第五章 光纤传感器

1、光纤传感器技术光纤传感器技术光纤传感器概述光纤传感器概述 光纤传感技术光纤传感技术 定义定义: :以光波为信息载体以光波为信息载体, ,以光纤为传输媒质或以光纤为传输媒质或者以光纤为信息敏感器件的同时又作为信息传者以光纤为信息敏感器件的同时又作为信息传输介质。输介质。 发展方向：发展方向： 1)特殊光纤研制。特殊光纤研制。 2)提高元器件的性能和稳定性，逐步达到提高元器件的性能和稳定性，逐步达到商品化。商品化。 3)多点检测、遥测、分布式光纤传感器系多点检测、遥测、分布式光纤传感器系统。统。 4)新型原理的光纤传感器。新型原理的光纤传感器。光纤传感器技术的特点光纤传感器技术的特点 光纤传感器较

2、传统的传感器相比有许多持点：光纤传感器较传统的传感器相比有许多持点： 灵敏度高灵敏度高 频带宽，测量动态范围大频带宽，测量动态范围大 抗电磁干扰，耐高压，耐腐蚀，保密性好，在抗电磁干扰，耐高压，耐腐蚀，保密性好，在易燃易爆环境下安全可靠易燃易爆环境下安全可靠 质轻体小，可挠曲，几何形状具有多方面的适质轻体小，可挠曲，几何形状具有多方面的适应性应性 可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制和控制 由光纤传感器组成的光纤传感器系统，便于与由光纤传感器组成的光纤传感器系统，便于与计算机相连接，响应快，能实时在线测量和自计算机相连接，响应快，能实时在线测量

3、和自动控制动控制光纤传感器的分类光纤传感器的分类 1按传感的原理来分：按传感的原理来分： 功能型光纤传感器功能型光纤传感器 非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器 2按光纤中光波调制原理来分：按光纤中光波调制原理来分： 强度调制，频率调制，波长调制，相位调制和强度调制，频率调制，波长调制，相位调制和偏振调制光纤传感器。偏振调制光纤传感器。 3按测量对象来分：按测量对象来分： 位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动、应变、电压、电流、磁场、化学量、生物动、应变、电压、电流、磁场、化学量、生物量等光纤传感器。量等光纤传感器。功能型光纤传感器功能型光纤传感器

4、 利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感器称为功能型传感器功能型传感器： “传”和“感”合为一体，光纤不仅传输光波，而且感知被测参数的变化。光纤本身就是传感头。非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器 光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他敏感元件才能构成传感器，称为传光型传传光型传感器感器，即非功能型光纤传感器。 它又分为两种。 种是将敏感元件置于入射与接收光纤中间，在被测对象的作用下，或使敏感元件遮断光路，或使敏感元件的光透射率发生变化，这样，光探测器所探测光量便成为被测对象调制后的信号； 另一种是在光纤一端设置“敏感元件+发光元件”的组合部件，敏感元件感受被测对象的作用并将

5、其转换为电信号后作用于发光元件，而发光元件的发光强度作为测量所得的信息。光纤传感系统的基本构成光纤传感系统的基本构成 光纤传感器系统包括光源，光纤，传感头，光探测器和信号处理电路等。光电探测器信号检测与处理传感头传输光纤光源光纤传感器的光源的要求 由于光纤传感器中光纤细而长，若使光波能在其中正常传播，并满足测量要求，则对光源的结构与性能有一定要求： (1)由于光纤传感器结构所限，要求光源的体光源的体积小积小，便于与光纤耦合； (2)光源要有足够的亮度足够的亮度，以提高传感器输出的光功率； (3)光源发出的光波长应适合光源发出的光波长应适合，以减少光波在光纤中传闭时的能量损耗； (4)光源工作时

6、稳定性好、噪声小稳定性好、噪声小，能在室温下连续长期工作； (5)光源要便于维护，使用方便。便于维护，使用方便。光纤传感器用光探测器的要求 (1)线性好，线性好，按比例地将光信号转换为电信号； (2)灵敏度高，灵敏度高，能敏感微小的输入光信号，并输出较大的电信号； (3)响应频带宽、响应运度快，动态特性好；响应频带宽、响应运度快，动态特性好； (4)性能稳定，噪声小性能稳定，噪声小等。光调制技术光调制技术 按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等。强度调制光纤传感器强度调制光纤传感器 光强度调制型：光强度调制型：用被测对象引起光纤中光强度的变化实现对被

7、测对象的检测。 分为内调制型内调制型和外调制型外调制型两种 外调制型：光纤仅起传光作用，光纤本身特性不改变，调制过程发生在光纤以外的环节。属于传光型传感器。 内调制型：调制过程发生在光纤内部，是通过光纤本身特性的改变来实现光强度的调制，属于功能型光纤传感器。有两种途径： 1) 改变光纤的几何形状，从而改变光线的传播入射角。 2) 改变光纤纤芯或包层的折射率。如采用电光材料、磁光材料、光弹性材料，微弯效应等。强度调制的原理 1 由光的传播方向改变引起的强度调制 2 由透射率的改变引起的强度调制 3 由光纤中光的模式的改变引起的强度调制 4 由折射率改变引起的强度调制 5 由光吸收系数的改变引起的

8、强度调制 a.利用光纤的吸收特性引起的强度调制 b.利用半导体的吸收特性进行强度调制光的传播方向改变引起的强度调制光的传播方向改变引起的强度调制 Intensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(1) Intensity Sensors(1)LightMovable ReflectorMultimode FiberMultimode Grating Sensors(2) Based on Relative Movement of Opposed GratingsLight inLight outOpposed Grating Stru

9、ctureGRINrod Microlens透射率的改变引起的强度调制（透射率的改变引起的强度调制（1）透射率的改变引起的强度调制（透射率的改变引起的强度调制（2）入射光纤出射光纤准直透镜聚焦透镜可动遮光屏Intensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(3) Intensity sensors(3): Microbend Sensors The sensed parameter (strain, pressure, force, position, acceleration can be mechanically coupled t

10、o displacement of a device that deforms the fiberFiberDisplacement光纤中光的模式的改变引起的强度调制光纤中光的模式的改变引起的强度调制微弯调制器Intensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(4) Intensity sensors(3): Liquid-level sensor The light returned in air with total internal reflection from a prism is 15 dB above the value

11、in water. AirLiquid折射率改变引起的强度调制折射率改变引起的强度调制Intensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(4) Encoder-Based Position Sensors Using an encoder plate to provide linear or rotary displacement measurement.WavelengthLightPhotodiodesw1w2w3w4w1w3w412 3 4WavelengthLightCombinerEncoder plateWavelength

12、 dividerIntensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(5) Variety of Sensor ConstructionGradient index lensMirrorsRefractive index test liquidSpacerTemperature sensorPressure sensorPressureMultimode fiberTemperatureTemperature sensorLiquid refractive index由光吸收系数的改变引起的强度调制由光吸收系数的改变引起的强度调制 a.利

13、用光纤的吸收特性引起的强度调制 X射线，射线会使光纤的吸收损耗增加，输出功率降低，从而构成强度调制的辐射量传感器。改变光纤的材料可对不同的射线进行测量。 b.利用半导体的吸收特性进行强度调制 大多数半导体对光的吸收都随着温度的变化而线性变化，因此可对输出功率进行调制，制成光纤温度传感器。移动球镜光学开关传感器 这是种高灵敏度面检测装件。 光强为I0的光束,通过发送光纤照射到球镜上。球透镜把光束聚集列两个接收光纤的端面上。 当球透镜在平衡位置时，从两个接收光纤得到的光强I1和I2是相同的； 如果球透镜在垂直于光路的方向上产生微小位移时，在两个接收光纤上得到的光强I1和I2 将发生变化。光强比值I

14、1/I2 的对数值与球透镜位移x呈线性关系，但与初始光强无关。球镜位移与光强比值的变化关系反射型光纤位移传感器 光源发出的光进入发送光纤,从光纤测头端面射出，照射到A面上,A面的反射光有一部分进入接收光纤。当当A面到测头端面之间的距离面到测头端面之间的距离z变化时变化时,进入接收光进入接收光纤的光强度出随之发生变化纤的光强度出随之发生变化,从而使光探测器上发出的电信号也随之发生变化。很明显。这是种振振幅调制型的位移传感器。幅调制型的位移传感器。反射镜面频率调制光纤传感器频率调制光纤传感器 频率调制就是利用外界因素改变光纤中光频率调制就是利用外界因素改变光纤中光的频率，通过测量频率的变化来测量外

15、界的频率，通过测量频率的变化来测量外界被测参数。被测参数。 光的频率调制是在有限的一些物理条件下光的频率调制是在有限的一些物理条件下出现的，最重要的物理现象要属反射光束出现的，最重要的物理现象要属反射光束的多普勒频移。的多普勒频移。 此外，还有一些物理现象，如吸收和磷光此外，还有一些物理现象，如吸收和磷光现象，以及某些非线性光学效应现象，以及某些非线性光学效应-布里渊布里渊散射和卡曼散射等。散射和卡曼散射等。多普勒效应多普勒效应 当频率为当频率为f的光入射到沿与光线平行方向运动且相的光入射到沿与光线平行方向运动且相对观察者速度为对观察者速度为v的物体上时，从该运动物体反的物体上时，从该运动物体

16、反射的光的频率将变为射的光的频率将变为fD，这种现象就是众所周知，这种现象就是众所周知的多普勒效应，的多普勒效应，fD称为多普勒频率，可由下式确称为多普勒频率，可由下式确定：定： 由于一般运动物体的速度远小于光速由于一般运动物体的速度远小于光速c，因此而，因此而得到上式后面的近似式。得到上式后面的近似式。cvfcvffD11若将若将c=f的关系式代入上式，且假定入射光的关系式代入上式，且假定入射光与与v之夹角为之夹角为，则可得：，则可得： 或写成多普勒频移：或写成多普勒频移： 只要能测出只要能测出f便很容易求出物体运动速度便很容易求出物体运动速度v。cosvffDcosvfffD c为真空中光

17、速，为真空中光速，为物体至光源方向与物体运动为物体至光源方向与物体运动方向之间的夹角。但是一般最关心的还是运动方向之间的夹角。但是一般最关心的还是运动物体所散射的光的物体所散射的光的频移频移,而光源与观察者则是相对而光源与观察者则是相对静止的。对于这种情况可以作为一个双重多普静止的。对于这种情况可以作为一个双重多普勒勒频移频移来考虑。即先考虑从光源到运动物体然来考虑。即先考虑从光源到运动物体然后再考虑从运动物体到观察者。后再考虑从运动物体到观察者。双重多普勒频移 物体P相对于光源S运动时，在P点观察到的光频率f1为： f1=f1-(v/c)21/21-(v/c)cos1 频率f1的光通过物体P

18、产生散射，在Q处所观察到的光频率f2为： f2=f11-(v/c)21/21-(v/c)cos2 联立，并考虑到vc，可近似把双重多普勒频移公式表示为： f2=f11-cos11-cos2 其中S为光源,P为运动物体,Q是观察者所处的位置。频率检测频率检测 对光的频率的检测不象对强度的检对光的频率的检测不象对强度的检测那样简单测那样简单-直接将光耦合到探测直接将光耦合到探测器上即可。器上即可。 由于光探测器响应速度远低于光频，由于光探测器响应速度远低于光频，不能用来测量光频而只能用来测量不能用来测量光频而只能用来测量光强，所以，必须把高频光信号转光强，所以，必须把高频光信号转换为低频信号才能探

19、测频移从而达换为低频信号才能探测频移从而达到测量运动速度的目的。有两种方到测量运动速度的目的。有两种方法可以测量频移，即法可以测量频移，即零差检测零差检测和和外外差检测差检测。1.零差检测 下图是一个采用零差检测法的光纤运动粒下图是一个采用零差检测法的光纤运动粒子速度传感器的框图。子速度传感器的框图。激光器DM光纤频谱分析仪k1k2频率调制零差检测原理频率调制零差检测原理分析 He-Ne激光器发出的频率为f的单色光入射到分束器上，分束器将输入光分成两束，一束由反射镜M送到探测器D上作为参考光，另一束注入光纤，光经光纤传输到运动粒子上，运动粒子产生的具有多普勒频移的后向散射光将部分地被同一光纤接

20、收，经分束器后再到达探测器，这就是信号光，在探测器上信号光和参考光混频产生差频信号。如果参考光为： 信号光为： tiwEtER00exp tiwEtESSexp0式中，w0为输入光的角频率；ws为散射光角频率。 在探测器上，两束光叠加，其振幅和强度分别为： tEtEtESR wtItwwEtEtEtIscos1cos100200wwws是待测角频率200EI是入射光强因此探测器输出的是002wwfffss的电信号将这一信号送入频谱分析仪即可求得f的大小，进而得到fs和被测物体的运动速度。注意注意 这里需要指出的是，信号频率这里需要指出的是，信号频率fs可能大可能大于也可能小于于也可能小于f0，

21、这主要取决于运动物，这主要取决于运动物体的运动方向，但常用的频谱分析仪体的运动方向，但常用的频谱分析仪只能显示正频率，对负频率没有意义，只能显示正频率，对负频率没有意义，因而采用零差检测法测出的因而采用零差检测法测出的f只能测只能测量物体的运动速度的大小，不能获得量物体的运动速度的大小，不能获得物体的运动方向的信息。物体的运动方向的信息。2.外差检测外差检测 下图为采用外差探测法的光纤频率调制系下图为采用外差探测法的光纤频率调制系统。统。激光器BS1f0f0-f1M2 BS2f0f0-f1f0+fsf0+fsf0fs+f1频谱分析输出探测器布拉格盒入射/出射光纤被测物频率调制外差检测系统频率调

22、制外差检测系统分析 He-Ne激光器发出的频率为f0的光经第一分束器BS1分成信号光和参考光，参考光经布拉格盒和反射镜M2后到达第二个分束器BS2，布拉格盒引入一个固定频移f1，使到达探测器上的参考光的频率为fR=f0-f1。BS1出来的信号经反射镜M1和BS2后耦合到光纤中，光纤把信号光引到待测物体上，同时接收被待测物体散射的散射光，散射光的频率为f0+fs（ fs为多普勒频移），散射光经BS2后到达探测器，在探测器上，频率为（f0-f1）的参考光与频率为（f0fs）的信号光混频后，出来的电信号的频率为： 1100fffffffssfs为多普勒频移，为多普勒频移，f1为布拉格盒的为布拉格盒的

23、频移频移 固定频率的引入能够识别被测物体的固定频率的引入能够识别被测物体的运动方向，对与输入光同向运动的物运动方向，对与输入光同向运动的物体，体，fs为正；对与输入光反向运动的为正；对与输入光反向运动的物体物体fs为负。为负。 外差检测不仅能获得物体运动的全信外差检测不仅能获得物体运动的全信息（速度的大小和方向），而且避开息（速度的大小和方向），而且避开了了1/f噪声区域，使检测灵敏度提高。噪声区域，使检测灵敏度提高。激光多谱勒测速系统激光多谱勒测速系统激光多谱勒测速系统原理激光多谱勒测速系统原理 激光沿着光纤入射到测速点A上，然后后向散后向散射光射光与光纤端面的反射或散射光起沿着光纤返回，其

24、中纤维端面的反射或散射光是作为参考光使用。 同时为了区别并消除从发射透镜和光纤前端面反射回来的光，在光探测器前装一块偏振片R，从而使光探测器只能检测出与原光束偏振方向相垂直的偏振光。 于是信号光与参考光起经光探测器进入频谱分析器处理，最后分析器给出测量结果。波长（颜色）调制光纤传感器波长（颜色）调制光纤传感器 波长调制是利用外界因素改变光纤中光波长调制是利用外界因素改变光纤中光能量的波长分布或者说光谱分布，通过能量的波长分布或者说光谱分布，通过检测光谱分布来检测被测参数，由于波检测光谱分布来检测被测参数，由于波长与颜色直接相关，波长调制也叫颜色长与颜色直接相关，波长调制也叫颜色调制。其原理图如

25、下所示：调制。其原理图如下所示：光源入射光纤接收光纤S探测器光谱仪Pi（）Po（）波长调制原理图波长调制原理图调制方式有以下几种：调制方式有以下几种： 1.利用黑体辐射进行波长调制利用黑体辐射进行波长调制 上图是黑体辐射的调制原理，它上图是黑体辐射的调制原理，它不需不需要外加光源要外加光源，而是直接由黑体腔收集，而是直接由黑体腔收集物体的黑体辐射，并由蓝宝石光纤制物体的黑体辐射，并由蓝宝石光纤制成的探头探测，然后把这种宽频带的成的探头探测，然后把这种宽频带的辐射传送到分光仪或滤光片，通过双辐射传送到分光仪或滤光片，通过双波长或者单波长检测就能测出黑体的波长或者单波长检测就能测出黑体的温度。温度

26、。2.利用磷光（荧光）光谱的变化利用磷光（荧光）光谱的变化进行波长调制进行波长调制 探头是由稀土磷光体做成的，其工作原探头是由稀土磷光体做成的，其工作原理是利用稀土磷光体的磷光光谱强度变理是利用稀土磷光体的磷光光谱强度变化来测量温度。磷光体受紫外光照射时，化来测量温度。磷光体受紫外光照射时，发出两种光谱谱线，其中红色谱线发出两种光谱谱线，其中红色谱线1的的强度随温度升高而增加，而绿色谱线强度随温度升高而增加，而绿色谱线2的强度随温度升高而下降，两者的比值的强度随温度升高而下降，两者的比值是温度的单值函数。是温度的单值函数。212/1强度温度利用这一特性可以制成精利用这一特性可以制成精度很高的光

27、纤温度传感器。度很高的光纤温度传感器。3.利用滤光器参数的变化来进行波利用滤光器参数的变化来进行波长调制长调制F-P腔腔光光谱谱调调制制传传感感原原理理分析： 60W的白炽光源的宽光谱光送入F-P敏感标准具中，F-P腔的Q值做得相当低，那么出射光就有一个很宽的波长范围，输出光纤把出射光传到棱镜分光计中，用一个二极管阵列对分光计输出的光谱取样，当外界因素变化引起F-P腔的参数变化时，光谱就发生变化，用微处理机编程处理易于得到测量结果。4.利用热色物体的颜色变化进行波利用热色物体的颜色变化进行波长调制长调制热色物质的波长调制原理热色物质的波长调制原理分析分析 60W的白光经过光纤进入热色溶液，其反

28、射光被另一光纤接收后，分两束分别经过波长为650nm和800nm的滤光片，最后由光电探测器接收。这种热变色溶液的光强与温度的关系如上图右所示，温度为20时，在500nm处有一个吸收峰，溶液是红色；温度升高到70时，在650nm处也有一个吸收峰，溶液是绿色。 在波长为650nm时，光强随温度变化最灵敏，在波长为800nm时，光强与温度无关。因此选这两个波长进行检测就能确定外界物理量。波长检测波长检测 光波波长检测实际上是确定输出光谱及光波波长检测实际上是确定输出光谱及其能量的分布，那么首先就要使各个波其能量的分布，那么首先就要使各个波长的光分离，棱镜，光栅以及各种滤光长的光分离，棱镜，光栅以及各

29、种滤光片都能达到分光的目的；其次就是各个片都能达到分光的目的；其次就是各个波长能量的测量。波长能量的测量。 所以波长调制的检测方法之一就是所以波长调制的检测方法之一就是光谱光谱分析法分析法，即用分光仪和电荷耦合器件或，即用分光仪和电荷耦合器件或者波长响应较宽的光电探测器相结合来者波长响应较宽的光电探测器相结合来检测光谱的能量分布。检测光谱的能量分布。 但在许多情况下并不需要检测输出光的但在许多情况下并不需要检测输出光的整个光谱分布，而只需检测其中某两个整个光谱分布，而只需检测其中某两个波长的能量变化，所以波长调制的检测波长的能量变化，所以波长调制的检测方法之二是方法之二是比色法比色法。相位调制

30、光纤传感器相位调制光纤传感器 光纤传感器中的相位调制，原理就是利用外界因光纤传感器中的相位调制，原理就是利用外界因素改变光纤中的相位，通过检测相位的变化来测素改变光纤中的相位，通过检测相位的变化来测量外界被测参量。量外界被测参量。 决定光纤中光的相位的因素：光纤波导的物理长决定光纤中光的相位的因素：光纤波导的物理长度，折射率及其分布，波导横向几何尺寸。度，折射率及其分布，波导横向几何尺寸。 干涉技术：目前各类光探测器都不能敏感光的相干涉技术：目前各类光探测器都不能敏感光的相位变化，必须采用某种技术使相位变化转换为强位变化，必须采用某种技术使相位变化转换为强度变化，才能实现对外界物理量的检测，即

31、度变化，才能实现对外界物理量的检测，即干涉干涉技术技术。光纤传感器中的干涉技术是在光纤干涉仪。光纤传感器中的干涉技术是在光纤干涉仪中实现的。中实现的。优点优点 由于采用了由于采用了干涉技术干涉技术，与其他调制方式相比，相，与其他调制方式相比，相位调制技术具有很高的检测灵敏度。位调制技术具有很高的检测灵敏度。 下面简单介绍几种相位调制的方式： 1.应力应变引起的相位调制应力应变引起的相位调制 当光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，光纤的长度，芯径，纤芯折射率都将发生变化，这些将导致光纤中光波相位的变化。 2.温度引起的相位调制温度引起的相位调制 温度可能引起光纤的折射率分布和长度的改变，由此而

32、引起光波相位的变化。掌握几种光纤干涉仪原理掌握几种光纤干涉仪原理 光纤干涉仪与传统的分离元件干涉仪相比，其优点优点在于： （1）容易准直 （2）可以通过增加光纤长度来增加光程以提高干涉仪的灵敏度 （3）封闭式的光路，不受外界干扰 （4）测量动态范围大等等 1.光纤马赫曾特尔干涉仪光纤马赫曾特尔干涉仪 2.光纤迈克尔逊干涉仪光纤迈克尔逊干涉仪 3.萨格纳克光纤干涉仪萨格纳克光纤干涉仪 4.光纤法布里珀罗干涉仪光纤法布里珀罗干涉仪几种光纤干涉仪几种光纤干涉仪1.光纤马赫曾特尔干涉仪光纤马赫曾特尔干涉仪 结构如下图所示：结构如下图所示：分析分析 激光器发出的相干光经过一个激光器发出的相干光经过一个3

33、dB耦合器耦合器分成两束相等的光束，一束在信号臂光纤分成两束相等的光束，一束在信号臂光纤S中传输。另一束在参考臂光纤中传输。另一束在参考臂光纤R中传输，外中传输，外界信号界信号S0（t）作用于信号臂，第二个）作用于信号臂，第二个3dB耦合器把两束光再耦合，并又分成两束光耦合器把两束光再耦合，并又分成两束光经光纤传送到两个探测器中。根据双光束经光纤传送到两个探测器中。根据双光束相干原理，两个光探测器收到的光强分别相干原理，两个光探测器收到的光强分别为：为：2/cos101sII2/cos102sII式中式中I0为激光器发出的光强；为耦合系数；为激光器发出的光强；为耦合系数；s为信号臂和参为信号臂

34、和参考臂之间的相位差，其中包括外界信号考臂之间的相位差，其中包括外界信号S0（t）引起的相位差。）引起的相位差。上两式表明：上两式表明： 光纤马赫曾特尔干涉仪将外界信号光纤马赫曾特尔干涉仪将外界信号S0（t）引起的相位变化转换为光强的变化。引起的相位变化转换为光强的变化。 再经过适当的信号处理系统能将信号再经过适当的信号处理系统能将信号S0（t）从光强中分解出来。从光强中分解出来。利用马赫一泽德干涉仪的光纤加速度计原 理 激光束通过分束器后分为两束光分束器后分为两束光:透射光作为透射光作为参考光束，反射光作为测量光束参考光束，反射光作为测量光束。测量光束经透镜耦合进入单模光纤，单模光纤测量光束

35、经透镜耦合进入单模光纤，单模光纤紧紧缠绕在一个顺变柱体上，顺变柱体上端固紧紧缠绕在一个顺变柱体上，顺变柱体上端固定有质量块。定有质量块。顺变柱体作加速运动时，质量块的惯性力使圆顺变柱体作加速运动时，质量块的惯性力使圆柱体变形，从而使绕在其上面的单模光纤被拉柱体变形，从而使绕在其上面的单模光纤被拉伸，引起光程差的改变。伸，引起光程差的改变。 相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束在分束器处会合，产生干涉效应。在垂直位置放置的两个光探测器接收到亮暗相反的干涉信号，两路电信号由差动放大器处理。2.光纤迈克尔逊干涉仪光纤迈克尔逊干涉仪 结构如下图所示：结构如下图所示：分析分析 激光器发出的光经过一

36、个激光器发出的光经过一个3dB耦合器分成耦合器分成两束光束入射到光纤，一路到达固定的光两束光束入射到光纤，一路到达固定的光纤反射端面，称为参考臂，另一路到达可纤反射端面，称为参考臂，另一路到达可动光纤端面，反射回来的光经动光纤端面，反射回来的光经3dB耦合器耦合器耦合到光探测器，外界信号耦合到光探测器，外界信号S0（t）作用于）作用于可移动的信号臂。探测器接收到的光强为：可移动的信号臂。探测器接收到的光强为： 为两臂之间的相位差，其中包括外界信为两臂之间的相位差，其中包括外界信号号S0（t）引起的相位差。）引起的相位差。2/cos10 II3.萨格纳克光纤干涉仪萨格纳克光纤干涉仪 结构如下图：

37、结构如下图：激光器发出的光由分束器或激光器发出的光由分束器或3dB耦合器分成耦合器分成1：1的的两束光，将它们耦合进入一个多匝（多环）单模光两束光，将它们耦合进入一个多匝（多环）单模光纤圈的两端，光纤两端出射光经分束器送到光探测纤圈的两端，光纤两端出射光经分束器送到光探测器。器。原理图如下：原理图如下：设圆形闭合光程半径为设圆形闭合光程半径为R，其中有两列光沿相，其中有两列光沿相反方向传播，当闭合光反方向传播，当闭合光路静止时，两光波传播路静止时，两光波传播的光路相同，没有光程的光路相同，没有光程差；当闭合光路相对惯差；当闭合光路相对惯性空间以转速性空间以转速顺时针顺时针转动时（设转动时（设垂

38、直于转垂直于转动平面），这时顺逆时动平面），这时顺逆时针传播光的光程不等，针传播光的光程不等，产生一个光程差，如右产生一个光程差，如右图。图。原理分析原理分析 当当0时，时，t1时刻从位置时刻从位置“1”发出的两发出的两束相反方向的光经束相反方向的光经t（2R）/c的时间的时间后，仍回到位置后，仍回到位置“1”。 当当0时，经时，经t（2R）/c后，两束光后，两束光的的“相会相会”点不在位置点不在位置“1”，而在位置，而在位置“2”，a光束（逆时针传播）走的光程：光束（逆时针传播）走的光程：La2RRt b光束（顺时针传播）走的光程为：光束（顺时针传播）走的光程为：Lb2RRt 两束光的传播光

39、程差：两束光的传播光程差：L2Rt4R2/c=4Ac(A为光纤环面积）。为光纤环面积）。相应的相位差为：相应的相位差为： 2（L/L/）(8A)/(c)(8A)/(c) 如果光纤环有如果光纤环有N N匝，则匝，则 (8AN)/(c)(8AN)/(c)其中其中为激光波长。为激光波长。 因此利用因此利用萨格纳克光纤干涉仪可以测量转萨格纳克光纤干涉仪可以测量转速速。它的最典型的应用就是光纤陀螺，。它的最典型的应用就是光纤陀螺，与其他陀螺相比，光纤陀螺具有灵敏度高，与其他陀螺相比，光纤陀螺具有灵敏度高，体积小，成本低等优点。光纤陀螺已成功体积小，成本低等优点。光纤陀螺已成功应用在波音应用在波音7577

40、57和和767767飞机以及其他导航系飞机以及其他导航系统中。统中。4.光纤法布里珀罗干涉仪光纤法布里珀罗干涉仪 结构如下图：结构如下图：原理说明：原理说明： 白光由多模光纤经聚焦透镜进入两端设有白光由多模光纤经聚焦透镜进入两端设有高反射率的反射镜或直接镀有高反射膜的高反射率的反射镜或直接镀有高反射膜的腔体，使光束在两反射镜（膜）之间产生腔体，使光束在两反射镜（膜）之间产生多次反射以形成多光束干涉，再经探测器多次反射以形成多光束干涉，再经探测器探测。探测。偏振态调制光纤传感器偏振态调制光纤传感器 偏振态调制其原理原理就是利用外界因素改变光的偏振态，通过检测光的偏振态的变化来检测各种物理量。 在

41、光纤传感器中，偏振态调制主要基于人为旋光现象人为旋光现象和人为双折射人为双折射，如法法拉第磁光效应拉第磁光效应，克尔效应克尔效应及弹光效应弹光效应。1.旋光性旋光性 线偏振光经过某些媒质后其振动方向发生了旋转，这就是媒质的旋光性。旋光媒质图中的旋光媒质是旋光材料溶液媒质的旋光性是互易的，也就是说，如媒质的旋光性是互易的，也就是说，如果偏振光从一个方向通过媒质旋转一个果偏振光从一个方向通过媒质旋转一个角度，则以这个角度输入并沿相反方向角度，则以这个角度输入并沿相反方向通过的光将以原来的入射角射出媒质。通过的光将以原来的入射角射出媒质。 旋光性存在于结晶材料以及一些有机的旋光性存在于结晶材料以及一

42、些有机的非结晶材料中，对后一类材料，最普通非结晶材料中，对后一类材料，最普通的是具有旋光性的糖溶液；结晶石英可的是具有旋光性的糖溶液；结晶石英可能是最早有名的旋光固体。能是最早有名的旋光固体。 由于旋光材料溶液的折射率与溶液的浓由于旋光材料溶液的折射率与溶液的浓度有关，可以利用旋光性测量旋光材料度有关，可以利用旋光性测量旋光材料的溶液的浓度，还可开发利用晶体的旋的溶液的浓度，还可开发利用晶体的旋光性，它一般是温度，压力的函数。光性，它一般是温度，压力的函数。2.法拉第效应法拉第效应 法拉第效应是一种磁感应旋光性磁感应旋光性。在磁场作用下，线偏振光的偏振方向发生旋转，光矢量旋转的角度与光在物质中通过的距离L，磁感应强度B成正比，即：VdLB 其中Vd为物质的费尔德常数。利用光纤法拉第效应的电流传感器如果在长直导轨上绕有如果在长直导轨上绕有N圈光纤，则有：圈光纤，则有：V Vd dNINI，其，其中中I I为导线中通过的电流，利用上式可以制成光纤电流为导线中通过的电流，利用上式可以制成光纤电