光纖傳感器

光纖傳感器

元件型光纖傳感器

傳輸型光纖傳感器1元件型光纖傳感器元件型光纖傳感器

一、微彎損耗光纖傳感器基于微彎損耗機(jī)理的強(qiáng)度調(diào)制型傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。由光纖中光功率的數(shù)值可得到諸如壓力、位移等被測(cè)量的大小。圖1微彎損耗光纖傳感器原理

光輸入光輸出變形器多模光纖LΛ2設(shè)光纖的微彎變形函數(shù)為正弦型1-1

根據(jù)光纖模式理論，可得到微彎損耗系數(shù)

式中D(t)——外界信號(hào)導(dǎo)致的彎曲幅度；q——空間頻率；z——變形點(diǎn)到光纖入射端的距離；設(shè)光纖微彎變形函數(shù)的微彎周期為，則有的近似表達(dá)式:1-2

元件型光纖傳感器3式中——比例系數(shù)；

——光纖中光波傳播常數(shù)差；——光纖中產(chǎn)生微彎變形的長(zhǎng)度；式4.4.1-2表明，a與光纖彎曲幅度D(t)的平方成正比，彎曲幅度越大，模式耦合越嚴(yán)重，損耗就越高。a還與光纖彎曲變形的長(zhǎng)度成正比，作用長(zhǎng)度越長(zhǎng)，損耗也越大。a與光纖微彎周期有關(guān)，當(dāng)時(shí)產(chǎn)生諧振，微彎損耗最大。因此，從獲得最高靈敏度的角度考慮，需要選擇合適的微彎周期。元件型光纖傳感器4二、干涉式光纖傳感器

光波通過(guò)長(zhǎng)度為的光纖，其相位延遲為1-3對(duì)式4.4.1-3微分得：1-4

式中第一項(xiàng)表示光纖長(zhǎng)度變化引起的相位差（應(yīng)變效應(yīng)或熱脹效應(yīng)），第二項(xiàng)為光纖折射率變化引起的相位差（光彈效應(yīng)或熱光效應(yīng)），第三項(xiàng)為光纖芯徑變化引起的相位差（泊松效應(yīng)）?！?.4.1元件型光纖傳感器5

對(duì)調(diào)制在相位中的信號(hào)需要進(jìn)行解調(diào)，用于光相位解調(diào)的干涉結(jié)構(gòu)有多種，如雙光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法及環(huán)形干涉法等，此處主要介紹雙光束干涉法。雙光束光纖干涉儀有邁克爾遜(Michlson)干涉儀、馬赫-陳德爾(Mach-Zehnder)干涉儀及斐索(Fizeau)干涉儀，基本結(jié)構(gòu)如圖4.4.1-2所示。光源探測(cè)器信號(hào)臂參考臂3dB(a)邁克爾遜干涉儀

光源信號(hào)臂參考臂3dB探測(cè)器3dB(b)馬赫-陳德爾干涉儀光源探測(cè)器傳輸光纖3dBM1M2自聚焦透鏡(c)斐索干涉儀圖.1-2雙光束光纖干涉儀元件型光纖傳感器6現(xiàn)以雙光束干涉儀為例來(lái)分析干涉場(chǎng)。設(shè)信號(hào)光與參考光的場(chǎng)強(qiáng)分別為：兩光束相干產(chǎn)生的干涉場(chǎng)分布為1-5相應(yīng)的光強(qiáng)分布為1-6

這樣，可將相位變化轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度變化，可以獲得被測(cè)信號(hào)的大小。元件型光纖傳感器7三、光纖光柵傳感器

光纖光柵是利用光纖的光折變效應(yīng)，使纖芯折射率沿軸向產(chǎn)生周期性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。光纖Bragg光柵（FiberBraggGrating，F(xiàn)BG）是一種反射型濾波器件，其機(jī)理是后向傳播的LP01模與前向傳播的LP01模之間發(fā)生耦合，根據(jù)相位匹配條件，要求光柵周期很小，一般小于1μm。FBG的傳輸特性如圖4.4.1-3所示。λIFBG反射譜λBλI輸入譜λIFBG透射譜λB元件型光纖傳感器8FBG的反射光波中心波長(zhǎng)為 1-7反射率為

1-9反射光帶寬（半峰值全寬）為

1-8元件型光纖傳感器9由于光纖光柵的柵距是沿光纖軸向分布的，因此在外界信號(hào)如溫度、壓力的作用下，光纖將產(chǎn)生軸向應(yīng)變與折射率變化，柵距也隨之變化，導(dǎo)致反射波長(zhǎng)變化：1-10光纖光柵的反射波長(zhǎng)受到被測(cè)量的調(diào)制產(chǎn)生偏移，解調(diào)出波長(zhǎng)變化就可以得到被測(cè)量。解調(diào)方法有光譜法，用光譜儀直接測(cè)量反射譜或透射譜，是最簡(jiǎn)單的方法，但光譜儀的價(jià)格較高，而且不適合在線實(shí)時(shí)測(cè)量。此外還有波長(zhǎng)掃描法、光學(xué)濾波法及干涉法。在此介紹干涉解調(diào)法。元件型光纖傳感器10

由光纖光柵反射回來(lái)的光波進(jìn)入不等臂馬赫-陳德爾干涉儀，設(shè)干涉儀參考臂與測(cè)量臂幾何長(zhǎng)度差為，則干涉信號(hào)相位為：1-11由相位變化量可以得到波長(zhǎng)偏移量，進(jìn)而獲得溫度或壓力信息。

當(dāng)反射波長(zhǎng)變化，則干涉信號(hào)相位亦隨之改變，變化量為：

1-12元件型光纖傳感器11四、法拉第電流傳感器

法拉第電流傳感器是利用光纖的磁光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量的，按調(diào)制參數(shù)分類，則屬于偏振調(diào)制型。磁光效應(yīng)，又稱法拉第（Faradag）效應(yīng)，是指某些物質(zhì)在外磁場(chǎng)的作用下，使通過(guò)它的線偏振光的偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。設(shè)法拉第材料的長(zhǎng)度為l，沿長(zhǎng)度方向施加的外磁場(chǎng)強(qiáng)度為H，則線偏振光通過(guò)它后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度為

1-13元件型光纖傳感器12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)如圖4.4.1-4所示。圖.1-4基于光纖磁光效應(yīng)的電流傳感器將光纖繞在被測(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1-14

P2WP

探測(cè)器1探測(cè)器2I1I2光源光纖IP1元件型光纖傳感器13由以上兩式可得偏轉(zhuǎn)角1-15繞在導(dǎo)線上的光纖長(zhǎng)度為：

，代入上式得

1-16

通過(guò)光纖的光偏振面偏轉(zhuǎn)角與被測(cè)電流及光纖的匝數(shù)成正比，與光纖圈半徑大小無(wú)關(guān)。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輸出的元件型光纖傳感器14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

1-17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。元件型光纖傳感器15五、限分布鹽式光偷纖傳盲感器分布遮式光青纖傳牧感器零是一根種本閘征型墳的光逢纖傳窄感器寺，所詳有敏薪感點(diǎn)征均分義布于欠一根睬傳感手光纖棋上。計(jì)目前的有兩照種方法式發(fā)肺展比還較快罩，一鑄種是狹以光舅纖的棄后向凱散射箭光或?qū)跋蚓w散射君光損靈耗時(shí)竭域檢箭測(cè)技妙術(shù)為愧基礎(chǔ)雜的光時(shí)喇域分暮布式，另?xiàng)壱环N眾是以學(xué)光波學(xué)長(zhǎng)檢貿(mào)測(cè)為朗基礎(chǔ)達(dá)的波長(zhǎng)南域分遼布式。時(shí)域畝分布級(jí)式光養(yǎng)纖傳刻感器秩的物設(shè)理基枯礎(chǔ)是列光學(xué)腎時(shí)域逝反射排技術(shù)芬（Op扭ti述ca胳l躬Ti沖me繪-d億om視ai訂nRe償fl利ec徑to創(chuàng)me勾tr取y），簡(jiǎn)稱OT計(jì)DR。其基仗本原軌理是慶利用垂分析藍(lán)光纖酬中后然向散誘射光癢或前番向散氏射光旁的方逆法測(cè)患量因深散射鉤、吸什收等打原因五產(chǎn)生習(xí)的光推纖傳酸輸損蒙耗和轟各種保結(jié)構(gòu)窄缺陷呈引起歪的結(jié)游構(gòu)性尖損耗兩，當(dāng)元件腳型光麻纖傳濃感器16光纖蝴某一尼點(diǎn)受由溫度閱或應(yīng)虎力作少用時(shí)急，該儲(chǔ)點(diǎn)的窗散射梳特性吐將發(fā)趕生變更化，絹因此沸通過(guò)蜻顯示益損耗波與光去纖長(zhǎng)深度的煉對(duì)應(yīng)猾關(guān)系棚來(lái)檢拆測(cè)外潤(rùn)界信鑒號(hào)分憶布于同傳感議光纖掏上的攪擾動(dòng)悶信息曉。圖陶4.庸4.寄1-偽5給擦出了古一種趁基于旗后向狀散射救光檢嚴(yán)測(cè)的OT配DR原理備圖。圖1堪-5頑基于械后向占散射鼓光檢購(gòu)測(cè)的OT獨(dú)DR原理段圖脈沖激光光源后向散射回波傳感光纖3dB光電檢測(cè)與信號(hào)處理系統(tǒng)元件溫型光張纖傳饒感器17設(shè)光偷纖上隙距離笑始端Z處、役長(zhǎng)度掃為dZ的一嶼段光陣?yán)w產(chǎn)勉生的裹后向抄散射明光傳六播至稻光纖山始端守的功亭率為1-球18上式姓可變島換為1-粥191-誓20元件仆型光瓶纖傳脹感器18由于領(lǐng)外界形因素姑引起廊的沿蠅光纖賢長(zhǎng)度洪上的慢某一屈點(diǎn)散姥射信到號(hào)的壯變化撿，可容以通誼過(guò)OT龜DR方法臨獨(dú)立奏地探背測(cè)出赴來(lái)，頓而不案受其捕他點(diǎn)汗散射洗信號(hào)方改變鋤的影重響，夾因此起可以袋采用OT為DR方法嗎實(shí)現(xiàn)屯對(duì)光量纖的禽分布縮慧式測(cè)撇量。圖1莫-6錘后向讀散射扒光檢童測(cè)波晌形示社意圖相對(duì)回波光功率初始脈沖作用點(diǎn)終端費(fèi)涅爾回波長(zhǎng)度Z元件甜型光末纖傳導(dǎo)感器19OT團(tuán)DR的空窗間分充辨力臥由W注入倚光脈靜沖的知寬度就決定耕，為，為瘦提高悟空間斯分辨男力，遺應(yīng)使抽用窄幫的光赴脈沖租。當(dāng)波頁(yè)長(zhǎng)為的低骨功率苗光脈逆沖注命入到興傳感柴光纖局時(shí)，將產(chǎn)愉生自崖發(fā)后欺向喇碎曼散元射，混包括珠兩條到譜線桃，一鋸條波貪長(zhǎng)為，稱為斯托街克斯駕線。另繞一條終波長(zhǎng)話為，稱唐為反斯萄托克竭斯線。反截斯托石克斯豎線光堂強(qiáng)與遵斯托綱克斯誘線光決強(qiáng)之頃比為1-嗎21由上數(shù)式可范見(jiàn)，炸自發(fā)劇后向領(lǐng)喇曼扁散射質(zhì)中反那斯托嘩克斯允線光波強(qiáng)與誦斯托溪克斯臉線光但強(qiáng)之步比僅市是光姨介質(zhì)桑所處朵溫度要的函寨數(shù)，矮隨著刻環(huán)境萍溫度惠的升矮高比邊值呈銷指數(shù)喘規(guī)律聽增加罰。元件然型光吩纖傳泥感器20傳輸碎型光娃纖傳鵝感器傳輸賤型光按纖傳燈感器一、薦反射俘式位始移傳冷感器反射堆式位榨移傳花感器面，派其基顧本原安理如忠圖2豆-1磁所示捧。圖2仗-1房誠(chéng)反射濁式位謝移傳氏感器探測(cè)器光源被測(cè)面?zhèn)鬏敼饫w接收光纖21傳輸括型光揮纖傳辰感器光源望發(fā)出蝴的光帥通過(guò)稈光纖使射向紡被測(cè)艱物體踢，其染反射宿光由莊接收善光纖瓶收集云，送猾到探沉測(cè)器可，通企過(guò)信靈號(hào)處喝理得道到光黑纖端荒面與假被測(cè)棕面之雞間距晌離的挑變化秩（位族移）嫌。下面覆分析陳接收暫光強(qiáng)擦變化齡與位灣移之燥間的什關(guān)系搬，參悉考圖即2-殼2。圖2更-2博光耦拒合示技意圖被測(cè)面?zhèn)鬏敼饫w接收光纖傳輸光纖像da2r22傳輸我型光請(qǐng)纖傳貨感器假設(shè)念兩根古光纖猛均為賢階躍伙折射潮率光取纖，陳芯徑裕為2r，數(shù)值泛孔徑皆為NA紋，兩光濫纖間豪隔為a，并定望義當(dāng)距紡離時(shí)，蛋兩光乳纖的緞光耦裕合為投零，賞即沒(méi)霜有反射計(jì)光進(jìn)饒入接都受光財(cái)纖；當(dāng)時(shí)，戀兩光遲纖的旨耦合擋最強(qiáng)掌，接茂收光羞。強(qiáng)達(dá)內(nèi)到最林大值室。此蝦時(shí)輸匙入光武纖的扣像發(fā)喪出的款光錐樂(lè)完全蝦覆蓋受接收獵光纖擠端面失.在線芳性近邊似條稍件下淡，可頁(yè)得到臉交疊旗面積筍與光絞纖芯處面積申之比環(huán)為2-宋123傳輸煌型光逗纖傳排感器假設(shè)已反射拌面無(wú)盞光吸榆收，昆兩光鳥纖的牙光功雀率耦傘合效猴率F即為拴交疊委面積民與光鋼錐底痛面積圣之比2-溪2上述坦關(guān)系借式提乖供了捉反射膛式傳邀感器豆的設(shè)帖計(jì)依舉據(jù)。圖4肢.4手.2華-3江給出壟了一纏個(gè)設(shè)睛計(jì)實(shí)乏例，篇主要普參數(shù)承為：巴2r=遷20趙0μ院m，夠NA債=0登.5攔，a爬=1禮00推μm尤。圖2艇-3梯耦合盾效率銹與距魚離關(guān)督系的苦理論治曲線2004006000510F/%d/μmd=320μmF=7.2%24§4弄.4攻.2核傳書輸型乒光纖晴傳感音器二、熄半導(dǎo)貪體吸土收溫妄度傳前感器設(shè)入閥射光影強(qiáng)為出射竹光強(qiáng)秩為2-庸3，在版經(jīng)過(guò)干長(zhǎng)度渴為的緒半導(dǎo)慎體材侮料后完，只有陪能量周大于粒半導(dǎo)透體材暗料的遷禁帶牌寬度Eg的光底子才序能被傘吸收本征創(chuàng)吸收礦時(shí)電盆子從紐奉導(dǎo)帶蓋躍遷卵到價(jià)抱帶的公形式眾有兩材種，都即間秘接躍兔遷與駁直接宗躍遷投，這頓由半擦導(dǎo)體閱材料行的能捧帶結(jié)適構(gòu)所擴(kuò)決定叔。Ga口As半導(dǎo)銀體是慣典型工的直容接躍勸遷材河料，椒當(dāng)光醒子能閘量hv大于克材料材的禁琴帶寬餡度E