东华大学出版社：《光电信息技术》教材电子教案（PPT课件讲稿）第四章 光电信息技术 4.4 光纤传感器

§44光纤传感器 §4.4光纤传感器 4.4.1元件型光纤传感器 §4.4.2传输型光纤传感器 目录节卡参来 第四辛。光电信息技术

目录 章首 节首 上一张 下一张 结束 第四章 光电信息技术 §4.4 光纤传感器 1 §4.4 光纤传感器 §4.4.1元件型光纤传感器 §4.4.2传输型光纤传感器

§44元件型光红传感器 844,元件型光红传感器 微弯损耗光纡传感器 基于微弯损耗机理的强度调制型传感器的结构如 图441-1所示。由光纤中光功率的数值可得到诸如压 力、位移等被测量的大小。 多模光纤 变形器 光输入 光输出 图4411微弯损耗光纤传感器原理 目录节卡参来 第四辛。光电信息技术

目录 章首 节首 上一张 下一张 结束 第四章 光电信息技术 § 2 4.4.1元件型光纤传感器 §4.4.1 元件型光纤传感器 一、微弯损耗光纤传感器 基于微弯损耗机理的强度调制型传感器的结构如 图4.4.1-1所示 。由光纤中光功率的数值可得到诸如压 力、位移等被测量的大小。 图4.4.1-1 微弯损耗光纤传感器原理 光输入 光输出 变形器 多模光纤 L Λ

§44元件型光红传感器 设光纤的微弯变形函数为正弦型 f(z)=D()sin qz 4.4.1-1 式中D(t)—外界信号导致的弯曲幅度; q—空间频率; 变形点到光纤入射端的距离 设光纤微弯变形函数的微弯周期为,则有三 A=2丌/ q 根据光纤模式理论,可得到微弯损耗系数α 的近似表达式:三 a=KD(tL sn[q-△B)L/2 4.4.1-2 4 (q-△B)L/2 目录节卡参来 第四辛。光电信息技术

目录 章首 节首 上一张 下一张 结束 第四章 光电信息技术 3 设光纤的微弯变形函数为正弦型 4.4.1-1 根据光纤模式理论，可得到微弯损耗系数 式中D(t) ——外界信号导致的弯曲幅度； q ——空间频率； z ——变形点到光纤入射端的距离； 设光纤微弯变形函数的微弯周期为，则有 的近似表达式: f (z) = D(t)sin qz  = 2 / q    2 2 ( ) / 2 sin ( ) / 2 ( ) 4 1 q L q L KD t L    −  −  = 4.4.1-2 §4.4.1元件型光纤传感器

§44元件型光红传感器 式中三K比例系数; L光纤中产生微弯变形的长度; 三A光纤中光波传播常数差; 式4.4.1-2表明,a与光纤弯曲幅度D(t的平方成正比, 弯曲幅度越大,模式耦合越严重,损耗就越高。a还与光 纤弯曲变形的长度成正比,作用长度越长,损耗也越大 a与光纤微弯周期有关,当=△时产生谐振,微弯损 耗最大。因此,从获得最高灵敏度的角度考虑,需要选择 合适的微弯周期 目录节卡参来 第四辛。光电信息技术

目录 章首 节首 上一张 下一张 结束 第四章 光电信息技术 4 式中 ——比例系数； ——光纤中光波传播常数差； ——光纤中产生微弯变形的长度； 式4.4.1-2表明，a与光纤弯曲幅度D(t)的平方成正比， 弯曲幅度越大，模式耦合越严重，损耗就越高。a还与光 纤弯曲变形的长度成正比，作用长度越长，损耗也越大。 a与光纤微弯周期有关，当 时产生谐振，微弯损 耗最大。因此，从获得最高灵敏度的角度考虑，需要选择 合适的微弯周期。 K L  q =  §4.4.1元件型光纤传感器

§44元件型光红传感器 千涉式光纤传感器 光波通过长度为的光纤,其相位延迟为 女= 4.4.1-3 对式441-3微分得: aB,aB △=△(B)=N+1△m+ 4.4.1-4 式中第一项表示光纤长度变化引起的相位差(应 变效应或热胀效应),第二项为光纤折射率变化引起 的相位差(光弹效应或热光效应),第三项为光纤芯 径变化引起的相位差(泊松效应) 目录节卡参来 第四辛。光电信息技术

目录 章首 节首 上一张 下一张 结束 第四章 光电信息技术 5 二、干涉式光纤传感器 光波通过长度为的光纤，其相位延迟为 4.4.1-3 对式4.4.1-3微分得： 4.4.1-4 式中第一项表示光纤长度变化引起的相位差（应 变效应或热胀效应），第二项为光纤折射率变化引起 的相位差（光弹效应或热光效应），第三项为光纤芯 径变化引起的相位差（泊松效应）。  = l a a n l n l l l     +    =  =  +    ( )  §4.4.1元件型光纤传感器

§44元件型光红传感器 元对调制在相位中的信 3dB 信号臂 号需要进行解调用光了m 相位解调的干涉结构有多 参考臂 种,如双光束千涉法 (a)迈克尔逊干涉仪 光束干涉法、多光束干涉 3dB信号臂□3dB 光 法及环形于涉法等,此处 主要介绍双光束干涉法。 探测器 参考臂 双光束光纤干涉仪有 (b)马赫-陈德尔千涉仪 迈克尔逊( Michelson)干涉 dB传输光纤 仪、马赫陈德尔(Mach 自聚焦透镜 ender)干涉仪及斐索 探测器 ( Fizeau)干涉仪,基本结 构如图442所示°电索仪 双光束光纤干涉仪

目录 章首 节首 上一张 下一张 结束 第四章 光电信息技术 6 对调制在相位中的信 号需要进行解调，用于光 相位解调的干涉结构有多 种，如双光束干涉法、三 光束干涉法、多光束干涉 法及环形干涉法等，此处 主要介绍双光束干涉法。 双光束光纤干涉仪有 迈克尔逊(Michlson)干涉 仪、马赫-陈德尔(Mach￾Zehnder)干涉仪及斐索 (Fizeau)干涉仪，基本结 构如图4.4.1-2所示。 光源 探测器 信号臂 参考臂 3dB (a) 迈克尔逊干涉仪 光源 信号臂 参考臂 3dB 探测器 3dB (b) 马赫-陈德尔干涉仪 光源 探测器 3dB 传输光纤 M1 M2 自聚焦透镜 (c) 斐索干涉仪 图4.4.1-2 双光束光纤干涉仪 §4.4.1元件型光纤传感器

§44元件型光红传感器 现以双光束干涉仪为例来分析干涉场。设信号光 与参考光的场强分别为: E1=E0Np{+s()+]三 E2=E23C冲{m+ 两光束相干产生的干涉场分布为三 E=E1o exp[i(s()+o)]+ E2o exp(io, )Exp(iot)41-5 相应的光强分布为 =+k()+一 4.4.1-6 这样,可将相位变化转换为强度变化,可以获得被 测信号的大小 目录节卡参来 第四辛。光电信息技术

目录 章首 节首 上一张 下一张 结束 第四章 光电信息技术 7 现以双光束干涉仪为例来分析干涉场。设信号光 与参考光的场强分别为： 两光束相干产生的干涉场分布为 4.4.1-5 相应的光强分布为 4.4.1-6 E1 = E10 expit + s(t) + s  E2 = E20 expit +r   exp ( ( ) ) exp( )exp( ) 1 0 2 0 E E i s t E i i t = + s +  r  I = I 0 1+ k cos[s(t) +s −r ] 这样，可将相位变化转换为强度变化，可以获得被 测信号的大小。 §4.4.1元件型光纤传感器

§44元件型光红传感器 、光纤光栅传感器 光纤光栅是利用光纤的光折变效应,使纤芯折射率 沿轴向产生周期性变化,在纤芯内形成空间相位光栅。 光纤Brag光栅( Fiber Bragg grating,FBG)是 种反射型滤波器件,其机理是后向传播的LP0模与前 向传播的LP0模之间发生耦合,根据相位匹配条件,要 求光栅周期很小,一般小于1μm。FBG的传输特性如图 4.4.1-3所示。 输入谱 FBG反射 口FBG透射谱 目录节卡参来 第四章。光电信息技术

目录 章首 节首 上一张 下一张 结束 第四章 光电信息技术 8 三、光纤光栅传感器 光纤光栅是利用光纤的光折变效应，使纤芯折射率 沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。 光纤Bragg光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）是 一种反射型滤波器件，其机理是后向传播的LP01模与前 向传播的LP01模之间发生耦合，根据相位匹配条件，要 求光栅周期很小，一般小于1μm。FBG的传输特性如图 4.4.1-3所示。 λ I FBG反射谱 λ λB I 输入谱 λ I FBG透射谱 λB §4.4.1元件型光纤传感器

441元件型光纤传感器 FBG的反射光波中心波长为 三An=2nA 44.1-7 B 反射光带宽(半峰值全宽)为 l/2 L 44.1-8 ny 三反射率为 Rax=tanh 2(zanl 4.4.1-9 B 目录节卡参来 第四辛。光电信息技术

目录 章首 节首 上一张 下一张 结束 第四章 光电信息技术 9 FBG的反射光波中心波长为 4.4.1-7 反射率为 4.4.1-9 反射光带宽（半峰值全宽）为 4.4.1-8  B = 2neff 1/ 2 2 1 2                  +       = n n L B B             = B nL R  2   max tanh §4.4.1元件型光纤传感器

§44元件型光红传感器 由于光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的,因此在 外界信号如温度、压力的作用下,光纤将产生轴向应 变与折射率变化,栅距也随之变化,导致反射波长变 化 △ q△A+2A△n 2n.x△ 4.4.1-10 光纤光栅的反射波长受到被测量的调制产生偏移 解调出波长变化就可以得到被测量。解调方法有光谱 法,用光谱仪直接测量反射谱或透射谱,是最简单的 方法,但光谱仪的价格较高,而且不适合在线实时测 量。此外还有波长扫描法、光学滤波法及干涉法。在 此介绍干涉解调法。 目录节卡参来 第四辛。光电信息技术

目录 章首 节首 上一张 下一张 结束 第四章 光电信息技术 10 由于光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在 外界信号如温度、压力的作用下，光纤将产生轴向应 变与折射率变化，栅距也随之变化，导致反射波长变 化： 4.4.1-10 光纤光栅的反射波长受到被测量的调制产生偏移， 解调出波长变化就可以得到被测量。解调方法有光谱 法，用光谱仪直接测量反射谱或透射谱，是最简单的 方法，但光谱仪的价格较高，而且不适合在线实时测 量。此外还有波长扫描法、光学滤波法及干涉法。在 此介绍干涉解调法。  B = 2neff  + 2neff §4.4.1元件型光纤传感器