《传感器教程》教学课件—09光纤传感器.pptVIP

光纤光栅温度传感器 用于对被测物进行长期的温度监测，广泛应用在桥梁、大坝、输油输气管道等大型结构或设备的分布式温度测量。 9.1.1 光纤波导原理 光的全反射现象是光纤传光原理的基础。 根据几何光学原理，当光线以较小入射角θ1由光密介质1射向光疏介质2(n1＞n2)时(见图9.2)，一部分入射光以折射角θ2折射入介质2，其余部分仍以θ1反射回介质1。 依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有： 因此，当θ1＞θc时，光线将不再折射入介质2，而在介质(纤芯)内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作基础。 由Snell定律可导出光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)。 因此，光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角) 光纤的全反射演示 9.1.2 光纤的特性 设光纤入射端与出射端的光功率分别为Pi和Po，光纤长度为L(km)。则光纤的损耗 a（dB/km)可用下式计算： 引起光纤损耗的因素可归结为吸收损耗和散射损耗两类。 物质的吸收作用使传输的光能变成热能，造成光功能的损失。 散射损耗是由于光纤的材料及其不均匀性或其几何尺寸的缺陷引起的。如瑞利散射就是由于材料的缺陷引起折射率随机性变化所致。 光导纤维的弯曲也会造成散射损耗。 光纤的色散是表征光纤传输特征的一个重要参数，它反映传输带宽，关系到通讯信息的容量和品质。 光纤的色散就是输入脉冲在光纤传输过程中，由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。光纤色散使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽。 光纤色散分三种： 材料色散、波导色散、多模色散 材料色散 材料的折射率随光波长λ的变化而变化，这使光信号中各波长分量的光的群速度cg不同，故又称折射率色散。 波导色散 由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数β随着信号角频率ω变化而引起色散，有时也称为结构色散。 多模色散 在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同、群速度不同而产生的色散。 9.1.3 光纤传感器分类 光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频率和波长等方式。 光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。 在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行检测。 9.2.1 强度调制与解调 光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检测。 解调过程主要考虑的是信噪比是否能满足测量精度的要求。 几种常用的光强调制技术 微弯损耗强度调制器的原理如图。当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，传输光有一部分会泄漏到包层中去。 外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤本身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常用的调制器是反射器和遮光屏。 利用折射不同进行光强度调制的原理包括：①利用被测物理量引起传感材料折射率的变化；②利用渐逝场耦合；③利用折射率不同的介质之间的折射与反射。 强度调制的解调 若采用硅PIN二极管光电探测器，则可略去暗电流噪声效应；进一步假设调制频率远离1／f 噪声效应区域，则可略去探测器噪声，上式可简化为： 利用上式计算的信噪比，对大部分信号处理和传感器应用已绰绰有余。 但是，光源与光纤、光纤和转换器之间的机械部分引起的光耦合随外界影响的变化；调制器本身随温度和时间老化出现的漂移；光源老化引起的强度变化以及探测器的响应随温度的变化等，比信号噪声和热噪声对测量精度的影响要大得多。应在传感器结构设计中和制造工艺中设法减小这些影响。 9.2.2 偏振调制与解调 光波是横波。光振动的电场矢量E和磁场矢量H和光线传播方向s正交。按照光的振动矢量E、H在垂直于光线平面内矢端轨迹的不同，又可分为线偏振光（又称平面偏振光）、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光。利用光波的这种偏振性质可以制成光纤的偏振调制传感器。 光纤传感器中的偏振调制器常利用电光、磁光、光弹等物理效应。在解调过程中应用检偏器。 调制原理 如图所示，当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高电压，晶体将呈现双折射现象——普克耳效应。在晶体中，两正交的偏振光的相位变化： 平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面发生偏转，这种现象称为法拉第磁光效应，光矢量旋转角： 在垂直于光波传播方向施加应力，材料将产生双折射现象，其强弱正比于应力。这种现象称为光弹效应。偏振光的相位变化： 9.2.3 相位调制与解调 相位调制的基本原理是：通过被测能量场的作用，使能量场中的一段敏感单模光纤内