1、光纖傳感技術(shù)，名稱：李自忠，專業(yè)：光學(xué)工程編號(hào)。6121203010，目錄，1。概述2。光纖的光傳輸原理和特性。透射光調(diào)制技術(shù)。強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器5。相位調(diào)制光纖傳感器6。偏振調(diào)制光纖傳感器7。調(diào)頻光纖傳感器8。分布式光纖傳感器1。概述：光纖傳感器始于1977年。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、繞線能力強(qiáng)、全光探頭無電荷、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大，傳感器基于非常相似的技術(shù)來感測不同的物理量，與計(jì)算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)連接方便，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遙測和控制，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、能耗低，可用于高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾和腐蝕等惡劣環(huán)境。2.光纖的光傳輸原理和特性，1。光纖結(jié)構(gòu)。光在光纖中的傳播。光纖的

2、重要參數(shù)。光纖分類，1。光纖結(jié)構(gòu)、多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)：1。核心：應(yīng)時(shí)玻璃，直徑575微米，主要由二氧化硅制成，摻雜微量元素；2.包層：直徑為100200微米，折射率略低于纖芯。使透光性能相對(duì)穩(wěn)定。3.涂層：硅樹脂或丙烯酸酯，隔離雜散光。4.護(hù)套：尼龍或其他有機(jī)材料，提高機(jī)械強(qiáng)度和保護(hù)光纖。2.光在光纖中的傳播。1.斯奈爾斯定律表明，光從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)上時(shí)發(fā)生折射，如圖(a)所示，當(dāng)其折射角大于入射角時(shí)，即n1n2，n1、n2、r和I之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：n1sini=n2sinr。當(dāng)r=90時(shí)，我仍然是90。此時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鞑?，如圖(b)所示，這稱為臨界狀態(tài)。臨界角i0為：i0=arcs

3、in(n2/n1)。當(dāng)ii0繼續(xù)增加，r90，則發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖(c)所示，其出射光被全反射而不折射。1.數(shù)值孔徑，其中n1是纖芯折射率，n2是包層折射率，它是纖芯和包層的相對(duì)折射率；2.傳播模式根據(jù)介質(zhì)中電磁場的麥克斯韋方程，當(dāng)考慮光纖圓柱波導(dǎo)和纖芯-包層界面的幾何邊界條件時(shí)，只存在波動(dòng)方程的特定(離散)解。不同的容許解代表許多沿波導(dǎo)軸傳播的離散波。每一個(gè)被允許傳播的波都被稱為模式。每個(gè)波都有不同的離散振幅和速度?！癡值”用于描述光在階躍折射率光纖：中的傳播特性，其中A是纖芯半徑，0是真空中入射光的波長(真空中光的波長大約等于空氣中光的波長)。光纖的V值越大，光纖能夠擁有的模式(不同的離

4、散波)就越多，即允許傳輸。當(dāng)v值低于2.404時(shí)，僅允許一種波或模式在光纖中傳輸。也就是說，圓柱波導(dǎo)的“單模條件”是光纖中的許多傳播模式不利于信息傳輸。由于同一光信號(hào)以多種模式傳播，它將被分成幾個(gè)小信號(hào)，在不同的時(shí)間到達(dá)接收端，這將導(dǎo)致合成信號(hào)的失真。在信息傳播中，人們普遍希望模式越少越好。v預(yù)計(jì)較小，芯直徑d=2a不應(yīng)太大，一般為幾微米，不應(yīng)超過幾十微米。另外，n1和n2之間的差異非常小(例如，通常，芯折射率n1可以是1.46，而包層折射率n2可以是1.44)。通常，n2和n1之間的差值不超過1.4%和6.2%。傳播損耗光從光纖的一端進(jìn)入，從光纖的另一端射出，光強(qiáng)衰減。單位長度傳輸線的損耗，

5、即損耗系數(shù)，在公式：中定義為光纖的輸入和輸出功率。光纖傳播損耗的分類：吸收損耗與電子受激躍遷和分子共振有關(guān)色散材料色散：材料的折射率隨著光的波長而變化，這使得光信號(hào)中每個(gè)波長分量的群速度不同。波導(dǎo)色散：由于不同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，某一波導(dǎo)模式的傳播常數(shù)隨信號(hào)的角頻率而變化，引起色散。多模色散：在多模光纖中，色散是由相同角頻率下各模的不同傳播常數(shù)和不同群速度引起的。光纖的分類1。根據(jù)折射率變化類型3進(jìn)行分類。透射光調(diào)制技術(shù)、強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制和頻率解調(diào)。強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器，利用外部因素改變光纖中的光強(qiáng)，通過測量光強(qiáng)的變化來檢測外部物理量。光纖微彎傳感器反射光纖位移傳感器反射光纖壓力傳感器半導(dǎo)體

6、吸收光纖溫度傳感器折射率調(diào)制光纖傳感器，1。光纖微彎傳感器：一種能夠引起光纖微彎的變形器，它利用光纖的微彎損耗來檢測外部物理量的變化。多模光纖在一對(duì)機(jī)械變形器之間穿過，如上圖所示。當(dāng)變形器受到壓力時(shí)，光纖沿軸產(chǎn)生周期性微彎。光纖的彎曲將導(dǎo)致光纖中的引導(dǎo)模式和輻射模式之間的耦合，從而導(dǎo)致引導(dǎo)模式的一部分泄漏到包層中。通過檢測纖芯中的透射光功率，我們可以測量與之有一定關(guān)系的壓力。2.反射式光纖位移傳感器，光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，而反射式光纖是一種透射式光纖傳感器。光纖采用這種類型結(jié)構(gòu)，兩根光纖的一端組合成光纖探頭，另一端分成兩個(gè)分支，分別作為光源光纖和接收光纖。光從光源耦合到光源光纖，通過

7、光纖傳輸，導(dǎo)向反射器，然后反射到接收光纖，最后由光電轉(zhuǎn)換器接收。轉(zhuǎn)換器接收的光源與反射器的表面特性以及反射器和光纖探頭之間的距離有關(guān)。當(dāng)確定反射表面的位置時(shí)，接收到的反射光的強(qiáng)度隨著光纖探頭和反射器之間的距離而變化。顯然，當(dāng)光纖探頭附著在反射器上時(shí)，接收器接收到的光強(qiáng)為零。隨著光纖探頭與反射面之間距離的增大，接收光強(qiáng)逐漸增大，然后隨著光纖探頭與反射面之間距離的增大而減小。反射式光纖的輸出特性曲線，通過檢測光強(qiáng)可以獲得位移。反射式光纖位移傳感器是一種非接觸測量，具有探頭小、響應(yīng)快、線性測量等優(yōu)點(diǎn)，可用于小位移范圍內(nèi)的高速位移檢測。典型的位移輸出曲線如下圖所示。在位移-輸出曲線的前斜率區(qū)域，輸出信

8、號(hào)的強(qiáng)度迅速增加，該區(qū)域可用于測量微米級(jí)的位移。在后坡區(qū)域，信號(hào)衰減與探頭和被測表面之間距離的平方成反比，可用于長距離、低靈敏度、線性和精度要求的測量。位移-輸出信號(hào)曲線，利用反射式光纖傳感器測量微小位移的原理，通過測量輸出電壓與位移的關(guān)系來確定工作點(diǎn)，測量不同表面粗糙度的真、偽鈔的輸出信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)真、偽鈔的識(shí)別。3。反射式光纖壓力傳感器，是在前面介紹的光纖位移傳感器的探頭前增加一個(gè)膜片而形成的，其結(jié)構(gòu)如上圖所示。光源發(fā)出的光通過傳輸光纖傳輸并投射到光闌的內(nèi)表面上，反射光被接收光纖接收并傳輸回相位調(diào)制光纖傳感器馬赫曾德爾干涉儀的典型結(jié)構(gòu)如上圖所示，下分束器將激光器的輸出光束分成兩束。它們通過

9、上部和下部光路傳輸，然后再次合并，因此它們?cè)诠怆娞綔y器處相互干涉。優(yōu)點(diǎn)：只有少量或沒有光直接返回激光器，避免了激光器不穩(wěn)定和反饋光引起的噪聲。具體應(yīng)用：光纖壓力傳感器、光纖力傳感器、光纖加速度傳感器、光纖磁傳感器、法布里-珀羅干涉儀，法布里-珀羅干涉儀的原理如上圖所示。它由兩個(gè)平行的部分透射鏡組成。這兩個(gè)平面鏡的反射率(反射系數(shù))通常非常大，通常大于或等于95%。假設(shè)反射率為95%，在任何情況下，95%的激光輸出光將被反射回激光器，剩余的5%將穿過平面鏡并進(jìn)入干涉儀的諧振器。主要特點(diǎn)：細(xì)度高；高光譜分辨率；調(diào)節(jié)精度低。邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的基本原理如上圖所示。部分反射和部分透射的平面鏡

10、被用作分束器。分束器將激光器輸出的一部分光向上反射到固定平面鏡。光被固定的平面鏡反射回分束器，使得一部分光被傳輸?shù)焦鈾z測器，另一部分被反射回激光器。激光器輸出的另一部分光穿過分束器，被可移動(dòng)平面鏡反射回分束器，一部分光被分束器反射到光電探測器。薩格納克干涉儀。上圖顯示了薩格納克干涉儀的結(jié)構(gòu)。激光器輸出的兩束光沿著由分束器和三個(gè)平面鏡組成的閉合光路以相反的方向傳輸，它們重新組合后入射到光電探測器上，同時(shí)一部分光返回到激光器?？梢缘贸觯跋蚝头聪蚬馐g的光程差是，其中A是光路系統(tǒng)所包圍的面積，而C是光的速度和光路系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)角速度。它是目前許多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中使用的環(huán)形激光陀螺和射線陀螺的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

11、偏振調(diào)制光纖傳感器原理：利用外界因素改變光的偏振特性，通過檢測光偏振態(tài)的變化來檢測各種物理量。檢測原理：法拉第效應(yīng)、普歇效應(yīng)(電光效應(yīng))、光彈性效應(yīng)、偏振調(diào)制型光纖電流傳感器，其基本原理是上面介紹的法拉第效應(yīng)(磁光效應(yīng))。當(dāng)平面偏振光受到強(qiáng)度為h的磁場作用時(shí)，電矢量e的旋轉(zhuǎn)角為：當(dāng)線偏振光通過物質(zhì)中的距離l時(shí)。如果這個(gè)磁場是由一根長的直載流導(dǎo)線產(chǎn)生的，根據(jù)安培環(huán)路定律：其中：I載流導(dǎo)線中的電流強(qiáng)度；r從導(dǎo)線外的任何觀測點(diǎn)到導(dǎo)線的垂直距離。因此，只要光纖傳感器根據(jù)磁光效應(yīng)測量導(dǎo)體外任意點(diǎn)r的磁場強(qiáng)度h，就可以得到導(dǎo)體中的電流I。調(diào)頻光纖傳感器原理：利用外界因素改變光的頻率，通過檢測光的頻率變化來測量外界物理量。頻率調(diào)制基于光學(xué)多普勒效應(yīng)。如果頻率為f的光束以相對(duì)于探測器的速度v入射到運(yùn)動(dòng)物體上，則從運(yùn)動(dòng)物體反射的光的頻率為fs。根據(jù)多普勒效應(yīng)，得出c是光在介質(zhì)中的傳播速度。8.隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，僅靠單點(diǎn)測量很難滿足需求，光纖傳感器的技術(shù)優(yōu)勢也不能得到充分利用。分布式光纖傳感器一般指具有公共數(shù)據(jù)通道并能與控制中心通信的傳感器網(wǎng)絡(luò)。分布式光纖傳感器測量是利用光纖