【正文】 式表明， ?與光纖彎曲幅度 D(t)的平方成正比，彎曲幅度越大，模式耦合越嚴(yán)重，損耗就越高。 ?還與光纖彎曲變形的長度成正比，作用長度越長，損耗也越大。 ?與光纖微彎周期有關(guān)，當(dāng) 時產(chǎn)生諧振，微彎損耗最大。因此，從獲得最高靈敏度的角度考慮，需要選擇合適的微彎周期。76上一張章首 下一張 結(jié)束節(jié)首二、干涉式光纖傳感器 對上式微分得：式中第一項表示光纖長度變化引起的相位差（應(yīng)變效應(yīng)或熱脹效應(yīng)），第二項為光纖折射率變化引起的相位差（光彈效應(yīng)或熱光效應(yīng)），第三項為光纖芯徑變化引起的相位差（泊松效應(yīng)）。對調(diào)制在相位中的信號需要進(jìn)行解調(diào)，用于光相位解調(diào)的干涉結(jié)構(gòu)有多種，如雙光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法及環(huán)形干涉法等，此處主要介紹雙光束干涉法。光波通過長度為 的光纖，其相位延遲為其中 ?為光波在光纖中的傳播常數(shù)， ?＝ nk077上一張章首 下一張 結(jié)束節(jié)首光源探測器信號臂參考臂3dB(a) 邁克爾遜干涉儀 雙光束光纖干涉儀有邁克爾遜 (Michlson)干涉儀、馬赫 陳德爾 (MachZehnder)干涉儀及斐索 (Fizeau)干涉儀，基本結(jié)構(gòu)如圖所示。在邁克爾遜干涉儀中，光源發(fā)射光經(jīng) 3dB光纖耦合器被分成功率相等的兩部分，分別進(jìn)入信號臂光纖與參考臂光纖，然后分別被端面的反射鏡反射回各自的光纖中，在信號臂光纖中傳輸?shù)墓獠ㄏ辔槐徽{(diào)制，在參考臂光纖中傳輸?shù)墓獠ㄏ辔慌c外界無關(guān)。被反射回來的光波在 3dB耦合器另一端匯合，產(chǎn)生干涉條紋，信號由與此端相連的探測器接收。 1）邁克爾遜干涉儀 78上一張章首 下一張 結(jié)束節(jié)首光源 信號臂參考臂3dB探測器3dB(b) 馬赫 陳德爾干涉儀光源探測器傳輸光纖3dBM1 M2自聚焦透鏡(c) 斐索干涉儀2）馬赫 陳德爾干涉儀3）斐索干涉儀馬赫 陳德爾干涉儀使用了兩個 3dB耦合器，光源發(fā)出的相干光由第一個3dB耦合器進(jìn)入信號臂光纖與參考臂光纖，在經(jīng)第二個 3dB耦合器后在探測器端匯合，產(chǎn)生干涉條紋。馬赫 陳德爾干涉儀的優(yōu)點是克服了邁克爾遜干涉儀中反饋光波對光源的影響，得到廣泛的應(yīng)用。 在斐索干涉儀中，光源發(fā)出的相干光束經(jīng) 3dB耦合器進(jìn)入傳輸光纖，在光纖出射端一部分被光纖端面反射回光纖中，一部分從光纖輸出后又被一個外部的反射鏡反饋回光纖中，這兩部分反饋光在耦合器的另一端匯合產(chǎn)生干涉條紋。通常在光纖出射端加一自聚焦透鏡來提高外部反饋光的耦合效率。這種干涉儀的特點是結(jié)構(gòu)非常簡單，通過改變光纖端面與外部反射鏡的間距就可以實現(xiàn)對光纖中光波相位的調(diào)制。79上一張章首 下一張 結(jié)束節(jié)首現(xiàn)以雙光束干涉儀為例來分析干涉場。設(shè)信號光與參考光的場強(qiáng)分別為： 兩光束相干產(chǎn)生的干涉場分布為相應(yīng)的光強(qiáng)分布為這樣，可將相位變化轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度變化，可以獲得被測信號的大小。80上一張章首 下一張 結(jié)束節(jié)首光纖光柵是利用光纖的光折變效應(yīng)，使纖芯折射率沿軸向產(chǎn)生周期性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。光纖光柵根據(jù)其折射率分布形式有光纖Bragg光柵、啁啾光柵等光纖 Bragg光柵（ Fiber Bragg Grating， FBG）是一種反射型濾波器件，其機(jī)理是后向傳播的 LP01模與前向傳播的 LP01模之間發(fā)生耦合，根據(jù)相位匹配條件，要求光柵周期很小，一般小于 1μm。 FBG的傳輸特性如圖所示。 λI FBG反射譜λ BλI 輸入譜λI FBG透射譜λ B三、光纖光柵傳感器 FBG的反射光波中心波長為 81上一張章首 下一張 結(jié)束節(jié)首由于光纖光柵的柵距是沿光纖軸向分布的，因此在外界信號如溫度、壓力的作用下，光纖將產(chǎn)生軸向應(yīng)變與折射率變化，柵距也隨之變化，導(dǎo)致反射波長變化：光纖光柵的反射波長受到被測量的調(diào)制產(chǎn)生偏移，解調(diào)出波長變化就可以得到被測量。解調(diào)方法有光譜法，用光譜儀直接測量反射譜或透射譜，是最簡單的方法，但光譜儀的價格較高，而且不適合在線實時測量。此外還有波長掃描法、光學(xué)濾波法及干涉法。在此介紹干涉解調(diào)法。由光纖光柵反射回來的光波進(jìn)入不等臂馬赫 陳德爾干涉儀，設(shè)干涉儀參考臂與測量臂幾何長度差為 ，則干涉信號相位為：當(dāng)反射波長變化 ，則干涉信號相位亦隨之改變，變化量為：由相位變化量可以得到波長偏移量，進(jìn)而獲得溫度或壓力信息。82上一張章首 下一張 結(jié)束節(jié)首四、法拉第電流傳感器 法拉第電流傳感器是利用光纖的磁光效應(yīng)實現(xiàn)電流測量的，按調(diào)制參數(shù)分類，則屬于偏振調(diào)制型。磁光效應(yīng)，又稱法拉第（ Faradag）效應(yīng)，是指某些物質(zhì)在外磁場的作用下，使通過它的線偏振光的偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。設(shè)法拉第材料的長度為 l，沿長度方向施加的外磁場強(qiáng)度為 H，則線偏振光通過它后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度為光纖的磁光效應(yīng)最典型的應(yīng)用就是高壓傳輸線用的電流傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖所示。將光纖繞在被測導(dǎo)線上，設(shè)圈數(shù)為 N，導(dǎo)線中通過的電流為 I，由安培環(huán)路定律，距導(dǎo)線軸心為 R處的磁場為 P2 WP 探測器 1探測器 2I1I2光源光纖I P183上一張章首 下一張 結(jié)束節(jié)首 由以上兩式可得偏轉(zhuǎn)角，代入上式得繞在導(dǎo)線上的光纖長度為通過光纖的光偏振面偏轉(zhuǎn)角與被測電流及光纖的匝數(shù)成正比，與光纖圈半徑大小無關(guān)由于探測器不能直接檢測光的偏振態(tài)，需要將光偏振態(tài)的變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度信號。一種檢測方法采用 Wollaston棱鏡 WP，由光源發(fā)射的激光經(jīng)起偏器 P1變?yōu)榫€偏振光進(jìn)入傳感光纖，在輸出端將檢偏器 P2輸出的正交偏振分量在空間上分成兩路輸出，分別被探測器 1與探測器 2接收。探測器 1與探測器 2接收的光強(qiáng)信號分別為經(jīng)信號處理可得到偏振面的偏轉(zhuǎn)角該解調(diào)方法的特點是可以有效消除光源強(qiáng)度波動對測量結(jié)果的不利影響。84上一張章首 下一張 結(jié)束節(jié)首167。 傳輸型光纖傳感器一、反射式位移傳感器反射式位移傳感器 ，其基本原理如圖所示。光源發(fā)出的光通過光纖射向被測物體，其反射光由接收光纖收集，送到探測器，接收光強(qiáng)將隨著反射物體表面與光纖探頭端面的距離變化。通過信號處理得到光纖端面與被測面之間距離的變化（位移） 。 探測器光源被測面?zhèn)鬏敼饫w 接收光纖反射式位移傳感器為了定量的說明接收光強(qiáng)變化與位移之間的關(guān)系，參考下圖。反射鏡面即被測物的移動是與光纖探頭端面垂直的。反射鏡面在其背面距離 d處形成輸入光纖的虛象。因此光強(qiáng)調(diào)制作用是與虛光纖和接收光纖的耦合是等效的。85上一張章首 下一張 結(jié)束節(jié)首Ra交疊面R= r+2dT接收光纖被測面?zhèn)鬏敼饫w 傳輸光纖像da 2r當(dāng) 距離 時，兩光纖的光耦合為零，即沒有反射光進(jìn)入接受光纖； 當(dāng) 時，兩光纖的耦合最強(qiáng)，接收光強(qiáng)達(dá)到最大值。此時輸入光纖的像發(fā)出的光錐完全覆蓋接收光纖端面。假設(shè)兩根光纖均為階躍折射率光纖，芯徑為 2r，數(shù)值孔徑為 NA，兩光纖間隔為 a，并定義 86上一張章首 下一張 結(jié)束節(jié)首在線性近似條件下，通過對交疊面簡單的幾何分析，可得到交疊面積與光纖芯面積之比為r?式中 ?是光錐底與輸出光纖芯端面交疊扇面的高。 ?是由 d決定的：假設(shè)反射面無光吸收，兩光纖的光功率耦合效率 F即為交疊面積與光錐底面積之比上述關(guān)系式提供了反射式傳感器的設(shè)計依據(jù)。87上一張章首 下一張 結(jié)束節(jié)首圖給出了一個設(shè)計實例，主要參數(shù)為： 2r=200μm， NA=，a=100μm。計算結(jié)果表明，在 d=320?m處，可獲得最大耦合效率F=%，最大靈敏度位于 d=200 ?m處，靈敏度為 %/nm。該傳感器的分辨力可高達(dá) 1nm。 200 400 6000510F/%d/μmd=320μmF=%圖 88上一張章首 下一張 結(jié)束節(jié)首二、半導(dǎo)體吸收溫度傳感器設(shè)入射光強(qiáng)為 ，在經(jīng)過長度為 x的半導(dǎo)體材料后，出射光強(qiáng)為只有能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度 Eg的光子才能被吸收：式中 —— 普朗克常數(shù)； —— 光頻； —— 產(chǎn)生本征吸收要求的最低光頻，對應(yīng)波長為比如對于 GaAs半導(dǎo)體材料，當(dāng)光子能量 hv大于材料的禁帶寬度 Eg時，吸收系數(shù)可以寫成：另一方面，對于 GaAs材料，其禁帶寬度 Eg與溫度具有如下關(guān)系：89上一張章首 下一張 結(jié)束節(jié)首圖為透射式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。一寬光譜光源發(fā)出的光耦合進(jìn)光纖中，在兩傳輸光纖之間放置一 GaAs半導(dǎo)體薄片，厚度約 150μm，兩根光纖對準(zhǔn)之后用樹脂膠密封。透射光由探測器接收。 GaAs材料的吸收范圍在900nm 附近，因此光源光譜應(yīng)覆蓋這一范圍。當(dāng)溫度升高時，透射光強(qiáng)度降低，可感知溫度的變化。 光源 探測器傳輸光纖GaAs半導(dǎo)體吸收溫度傳感器示意圖90上一張章首 下一張 結(jié)束節(jié)首三、光纖多普勒速度傳感器 如圖所示，當(dāng)頻率為 f的激光經(jīng)光纖照射到以速率 v為運動的散射物體 O上時，一部分散射光又進(jìn)入到光纖中，其光頻為 :θ反射光波 fd3dB光電檢測與信號處理系統(tǒng)激光光源v入射光波 fO光纖多普勒速度傳感器原理示意圖通過測量多普勒頻移 ，即可得到物體運動速率。這種頻率調(diào)制光纖傳感器適合于血流、氣流或其他流體的流速及運動粒子的測量。 91上一張章首 下一張 結(jié)束節(jié)首演講完畢，謝謝觀看！