光纖傳感器基本原理

1、光纖傳感器基本原理光光 源源信號信號調(diào)制調(diào)制光纖光纖光纖光纖光探光探測器測器信號信號處理處理外界參量外界參量 光纖強度調(diào)制傳感器的原理圖光纖強度調(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 模式標號模式標號相對折相對折射率差射率差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折射率差；為光纖芯子與包層之間的相對折射率差；a a為纖芯半徑；為纖芯半徑；M M是總模式；是總模式；m m是模式標號；是模式標號； 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運運動動的的被被測測物物體體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，兩個光探測器接收到的光強分別為：根據(jù)雙光束相干原理，兩個光探測器接收到的光強分別為：)cos(1 (0211sII)cos(1(0212sII其中，其中，0 I為光源的光強，為光源的光強，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光探測器接收到的光強變化，可檢測出由兩個光探測器接收到的光強變化，可檢測出s的變化，進一步得出外界參量。的變化，進一步得出外界參量。原理：原理： 當閉合光路相對慣性空間以轉(zhuǎn)速當閉合光路相對慣性空間以轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時，順、逆時針傳播轉(zhuǎn)動時

5、，順、逆時針傳播的光將產(chǎn)生一個非互易性的光程差，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間差，進一步引入相位延遲。傳播的光波之間的時間差，進一步引入相位延遲。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方向方向觀察逆時針：x - y = /2順時針：y

6、 - x = /2. .k k理想圓對稱光纖中，完全簡并，理想圓對稱光纖中，完全簡并， x x = = y y，兩個模式的存在，兩個模式的存在，對單模光纖的傳輸性質(zhì)及模式的偏振態(tài)沒有影響。對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稱波導(dǎo)時，若光纖不是理想的圓對稱波導(dǎo)時， 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稱，工藝中固有的不完善使光纖偏離理想圓對稱，光纖彎曲光纖彎曲隨機應(yīng)力隨機應(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)難以克服測量精度低、傳感距離短的缺陷由于該技術(shù)難以克服測量精度低、傳感距離短的缺陷,目前在這方面的研究已鮮有報道。目前在這方面的研究已鮮有報道。強度調(diào)制型強度調(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)中最為成熟的一項技術(shù)。對該技術(shù)開展研是分布式光纖傳感技術(shù)中最為成熟的一項技術(shù)。對該技術(shù)開展研究工作的主要有英國的大學，中國的重慶大學和中國計究工作的主要有英國的大學，中國的重慶大學和中國計量學院。量學院。該技術(shù)最初是由