光纤传感器基本原理

opticalfibersensors光纤传感技术Opticalfibersensors第五章光纤传感器基本原理FundamentalofOpticalFiberSensor第五章光纤传感器基本原理§5.4频率调制机理第五章光纤传感器基本原理利用外界作用改变光纤中光的频率，通过检测光纤中光的频率的变化来测量各种物理量,这种调制方式称为频率调制。频率调制技术目前主要利用多普勒效应来实现一、频率调制光纤传感器的基本原理第五章光纤传感器基本原理波源的振动频率f观察者测得的频率f'由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率变化的现象叫做多普勒效应。如果二者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果二者远离，观察者接收到的频率减小多普勒效应第五章光纤传感器基本原理u观察波源不动,观察者靠近波源:＋uf'fuuf＋'fuu/＋fuu＋第五章光纤传感器基本原理观察者不动，波源运动波源以速度运动，在一个周期T内由S点运动到S’点。这相当于把声源静止时的波长，由于声源的运动而被压缩在S'A之间了,波长变为：fuffuTuTSTS'SAuTTxfuuuf''第五章光纤传感器基本原理S为光源，P为运动物体，Q为观察者所处的位置，若物体P的运动速度为υ，其运动方向如图所示，则从S发出的光频率f,运动物体接收到的频率为f1，它们之间有如下关系：光源S物体PQ12fuuf11cos第五章光纤传感器基本原理fufuuuufuuufuufuuf)]cos(cos1[)coscos(cos)cos)(cos(coscoscos21221222222121122＋＋＋－－经运动物体P散射后，观察者在Q处观察到的运动物体反射的光频率f2为根据上式，可以设计出多普勒光纤流速、流量测量传感器光源S物体PQ12第五章光纤传感器基本原理多普勒光纤流速测量技术设光源频率为f，经半反射镜进入光纤射入到被测流体，当流体以速度υ运动时，根据多普勒效应，其向后散射光的频率为f+Δf或f–Δf（视流向而定）半反射镜透镜探测器分析器光纤检偏器起偏器流体)cos(cos212cffff激光器B光纤截面ff+f第五章光纤传感器基本原理半反射镜透镜探测器分析器光纤检偏器起偏器流体)cos(cos212cffff向后散射光与光纤端面反射光（参考光）经半反射镜，由检偏器检出相同振动方向的光，探测器检测出端面反射光f与后向散射光f+Δf或f-Δf的差拍的拍频Δf，由此可知流体的流速。激光器B光纤截面ff+f第五章光纤传感器基本原理多普勒测速系统检测可以达到的体积或探测深度。通常，当距光纤端面距离超过a／tg处的散射场，耦合回光纤的功率已经衰减至很难检测的程度。这样。探测媒质的最大穿透深度只有几个光纤芯半径的量级，对于大衰减媒质的穿透深度只有两个纤芯半径。一般，多普勒探测器最大只能实现液体中几毫米处粒子的运动速度测量，只适用于携带粒子的流体或混浊体中悬浮物质的速度测量。速度测量范围mm/s~m/s。光纤多普勒系统的局限性a2第五章光纤传感器基本原理虚像光纤F´F提高光纤多普勒系统的探测深度的方法ddf流体第五章光纤传感器基本原理多普勒颈脑血液测速仪§5.4结束第五章光纤传感器基本原理§5.5波长调制机理PrincipleofWavelengthModulation第五章光纤传感器基本原理波长调制光纤传感器是利用传感探头的光谱特性随外界物理量变化的性质来实现被测参数的测量。波长调制光纤传感器被测信号S波长调制器光谱仪信号处理第五章光纤传感器基本原理被测信号S(t)波长调制器光谱仪)(iP)(oP得到S(t)得到Po())(iP信号处理波长调制光纤传感器工作原理第五章光纤传感器基本原理光纤波长调制技术主要应用于医学、化学等领域。例如，对于人体血气的分析，pH值检测，指示剂溶液浓度的化学分析，磷光和荧光现象分析，黑体辐射分析等。光纤波长调制传感器应用第五章光纤传感器基本原理主要的pH值测定方法有：酸碱指示剂法、pH试纸法、pH计测量法等。光纤pH值传感器是一种pH计，是利用化学指示剂对被测溶液的颜色反应来测量溶液的pH值。1、光纤pH测量技术第五章光纤传感器基本原理由于指示剂的透明度在红色光谱区域对pH值非常敏感，在绿色区域却与pH值无关。所以，当白光由光纤导入浸泡在被测溶液中的pH探头后，经过用指示济染色的聚丙酸脂小球的散射，得到反映溶液pH值的光信号。装入直径为5～10mm的聚丙酸脂小球，并用指示剂将小球染色可渗透的薄膜容器透过率受到外界物理量的调制第五章光纤传感器基本原理光信号由光纤导出进入旋转的双色滤光器，从而使红光和绿光交替地投射到光电二极管探测器上，通过信号处理系统把这两种颜色(波长)的光强信号的比值测量出来．测量结果直接反映被测溶液的pH值。装入直径为5～10mm的聚丙酸脂小球，并用指示剂将小球染色可渗透的薄膜容器第五章光纤传感器基本原理k,c为常数；L为试剂长度,＝pH—pK，其中pH是酸碱度,pK是酸碱平衡常数。采用不同的化学指示济溶液，即可测量不同pH值范围。当采用红酚时，可测量pH值在7~7.4的范围内，仪器具有0.01的分辨率。当采用溴酚蓝时，可测量pH值在3.0~3.6的范围内.采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中多种因素所造成的误差。取绿光(1=558nm)作为参考光，红光(2＝630nm)作调制检测光，探测器接收到的绿光与红光强度的吸收比值为R，pH值与R的关系为)10/(10LckR§5.5结束第五章光纤传感器基本原理PrincipleofPolarizationModulation§5.6偏振调制机理第五章光纤传感器基本原理（又称线偏振光或平面偏振光）第五章光纤传感器基本原理起偏起偏与检偏起偏：当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向.021I偏振化方向0I起偏器PolarizationModulation第五章光纤传感器基本原理检偏器检偏起偏器PolarizationModulation检偏器检偏起偏器第五章光纤传感器基本原理利用光波的这些偏振性质，可以制成光纤偏振调制传感器。光纤传感器中的偏振调制器常用电光、磁光、光弹等物理效应进行调制。光纤偏振调制传感器PolarizationModulation第五章光纤传感器基本原理偏振调制物理效应PolarizationModulation普克尔效应法拉第效应光弹效应第五章光纤传感器基本原理=++eoonznynx折射率椭球k折射率椭球是晶体各向异性的几何表示，晶体折射率椭球方程为：1222222zyxnznynx单轴晶体的折射率椭球是一个旋转对称的椭球。第五章光纤传感器基本原理1222222eoonznynxonenenon正单轴晶体负单轴晶体yxzzxyxoennoenn第五章光纤传感器基本原理(1)普克尔效应电光效应（电致双折射）：某些晶体材料在外加电场作用下产生各向异性的折射率变化。n＝E+kE2普克尔效应（一次电光效应,Pockels，1893）：当电场加在晶体上时，折射率的变化是线性的（在不对称中心的晶体中）如：ADP（磷酸二氢铵）、KDP（磷酸二氢钾）、KD*P（磷酸二氘钾）n＝E第五章光纤传感器基本原理纵向电光效应：一是电场沿着晶体主轴(光轴方向)，使电场方向与光线方向平行；横向电光效应：二是电场沿晶体任一主轴x轴或y轴或Z轴加到晶体上，而取通光方向与电场方向相垂直.EE晶体晶体光轴光轴第五章光纤传感器基本原理KDP（磷酸二氢钾）的纵向电光效应沿Z轴加电场时,='+'+''''zyxnznynxezzzoyzooxnnnEnnnEnnn'6330'633'2263电光系数,Ez电场强度ZEno633Exampleyxy’x’加电压前第五章光纤传感器基本原理P1P2lKDP的纵向电光效应P1P2lUUUUnlEnlnnzyx63306330''22)(2不加电压加电压第五章光纤传感器基本原理40243245472不同的相位差对应的偏振态第五章光纤传感器基本原理半波电压：63302/2nU半波电压是表征电光晶体性能的重要的参数，该电压越小越好。作为一个例子：KDP（磷酸二氢钾）no=1.512,63=10.6,对于0.54mm光，U/2=7.36kV,而KD*P:no=1.52，63=23.3:V=3.29KV当晶体折射率变化所引起的两正交平面偏振光的相位变化为时，则称此时电压为半波电压U/2(或U)，且第五章光纤传感器基本原理P1P2lUUUnlEnlnnzyx41306330''22)(2KDP的横向电光效应U横向加电压41302nU半波电压第五章光纤传感器基本原理图5—43是利用普克耳效应的光纤电压传感器示意图。调制器晶体可用BGO或BSO晶体。传感器工作过程是，从激光器射出的光由起偏器变为平面偏振光，再入射到调制器电光晶体上。由于电光效应的作用，从电光晶体射出的光变为椭圆偏振光，经1／4波片获得一光学偏置，最后经检偏器输出。第五章光纤传感器基本原理输出的光强为：是晶体中两正交平面偏振光的相位差。UUUn413002第五章光纤传感器基本原理某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振动面会发生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量E旋转角与光在物质中通过的距离l和磁场强度H成正比(3)法拉第效应（磁光效应，磁致旋光）ElHlHVV─费尔德常量，1154Tm1010~第五章光纤传感器基本原理偏振面的旋转方向由外磁场方向决定:当光的传播方向与磁场方向一致时，顺着光传播方向看去，角是左旋的。当光的传播方向与磁场方向相反时，顺着光传播方向看去，角是右旋的。l磁致旋光物质HlH右旋左旋第五章光纤传感器基本原理偏振光一次通过法拉第材料转过角度为，而沿相反方向返回时将再旋转角。因此，两次通过法拉第材料后总的旋转角度为2。这样，为了获得大的法拉第效应，可以使光多次穿过材料，若光束在其间反射N次后出射，那么有效旋光厚度为Nl，偏振面的旋转角度提高N倍。NlH第五章光纤传感器基本原理信号源利用法拉第效应制成电流传感器。VHl振动面旋转方向与电流的方向有关法拉第效应光纤传感器光纤激光探测器第五章光纤传感器基本原理激光器起偏器I光纤载流导线光纤电流传感器原理示意图光探测器记录显示器检偏器IVHlrIH2第五章光纤传感器基本原理从本章的我们学习知道，无论是功能型光纤传感器，还是传光型光纤传感器，最终都是利用光波参量的调制来实现待测信息提取的，我们称之为光波调制技术。从光波调制的形式来分类，有强度调制、位相调制、频率调制、偏振调制及波长调制(光纤传感头的光频谱特性随待测物理量变化)。第五章小结第五章光纤传感器基本原理注：MM多模；SM单模；PM偏振保持1、光纤传感器的分类传感器物理效应被测量光纤类型干涉型相位调制光纤传感器磁致伸缩效应电致伸缩效应Sagnac效应光弹效应电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PM非干涉型强度调制光纤传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMM偏振调制光纤传感器法拉第效应泡克尔斯效应光弹效应电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMM频