光纖傳感器基本原理

1、光纖傳感器基本原理光光 源源信號(hào)信號(hào)調(diào)制調(diào)制光纖光纖光纖光纖光探光探測(cè)器測(cè)器信號(hào)信號(hào)處理處理外界參量外界參量 光纖強(qiáng)度調(diào)制傳感器的原理圖光纖強(qiáng)度調(diào)制傳感器的原理圖 原理圖原理圖 若輸入輸出為同一種單模光纖，若輸入輸出為同一種單模光纖，S0S0為光纖中的為光纖中的光斑尺寸，則徑向位移光斑尺寸，則徑向位移d d與功率耦合系數(shù)與功率耦合系數(shù)T T的關(guān)的關(guān)系為高斯型曲線，存在下列關(guān)系：系為高斯型曲線，存在下列關(guān)系：220T=dse220T=dse220T=dse220T=dseT Td dA A最佳傳最佳傳感區(qū)域感區(qū)域 原理圖原理圖 原理圖原理圖 傳傳光光束束雙雙光光纖纖單單光光纖纖原理圖原理圖 22

2、22/12/112)2(Mmamm表征光纖折射率表征光纖折射率分布的參數(shù)分布的參數(shù) 纖芯半徑纖芯半徑 總模式總模式 模式標(biāo)號(hào)模式標(biāo)號(hào)相對(duì)折相對(duì)折射率差射率差2122212nnn梯度折射率光纖梯度折射率光纖 =2a2/12）（ 階躍折射率光纖階躍折射率光纖 Mma2/12變形器的最佳周期變形器的最佳周期為光纖芯子與包層之間的相對(duì)折射率差；為光纖芯子與包層之間的相對(duì)折射率差；a a為纖芯半徑；為纖芯半徑；M M是總模式；是總模式；m m是模式標(biāo)號(hào)；是模式標(biāo)號(hào)； 原理圖原理圖 fcvcvffs)/1 (/1激光器激光器 f0f0f0 f1f0-f1以以速速度度 v運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)的的被被測(cè)測(cè)物物體體f0f混

3、頻混頻f1ff v)cos(21221222AAAAA： LaaLnnLLLLLL)()()(縱向應(yīng)變的相位調(diào)制縱向應(yīng)變的相位調(diào)制-應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)31220)211 (1PnLnk徑向應(yīng)變的相位調(diào)制徑向應(yīng)變的相位調(diào)制-泊松效應(yīng)泊松效應(yīng)11211200)(21)(2PPndadnkaLnk光彈效應(yīng)的相位調(diào)制光彈效應(yīng)的相位調(diào)制)(21331211211230PPPnLnk其中，其中，n 為光纖的纖芯折射率。為光纖的纖芯折射率。a a為光纖的纖芯半徑，為光纖的纖芯半徑，L L為光纖長度，為光纖長度，20k0nk1211,PP為光纖的光彈系數(shù)。為光纖的光彈系數(shù)。21,為光纖的徑向應(yīng)變。為光纖的徑向應(yīng)

4、變。3為光纖的縱向應(yīng)變。為光纖的縱向應(yīng)變。 )(/0dTdLndTdnLkT原理：原理： 根據(jù)雙光束相干原理，兩個(gè)光探測(cè)器接收到的光強(qiáng)分別為：根據(jù)雙光束相干原理，兩個(gè)光探測(cè)器接收到的光強(qiáng)分別為：)cos(1 (0211sII)cos(1(0212sII其中，其中，0 I為光源的光強(qiáng)，為光源的光強(qiáng)，為耦合系數(shù)，為耦合系數(shù)，s為外界參量引起的相移為外界參量引起的相移由兩個(gè)光探測(cè)器接收到的光強(qiáng)變化，可檢測(cè)出由兩個(gè)光探測(cè)器接收到的光強(qiáng)變化，可檢測(cè)出s的變化，進(jìn)一步得出外界參量。的變化，進(jìn)一步得出外界參量。原理：原理： 當(dāng)閉合光路相對(duì)慣性空間以轉(zhuǎn)速當(dāng)閉合光路相對(duì)慣性空間以轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，順、逆時(shí)針傳播轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)

5、，順、逆時(shí)針傳播的光將產(chǎn)生一個(gè)非互易性的光程差，由于光程差又引入了兩相反的光將產(chǎn)生一個(gè)非互易性的光程差，由于光程差又引入了兩相反傳播的光波之間的時(shí)間差，進(jìn)一步引入相位延遲。傳播的光波之間的時(shí)間差，進(jìn)一步引入相位延遲。cANL82其中，其中，A A為光纖圈的面積，為光纖圈的面積，N N為光纖的圈數(shù)，為光纖的圈數(shù)，為角速度。為角速度。S(t)光的偏振光的偏振)cos(xxxtaE)cos(yyytaEyxaaA幅度差幅度差相位差相位差zByxyx光的偏振光的偏振線偏振線偏振圓偏振圓偏振橢圓偏振橢圓偏振E Ek kk kE EE ExE Ey朝k k方向方向觀察逆時(shí)針：x - y = /2順時(shí)針：y

6、 - x = /2. .k k理想圓對(duì)稱光纖中，完全簡并，理想圓對(duì)稱光纖中，完全簡并， x x = = y y，兩個(gè)模式的存在，兩個(gè)模式的存在，對(duì)單模光纖的傳輸性質(zhì)及模式的偏振態(tài)沒有影響。對(duì)單模光纖的傳輸性質(zhì)及模式的偏振態(tài)沒有影響。若光纖不是理想的圓對(duì)稱波導(dǎo)時(shí)，若光纖不是理想的圓對(duì)稱波導(dǎo)時(shí)， x x y y，模式的簡并性模式的簡并性消失，這種現(xiàn)象稱為單模光纖的雙折射。消失，這種現(xiàn)象稱為單模光纖的雙折射。光纖中的雙折射光纖中的雙折射雙折射雙折射媒質(zhì)的各向異性，不同方向介電常數(shù)不同，折射率不同媒質(zhì)的各向異性，不同方向介電常數(shù)不同，折射率不同光纖雙折射光纖雙折射LPLPx x0101, LP, LP

7、y y01 01 失去簡并失去簡并, , x x y y工藝中固有的不完善使光纖偏離理想圓對(duì)稱，工藝中固有的不完善使光纖偏離理想圓對(duì)稱，光纖彎曲光纖彎曲隨機(jī)應(yīng)力隨機(jī)應(yīng)力各向異性各向異性雙折射參數(shù)雙折射參數(shù)B B0kByxk k0 0 真空中波數(shù)真空中波數(shù)表明光纖雙折射表明光纖雙折射的程度的程度2/EknnnLEkLnn2/）（LEk222)2(sin20 II利用后向瑞利散射的傳感技術(shù)利用后向瑞利散射的傳感技術(shù);基于后向瑞利散射的傳感技術(shù)是現(xiàn)代分布式光纖傳感基于后向瑞利散射的傳感技術(shù)是現(xiàn)代分布式光纖傳感技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)的基礎(chǔ),它在它在80年代初期得到了廣泛的發(fā)展。然而年代初期得到了廣泛的發(fā)展。然

8、而由于該技術(shù)難以克服測(cè)量精度低、傳感距離短的缺陷由于該技術(shù)難以克服測(cè)量精度低、傳感距離短的缺陷,目前在這方面的研究已鮮有報(bào)道。目前在這方面的研究已鮮有報(bào)道。強(qiáng)度調(diào)制型強(qiáng)度調(diào)制型基于拉曼散射的分布式溫度傳感技術(shù)，采用斯托克斯光與反斯托基于拉曼散射的分布式溫度傳感技術(shù)，采用斯托克斯光與反斯托克斯光的強(qiáng)度比可消除光纖的固有損耗和不均勻性所帶來的影響，克斯光的強(qiáng)度比可消除光纖的固有損耗和不均勻性所帶來的影響，是分布式光纖傳感技術(shù)中最為成熟的一項(xiàng)技術(shù)。對(duì)該技術(shù)開展研是分布式光纖傳感技術(shù)中最為成熟的一項(xiàng)技術(shù)。對(duì)該技術(shù)開展研究工作的主要有英國的大學(xué)，中國的重慶大學(xué)和中國計(jì)究工作的主要有英國的大學(xué)，中國的重慶大學(xué)和中國計(jì)量學(xué)院。量學(xué)院。該技術(shù)最初是由