1、光纤传感技术光纤传感技术Optical fiber sensors第第 五五 章章 光纤光纤传感器基本原理传感器基本原理F Fundamentalundamental of Optical of Optical Fiber Sensor Fiber Sensor 二、相位调制机理二、相位调制机理三、频率调制机理三、频率调制机理四、波长调制机理四、波长调制机理 五、偏振调制机理五、偏振调制机理光光 调调 制制 概概 念念光调制就是将信息加到载波光波上，使载波光波光调制就是将信息加到载波光波上，使载波光波的某一参数随外加信号变化而变化，这些参数包的某一参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的括
2、光波的等。承等。承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器检测，然后解调出所需要的信息。检测，然后解调出所需要的信息。外界被测参数外界被测参数与进入调试区与进入调试区的光相互作用的光相互作用光强、波长、频率、光强、波长、频率、相位、偏振态等发相位、偏振态等发生变化生变化被被测测参参数数光纤传感器分类光纤传感器分类传传光光型型传传感感型型只只“传传”不不“感感”“传传”“”“感感”合一合一关键部件是光转换敏感元件。光关键部件是光转换敏感元件。光转换元件与待测对象相互作用时，转换元件与待测对象相互作用时，光转换元件自身的性能发生了变光转换元件自身的性能发
3、生了变化，光纤送来的光波通过化，光纤送来的光波通过它时，光波参量发生了相关变化，它时，光波参量发生了相关变化，空载波变成了调制坡，携带了待空载波变成了调制坡，携带了待测量信息。或者是不采用任何光测量信息。或者是不采用任何光转元件，仅由光纤的几何位置排转元件，仅由光纤的几何位置排布实现光转换功能，结构十分简布实现光转换功能，结构十分简单。单。光纤本身起敏感元件的作用。光纤与光纤本身起敏感元件的作用。光纤与被测对象相互作用时，光纤自身的结被测对象相互作用时，光纤自身的结构参量构参量( (尺寸和形状尺寸和形状) )发生变化，光纤发生变化，光纤的传光特性发生相关变化，光纤中的的传光特性发生相关变化，光
4、纤中的光波参量受到相应控制，即在光纤中光波参量受到相应控制，即在光纤中传输的光波受到了被测对象的调制，传输的光波受到了被测对象的调制，空载波变为调制波，携带了被测对象空载波变为调制波，携带了被测对象的信息；或者是光纤与被测对象作用的信息；或者是光纤与被测对象作用时，光纤自身的结构参量并不发生变时，光纤自身的结构参量并不发生变化，而光纤中传输的光波自身发生了化，而光纤中传输的光波自身发生了某种变化，携带了待测信息。某种变化，携带了待测信息。传感型传感型传光型传光型待测物理量引起光纤中传输的光波强度发生变化，待测物理量引起光纤中传输的光波强度发生变化，通过检测光强的变化实现待测物理量的测量。通过检
5、测光强的变化实现待测物理量的测量。被被测测信信号号光探光探测器测器强强度度调调制制方方式式反射式强度调制反射式强度调制透射式强度调制透射式强度调制折射率强度调制折射率强度调制吸收系数强度调制吸收系数强度调制光模式强度调制光模式强度调制输入光纤将光源的光输入光纤将光源的光射向被测物体表面，射向被测物体表面，再从被测面反射到另再从被测面反射到另一根输出光纤中，其一根输出光纤中，其光强的大小随被测表光强的大小随被测表面与光纤间的距离面与光纤间的距离d而变化。而变化。这是一种非功能型光纤传感器，这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用。光纤本身只起传光作用。反射镜面的移动方向是与光纤探头端面垂
6、反射镜面的移动方向是与光纤探头端面垂直的，反射镜面在其背面距离直的，反射镜面在其背面距离 处形成输入光纤的虚象，处形成输入光纤的虚象，因此，光强调制作用是与虚光纤和输出光纤的耦合相因此，光强调制作用是与虚光纤和输出光纤的耦合相联系的。联系的。设两光纤皆为阶跃折射率光纤，芯径为设两光纤皆为阶跃折射率光纤，芯径为，数值孔径为，数值孔径为 ，两光纤垂直距离为，两光纤垂直距离为反射型光强外调制示意图ad2r输出光纤输出光纤输入光纤的镜像输入光纤的镜像输入光纤输入光纤输出光纤输出光纤a输入光纤输入光纤2d反射型光强外调制示意图ad2r输出光纤输入光纤的镜像输入光纤的镜像输入光纤输出光纤输出光纤a输入光纤
7、输入光纤输出光纤输出光纤a输入光纤输入光纤R.).(sin1ANtgT令：d2r2TdrR2返回返回输出光纤输出光纤a输入光纤输入光纤R.).(sin1ANtgT令：d2r2TdrR2率为零。时进入输出光纤的光功，即当TadarR2输出光纤输出光纤a输入光纤输入光纤Rd2r2TdrR2率达到最大。时进入输出光纤的光功，即当TradarR223 当距离当距离 时，两光纤的时，两光纤的耦合为零，无反射光进入输耦合为零，无反射光进入输出光纤；出光纤；Tad2Trad22当当 时，两光纤耦合最时，两光纤耦合最强，输出光强达最大值，此时强，输出光强达最大值，此时输入光纤的像发出的光维底面输入光纤的像发出
8、的光维底面积将输出光纤端面积全部遮盖，积将输出光纤端面积全部遮盖，p pr2是一个常数，光维底面积是一个常数，光维底面积为为p p(dT)2即检测位移的范围：即检测位移的范围：之间和TraTad222Trd 因此最大检测范围：因此最大检测范围：在在 定 量 计 算 光 耦 合 系 数定量计算光耦合系数，必定量计算光耦合系数，必须先计算输入光纤像的发须先计算输入光纤像的发光维体面积与输出光纤端光维体面积与输出光纤端面的交叠面积，如果精确面的交叠面积，如果精确计算，则必须使用计算，则必须使用gamma方程，十分复杂方程，十分复杂 。r交叠面积交叠面积如果作线性近似，即将维体边缘与输如果作线性近似，
9、即将维体边缘与输出光纤芯交界的弧线作为直线处理，出光纤芯交界的弧线作为直线处理，则可得到线性解，在线性近似下，可则可得到线性解，在线性近似下，可求得交叠面积与光纤芯面积之比为：求得交叠面积与光纤芯面积之比为： rrrrp1cossin11cos111）（r模型模型r式中式中 为交叠面积的高，为交叠面积的高，由由 d 决定决定： 假定反射镜面无光吸收，两光纤的光功率假定反射镜面无光吸收，两光纤的光功率耦合效率耦合效率F ，即为交叠面积与光维底面积，即为交叠面积与光维底面积之比：之比：adT 222rdTrFr交叠面积交叠面积例：芯径例：芯径2r=200m mm，N.A.=0.5的阶跃光纤，的阶跃
10、光纤，a=100m mm, 计算结果表明最大耦合效率计算结果表明最大耦合效率Fmax=7.2% , 发生于发生于d=320m mm处。处。d(m mm)Fmax=6.62%(计算结果计算结果)22dTrF上面的分析作了很多简化处理：除了线性假设部分上面的分析作了很多简化处理：除了线性假设部分，还假定了光纤为阶跃型光纤；模谱是均匀一，还假定了光纤为阶跃型光纤；模谱是均匀一致的，即功率密度在光维底面上是均匀的；反射致的，即功率密度在光维底面上是均匀的；反射面平行于光纤端面；反射率为面平行于光纤端面；反射率为100等。等。发射光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光发射光纤与接收光纤对准，光强
11、调制信号加在移动的遮光板上，或直接移动接收光纤，使接收光纤只能收到发射光板上，或直接移动接收光纤，使接收光纤只能收到发射光纤发出的部分光，从而实现光强调制。待测物理量的变化纤发出的部分光，从而实现光强调制。待测物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离x。调调制制信信号号动光纤式光强调制模型动光纤式光强调制模型位移、压力、位移、压力、温度等温度等当光纤发生弯曲时，当光纤发生弯曲时， 会引起光纤中的模式耦合，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，这就是微弯损耗。这就是微弯损
12、耗。利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹在两块具周期性波纹的微弯变形器中，精确地把在两块具周期性波纹的微弯变形器中，精确地把微弯损耗与引起微弯的器件的位置及压力等物理微弯损耗与引起微弯的器件的位置及压力等物理量联系起来制成各种光纤微弯传感器。量联系起来制成各种光纤微弯传感器。纤芯中的光向包层逸出的原因：纤芯中的光向包层逸出的原因：说是由于全反射条件的破坏造成说是由于全反射条件的破坏造成的；的；则是光纤的弯曲引起了各种传则是光纤的弯曲引起了各种传导模式的耦合，则形成耦合模式被送入包层中导模式的耦合，则形成耦合模式被送入包层中去产生辐射模。去产生辐射
13、模。传感器的灵敏度主要与三个因素有关：微弯幅度、微传感器的灵敏度主要与三个因素有关：微弯幅度、微弯数目、微弯周期。其中弯数目、微弯周期。其中，且有，且有一个与传感光纤有关的临界周期一个与传感光纤有关的临界周期L Lc。当光纤微弯周期。当光纤微弯周期接近于临界周期时，光纤中光功率损耗急剧增加，即接近于临界周期时，光纤中光功率损耗急剧增加，即光纤传感灵敏度显著增加。光纤传感灵敏度显著增加。实用中的光纤微弯传感器如图所示，实用中的光纤微弯传感器如图所示，由多模光纤与一个空间周期为由多模光纤与一个空间周期为L L的梳的梳状调制器构成，当外界压力、位移或状调制器构成，当外界压力、位移或振动等使调制器变形
14、时，将改变光纤振动等使调制器变形时，将改变光纤弯曲部分的模振幅，从而对光纤中传弯曲部分的模振幅，从而对光纤中传输光强度产生调制。输光强度产生调制。微弯光强调制的基本原理是将纤芯中的传输微弯光强调制的基本原理是将纤芯中的传输导模耦合入辐射模，随着微弯机制的变化，导模耦合入辐射模，随着微弯机制的变化，无论是光纤中的透射光强，还是逸出光纤的无论是光纤中的透射光强，还是逸出光纤的辐射光强都将发生变化。问题是，辐射光强都将发生变化。问题是，什么样的什么样的微弯机制才能导致有效而且线性的光强调制微弯机制才能导致有效而且线性的光强调制? ?这个问题涉及到光纤的模式耦合理论，这里这个问题涉及到光纤的模式耦合理
15、论，这里仅作一些简单讨论。仅作一些简单讨论。 光纤模式耦合理论指出，在周期性微弯作光纤模式耦合理论指出，在周期性微弯作用下，要实现有效的模式耦合有如下规律用下，要实现有效的模式耦合有如下规律可循：如果微弯的空间周期为可循：如果微弯的空间周期为L L，如果选择，如果选择该周期使其与两个模该周期使其与两个模(例如一个导模例如一个导模b b与一与一个辐射模个辐射模b b)的的传播常数传播常数之差之差bb相匹配，即相匹配，即:Lpbbb2| |则这两个模式就发生耦合。则这两个模式就发生耦合。Lpbbb2| |znpbcos2z光纤的折射率分布：光纤的折射率分布：n11-2 1/2=n2 r an11-
16、2 (r/a)g1/2 0 r ag =2 称为抛物线分称为抛物线分布或平方律分布布或平方律分布n(r)= g = 由波导理论，相邻两个模式的传播常数差由波导理论，相邻两个模式的传播常数差bb由下由下式给出：式给出：式中式中m是模序数，是模序数，M是模总数，是模总数， 为相对折射率差。为相对折射率差。对于抛物线折射率分布的光纤对于抛物线折射率分布的光纤g2，则，则上式表明，在抛物线折射率分布光纤中上式表明，在抛物线折射率分布光纤中bb与模序数与模序数m无关，在无关，在b b空间中所有的模间隔都相等。空间中所有的模间隔都相等。ggmmMmagg222/11)(2)2(bbba2/1)2( b注意
17、：式（注意：式（59）有误）有误既然所有传输模的传播常数差是等间隔的，那么当既然所有传输模的传播常数差是等间隔的，那么当一个导模被泄漏到另一导模时，所有的导模都能被一个导模被泄漏到另一导模时，所有的导模都能被泄漏入邻近的模。从而达到模式间的最佳耦合。泄漏入邻近的模。从而达到模式间的最佳耦合。Lacp2Lpb2)2(2/1a对于抛物线分布光纤，最佳耦合情况下变形器的临界对于抛物线分布光纤，最佳耦合情况下变形器的临界空间周期为：空间周期为：对于阶跃光纤，对于阶跃光纤，g )(21Mmammbbb该式表明该式表明bb与模序数与模序数m有关。因为辐射模与高阶模有关。因为辐射模与高阶模的耦合最易发生。当
18、的耦合最易发生。当m=M时，相邻模耦合所需要时，相邻模耦合所需要的空间周期间隔为：的空间周期间隔为：Lpa光纤由变形器引起微弯变形时，纤芯中的光有一部分光纤由变形器引起微弯变形时，纤芯中的光有一部分逸出到包层。若采取适当的方式探测光强的变化，则逸出到包层。若采取适当的方式探测光强的变化，则可知道位移变化量，据此可以制作出可知道位移变化量，据此可以制作出光纤传感器。光纤传感器。微变形光纤强度调制传感器的优点：微变形光纤强度调制传感器的优点：。 0 0称为光纤孔径角称为光纤孔径角)1arcsin(222100nnn通过改变通过改变n1与与n2之间的差，可以改变传输损之间的差，可以改变传输损耗。因此
19、，根据传输光功率的变化可确定物耗。因此，根据传输光功率的变化可确定物理量的变化。理量的变化。n1n2 0 0设液体折射率随温度升高而减小设液体折射率随温度升高而减小)1arcsin(:222100nnn光纤孔径角n1n2TT22nnTT时，当 )1arcsin(:222100nnn光纤孔径角n1n2含油含油液体液体1)1arcsin(:222100nnn光纤孔径角n1n2含油含油液体液体2x射线、射线、g g射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而构成强度调增加，使光纤的输出功率降低，从而构成强度调制辐射量传感器，其原理如图制辐射量传
20、感器，其原理如图516(a)所示。所示。改变光纤材料成分可对不同的射线进行测改变光纤材料成分可对不同的射线进行测量。如选用铅玻璃制成光纤，它对量。如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、射线、g g射线、中子射线最敏感，图射线、中子射线最敏感，图5-16(b)是这种是这种材料的吸收特性与射线剂量的关系曲线。材料的吸收特性与射线剂量的关系曲线。用这种方法做成的传感用这种方法做成的传感器既可用于卫星外层空器既可用于卫星外层空间剂量的监测，也可用间剂量的监测，也可用于核电站、放射性物质于核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积堆放处辐射量的大面积监测。监测。r返回返回z方向单位长度位相变化率方向单位长度位相变化率，即，即波矢量波矢量k的的z-分量分量k=n(r)k0bzzcp20k返回返回zznkpbcos2cos
