光纤传感中的光学原理及效应

1、第1章：光纤传感中的光学原理及效应1.1光学反射原理分为镜面反射和漫反射/'镜面反射和漫反射情况基于反射原理的光纤传感器结构简单、工作可靠、本钱低廉.主要应用于位移测量,振动 测量,压力测量,浓度测量和液位测量.PinPout1.2光学折射原理1.3光学吸收原理选择吸收：介质对某些波长的光的吸收特别显著 郎伯比尔(Lambert-Beer)定律：Lambert-Beer定律是吸收光度法的根本定律,表示物质对某一单色光吸收的强弱与吸光物 质浓度和厚度间的关系.当气体浓度、光程均很小的时候,可以近似为：1.4光学多普勒效应1 + cos雷达测速仪检査机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒

2、效应.交通警向行进中 的车辆发射频率的电磁波,通常是红外线,同时测量反射波的频率,根据 反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度.装有多普勒测速仪的警车有时就 停在公路旁,在测速的同时把车辆牌号拍摄下来,并把测得的速度自动打印在 照片上.1.5声光效应超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生牌性应变,该应变随时间和空间 作周期性变化,使介质出现疏密相间的现象,如同一个相位光栅.当光通过这一受到超声 波扰动的介质时就会发生衍射现象,这种现象称之为声光效应.利用声光衍射效应制成的器件,称为声光器件.声光器件能快速有效地限制激光朿的强 度、方向和频率,还可把电信号实时转换为光信号.此外,声光衍

3、射还是探测材料声学性 质的主要手段.主要用途有：制作声光调制器件,制作声光偏转器件,声光调Q开关,可调谐滤光器, 在光信号处理和集成光通讯方而的应用.布喇格声光盒声光频谱分析器1.6磁光效应具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下,电磁特性发生变化,因而使得光波在英内部传 输特性也发生变化的现象.A、法拉第效应：当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时,其偏振而发生旋转 的现象,对于给左的介质,偏振面旋转角度二介质长度X磁场强度X维厄徳系数B、磁光克尔效应：指一束线偏振光在磁化了的介质表而反射时,反射光将是椭圆偏振光, 而且以椭圆的长轴为标志的“偏振而相对于入射偏振光的偏振而旋转了一泄的角度.

4、 分类： 极化克尔效应,即磁化强度M与介质外表垂直时的克尔效应,应用于磁光存储技术中 横向克尔效应：M既平行于介质表而,但垂直于光的入射面 纵向克尔效应：M既平行于介质表而,又平行于光的入射面C、磁致线双折射效应：某些由各向异性分子组成的介质,在不加磁场时表现为各向同性, 加上足够强的外磁场时,分子磁矩受到了力的作用,各分子对外磁场有了一左的取向,使介 质宏观上呈现各向异性,当光以不同于磁场方向通过这样的介质时,就会出现双折射现象.1.7电光效应电光效应：指某些晶体的折射率因外加电场而发生变化的一种效应,当光波通过此介质 时,其传输特性就受到影响而改变.n = “()+aE + bE2 +(6

5、-3)在上式中,af是一次项,由该项引起的折射率变化,称为线性电光效应或泡克耳斯(Pockels)效 应：脈是二次项,由该项引起的折射率变化,称为二次电光效应或克尔(Kerr)效应.对于大多数晶体,一次电光效应要比二次效应显著,可略去二次项.但是在具有对称中央的晶体中,不存在一次电光产效应.电光效应已被广泛用来实现对光波的限制,并做成光调制器、光偏转器和电光滤波器件 等.1.8弹光效应由机械应力引起的材料折射率变化的现象称为弹光效应(Elasto-Optical Effect )0由 于沿应力方向发生折射率变化,原来同性材料也可变成各向异性,即折射率椭球发生变化, 而呈现双折射.因此,对弹光物

6、质通光和施加应力时,由于应力和与应力垂直的方向上产生 位相差,故可以利用这种效应制作位移、振动和压力等光学传感器.1.9光声效应激光光朿照射到固体表而或气体和液体中,会与被照射物质相互作用产生一泄强度和频 率的声波,这就是光声效应.光声效应作为固体物质表而检测和物质成分含量分析的有效手 段,已经广泛应用于物理、化学、医学、海洋、环境和材料等研究领域,有着广阔的开展前 景.同样,光声效应也可以应用于气体和液体的成分含疑的检测.第2章：光纤传感原理及应用技术2.1相位调制型光纤传感器技术相位调制型光纤传感器的根本传感机理是：通过被测能呈:场的作用,使光纤内传播的光 波相位发生变化,再利用涉测量技术

7、把相位变化转换为光强变化,从而检测岀待测的物理 量.光纤中光波的相位,一方而由光纤的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所 决定.一般来说,应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数,从而产生 相位变化,实现光波的相位调制.另一方而也可以由Sagnac效应产生.光相干条件两列光波叠加在一起能产生干预现象,但并非任意两列光波相遇都能产生干预现象.必要条件：频率相同的两光波在相遇点有相同的振动方向和固龙的相位差.补充条件：A-两光波在相遇点所产生的振动的振幅相差不悬殊.B-两束光波在相遇点的光程差不能太大.四种常见的光纤干预仪到达探测器的两朿光的光场分别为：总光场为：E = ex

8、pjcost +(px+ El expjcoLt +(pL总光强为：/ =耳 exp(购/ + 0 J + El expG©/ + 仇)$=Es exp(丿® + 0 J + El exp(>tr + © )卜 ES exp(>/ + ?) + E exp(j® / + % ) co*® - ©J + ©根据相干条件,轨=3畀那么有 / = IS+/L+ 2 J7J77 cosa 如果不厶=ILI = 21 s (1 + cosA©)马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干预仪Z - /也肛丄七LD

9、光纤干预仪与普通的光学干预仪相比,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,以提髙干预仪的灵敏度:3封闭式的光路,不受外界干扰：4测量的动态范围大.萨格纳克Sagnac光纤干预仪分光镜反射镜探测器光在运动介质中的速度v = -+ 1- n上式中,V是介质运动速度.假设光从A点进入,分成CW和CCW两路光信号,当光纤环静止时,CW和CCW信号同 时到达A点,当光纤环按图中方向转动时,两路光信号在B点相遇.此时fcv =2岔+ rQ/刖2/ir - rQtccw由上两式得到2岔c rQ.2对心'=所以顺时针和逆时针的时间差为_ fccw2岔2rQ由于L »,所以Ma

10、；irc位相差为：A4 加 2.8SQ(P Q CD；=LcA对于N匝光纤,那么相位差为A8N 於.© =c2第三局部：光纤光栅传感技术自从加拿大通信研究中央的Hill等人在1978年首次利用驻波法在掺错光纤中研制岀世 界上第一支永久性的实现反向模式间耦合的光纤光栅一一光纤布喇格光栅以来,对苴研究与 应用得到了很大的开展.1993年,Hill等人提岀了用紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射条纹曝光氢载光纤写入 光纤布喇格光栅的相位掩模法,使得光纤光栅真正走向实用化和产品化.1998年,美国东哈特福徳联合技术研究中央的Meltz等人提出了用两束相F的紫外光 形成的干预条纹侧而曝光氢载光纤写

11、入光纤布喇格光栅的横向全息成栅技术,相对于内部写 入法,该方法又称为外侧写入法.光纤光栅的分类光纤光栅主要可以从光纤光柵的周期、相位和写入方法等几个方而对光纤光栅进行分 类.1.按光纤光栅的周期分类通常把周期小于1 um的光纤光栅称为短周期光纤光栅,而 把周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光柵.前者的反射谱和后者的透射谱分 别为如5-1 (a)和 5-1 (b)所示.2.按波导结构(c)髙斯变迹光纤光柵(e)相移光纤光柵 光纤布拉格光栅的反射谱.折射率分布为：f方 ,T|<77? +V COS z + (z) j耦合模方程5(Z).Z X ,、一-一 = 5+(Z)+ /M d

12、z-= -5dk d+(z) dz.(f)超结构光纤光栅其中,&十一豊5 = Z?_£ = #_0b =2 勿叨/ 丄丄为失调参数.hb分别为互耦合和自耦合系数,对于单模式布拉格光栅光纤,有 b = 27016* z/A , k =k" = niv7Tiett z/.利用耦合模方程,可求得布拉格光栅的反射谱,进而求得其它特性,但不幸 的是,只有均匀光栅可求得精确解,对于非均匀光纤光栅,由于耦合模系数与Z 有关,不再是常量,得不到精确解,而只能采用一些数学方法来近似求数值解, 尽管如此,均匀光纤光栅对了解非均匀光纤光栅的特性仍然是有很大的帮助.对于均匀光栅,嘉乙与Z无

13、关,是常数,因此,曲耦合模方程和边界条 件5-厶/2 = 1,"厶/2 = 0,可求得反射系数,厶是光纤光栅的长度.反射效率_ sinh'J -&辽i =i-cosh2 y/k2 -a2 L _ 二kr在& = 0时,有最大反射功率,此时= tanh,伙厶入b=2怙A是设计的布拉格波长.主瓣两零点之间的波长间隔为:光纤光栅传感原理心=2龙八<7 =丄卑热膨胀系数A AT热光系数ATBragg波长的变化与温度之间的变化有良好的线性关系,光栅的温度灵敏度为/Cr=A2B/AT = « +z-4一般 a=5.5xlO-7K1； |=7.00xl0 6

14、K4,如果光纤光栅的 Bragg 波长为 l550nm,计 算光纤光栅的温度灵敏度？光纤光栅的温度灵敏度为0.0117nm/-C, 一般取O.Olnm/C.n = 1.46F v= 0.16, Pn = 0.12/ PJ2 = 0.27也= 0.78£3光纤光栅的应变灵敏度为L2 x 10 nm/ne下而分析用MZI作光纤光栅传感解调的灵敏度.=2人(1di = 21 s sin (pd(pdi = 21 $ sinA©MAT当4png时,最灵敏.此时,I = 21 s 0 刃=2吟AGdi _ 2龙AZz/2设系统的信噪比为哋那么最小可探测器强度变化为务=扁=.设AL =

15、 imm, A = 1550?/, cU = Opm 对应裸光栅温度测量精度1度,261526963 87844276 -02*可以检测到.假设温度测捲精度提髙到-度那么di=2.61526963 8784427c-03,仍然可以检测.如果“0 = 0,那么/ = 4厶,当 dA, = IO/?/?时,=二*SLdA , A(p = 0 + ALd几,此时 /=2Z5x 1.99965803 7727299 ,所以 = 1.70981136 3502789e -04 ° 由于信号能4厶量提髙了 2倍,这样信噪比提髙3dB ,因此有最小探测强度变化为：=t 1=7.07106781 1

16、865475c能检测否？4/5 JSNR设光纤光栅反射带宽A入=°2nm,那么相干长度等于12cm.非平衡MZI最大的缺点是由于两个臂长度不相等,所以两个臂受到外部环境因素的影响不 相同,从而导致性能不稳定.慢光效应对MZ干预仪的影响设信号从端口 1输入,从端口 4输岀.那么两个臂的位相差为:A(ty) = fi(co)-nL = /z(<y)-/?LcA所以,d(pdco(畑一n)+a)dndcodAL(17tcdcodXcsF慢光效应能增大群折射率因此,慢光效.应将极大增加涉仪的灵敏度.如果采用 慢光效应更大的材料,干预仪的灵敏度将增大更多.第四局部：光纤气体传感技术在气体传感中,所气体吸收的郎伯比(Lambert-Beer)律：=oS)exp- a(A)C£ + "(2)英中：C:气体浓度：L :气体吸收光程；X：气体吸收系数."光路损耗系数. 仅用上式很难测准气体的浓度,为什么？.为了低消光源功率波动和系统固有的噪声,要采用谐波检测.在二次谐波法中,设待测 信号为：Asin(dX + a)+,z(r),问,如何检测有用信号A?并写岀分析过程.sin(d"+ 0)待测信号乘法运算/lsin(a+(z)+ (/)低通滤波器二；ABcos(c(- 0)参考依号11 二 /4cos(a 0) cos(2a&g