第9章 光纤传感器,9.1 光纤传感器的原理 9.1.1 强度调制法 9.1.2 偏振态调制法 9.1.3 相位调制法 9.1.4 频率调制法 9.2 常见光纤传感器 9.2.1 偏振式光纤温度传感器 9.2.2 反射式光纤位移传感器 9.2.3 光纤加速度传感器,9.1 光纤传感器的原理,9.1.1 强度调制法 9.1.2 偏振态调制法 9.1.3 相位调制法 9.1.4 频率调制法,9.1 光纤传感器的原理,图9-1 光纤传感器的结构 a)传光型光纤传感器 b)传感型光纤传感器,9.1.1 强度调制法,1.位移式强度调制 2.开关调制 3.反射式强度调制 4.折射率调制法,1.位移式强度调制,图9-2 位移式强度调制的原理图 a)不同形式的位移调制方法 b)横向移动调制方法 c)横向位移调制输出曲线,2.开关调制,图9-3 开关调制的结构 a)挡板调制 b)光栅调制,3.反射式强度调制,图9-4 各种反射式强度调制结构 a)多束光纤 b)双光纤 c)单光纤 d)液面膜反射,4.折射率调制法,图9-5 折射率调制法常用的几种结构,9.1.2 偏振态调制法,1.法拉第效应 2.克尔电光效应 3.弹光效应,1.法拉第效应,图9-6 法拉第效应的应用,2.克尔电光效应,图9-7 克尔电光效应,3.弹光效应,图9-8 应力双折射原理,9.1.3 相位调制法,1.应力应变效应 2.温度应变效应 3.相位调整的主要仪器,1.应力应变效应,当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时，光纤的长度、纤芯的直径、纤芯折射率都将变化，这些变化将导致光纤中光波相位的变化。光,2.温度应变效应,温度应变效应与应力应变效应相似。若光纤放置在变化的温度场中，将温度场的变化等效为作用力F，那么，作用力F将同时影响光纤折射率n和长度L的变化。,3.相位调整的主要仪器,(1)马赫曾德尔(MachZehnder)干涉仪 (2)萨格纳克(Sagnac)干涉仪 (3)迈克尔逊(Michelson)干涉仪,(1)马赫曾德尔(MachZehnder)干涉仪,图9-9 相位调整的主要仪器 a)马赫曾德尔干涉仪的原理图 b)萨格纳克干涉仪的原理图 c)迈克尔逊干涉仪的原理图,(2)萨格纳克(Sagnac)干涉仪,1911年萨格纳克发明了一种可以旋转的环形干涉仪。将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后汇合，然后在屏幕上产生干涉，这就是萨格纳克效应。,(3)迈克尔逊(Michelson)干涉仪,迈克尔逊干涉仪的原理图如图9-9c所示，它是用分振幅法产生双光束以实现干涉的仪器。在实际装置中，反射镜M2是固定的，M1可沿臂轴方向移动，光源L发出的光经分光器P后，分成两路光，经M1、M2反射，通过P后产生干涉现象。,9.1.4 频率调制法,1.零差法 2.外差法,1.零差法,图9-10 频率调制法测量原理装置,2.外差法,9.2 常见光纤传感器,9.2.1 偏振式光纤温度传感器 9.2.2 反射式光纤位移传感器 9.2.3 光纤加速度传感器,9.2.1 偏振式光纤温度传感器,1.偏振分光棱镜 2.石英晶体 3. 1/4波片 4.传感器的工作原理,9.2.1 偏振式光纤温度传感器,图9-11 偏振式光纤温度传感器的原理和结构 a)传感器光路 b)探头结构,1.偏振分光棱镜,图9-12 偏振分光棱镜原理 a)光波在界面的折射与反射 b)布儒斯特角 c)偏振分光棱镜,2.石英晶体,波长为的光线经过石英晶体时，光矢量受到旋转。按照菲涅耳的解释，进入石英晶体的线偏振光可以分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。,3. 1/4波片,图9-13 1/4波片的作用,4.传感器的工作原理,图9-14 光矢量的方向分析 a)光矢量的初始方向 b)第一次通过晶体 c)两次通过波片 d)第二次通过晶体,9.2.2 反射式光纤位移传感器,图9-15 光纤位移传感器 a)线性位移测量装置 b)发光强度接收分析 c)端面的交叠,9.2.2 反射式光纤位移传感器,图9-16 光纤位移传感器的输出 a)M与/a的关系曲线 b)F与b的关系曲线,9.2.2 反射式光纤位移传感器,图9-17 光纤的端面分布及传感器输出特性 a)光纤的端面分布 b)传感器输出特性,9.2.3 光纤加速度传感器,1.相位调制型光纤加速度传感器 2.强度调制型光纤加速度传感器,1.相位调制型光纤加速度传感器,图9-18 相位调制型光纤 加速度传感器,1.相位调制型光纤加速度传感器,图9-19 光纤加速度测量系统,2.强度调制型光纤加速度传感器,图9-20 强度调制型光纤加速度传感器,2.强度调制型光纤加速度传感器,图9-21 光纤加速度传感器的原理图,