1、12 一 直接作用法受被测物理量控制的光通量，经光电接收器转换成电量后由检测机构直接得到欲测的物理量，测量框图如图所示。直接测量法的最大优点是简单方便，仪器设备造价低廉。这种方法的缺点是检测结果受参数、环境、电压波动等影响较大，精度及稳定性较差。适合于测量精度要求不高的场合。 根据检测原理光电检测的基本方法有直接作用法、差动法、补偿法和脉冲法等。4.1.1 光电检测基本方法34.1.1 光电检测基本方法 二 差动法利用被测量与某一标准量相比较，所得差或比反映了被测量的大小。例如，用双光路差动法测量物体的长度，如图所示。 44.1.1 光电检测基本方法 1调整：放入标准工件的尺寸，调整光楔，使1
2、2，使A表读数为“0”。当工件尺寸无误差时，使12，光电传感器输出U无交变分量，见图。当工件尺寸变小时，12，US(1-2)R=SR。 当工件尺寸变大时，1 c c的光线都将被限制在光纤芯中，这就是光纤导光的基本原理。的光线都将被限制在光纤芯中，这就是光纤导光的基本原理。 n2n1n0ir光纤的一个外特性参量是光纤的数值孔径数值孔径(Numerical Aperture)，它代表它代表了光纤的集光能力了光纤的集光能力：NA = n0sini = n1cosc = (n12-n22)2在光纤技术中常引用相对折射率差121212221nnnn2nn342）利用导波理论可将光纤分为多模光纤与单模光纤
3、。因此因此NANA近似的可表示为：近似的可表示为：211)2(nNANA数值孔径代表光纤的集光能力，只取决于折射率，而与光纤的芯径无关。这个结论在一般的多模光纤中是正确的。但当光纤芯径降到一定值时，此时射线理论不能解释可能产生的干涉现象，数值孔径的概念实际不存在。因此在单模光纤中不用数值孔径的概念。有时是为了形象比较而借用此名称，但并不直接表征接收角的大小。多模光纤的纤芯直径2a = 50m ，单模光纤的纤芯直径2a = 8 12m，包层直径均为50m。在多模光纤中，可以激励起大量的传输模式，不同模式在横向的功率分布是不同的，入射的光功率按一定比例分配给这些模式进行传播，不同模式在轴向的传播常
4、数不同。在单模光纤中，通常只能激励起一个模式，称为基模。 3）光纤的两个重要特性：损耗特性和色散特性35連續型折射率分佈之光纖單模光纖階梯型多模光纖n2n2n1折射率分佈364.4.1 元件型光纤传感器元件型光纤传感器 一、微弯损耗光纤传感器一、微弯损耗光纤传感器基于微弯损耗机理的强度调制型传感器的结构如图所示基于微弯损耗机理的强度调制型传感器的结构如图所示 。传感光纤被夹。传感光纤被夹在一个变形器中，变形器具有一定的变形函数，当外力使变形器的上下在一个变形器中，变形器具有一定的变形函数，当外力使变形器的上下两部分靠近，则光纤将会按照变形器的变形函数形状发生弯曲变形，光两部分靠近，则光纤将会按
5、照变形器的变形函数形状发生弯曲变形，光纤中传输光产生损耗。因此由光纤中光功率的数值可得到诸如压力、位纤中传输光产生损耗。因此由光纤中光功率的数值可得到诸如压力、位移等被测量的大小。移等被测量的大小。光输入光输入光输出光输出变形器变形器多模光纤多模光纤L微弯损耗光纤传感器原理微弯损耗光纤传感器原理37qztDzfsin)()(qT/2设光纤的微弯变形函数为正弦型设光纤的微弯变形函数为正弦型式中式中D(t) 外界信号导致的弯曲幅度；外界信号导致的弯曲幅度； q 空间频率；空间频率； z 变形点到光纤入射端的距离；变形点到光纤入射端的距离；设光纤微弯变形函数的微弯周期为设光纤微弯变形函数的微弯周期为
6、T，则有，则有 根据光纤模式理论，可得到微弯损耗系数根据光纤模式理论，可得到微弯损耗系数 的近似表达式的近似表达式:38K式中式中 比例系数；比例系数；L光纤中产生微弯变形的长度；光纤中产生微弯变形的长度；光纤中光波传播常数差；光纤中光波传播常数差；222/)(2/)(sin)(41LqLqLtKDq式表明，与光纤弯曲幅度D(t)的平方成正比，弯曲幅度越大，模式耦合越严重，损耗就越高。 还与光纤弯曲变形的长度成正比，作用长度越长，损耗也越大。 与光纤微弯周期有关，当当 时产生谐振，微弯损耗最大。因此，从获得最高灵敏度的角度考虑，需要选择合适的微弯周期。39aalnnlll)(二、干涉式光纤传感
7、器二、干涉式光纤传感器 对上式微分得：式中，第一项表示光纤长度变化引起的相位差（应变效应或热胀效应），第二项为光纤折射率变化引起的相位差（光弹效应或热光效应），第三项为光纤芯径变化引起的相位差（泊松效应）。对调制在相位中的信号需要进行解调，用于光相位解调的干涉结构有多种，如双光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法及环形干涉法等，此处主要介绍双光束干涉法。l光波通过长度为 的光纤，其相位延迟为l其中为光波在光纤中的传播常数，nk040光源光源探测器探测器信号臂信号臂参考臂参考臂3dB(a) 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 双光束光纤干涉仪有迈克尔逊双光束光纤干涉仪有迈克尔逊(Michlson)干涉
8、仪、马赫干涉仪、马赫-曾德尔曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪及斐索干涉仪及斐索(Fizeau)干涉仪，基本结构如图所示。干涉仪，基本结构如图所示。在迈克尔逊干涉仪中，光源发射光经在迈克尔逊干涉仪中，光源发射光经3dB光纤耦合器被分成功率相等的两部分，分光纤耦合器被分成功率相等的两部分，分别进入别进入信号臂光纤与参考臂光纤信号臂光纤与参考臂光纤，然后分别被端面的反射镜反射回各自的光纤中，然后分别被端面的反射镜反射回各自的光纤中，在信号臂光纤中传输的光波相位被调制，在参考臂光纤中传输的光波相位与外界无在信号臂光纤中传输的光波相位被调制，在参考臂光纤中传输的光波相位与外界无关。被反射回来的光
9、波在关。被反射回来的光波在3dB耦合器另一端汇合，产生干涉条纹，信号由与此端相耦合器另一端汇合，产生干涉条纹，信号由与此端相连的探测器接收。连的探测器接收。 1）迈克尔逊干涉仪）迈克尔逊干涉仪 41光源光源信号臂信号臂参考臂参考臂3dB探测器探测器3dB(b) 马赫马赫-曾德尔干涉仪曾德尔干涉仪光源光源探测器探测器传输光纤传输光纤3dBM1M2自聚焦透镜自聚焦透镜(c) 斐索干涉仪斐索干涉仪2）马赫）马赫-曾德尔干涉仪曾德尔干涉仪3）斐索干涉仪）斐索干涉仪马赫马赫-曾德尔干涉仪使用了两个曾德尔干涉仪使用了两个3dB耦耦合器，光源发出的相干光由第一个合器，光源发出的相干光由第一个3dB耦合器进入
10、信号臂光纤与参考臂耦合器进入信号臂光纤与参考臂光纤，在经第二个光纤，在经第二个3dB耦合器后在探耦合器后在探测器端汇合，产生干涉条纹。马赫测器端汇合，产生干涉条纹。马赫-曾德尔干涉仪的优点是克服了迈克尔曾德尔干涉仪的优点是克服了迈克尔逊干涉仪中反馈光波对光源的影响，逊干涉仪中反馈光波对光源的影响，得到广泛的应用。得到广泛的应用。 在斐索干涉仪中，光源发出的相干光束在斐索干涉仪中，光源发出的相干光束经经3dB耦合器进入传输光纤，在光纤出射耦合器进入传输光纤，在光纤出射端一部分被光纤端面反射回光纤中，一端一部分被光纤端面反射回光纤中，一部分从光纤输出后又被一个外部的反射部分从光纤输出后又被一个外部
11、的反射镜反馈回光纤中，这两部分反馈光在耦镜反馈回光纤中，这两部分反馈光在耦合器的另一端汇合产生干涉条纹。通常合器的另一端汇合产生干涉条纹。通常在光纤出射端加一自聚焦透镜来提高外在光纤出射端加一自聚焦透镜来提高外部反馈光的耦合效率。这种干涉仪的特部反馈光的耦合效率。这种干涉仪的特点是结构非常简单，通过改变光纤端面点是结构非常简单，通过改变光纤端面与外部反射镜的间距就可以实现对光纤与外部反射镜的间距就可以实现对光纤中光波相位的调制。中光波相位的调制。42ststiEE)(exp101rtiEEexp202)exp()exp()(exp2010tiiEtsiEErs)(cos10rstskII现以双
12、光束干涉仪为例来分析干涉场。设信号光与参考光的场强分别为：现以双光束干涉仪为例来分析干涉场。设信号光与参考光的场强分别为： 两光束相干产生的干涉场分布为两光束相干产生的干涉场分布为相应的光强分布为相应的光强分布为这样，可将相位变化转换为强度变化，可以获得被测信号的大小。这样，可将相位变化转换为强度变化，可以获得被测信号的大小。43光纤光栅是利用光纤的光折变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，光纤光栅是利用光纤的光折变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅根据其折射率分布形式有光纤在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅根据其折射率分布形式有光纤Bragg光栅、
13、啁啾光栅等光栅、啁啾光栅等光纤光纤Bragg光栅（光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）是一种反射型滤波器件，）是一种反射型滤波器件，其机理是后向传播的其机理是后向传播的LP01模与前向传播的模与前向传播的LP01模之间发生耦合，根据相模之间发生耦合，根据相位匹配条件，要求光栅周期很小，一般小于位匹配条件，要求光栅周期很小，一般小于1m。FBG的传输特性如图所的传输特性如图所示。示。 I IFBGFBG反射谱反射谱B BI I输入谱输入谱I IFBGFBG透射谱透射谱B B三、光纤光栅传感器三、光纤光栅传感器 FBG的反射光波中心波长为effBn245effeffBnn22由于
14、光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界信号如温度、压力的作用下，光纤将产生轴向应变与折射率变化，栅距也随之变化，导致反射波长变化：光纤光栅的反射波长受到被测量的调制产生偏移，解调出波长变化就可以得到被测量。解调方法有光谱法，用光谱仪直接测量反射谱或透射谱，是最简单的方法，但光谱仪的价格较高，而且不适合在线实时测量。此外还有波长扫描法、光学滤波法及干涉法。在此介绍干涉解调法。由光纤光栅反射回来的光波进入不等臂马赫-曾德尔干涉仪，设干涉仪参考臂与测量臂几何长度差为 ，则干涉信号相位为：LLnB12当反射波长变化 ，则干涉信号相位亦随之改变，变化量为：BBBLn212由相位变化量可以得到波长偏
15、移量，进而获得温度或压力信息。46lHVd四、法拉第电流传感器四、法拉第电流传感器 法拉第电流传感器是利用光纤的磁光效应实现电流测量的，按调制参数分类，则属于偏振调制型。磁光效应，又称法拉第（Faradag）效应，是指某些物质在外磁场的作用下，使通过它的线偏振光的偏振方向发生偏转。设法拉第材料的长度为l，沿长度方向施加的外磁场强度为H，则线偏振光通过它后偏振方向旋转的角度为光纤的磁光效应最典型的应用就是高压传输线用的电流传感器，其结构如图所示。将光纤绕在被测导线上，设圈数为N，导线中通过的电流为I，由安培环路定律，距导线轴心为R处的磁场为 P2 WP 探测器1探测器2I1I2光源光纤光纤I P
16、12121IIIIRIH247IRlVd2INVd由以上两式可得偏转角RNl2，代入上式得绕在导线上的光纤长度为通过光纤的光偏振面偏转角与被测电流及光纤的匝数成正比，与光纤圈半径大小无关由于探测器不能直接检测光的偏振态，需要将光偏振态的变化转换为光强度信号。一种检测方法采用Wollaston棱镜WP，由光源发射的激光经起偏器P1变为线偏振光进入传感光纤，在输出端将检偏器P2输出的正交偏振分量在空间上分成两路输出，分别被探测器1与探测器2接收。探测器1与探测器2接收的光强信号分别为)4/(cos201 II)4/(sin202 II经信号处理可得到偏振面的偏转角21211sin21IIII该解调
17、方法的特点是可以有效消除光源强度波动对测量结果的不利影响。484.4.2 传输型光纤传感器传输型光纤传感器一、反射式位移传感器一、反射式位移传感器反射式位移传感器 ，其基本原理如图所示。光源发出的光通过光纤射向被测物体，其反射光由接收光纤收集，送到探测器，接收光强将随着反射物体表面与光纤探头端面的距离变化。通过信号处理得到光纤端面与被测面之间距离的变化（位移）。 探测器光源被测面被测面传输光纤传输光纤接收光纤接收光纤反射式位移传感器反射式位移传感器为了定量的说明接收光强变化与位移之间的关系，参考下图。反射镜面即被测物的移动是与光纤探头端面垂直的。反射镜面在其背面距离d处形成输入光纤的虚象。因此
18、光强调制作用是与虚光纤和接收光纤的耦合是等效的。49Ra交叠面R= r+2dT接收光纤被测面传输光纤传输光纤像da2rii0sinsinnNAd2atan)NAtan(sinTi1当距离 时，两光纤的光耦合为零，即没有反射光进入接受光纤； Tad2/当 时，两光纤的耦合最强，接收光强达到最大值。此时输入光纤的像发出的光锥完全覆盖接收光纤端面。Trad2/ )2( 假设两根光纤均为阶跃折射率光纤，芯径为2r，数值孔径为NA，两光纤间隔为a，并定义 )tan(sin1NAT50)(exp)0 ,(),(xIxIggEhh2/1)(gEhA二、半导体吸收温度传感器二、半导体吸收温度传感器)0,(I设
19、入射光强为 ，在经过长度为x的半导体材料后，出射光强为只有能量大于半导体材料的禁带宽度Eg的光子才能被吸收：式中 普朗克常数； 光频； 产生本征吸收要求的最低光频，对应波长为hgg比如对于GaAs半导体材料，当光子能量hv大于材料的禁带宽度Eg时，吸收系数可以写成：另一方面，对于GaAs材料，其禁带宽度Eg与温度具有如下关系：tbatEtEgg2)0()(51图为透射式传感器的结构示意图。一宽光谱光源发出的光耦合进光纤中，图为透射式传感器的结构示意图。一宽光谱光源发出的光耦合进光纤中，在两传输光纤之间放置一在两传输光纤之间放置一GaAs半导体薄片，厚度约半导体薄片，厚度约150m，两根光纤对，
20、两根光纤对准之后用树脂胶密封。透射光由探测器接收。准之后用树脂胶密封。透射光由探测器接收。GaAs材料的吸收范围在材料的吸收范围在900nm 附近，因此光源光谱应覆盖这一范围。当温度升高时，透射光强附近，因此光源光谱应覆盖这一范围。当温度升高时，透射光强度降低，可感知温度的变化。度降低，可感知温度的变化。 光源探测器传输光纤GaAs半导体吸收温度传感器示意图52)cos21(vcffd三、光纤多普勒速度传感器三、光纤多普勒速度传感器 如图所示，当频率为 f 的激光经光纤照射到以速率v为运动的散射物体O上时，一部分散射光又进入到光纤中，其光频为:反射光波fd3dB光电检测与信号处理系统激光光源v入射光波fO光纤多普勒速度传感器原理示意图通过测量多普勒频移 ，即可得到物体运动速率。这种频率调制光纤传感器适合于血流、气流或其他流体的流速及运动粒子的测量。 dfff
