光纖傳感器§4.4.1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4.4.1-1所示。光輸入光輸出變形器多模光纖LΛ

圖4.4.1-1微彎損耗光纖傳感器原理設(shè)光纖的微彎變形函數(shù)為正弦型

根據(jù)光纖模式理論，可得到微彎損耗系數(shù)

α的近似表達(dá)式: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；式中K——比例系數(shù)；△β——光纖中光波傳播常數(shù)差；L——光纖中產(chǎn)生微彎變形的長(zhǎng)度；α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。α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。α與光纖微彎周期有關(guān)，當(dāng)q=△β時(shí)產(chǎn)生諧振，微彎損耗最大。

根據(jù)光纖模式理論，可得到微彎損耗系數(shù)

α的近似表達(dá)式:二、干涉式光纖傳感器

光波通過(guò)長(zhǎng)度為l的光纖，其相位延遲為微分得：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)）。

相位信號(hào)解調(diào)的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。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

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)分布為相應(yīng)的光強(qiáng)分布為

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，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)角度為應(yīng)用－－高壓傳輸線用的電流傳感器圖4.4.1-4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

P2WP

I1-I2I1+I2探測(cè)器1探測(cè)器2I1I2

光源光纖IP1

由以上兩式可得偏轉(zhuǎn)角繞在導(dǎo)線上的光纖長(zhǎng)度為：l=2πRN，代入上式得

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。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

I1-I2I1+I2探測(cè)器1探測(cè)器2I1I2

光源光纖IP1§4.4.2傳輸型光纖傳感器探測(cè)器光源被測(cè)面?zhèn)鬏敼饫w接收光纖一、反射式位移傳感器反射式位移傳感器，其基本原理如圖4.4.2-1所示。圖4.4.2-1反射式位移傳感器

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并送到探測(cè)器，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）。圖4.4.2-2光耦合示意圖被測(cè)面?zhèn)鬏敼饫w接收光纖傳輸光纖像da2r

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T=tan(sin-1NA)

當(dāng)距離d<a/2T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)d>(a+2r)/2T時(shí)，兩光纖的耦合最強(qiáng)，接收光強(qiáng)達(dá)到最大值。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.其中：

假設(shè)反射面無(wú)光吸收，兩光纖的光功率耦合效率F即為交疊面積與光錐底面積之比例：如果主要參數(shù)為：2r=200μm，NA=0.5，a=100μm。圖4.4.2-3耦合效率與距離關(guān)系的理論曲線2004006000510F/%d/μmd=320μmF=7.2%二、半導(dǎo)體吸收溫度傳感器設(shè)入射光強(qiáng)為I(λ，0)，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為x的半導(dǎo)體材料后，出射光強(qiáng)為

只有能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg的光子才能被吸收

GaAs半導(dǎo)體是典型的直接躍遷材料，當(dāng)光子能量hv大于材料的禁帶寬度Eg時(shí)，吸收系數(shù)可以寫成：GaAs材料的禁帶寬度Eg與溫度具有如下關(guān)系：圖4.4.2-4半導(dǎo)