,输出光信号就出现一个脉冲,其脉冲频率即为转轴的转动频率. 19 20 耦合器 LED PD ?转轴扭矩的检测 对旋转扭矩非接触测量,是检测中的一个难题，但利用反射式光纤探头实现扭矩测量,就比较简单。其系统结构如下图. L 光源 接收(B) 光源 接收(A) 在被测轴上装上两个圆周刻有黑白条纹的圆盘,在圆盘下方各放置一反射式光纤探头. 当轴转动时,从光纤探头可输出一周期脉冲信号.当转轴不受扭矩时,两个探头的输出信号经整形后相位差为零.而当转轴受到扭矩时,由于剪切变形,使两个圆盘所在的截面相对转过一个角度,从而使两个光纤探头的输出信号产生一相位差.显然,当转轴直径及材料确定时,该相位差值取决于两截面间的距离L和待测扭矩值. 当L固定时,只要测试A,B两个信号的相位差,即可测出转轴上的扭矩. 信号波形: A B 相位差 2. 位移,振动,加速度的检测 (1) 反射型位移、振动传感器 利用反射光强度进行位移或振动检测的光纤传感器探头结构有以下几种: 双光纤反射型位移探头结构: (a) 20 21 其中一根光纤为输入光纤用于传输光源的光,另一根为输出光纤用于接收反射光. Y型耦合器反射型位移探头结构: (b) 利用Y型光纤耦合器的分类作用将探头部分的光纤合二为一. 由于光纤接收面积及数值孔径的限制,当被测物体材料一定时,接收到的反射光强度取决于光纤端面与被测物体表面之间的距离. 位移特性曲线: 相对 (b1)渐变折射率光纤 输出 光强 (b2)阶梯折射率光纤 对应(a) 位移(mm) 曲线a为(a)探头的特性曲线, 利用曲线上升区或下降区的线性段即可进行位移或振动的检测. 当传感器工作在曲线上升区时,灵敏度较高,分辨力可达几个纳米;当工作在下降区时,灵敏度略低,但动态范围可以增大. 对于(b)图的结构:其特性曲线为单调下降的曲线。 b1曲线为渐变折射率光纤的情况 b2曲线为阶梯折射率光纤的情况 下图是采用Y型光纤束的反射式位移探头. (a)位移探头结构 Y型光纤束中的一束光纤作为输入光纤;另一束作为输出光纤.两束光纤在端部混合在一起. 21 22 (b)位移特性曲线. 相对 R CTI H 输出 光强 光纤束端面距被测体表面距离(mm) 该探头的位移特性曲线的形状与Y形光纤束中两束光纤在混合端面的分布排列形式有关.常见的端面分布形式: 有随机分布型(R型) 半圆分布型(H型) 同心圆型(CTI型)三种。 (R)随机分布型 (H)半圆分布型 (CTI)同心圆分布型 在曲线上升段: R型的位移灵敏度最高,但动态范围最小. H型的位移灵敏度最低,但线性范围及动态范围最大. 在曲线下降段: R型,CTI型以及H型都可获得较大的线性范围. (2) 相位调制型位移,振动传感器 1)用于微位移检测的光纤法-泊干涉系统 激光器 透镜 耦合器 待测物体 I 光电探测器 吸光端 ， IIII 0 1 2 0 d I直接被光纤端面反射的光，仅占4%，光纤端面费涅尔反射 1--- He-Ne激光器 10mv 单模光纤 耦合器3dB 2) 测量原理 来自激光器的光I由耦合器导向光纤的测量端。由于在光纤端面上存在费涅尔反0 射，故大约有4%左右的光I被光纤端面直接反射回来，而另一部分光则射向待测物体1 表面。由待测物表面反射回来的光一部分I进入光纤，而另一部分I’又由端面射向待2022 23 测体。这样，在光纤端面和待测物体之间形成了一个法布里-----泊罗谐振腔，光纤的端面起到了一半透镜的作用。合成光强由耦合器导向探测器。当光纤端面与待测物体表面间的距离d发生变化时，干涉光强就产生明暗变化。 当位移变化时，就可以采用被动的零差检测法，根据干涉光强度的微小,d,,,/2 变化来测出微小的位移变化。 3)系统优点 信号光和参考光均在同一根光纤中传输，可以抵消光纤中的相位漂移，使系统可能设置在一个较稳定的初始相位上，以保证系统的精度和灵敏度。 三、常见的四种干涉系统的结构 1(马赫——曾德尔干涉系统 激光器发出的光由分光器(部分反射，部分透射的透镜)分成两束光，其中一路为信号光，另一路为参考光。这两光束分别经反射镜M1和M2反射后到达第二个分束镜BS2，通过BS2将测量光束和参考光束合成叠加，而产生两光束之间的干涉。通过光探测器就可将干涉信号检测出来。 当反射镜移动，引起信号光的相位相对于参考光发生变化时，合成光的强度就发生变化。 BS1 参考光 M1 激光器 M2 测量光 BS2 PD1探测器 PD2探测器 ,显然，当两者相位差为的偶数倍时，干涉光强度最大; ,当两者相位差为的奇数倍时，干涉光强度最小。 特点:?避免干涉光路的光再反射回光源 ?能获得双路互补干涉输出(PD1和PD2)，便于进行信号接收和处理。 2( 麦克尔逊(Michelson)干涉仪 激光器 探测器 激光器发出的光由分束器分成两束，分别经原路反射后又合在一起导向控测器。 同样，当信号光路中的反射镜发生移动时，使两束光的相位差发生变化，从而使到 23 24 达探测器上的干涉光强发生变化。 3(萨格纳克干涉仪 , 激光器 探测器 激光器发出的光由分束器分成两束，在同一光路中以相反方向传播。当整个系统发生旋转时，两束相向传播的光将产生光程差，从而使合成光发生干涉。该效应称为萨格纳克效应。 由旋转引起的相位差可表示为: kS4A, ,,,C k式中，--自由空间的波数量 S---光路所包围的面积 A C------光速 ,----系统的旋转角速度 利用萨格纳克效应可制成光纤陀螺，用于转动的精密检测。 4(法布里——珀罗(Fabry-Perot)干涉仪 激光器 探测器 BS1 BS2 法布里—珀罗干涉仪是一多光束干涉系统，BS1和BS2为两块具有高反射率的部分透射，部分反射透镜。激光器发出的光在两块分束器之间反复反射，从探测器上接收到的光为每次反射从BS2透射出来的光的合成光。当BS2发生移动时，合成光强度将产生变化。 特点:?多光束干涉系统 ?在谐振腔中每两束光之间的相位差是一样的。 ?灵敏度极高 四、四种光纤干涉仪的基本结构 如果用光纤耦合器取代干涉仪中的分束器，则可制成全光纤干涉仪。 24 25 1( 马赫—曾德尔干涉仪 2( 麦克尔逊干涉仪 3( 萨格纳克干涉仪 4( 法布里—珀罗干涉仪 说明: 1(上述相位调制型光纤传感器大多是利用光纤本身作为敏感元件，放置在待测信号场中，所以增加光纤的长度就可以有效地提高传感器的灵敏度。 2(为了使干涉系统产生明显的干涉效应，要求信号光和参考光强基本一致且偏振方向相同。 3(求光纤耦合器为3dB耦合器，且往往要采用单模保偏光纤。 4(干涉仪中信号臂和参考臂的长度应尽量接近。 第四章 作业题 1( 引起传输损耗的原因有哪几种，简述之。 答: ?材料吸引 ?散射损耗(瑞得散射，布里渊散射，拉曼散射) ?弯曲损耗 2( 什么是子午光线，子午光线在光纤中传输的条件，什么是斜光线，斜光线在 光纤中传输的条件, 3(?光纤耦合器的作用是什么, ?常见的光纤耦合器有哪几种，并画图说明, 4(画出常见的四种干涉系统 5(画出子午光线在自聚焦光纤中的传输轨道 25