光纤传感器基本原理
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3 2n0 41U / 0 (纵向)
3 n0 cU l (横向) 0 d
晶体的半波电压 U 2
0 l 3 2n 0 c d
2.克尔效应 克尔效应(平方电光效应) 当外加电场作用在各向同性的透 明物质上时，各向同性物质的光学性质发生变化，变成具有双 折射现象的各向异性特性，并且与单轴晶体的情况相同。
U 2 (ne n0 )l k o ( ) l d
检偏镜的透射光强度I与起 偏镜的入射光强I0之间的关系:
U 2 I I 0 sin 2 [ ( ) ] 2 U
2
3.法拉第效应 法拉第效应(磁致旋光效应):物质在磁场的作用下可以使穿 过它的平面偏振光的偏振方向旋转的现象。
3 U 2 0 / 2n0 63
1-BGO调制器晶体；2-1/4 波长片；3-检偏器；
4-电压传感器测头；5-多模光导纤维；6-光检测器；
7-运算器；8-输出信号；9-光源；10-光耦合器； 11-起偏器
输出的光程为
I I 0 sin 2 (
2
4
)
式中,φ是晶体中两正交平面偏振光的相位差：
1.普克耳效应 普克耳效应(线性电光效应)：当强电场施加于光正在穿行 的各向异性晶体时，所引起的感生双折射正比于所加电场的 一次方。 x2 y 2 z 2 以主折射率表示的折射率椭球方程为 2 2 1 2 n1 n2 n3
对于双轴晶体，主折射率 n1 n2 n3；
n3 对于单轴晶体，主折射率 n1 n2 no，
ne。
对于KDP类晶体，晶体折射率的变化Δn与电场E的关 系由下式给定
3 n n0 63 E
两正交的平面偏振光穿过厚度为l的晶体后，光程差为
3 3 L n l n0 63 E l n0 63U
当折射率变化所引起的相位变化为Π 时，则称此电压为 半波电压Uλ/2，并有
(no ne )l kpl 2 2kpl / 0 0
七、对光纤和光电器件的要求
光纤、激光器、探测器是构成光纤传感器的主要部件，其特性 的好坏对光纤传感器的灵敏度影响极大。光纤传感器的灵敏度主 要决定于系统中的内部噪声电平，因此在光纤传感器里分离出噪 声源，并设法降低它，对提高灵敏度是有实际好处的。 光纤多普勒系统光纤系统的主要噪声源是背向瑞利散射噪 声和偏振噪声。瑞利散射从根本上讲是不能消除的。瑞利散射 的大小与传输的模、纤芯尺寸无关，而与波长的四次方成反比， 因此，选用长工作波长是有利的。偏振噪声的出现，是由于不 同模式的波传播常数不同，导致模间的脉冲形成。保持单模光 纤偏振状态的稳定十分重要，这样做的结果，可使灵敏度提高 几个数量级。 光纤传感器对光源-激光器的一般要求是:有一定的功率输出、 输出的偏振相干性要好、寿命长。在目前研制的各类传感器中， 用He-Ne气体激光器做光源的比较多。但从发展看，体积小、性 能可靠的半导体激光器应具有宽广的应用前景。
4.光弹效应 光弹效应:在垂直于光波传播方向施加压力，材料将会 产生双折射现象，其强弱正比于应力的现象。
设单轴晶体的主折射率ne对应于MN方向上的振动光 的折射率，主折射率no对应于垂直MN方向上的振动光的 折射率，这时光弹效应与压强P的关系可表达为 则光程差和相应的相位差为
n0 ne kp
1.光纤pH值探测技术 这种技术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。根据这种原理可以做成光纤pH探头。
取绿光(558nm)作为调制检测光，红光(630nm)作参考光，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
R k10( c L10 )
(△=pH-pK,其中pH是酸碱度,pK是酸碱平衡常数）
( m) 0
2nd cos m
(m 1,2,)
六、偏振调制机理
▲光是一种横波
偏振调制就是利用光偏振态的变化来传递被测对象的信息。
E k H
偏振光的表示法
线偏光
wenku.baidu.com
椭 圆 偏 振 光
圆偏振光
光的双折射是指一束光射向石英、方解石等各向异性晶 体介质时，分解为两束折射光的现象。
光矢量旋转的角度： V 0l Hdl
式中，V是物质的费尔德常数， l是物质中的光程，H是磁场强度。
▲法拉第旋转与旋光性旋转区别
法拉第旋转和旋光性旋转间的一个最重要的区别：前 者磁致偏振面的旋转方向，对于所给定的法拉第材料仅由 外磁场方向决定，二与光线的传播方向无关。 旋光性是一种互易的光学过程：对于旋光性的旋转， 光线正反两次通过旋光性材料后总的旋转角度等于0。 法拉第旋转是非互易的光学过程：平面偏振光一次通 过法拉第材料转过角度θ，而沿相反方向返回时将再旋转θ 角。因此两次通过法拉第材料后总的旋转角度为2θ 。
五、波长调制机理
波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性 随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能 型传感器。在波长(颜色)调制光纤探头中，光纤只是简单地 作为导光用，即把入射光送往测量区，而将返回的调制光送 往分析器。
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，法布里-珀罗滤光器等。
当外加电场方向与光的传播方向垂直时，由感应双折 射引起的寻常光折射率和非常光折射率与外加电场E的关 系为：
ne n0 o kE 2
式中，k是克尔系数。
▲克尔调制器装置
若在两极上加电压U，则由感应双折射引起的两偏振 光波的光程差为 两光波间的相位差则为
U 2kl ( ) 2 d
E0 (, T ) C13 (ec2 / T 1)1
E0(λ,T)是“黑体”发射的光谱 辐射通量密度，T是黑体绝对温度。
光纤黑体探测技术就是以黑体做探头，利用光纤传输 热辐射波，不怕电磁场干扰，质量轻．灵敏度高，体积小， 探头可以做到0.1mm。
4.光纤法布里-珀罗滤光技术 根据光学原理，假设有一束平行光以θ角倾斜入射到法 布里一珀罗标准具上，则当波长λ0=λ0(m)时，透射光或反射 光的强度达到极大值，其中
2.光纤磷光探测技术 利用磷光现象可以制成光纤温度探测系统。其工作原理 是基于稀土磷光体的磷光光谱随温度变化而改变。磷光体 被紫外光照射后，就发射一与温度有关的光谱，如下图左 所示。光谱中 “a”谱线的强度随温度升高而增加，而 “c” 谱线则降低。
3.光纤黑体探测技术 通过测量物体的热辐射能量确定物体表面温度是非接 触式测温技术。物体的热辐射能量随温度提高而增加。对 于理想“黑体”辐射源发射的光谱能量可用热辐射的基本 定律之一普朗克(Planck)公式表述：
3 n0 cU l (横向) 0 d
晶体的半波电压 U 2
0 l 3 2n 0 c d
2.克尔效应 克尔效应(平方电光效应) 当外加电场作用在各向同性的透 明物质上时，各向同性物质的光学性质发生变化，变成具有双 折射现象的各向异性特性，并且与单轴晶体的情况相同。
U 2 (ne n0 )l k o ( ) l d
检偏镜的透射光强度I与起 偏镜的入射光强I0之间的关系:
U 2 I I 0 sin 2 [ ( ) ] 2 U
2
3.法拉第效应 法拉第效应(磁致旋光效应):物质在磁场的作用下可以使穿 过它的平面偏振光的偏振方向旋转的现象。
3 U 2 0 / 2n0 63
1-BGO调制器晶体；2-1/4 波长片；3-检偏器；
4-电压传感器测头；5-多模光导纤维；6-光检测器；
7-运算器；8-输出信号；9-光源；10-光耦合器； 11-起偏器
输出的光程为
I I 0 sin 2 (
2
4
)
式中,φ是晶体中两正交平面偏振光的相位差：
1.普克耳效应 普克耳效应(线性电光效应)：当强电场施加于光正在穿行 的各向异性晶体时，所引起的感生双折射正比于所加电场的 一次方。 x2 y 2 z 2 以主折射率表示的折射率椭球方程为 2 2 1 2 n1 n2 n3
对于双轴晶体，主折射率 n1 n2 n3；
n3 对于单轴晶体，主折射率 n1 n2 no，
ne。
对于KDP类晶体，晶体折射率的变化Δn与电场E的关 系由下式给定
3 n n0 63 E
两正交的平面偏振光穿过厚度为l的晶体后，光程差为
3 3 L n l n0 63 E l n0 63U
当折射率变化所引起的相位变化为Π 时，则称此电压为 半波电压Uλ/2，并有
(no ne )l kpl 2 2kpl / 0 0
七、对光纤和光电器件的要求
光纤、激光器、探测器是构成光纤传感器的主要部件，其特性 的好坏对光纤传感器的灵敏度影响极大。光纤传感器的灵敏度主 要决定于系统中的内部噪声电平，因此在光纤传感器里分离出噪 声源，并设法降低它，对提高灵敏度是有实际好处的。 光纤多普勒系统光纤系统的主要噪声源是背向瑞利散射噪 声和偏振噪声。瑞利散射从根本上讲是不能消除的。瑞利散射 的大小与传输的模、纤芯尺寸无关，而与波长的四次方成反比， 因此，选用长工作波长是有利的。偏振噪声的出现，是由于不 同模式的波传播常数不同，导致模间的脉冲形成。保持单模光 纤偏振状态的稳定十分重要，这样做的结果，可使灵敏度提高 几个数量级。 光纤传感器对光源-激光器的一般要求是:有一定的功率输出、 输出的偏振相干性要好、寿命长。在目前研制的各类传感器中， 用He-Ne气体激光器做光源的比较多。但从发展看，体积小、性 能可靠的半导体激光器应具有宽广的应用前景。
4.光弹效应 光弹效应:在垂直于光波传播方向施加压力，材料将会 产生双折射现象，其强弱正比于应力的现象。
设单轴晶体的主折射率ne对应于MN方向上的振动光 的折射率，主折射率no对应于垂直MN方向上的振动光的 折射率，这时光弹效应与压强P的关系可表达为 则光程差和相应的相位差为
n0 ne kp
1.光纤pH值探测技术 这种技术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。根据这种原理可以做成光纤pH探头。
取绿光(558nm)作为调制检测光，红光(630nm)作参考光，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
R k10( c L10 )
(△=pH-pK,其中pH是酸碱度,pK是酸碱平衡常数）
( m) 0
2nd cos m
(m 1,2,)
六、偏振调制机理
▲光是一种横波
偏振调制就是利用光偏振态的变化来传递被测对象的信息。
E k H
偏振光的表示法
线偏光
wenku.baidu.com
椭 圆 偏 振 光
圆偏振光
光的双折射是指一束光射向石英、方解石等各向异性晶 体介质时，分解为两束折射光的现象。
光矢量旋转的角度： V 0l Hdl
式中，V是物质的费尔德常数， l是物质中的光程，H是磁场强度。
▲法拉第旋转与旋光性旋转区别
法拉第旋转和旋光性旋转间的一个最重要的区别：前 者磁致偏振面的旋转方向，对于所给定的法拉第材料仅由 外磁场方向决定，二与光线的传播方向无关。 旋光性是一种互易的光学过程：对于旋光性的旋转， 光线正反两次通过旋光性材料后总的旋转角度等于0。 法拉第旋转是非互易的光学过程：平面偏振光一次通 过法拉第材料转过角度θ，而沿相反方向返回时将再旋转θ 角。因此两次通过法拉第材料后总的旋转角度为2θ 。
五、波长调制机理
波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性 随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能 型传感器。在波长(颜色)调制光纤探头中，光纤只是简单地 作为导光用，即把入射光送往测量区，而将返回的调制光送 往分析器。
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，法布里-珀罗滤光器等。
当外加电场方向与光的传播方向垂直时，由感应双折 射引起的寻常光折射率和非常光折射率与外加电场E的关 系为：
ne n0 o kE 2
式中，k是克尔系数。
▲克尔调制器装置
若在两极上加电压U，则由感应双折射引起的两偏振 光波的光程差为 两光波间的相位差则为
U 2kl ( ) 2 d
E0 (, T ) C13 (ec2 / T 1)1
E0(λ,T)是“黑体”发射的光谱 辐射通量密度，T是黑体绝对温度。
光纤黑体探测技术就是以黑体做探头，利用光纤传输 热辐射波，不怕电磁场干扰，质量轻．灵敏度高，体积小， 探头可以做到0.1mm。
4.光纤法布里-珀罗滤光技术 根据光学原理，假设有一束平行光以θ角倾斜入射到法 布里一珀罗标准具上，则当波长λ0=λ0(m)时，透射光或反射 光的强度达到极大值，其中
2.光纤磷光探测技术 利用磷光现象可以制成光纤温度探测系统。其工作原理 是基于稀土磷光体的磷光光谱随温度变化而改变。磷光体 被紫外光照射后，就发射一与温度有关的光谱，如下图左 所示。光谱中 “a”谱线的强度随温度升高而增加，而 “c” 谱线则降低。
3.光纤黑体探测技术 通过测量物体的热辐射能量确定物体表面温度是非接 触式测温技术。物体的热辐射能量随温度提高而增加。对 于理想“黑体”辐射源发射的光谱能量可用热辐射的基本 定律之一普朗克(Planck)公式表述：