第七章光纖傳感技術(shù)光纖的根本概述功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器光纖傳感器的應(yīng)用舉例1/16/20241光導(dǎo)纖維傳感器〔簡(jiǎn)稱(chēng)光纖傳感器〕是20世紀(jì)七十年代迅速開(kāi)展起來(lái)的一種新型傳感器。光纖最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的開(kāi)展，光纖傳感器得到進(jìn)一步開(kāi)展。與其它傳感器相比較，光纖傳感器有如下特點(diǎn)：1.不受電磁干擾，防爆性能好，不會(huì)漏電打火；2.可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲；3.可以用于高溫、高壓,絕緣性好,耐腐蝕。根本采用石英玻璃，主要由三局部組成中心——纖芯；外層——包層；護(hù)套——尼龍料。光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，纖芯折射率n1略大于包層折射率n2〔n1＞n2〕。第一節(jié)光纖的結(jié)構(gòu)與傳光原理〔一〕光纖的結(jié)構(gòu)單模：8~10μm多模：大于50μm包層玻璃纖維尼龍外層涂敷層纖芯外層直徑1mm一、結(jié)構(gòu)和種類(lèi)階躍折射率光纖階躍剖面n(r)an2n1r纖芯〔二〕光纖的種類(lèi)光纖按纖芯和包層材料的性質(zhì)分類(lèi)，有玻璃光纖和塑料光纖兩類(lèi)；按折射率分有階躍型和梯度型二種。右圖所示為階躍型光纖，纖芯的折射率n1分布均勻，不隨半徑變化。包層內(nèi)的折射率n2分布也大體均勻?？墒抢w芯與包層之間折射率的變化呈階梯狀。在纖芯內(nèi)，中心光線沿光纖軸線傳播。通過(guò)軸線平面的不同方向入射的光線〔子午光線〕呈鋸齒形軌跡傳播。1/16/20244漸變剖面n(r)梯度折射率光纖an2n1r纖芯右圖所示為梯度型光纖，纖芯的折射率n1不是常數(shù)，從中心軸線開(kāi)始沿徑向大致按拋物線規(guī)律逐漸減小。因此光在傳播中會(huì)自動(dòng)地從折射率小的界面處向中心會(huì)聚。光線偏離中心軸線越遠(yuǎn)，那么傳播路程越長(zhǎng)。傳播的軌跡類(lèi)似正弦波曲線。這種光纖又稱(chēng)自聚焦光纖。右以下圖所示為經(jīng)過(guò)軸線的子午光線傳播的軌跡。1/16/20245

名詞解釋?zhuān)鹤游绻饩€當(dāng)入射光線通過(guò)光纖軸線，且入射角

1大于界面臨界角時(shí)，光線將在柱體界面上不斷發(fā)生全反射，形成曲折回路，而且傳導(dǎo)光線的軌跡始終在光纖的主截面內(nèi)。這種光線稱(chēng)為子午光線，包含子午光線的平面稱(chēng)為子午面。

1/16/20246子午平面1/16/20247光纖的另一種分類(lèi)方法是按光纖的傳播模式來(lái)分，可分為多模光纖和單模光纖兩類(lèi)。多模光纖多用于非功能型〔NF〕光纖傳感器；單模光纖多用于功能型〔FF〕光纖傳感器。下面介紹模的概念模的概念在纖芯內(nèi)傳播的光波，可以分解為沿軸向傳播的平面波和沿垂直方向〔剖面方向〕傳播的平面波。沿剖面方向傳播的平面波在纖芯與包層的界面上將產(chǎn)生反射。如果此波在一個(gè)往復(fù)〔入射和反射〕中相位變化為2π的整數(shù)倍，就會(huì)形成駐波。只有能形成駐波的那些特定角度射入光纖的光才能在光纖內(nèi)傳播，這些光波就稱(chēng)為模。在光纖內(nèi)只能傳輸一定數(shù)量的模。通常纖芯直徑較粗〔幾十微米以上〕時(shí)，能傳播幾百個(gè)以上的模，而纖芯很細(xì)〔5～10微米〕，只能傳播一個(gè)模。前者稱(chēng)為多模光纖，后者為單模光纖。光進(jìn)入光學(xué)纖維后,屢次在內(nèi)壁上發(fā)生全內(nèi)反射,光從纖維的一端傳向另一端.光學(xué)纖維:中央折射率大,表層折射率小的透明細(xì)玻璃絲.二、光纖的傳光原理1/16/202410圖7-3〔a〕光線入射角小于臨界角θ1折射率n2折射率n1θ2θ1<θc入射光反射光折射光當(dāng)光線以較小的入射角，由光密媒質(zhì)進(jìn)入光疏媒質(zhì)時(shí)，一局部光線被反射，另一局部折射入光疏媒質(zhì)。如下圖。折射角滿(mǎn)足斯奈爾〔Snell〕定律那么圖7-3〔b〕光線入射角等于臨界角θ1折射率n2折射率n1θ1＝θc入射光反射光折射光當(dāng)逐漸加大入射角θ1，一直到θc，折射光就會(huì)沿著界面?zhèn)鞑?，此時(shí)如右圖所示折射角θ1＝90o。這時(shí)，入射角θ1＝θc，θc稱(chēng)為臨界角，由下式?jīng)Q定：θ2圖7-3〔c〕光線入射角大于臨界角折射率n1θ1折射率n2θ1>θc入射光全反射光當(dāng)繼續(xù)加大入射角θ1，〔即θ1>θc)，光不再產(chǎn)生折射，只有反射，形成光的全反射現(xiàn)象，如右圖所示。外反射：1/16/202414入射角大于臨界角的光線發(fā)生全反射內(nèi)反射，全內(nèi)反射：1/16/202415圖7-4光纖導(dǎo)光示意圖θ1θ0φ1ABCn0n2n1dD2θ0階躍型多模光纖的傳光原理光纖的傳播基于光的全反射。當(dāng)光線以不同角度入射到光纖端面時(shí)，在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖；光線在光纖端面入射角φ減小到某一角度φc時(shí)，光線全部反射。只要θ＜θc，光在纖芯和包層界面上經(jīng)假設(shè)干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。θ1θ0φ1ABCn0n2n1dD2θ0由斯奈爾〔Snell〕定律：假設(shè)滿(mǎn)足即就能產(chǎn)生全反射?？梢?jiàn)，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)〔n1、n2〕決定的，與光纖的幾何尺寸無(wú)關(guān)。入射角的最大值為：將sinθc定義為光導(dǎo)纖維的數(shù)值孔徑,用NA表示,那么NA意義討論：NA表示光纖的集光能力，無(wú)論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2θc張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。假設(shè)入射角超出這一范圍，光線會(huì)進(jìn)入包層漏光。一般NA越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會(huì)更容易。但NA越大光信號(hào)畸變?cè)酱?，要選擇適當(dāng)。產(chǎn)品光纖不給出折射率N，只給數(shù)值孔徑NA。2023-10-17三、傳光損耗在實(shí)際上，光纖傳光中，存在費(fèi)涅耳反射損耗、光吸收損耗、全反射損耗以及彎曲損耗等。下面簡(jiǎn)要分析階躍型多模光纖的損耗。1/16/202422當(dāng)n0<n1入射角小于臨界角時(shí)，在界面上將產(chǎn)生反射和折射光束。θ1折射率n1折射率n0θ2θ1<θc入射光Ii反射光Ir折射光設(shè)入射光束的光強(qiáng)為Ii，反射光束的光強(qiáng)為Ir，定義R=Ir/Ii為費(fèi)涅耳反射損耗，由費(fèi)涅耳公式可以推導(dǎo)出費(fèi)涅耳反射損耗為〔一〕費(fèi)涅耳反射損耗

光強(qiáng)的透射系數(shù)T1應(yīng)為光通過(guò)媒體時(shí)，或多或少要被媒體吸收。由普通物理學(xué)可知，透過(guò)媒體的光強(qiáng)I與入射光強(qiáng)I0之間有以下關(guān)系：〔二〕光吸收損耗入射光強(qiáng)I0θ1θ0φ1ABC空氣n0n2n1d透射光強(qiáng)I式中：a－光纖纖芯的吸收系數(shù)，x－光透過(guò)媒體層的距離〔7-6〕當(dāng)子午光線沿光纖傳播時(shí)，光路的長(zhǎng)度x和實(shí)際光纖長(zhǎng)度L不相同，由上圖可知，與光程AB相對(duì)應(yīng)的光纖長(zhǎng)度是AC，所以光纖單位長(zhǎng)度上的幾何程長(zhǎng)lm為入射光強(qiáng)I0θ1θ0φ1ABC空氣n0n2n1d透射光強(qiáng)I這樣，光路長(zhǎng)度為lm將由上式可知，光在光纖全程傳播中，因光吸收損耗，透過(guò)光將受到衰減。光纖越長(zhǎng)，光能量衰減越大。將透過(guò)光與入射光強(qiáng)的比值定義為透射系數(shù)T2，即代入式那么得〔三〕全反射損耗全反射損耗——纖層和包層之間的界面不平滑引起散射和包層媒體的光吸收作用所引起的損耗。由以下圖可以看出，光路在2AC長(zhǎng)的光纖中反射一次。當(dāng)光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)時(shí)，總反射次數(shù)N為L(zhǎng)/2AC。當(dāng)光纖的直徑為d時(shí)，θ1θ0φ1ABC空氣n0n2n1d透射光強(qiáng)Ilm入射光強(qiáng)I0lm那么由上式可知，隨著入射角的增加，光路長(zhǎng)度和反射次數(shù)也會(huì)增加，光的衰減也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重?？紤]每次全反射的損耗率為A，那么光強(qiáng)的透射系數(shù)T3為1/16/202428將三種損耗綜合考慮，可以得出光纖的總透射率T為：式中：T——光纖的總透射率R——費(fèi)涅耳反射損耗率a——光纖纖芯的吸收系數(shù)L——光纖總長(zhǎng)度d——光纖纖芯的直徑θ1——光線在光纖端面上的折射率1/16/202429四、光纖傳感器的分類(lèi)光纖傳感器一般可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是功能型傳感器，又稱(chēng)FF型光纖傳感器；另一類(lèi)是非功能型傳感器又稱(chēng)NF型光纖傳感器。四種相位調(diào)制類(lèi)型的

光纖干預(yù)儀的結(jié)構(gòu)A:邁克爾遜干預(yù)儀；b：馬赫-澤德干預(yù)儀；c:塞格納克干預(yù)儀；d：法布里-珀羅干預(yù)儀1/16/202431功能型光纖傳感器這類(lèi)傳感器利用光纖本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有敏感能力和檢測(cè)功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測(cè)對(duì)象作用下，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。 缺點(diǎn)：須用特殊光纖，本錢(qián)高， 典型例子：光纖陀螺、光纖水聽(tīng)器等。非功能型光纖傳感器傳光型光纖傳感器的光纖只當(dāng)作傳播光的媒介，待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的，光纖只起傳光作用。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，本錢(qián)低。缺點(diǎn)：靈敏度較低。實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。〔一〕相位調(diào)制的原理相位調(diào)制的根本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干預(yù)條紋發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)干預(yù)條紋的變化量來(lái)確定光的相位變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。第二節(jié)功能型光纖傳感器一、相位調(diào)制型光纖傳感器

當(dāng)一束波長(zhǎng)為

的相干光在光纖中傳播時(shí)，光波的相位角

與光纖的長(zhǎng)度L、纖芯折射率n1和纖芯直徑d的關(guān)系為：當(dāng)光纖受到外界物理量的作用，那么光波的相位角變化Δ為：利用光的相位變化可測(cè)量出溫度、壓力、加速度、電流等物理量。光纖溫度傳感器干預(yù)儀包括激光器、擴(kuò)束器、分束器、兩個(gè)顯微物鏡、兩根單摸光纖(其中一根為測(cè)量臂，一根為參考臂)、光探測(cè)器等?！捕硲?yīng)用舉例1/16/202436原理干預(yù)儀工作時(shí)．激光器發(fā)出的激光束經(jīng)分束器分別送入長(zhǎng)度根本相同的測(cè)量光纖與參考光纖，將兩根光纖的輸出端集合在一起，那么兩束光即產(chǎn)生干預(yù)，從而出現(xiàn)了干預(yù)條紋。當(dāng)測(cè)量臂光纖受到溫度場(chǎng)的作用時(shí)，產(chǎn)生相位變化，從而引起干預(yù)條紋的移動(dòng)。顯然干預(yù)條紋移動(dòng)的數(shù)量將反映出被測(cè)溫度的變化。光探測(cè)器接收干預(yù)條紋的變化信息．并輸入到適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，最后得到測(cè)量結(jié)果。例如，一米長(zhǎng)的石英光纖，溫度變化1℃，干預(yù)條紋移動(dòng)17條，而壓力變化154kPa，才移動(dòng)一根干預(yù)條紋。加長(zhǎng)光纖長(zhǎng)度可以提高靈敏度。1/16/202437輸出ID入射光強(qiáng)度調(diào)制IDtt光源出射光IS信號(hào)光探測(cè)器IOtIit二、光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制原理〔一〕微彎曲損耗原理當(dāng)光線在光纖的直線段以大于臨界角入射界面〔φ1>φc〕，那么光線在界面上產(chǎn)生全反射。當(dāng)光線射入微彎曲段的界面上時(shí)，入射角將小于臨界角〔φ1<φc〕。此時(shí)，一局部光在纖芯和包層的界面上反射；另一局部光那么透射進(jìn)入包層，從而導(dǎo)致光能的損耗?；谶@一原理，研制成光纖微彎曲傳感器。1/16/202439光纖微彎曲位移〔壓力〕傳感器由兩塊波形板〔變形器〕構(gòu)成。其中一塊是活動(dòng)板；另一塊是固定板。一根階躍多模光纖〔或漸變型多模光纖〕從一對(duì)波形板之間通過(guò)。當(dāng)活動(dòng)板受到微擾〔位移或壓力作用〕時(shí)，光纖就會(huì)發(fā)生周期性微彎曲，引起傳播光的散射損耗，使光在芯模中再分配：一局部光從芯?！矀鞑ツ！绸詈蠈?dǎo)包層模〔輻射?！?；另一局部光反射回芯模。當(dāng)活動(dòng)板的位移或所加的壓力增加時(shí)，泄漏到包層的散射光隨之增大；相反，光纖芯模的輸出光強(qiáng)就減少。光纖芯透射光強(qiáng)度與外力的關(guān)系如以下圖所示。1/16/202440這樣光強(qiáng)受到了調(diào)制。通過(guò)檢測(cè)泄漏出包層的散射光強(qiáng)度或光纖芯透射光強(qiáng)度，就能測(cè)出位移〔或壓力〕信號(hào)。光纖微彎曲傳感器，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)范圍寬，線性度較好，性能穩(wěn)定。1/16/202441〔二〕臨界角光纖壓力傳感器臨界角光纖壓力傳感器也是光強(qiáng)調(diào)制型傳感器。如右圖所示，在一根單模光纖的段部切割一個(gè)反射面。切割角剛小于臨界角。臨界角φc由纖芯折射率n1和光纖端部介質(zhì)的折射率n3決定：如果臨界角部接近45o，那么就需要在端面再切割一個(gè)反射面。1/16/202442入射光線在界面上的入射角是一定的。由于入射角小于臨界角，一局部光折射入周?chē)橘|(zhì)；另一局部那么返回光纖。返回的反射光被分束器偏轉(zhuǎn)到光電探測(cè)器輸出。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)的壓力〔或溫度〕變化時(shí)，將使纖芯的折射率n1和介質(zhì)的折射率n3發(fā)生不同程度的變化，引起臨界角發(fā)生改變，返回纖芯的反射光強(qiáng)度也就變化。基于這一原理，有可能設(shè)計(jì)出一種微小探針壓力傳感器。這種傳感器的缺點(diǎn)是靈敏度較低。然而頻率響應(yīng)高、尺寸小卻是它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。1/16/202443三、偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器平面偏振光通過(guò)帶磁性的物體時(shí)，其偏振光面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為法拉第磁光效應(yīng)。光矢量旋轉(zhuǎn)角:式中V——正常光折射率；

L——物質(zhì)中的光程；H——磁場(chǎng)強(qiáng)度。(7-16)法拉第磁光效應(yīng)磁場(chǎng)偏振光片磁光材料Lθ檢偏片光源光纖的磁光效應(yīng)最典型的應(yīng)用就是高壓傳輸線用的電流傳感器，其結(jié)構(gòu)如下圖。將光纖繞在被測(cè)導(dǎo)線上，設(shè)圈數(shù)為N，導(dǎo)線中通過(guò)的電流為I，由安培環(huán)路定律，距導(dǎo)線軸心為R處的磁場(chǎng)為P2WP

探測(cè)器1探測(cè)器2I1I2光源光纖I

P11/16/202446

由前面二式可知，電流強(qiáng)度I與線偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)角度θ成正比。該解調(diào)方法的特點(diǎn)是可以有效消除光源強(qiáng)度波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的不利影響。P2WP

探測(cè)器1探測(cè)器2I1I2光源光纖I

P1可得偏轉(zhuǎn)角和1/16/202447由于探測(cè)器不能直接檢測(cè)光的偏振態(tài)，需要將光偏振態(tài)的變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度信號(hào)。一種檢測(cè)方法采用Wollaston棱鏡WP，由光源發(fā)射的激光經(jīng)起偏器P1變?yōu)榫€偏振光進(jìn)入傳感光纖，在輸出端將檢偏器P2輸出的正交偏振分量在空間上分成兩路輸出，分別被探測(cè)器1與探測(cè)器2接收。探測(cè)器1與探測(cè)器2接收的光強(qiáng)信號(hào)分別為經(jīng)信號(hào)處理可得到偏振面的偏轉(zhuǎn)角P2WP

探測(cè)器1探測(cè)器2I1I2光源光纖I

P11/16/202448該解調(diào)方法的特點(diǎn)是可以有效消除光源強(qiáng)度波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的不利影響。P2WP

探測(cè)器1探測(cè)器2I1I2光源光纖I

P1設(shè)：那么：得：當(dāng)線偏振光旋轉(zhuǎn)角度θ很小時(shí)，有1/16/202449第三節(jié)非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器中主要是光強(qiáng)調(diào)制型?？煞譃閭鬏敼鈴?qiáng)調(diào)制型和反射光強(qiáng)調(diào)制型。一、傳輸光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器一般在兩根光纖〔輸入光纖和輸出光纖〕之間配置機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件。敏感元件調(diào)制傳輸光強(qiáng)的方式有：改變輸入光纖和輸出光纖之間的相對(duì)位置、遮斷光路和吸收光能等。1/16/202450圖7－13受抑全內(nèi)反射光纖壓力傳感器的光纖輸出光纖〔固定〕垂直位移輸入光纖n=1.48n=1.48xθ90o－θ〔一〕改變光纖相對(duì)位置的光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器原理受抑全內(nèi)反射光纖壓力傳感器，是利用改變光纖軸相對(duì)位置對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制的。傳感器有兩根多模光纖：一根固定；另一根在壓力作用下可以垂直位移。如右圖所示。圖7－13受抑全內(nèi)反射光纖壓力傳感器的光纖輸出光纖〔固定〕垂直位移輸入光纖n=1.48n=1.48xθ90o－θ

兩根光纖相對(duì)的端面被拋光，并與光纖軸線成一足夠大的角度θ，以便使光纖中傳播的所有模式的光產(chǎn)生全內(nèi)反射。當(dāng)兩根光纖充分靠近〔中間約有幾個(gè)波長(zhǎng)距離的薄層空氣〕，一局部光將透射入空氣層，并進(jìn)入輸出光纖。這種現(xiàn)象稱(chēng)為受抑全內(nèi)反射現(xiàn)象。它類(lèi)似于量子力學(xué)中的“隧道效應(yīng)〞或“勢(shì)壘穿透〞。輸出光纖〔固定〕垂直位移當(dāng)一根光纖相對(duì)另一根固定光纖垂直位移距離x時(shí)，那么兩根光纖端面之間的距離變化xsinθ。如左以下圖所示。透射光強(qiáng)隨距離發(fā)生變化如右以下圖所示。由曲線可知，光強(qiáng)變化與間隙距離的變化呈非線性關(guān)系。

xθ90o－θθx輸入光纖圖7－14透射光強(qiáng)與光纖間隙距離的關(guān)系因此在實(shí)際使用中，應(yīng)限制光纖的位置距離，使傳感器在變化距離較小的一段線性范圍內(nèi)，從曲線還可以看出，θ角越大，曲線的線性段斜率越大。所以為了使傳感器獲得較高的靈敏度，光纖端面的傾斜面〔90o－θ〕要切割得較小。1/16/2024542023-10-241/16/202455〔二〕遮斷光路的光強(qiáng)調(diào)制型

光纖傳感器原理在兩根大芯徑多模光纖之間放置一對(duì)線光柵。當(dāng)兩光柵相對(duì)平行移動(dòng)時(shí)，透射光強(qiáng)度發(fā)生變化。圖7－17光柵調(diào)制光強(qiáng)的原理圖1/16/202456當(dāng)兩光柵所處的位置正好是全透過(guò)局部和不透過(guò)局部重合，這時(shí)將沒(méi)有光透過(guò)光柵，輸出光強(qiáng)為零。當(dāng)兩光柵所處的位置正好是全透過(guò)和全透過(guò)局部重合，這時(shí)輸出光強(qiáng)為最大。可見(jiàn)輸出光強(qiáng)將隨兩光柵的相對(duì)位移成周期性變化。假設(shè)兩個(gè)光柵的間距為5μm、格子寬5μm的柵元組成，那么透射光強(qiáng)如下右圖所示。圖7－17光柵調(diào)制光強(qiáng)的原理圖圖7－19透射光相對(duì)強(qiáng)度與光柵相對(duì)位移的關(guān)系1/16/202457二、反射光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器反射式位移傳感器，其根本原理如下圖。光源發(fā)出的光通過(guò)光纖射向被測(cè)物體，其反射光由接收光纖收集，送到探測(cè)器，接收光強(qiáng)將隨著反射物體外表與光纖探頭端面的距離變化。通過(guò)信號(hào)處理得到光纖端面與被測(cè)面之間距離的變化〔位移〕。探測(cè)器光源被測(cè)面?zhèn)鬏敼饫w接收光纖反射式位移傳感器1/16/202458Ra交疊面R=r+2dT接收光纖被測(cè)面?zhèn)鬏敼饫w傳輸光纖像da2r為了定量的說(shuō)明接收光強(qiáng)變化與位移之間的關(guān)系，參考以下圖。反射鏡面即被測(cè)物的移動(dòng)是與光纖探頭端面垂直的。反射鏡面在其反面距離d處形成輸入光纖的虛象。因此光強(qiáng)調(diào)制作用是與虛光纖和接收光纖的耦合是等效的。θ01/16/202459Ra交疊面R=r+2dT假設(shè)兩根光纖均為階躍折射率光纖，芯徑為2r，數(shù)值孔徑為NA，兩光纖間隔為a，并定義1/16/202460Ra交疊面R=r+2dT接收光纖被測(cè)面?zhèn)鬏敼饫w傳輸光纖像da2r當(dāng)距離時(shí)，兩光纖的光耦合為零，即沒(méi)有反射光進(jìn)入接受光纖；當(dāng)距離時(shí)，兩光纖的光耦合隨距離的增大而加強(qiáng)；當(dāng)時(shí)，兩光纖的耦合最強(qiáng)，接收光強(qiáng)到達(dá)最大值。此時(shí)輸入光纖的像發(fā)出的光錐完全覆蓋接收光纖端面。當(dāng)時(shí)，兩光纖的耦合反而減少。θ01/16/202461反射光強(qiáng)與位移的關(guān)系如右圖所示。當(dāng)位移d相對(duì)光纖直徑r較小時(shí)〔d<<r〕，反射光強(qiáng)如右圖的左半局部；當(dāng)位移較大〔d>>r〕時(shí)，那么按x-2的規(guī)律變化。曲線在峰頂?shù)膬蓚?cè)有兩段近似線性的工作區(qū)域〔AB段和CD段〕。AB段的斜率比CD段的大，線性也較好。因此位移和壓力傳感器的工作范圍選擇在AB段，偏置工作點(diǎn)那么設(shè)在AB段的中點(diǎn)M點(diǎn)。AB段的靈敏度和線性度較好，但測(cè)量范圍較小。CD段可以測(cè)量較大的范圍，偏置工作點(diǎn)設(shè)置在N點(diǎn)，但靈敏度較低。1/16/202462光纖傳感器由于它的獨(dú)特的性能而受到廣泛的重視,它的應(yīng)用正在迅速地開(kāi)展。下面我們介紹幾種主要的光纖傳感器。第四節(jié)光纖傳感器的應(yīng)用舉例1/16/202463光纖加速度傳感器的組成結(jié)構(gòu)如以下圖所示。它是一種簡(jiǎn)諧振子的結(jié)構(gòu)形式。激光束通過(guò)分光板后分為兩束光,透射光作為參考光束,反射光作為測(cè)量光束。當(dāng)傳感器感受加速度時(shí),由于質(zhì)量塊M對(duì)光纖的作用,從而使光纖被拉伸,引起光程差的改變。相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會(huì)合產(chǎn)生干預(yù)效應(yīng)。激光干預(yù)儀的干預(yù)條紋的移動(dòng)可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)過(guò)處理電路處理后便可正確地測(cè)出加速度值。一、光纖加速度傳感器1/16/202464利用馬赫一澤德干預(yù)儀的光纖加速度計(jì)1/16/202465如右圖所示，在兩根光纖之間懸掛一塊質(zhì)量塊，光纖1牢固地固定在殼體上端蓋和質(zhì)量塊上；光纖2牢固地固定在質(zhì)量塊和傳感器底座上。安裝時(shí)光纖稍微繃緊。這兩根光纖分別被熔接在干預(yù)儀的每一條臂上。光纖加速度傳感器工作原理的具體分析1/16/202466當(dāng)傳感器受到垂直向上的加速度時(shí)，慣性力的作用將使光纖1的軸向應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)，長(zhǎng)度伸長(zhǎng)ΔL而光纖2的軸向應(yīng)變減弱，長(zhǎng)度縮短ΔL。這樣質(zhì)量塊加速所受力F為F＝2SΔT=ma式中S—為光纖的截面積；

ΔT—為每根光纖上單位面積張力的變化量；m—質(zhì)量塊質(zhì)量a—加速度式中的因子2是指兩根光纖。1/16/202467張應(yīng)力變化引起的光纖應(yīng)變由下式給出式中E—光纖材料的彈性模數(shù)。當(dāng)光纖受應(yīng)變后，光速經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)光纖的傳播，光的相位將發(fā)生變化。其變化為：式7－241/16/202468當(dāng)折射率Δn1所引起的作用很小時(shí)，可以忽略。這樣光纖中傳播光的相位移為將代入上式，且因那么得1/16/202469由上式可知，光相位的變化〔兩根光纖那么變化量加倍〕與加速度成正比。利用光學(xué)干預(yù)技術(shù)就可測(cè)出加速度。1/16/202470在光纖加速度傳感器中，光纖起著支承質(zhì)量塊的彈簧的作用，因而質(zhì)量塊將會(huì)振動(dòng)，可以計(jì)算出其的振動(dòng)頻率。當(dāng)質(zhì)量塊沿光纖軸向位移距離x所需的彈簧力F為由此可得式中k—光纖的彈性常數(shù)；E—光纖材料的彈性模量；S—光纖的截面積；L—光纖的長(zhǎng)度1/16/202471由此可得質(zhì)量塊連在彈性常數(shù)為k的光纖上時(shí)，其諧振頻率為將代入上式，且因那么可得1/16/202472左上圖為典型的光纖加速度傳感器的頻響特性?？梢钥闯觯饫w加速度傳感器的頻率響應(yīng)并不高，一般只能響應(yīng)幾百赫茲頻率的振動(dòng)。右上圖為光纖加速度傳感器對(duì)加速度的響應(yīng)特性?？梢?jiàn)具有良好的線性響應(yīng)。1/16/202473二、光纖磁場(chǎng)傳感器鎳、鐵、鈷等金屬結(jié)晶材料和鐵基非晶態(tài)金屬玻璃〔FeSiB〕具有很強(qiáng)的磁致伸縮效應(yīng)。將單模光纖和磁致伸縮材料粘合在一起，沿磁場(chǎng)軸向放置。由于磁致伸縮材料的磁致伸縮效應(yīng)，光纖被迫產(chǎn)生縱向應(yīng)變，使光纖的長(zhǎng)度合折射率發(fā)生變化，從而引起光纖中的傳播光產(chǎn)生相移。1/16/202474光纖磁場(chǎng)傳感器由三種結(jié)構(gòu)形式如上圖所示。a、在磁致伸縮材料的圓柱上卷繞光纖；b、在光纖外表上包上一層鎳護(hù)套或用電鍍方法鍍上一層約10μm后的鎳或鎳合金金屬層。c、用環(huán)氧樹(shù)脂將光纖粘貼在具有高磁致伸縮效應(yīng)的金屬玻璃帶上。1/16/202475相位調(diào)制光纖磁場(chǎng)傳感器的靈敏度極高，一種包鎳護(hù)套的光纖傳感器，當(dāng)光纖長(zhǎng)1米時(shí)，可檢測(cè)到1.4×10-3A/m的磁場(chǎng)強(qiáng)度。如采用更強(qiáng)的磁致伸縮效應(yīng)的金屬玻璃材料左護(hù)套，當(dāng)光纖長(zhǎng)度為1千米時(shí)，預(yù)計(jì)可檢測(cè)小至4×10-9A/m的磁場(chǎng)。光纖磁場(chǎng)傳感器的線性度也很好，如右圖所示為包鎳的光纖傳感器對(duì)于頻率為10kHz的交流磁場(chǎng)的響應(yīng)曲線。1/16/202476三、光纖流量傳感器在橫貫流體管道的中間裝有一根繃緊的多模光纖，當(dāng)流體流動(dòng)時(shí),光纖就發(fā)生振動(dòng),其振動(dòng)頻率近似與流速成正比。由于使用的是多模光纖,故當(dāng)光源采用相干光源(如激光器)時(shí),其輸出光斑是模式間干預(yù)的結(jié)果。這種流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如右圖所示。光源頻譜分析記錄探測(cè)器123451夾具2密封膠3液體流管4光纖5張力載荷1/16/202477當(dāng)流體流動(dòng)受到一個(gè)垂直于流動(dòng)方向的非流線體阻礙時(shí),根據(jù)流體力學(xué)原理，在某些條件下，在非流線體的下游兩側(cè)產(chǎn)生有規(guī)那么的旋渦，其旋渦的頻率f近似與流體的流速成正比，即

式中:v——流速;d——流體中物體的橫向尺寸大小;S——斯特羅哈〔Strouhal〕數(shù),它是一個(gè)無(wú)量綱的常數(shù),僅與雷諾數(shù)有關(guān)