光纤传感器基本原理1

2.透射式强度调制
发送光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光 板上，或直接移动接收光纤，使接收光纤只能收到发射光纤发 出的部分光，从而实现光强调制。
3.光模式强度调制
利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹在两块具 周期性波纹的微弯板组成的变形器中构成调制器。从波导理论 的观点来看，当光纤发生弯曲时，传输光会有一部分泄漏到包 层中去，这种泄漏是光纤内发生模式耦合的结果，这些耦合模 变为辐射模，造成传播光能量的损耗。 若采取适当的方式探测光强的变化，则可知道位移变化量， 据此可以制作出温度、压力、振动、位移、应变等光纤传感器。
输出光纤端面受光锥照射的表面所占的百分比为 1 arccos( ) (1 ) sin[arccos1 )] 1 ( r r r
P0 r 2 ) F (耦合效率) 被输出光纤接收的入射光功率百分数为 ( ) ( Pi r 2dT
1.反射式强度调制
调制机理：输入光纤将光源的光射向被测物体表面，再 从被测面反射到另一根输出光纤中，其光强的大小随被测表 面与光纤间的距离而变化。
▲当d <a/2T，即a>2dT( dT为发射光锥的底面积半径，且T = tg(sin-1NA))时， 耦合进输出光纤的光功率为零； 当d>(a十2r)/2T时，输出光纤与输入光纤的像发出的光锥底端相交，其相交 的截面积恒为πr2，此光锥的底面积为π(2dT)2，故在此范围内间隙的传光系数 为(r/2dT)2； 当a/2T≤d≤(a+2r)/2T时，耦合到输出光纤的光通量由输入光纤的像发出的光 锥底面与输出光纤相重叠部分的面积所决定，重叠部分如下图所示。
三、相位调制机理
相位调制光纤传感器的基本传感原理:通过被测能 量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用 干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出 待恻的物理量。 光纤中光的相位由光纤波导的物理长波、折射率及 其分布、波导横向几何尺寸所决定，可以表示为k0nL， 其中k0为光在真空中的波数，n为传播路径上的折射率， L为传播路径的长度。一般说，应力、应变、温度等外界 物理量能直接改变上述三个波导参数，产生相位变化， 实现光纤的相位调制。
(2)渐逝波耦合型
通常，渐逝波在光疏媒质中深入距离有几个波长时．能量 就可以忽略不计了。如果采用一种办法使渐逝场能以较大的振 幅穿过光疏媒质，并伸展到附近的折射率高的光密媒质材料中， 能量就能穿过间隙，这一过程称为受抑全反射。
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(3)反射系数型
光波在入射界面上的光强分配由菲涅尔公式描述，界面强 度反射系数由菲涅尔反射公式给出
强度调制光纤传感器的基本原理是待测物理量引起 光纤中的传输光光强变化。通过检测光强的变化实现对 待测量的测量，其原理如下图所示。
P0 Pi P0
Pi
强度调制方式很多，大致可分为以下几种:反射式强度 调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸 收系数强度调制等等。一般透射式、反射式和折射率强度 调制称为外调制式，光模式称为内调制式。
第八章、光纤传感器基本原理
光纤技术是正在迅猛发展中的一门新兴技术。光纤是光波 导的一种，具有损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可挠性好、 抗电磁干扰、耐化学腐蚀、原料丰富、制造过程能耗少、节约 大量有色金属等突出优点，从而引起了人们的高度重视。
一、光纤传感器简介
光纤传感技术是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术。 它是随着光导纤维实用化与光通信技术的发展而形成的。 光 纤作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通信技术中。 但是,在实际光通信过程中发现,光纤受到外界环境因素的 影响,如压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起 光纤传输的光波量，如光强、相位、颇率、偏振态等变化。因 此．科技人员推测．如果能测量出光波量变化的大小，就可以 知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量 的大小．于是就出现了光纤传感器技术。
由反射系数的菲涅尔公式知道， 当光波以大于临界面(θc=sin-1n)的θ角 入射到n1、n3介质的界面上时，若n3 介质由于压力或温度的变化引起n3的 微小改变，相应会引起反射系数的变 化，从而导致反射光强的改变，利用 这一原理可以设计出压力或温度传感 器。
5.光吸收系数强度调制
(1)利用光纤的吸收特性进行强度调制 X射线、γ射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加， 使光纤的输出功率降低，从而构成强度调制辐射量传感器。
1.基本结构
光纤传感器是把被测量的状态转变为可测的光信号 的装置。光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光 接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被 测量。
2.分类
传 感 原 理
被 测 对 象
功能型光纤传感器：利用光纤本身的特性把光纤作 为 敏感元件。 非功能型光纤传感器：利用其它敏感元件感受被测 量 的变化，光纤仅作为传输介 质，传输来自远外或难以接 近 光纤温度传感器 场所的光信号， 光纤位移传感器 光纤浓度传感器 光纤电流传感器 光纤流速传感器等
光纤传感原理与技术是以光纤的导波现象为基础的,光 从光纤射出时，光的特性得到调制，通过对调制光的检测， 便能感知外界的信息，实现对各种物理量的测量，这就是光 纤传感器的基本原理。 光纤传感器是用待测量对光纤内传输的光波参量进行调制 得到调制信号，该信号经光纤传输至光探测器进行解调，从而 获得待测量值的一种装臵。与传统的传感器不同，它将被测信 号转换为光信号的形式取出。
(2)利用半导体的吸收特性进行强度调制 大多数半导体的禁带宽度Eg都随着温度T的升高而几乎线 性地减小。因此，它们的光吸收边的波长λg(T)将随着T的升 高而变化。如果选用辐射谱与λg(T)相适应的发光二极管，那 么通过半导体的光强将随着T的升高而下降，测量透过的光强， 即可确定温度。
半导体晶格吸收型温度传感器，它的结构是把半导体晶体 制成薄片，在片子的两侧固定上光纤，用不锈钢管保护。
被 调 制 的 光 波 参 数
强度调制光纤传感器
相位调制光纤传感器 频率调制光纤传感器
偏振调制光纤传感器 波长调制(颜色)光纤传感器
2.光波参数
在光纤中传输的光波：E=E0cos(ω t+φ ) 上式包含五个参数，即强度E02、频率ω、波长λ0=2πc/ω、 相位(ωt+φ)和偏振态
二、强度调制机理
(2)温度应变效应
若光纤放臵在变化的温度场中，并把温度场变化等效 为作用力F时，那么作用力F将同时影响光纤折射率、和 长度L的变化。由F引起光纤中光波相位延迟为
式中第一项表示折射率变化引起的相位变化；第二项 表示光纤几何长度变化引起的相位变化，式中没有考虑光 纤直径变化对相位变化的影响。若上式用温度变化△T和相 位变化描述，则有
4.折射率强度调制
(1)利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变化的光强调制;
(2)利用折射率的变化引起渐逝波耦合度变化的光强调制;
(3)利用折射率的变化引起光纤光强反射系数改变的透射光 强制。
(1)光纤折射率变化型
一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同。在温度恒定 时，包层折射率n2与纤芯折射率n1之间的差值是恒定的。当温 度变化时， n2 、 n1之间的差发生变化，从而改变传输损耗。因 此，以某一温度时接收到的光强为基准,根据传输功率的变化可 确定温度的变化。
1.相位调制
相位调制是通过干涉仪进行的，在光纤干涉仪中，以 敏感光纤作为相位调制元件。敏感光纤臵于被测能量场中， 由于被测场与敏感光纤的相互作用，导致光纤中光相位的 调制。 光波通过长度为L的光纤后，出射光波的相位延迟为

2
(1)应力应变效应

L L
光波在外界因素的作用下，相位的变化可以写成如下形式 L L L L L n L a L n a
式中，a为光纤芯的半径； 第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟(应变效应)； 第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟(光隙效应)； 第三项表示光纤的半径改变所产生的相位延迟(泊松效应)。
纵向应变引起的相位变化 径向应变引起的相位变化 光弹效应引起的相位变化 一般形式的相位变化
实现纵向、径向应变最简便的方法是采用一个空心的 压电陶瓷圆柱筒(PZT)，在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈 光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号，由于PZT筒的直 径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光 纤承受到应力，光波相位随之变化。