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opticalfibersensors. 光纤传感技术. Optical fiber sensors. 第 五 章 光纤 传感器基本原理. F undamental of Optical Fiber Sensor. §5.4 频率调制机理. 一、频率调制光纤传感器的基本原理. 利用外界作用改变光纤中光的频率，通过检测光纤中光的频率的变化来测量各种物理量 , 这种调制方式称为频率调制。频率调制技术目前主要利用多普勒效应来实现. 0. v. s. 多普勒效应.
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opticalfibersensors 光纤传感技术 Optical fiber sensors 第五 章 光纤传感器基本原理 Fundamental of Optical Fiber Sensor
一、频率调制光纤传感器的基本原理 利用外界作用改变光纤中光的频率，通过检测光纤中光的频率的变化来测量各种物理量,这种调制方式称为频率调制。频率调制技术目前主要利用多普勒效应来实现
0 v s 多普勒效应 由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率变化的现象叫做多普勒效应。如果二者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果二者远离，观察者接收到的频率减小 波源的振动频率f 观察者测得的频率f' u
波源不动,观察者靠近波源: u 观察
观察者不动，波源运动 波源以速度 运动，在一个周期T内由S点运动到S’点。这相当于把声源静止时的波长，由于声源的运动而被压缩在S'A之间了,波长变为：
S为光源，P为运动物体，Q为观察者所处的位置，若物体P的运动速度为υ，其运动方向如图所示，则从S发出的光频率f , 运动物体接收到的频率为f1，它们之间有如下关系：
经运动物体P散射后，观察者在Q处观察到的运动物体反射的光频率f2为经运动物体P散射后，观察者在Q处观察到的运动物体反射的光频率f2为 根据上式，可以设计出多普勒光纤流速、流量测量传感器
多普勒光纤流速测量技术 设光源频率为f，经半反射镜进入光纤射入到被测流体，当流体以速度υ运动时，根据多普勒效应，其向后散射光的频率为f +Δf 或f –Δf （视流向而定） f f+Df 光纤截面 流体
f f+Df 光纤截面 向后散射光与光纤端面反射光（参考光）经半反射镜，由检偏器检出相同振动方向的光，探测器检测出端面反射光f与后向散射光f+Δf或f-Δf的差拍的拍频Δf，由此可知流体的流速。 流体
光纤多普勒系统的局限性 多普勒测速系统检测可以达到的体积或探测深度。通常，当距光纤端面距离超过a／tgq处的散射场，耦合回光纤的功率已经衰减至很难检测的程度。这样。探测媒质的最大穿透深度只有几个光纤芯半径的量级，对于大衰减媒质的穿透深度只有两个纤芯半径。一般，多普勒探测器最大只能实现液体中几毫米处粒子的运动速度测量， 只适用于携带粒子的流体或 混浊体中悬浮物质的速度测 量。速度测量范围mm/s~m/s。
F F´ 提高光纤多普勒系统的探测深度的方法 流体 虚像 q 光纤 d d < f
§5.4 结束 多普勒颈脑血液测速仪
§5.5 波长调制机理 Principle of Wavelength Modulation
S 被测信号 信号处理 光谱仪 波长调制器 波长调制光纤传感器 波长调制光纤传感器是利用传感探头的光谱特性随外界物理量变化的性质来实现被测参数的测量。
波长调制光纤传感器工作原理 S(t) 得到Po(l) 得到S(t) 被测信号 信号处理 光谱仪 波长调制器
光纤波长调制传感器应用 光纤波长调制技术主要应用于医学、化学等领域。例如，对于人体血气的分析，pH值检测，指示剂溶液浓度的化学分析，磷光和荧光现象分析，黑体辐射分析等。
1、光纤pH测量技术 主要的pH值测定方法有：酸碱指示剂法、pH试纸法、pH计测量法等。 光纤pH值传感器是一种pH计，是利用化学指示剂对被测溶液的颜色反应来测量溶液的pH值。
装入直径为5～10 mm的聚丙酸脂小球，并用指示剂将小球染色 可渗透的薄膜容器 透过率受到外界物理量的调制 由于指示剂的透明度在红色光谱区域对pH值非常敏感，在绿色区域却与pH值无关。所以，当白光由光纤导入浸泡在被测溶液中的pH探头后，经过用指示济染色的聚丙酸脂小球的散射，得到反映溶液pH值的光信号。
装入直径为5～10 mm的聚丙酸脂小球，并用指示剂将小球染色 可渗透的薄膜容器 光信号由光纤导出进入旋转的双色滤光器，从而使红光和绿光交替地投射到光电二极管探测器上，通过信号处理系统把这两种颜色(波长)的光强信号的比值测量出来．测量结果直接反映被测溶液的pH值。
§5.5 结束 采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中多种因素所造成的误差。取绿光(l1=558nm)作为参考光，红光(l2＝630 nm)作调制检测光，探测器接收到的绿光与红光强度的吸收比值为R，pH值与R的关系为 k,c为常数；L为试剂长度,D＝pH—pK，其中pH是酸碱度,pK是酸碱平衡常数。 采用不同的化学指示济溶液，即可测量不同pH值范围。当采用红酚时，可测量pH值在7~7.4的范围内，仪器具有0.01的分辨率。当采用溴酚蓝时，可测量pH值在3.0~3.6的范围内.
偏振面 E 只沿某一方向振动 E 光传播方向 §5.6 偏振调制机理 Principle of Polarization Modulation
完全偏振光 偏振面 （又称线偏振光 或平面偏振光） E E E 只沿某一方向振动 E 光传播方向 在任一横截面上 的振动轨迹是一条方位不变的直线 E 即 在传播过程中 振动始终保持在一个确定的平面内 E 完全偏振光的表示符号 垂直于纸面振动 在纸面内振动 或 偏振光
偏振化方向 起 偏 起偏器 Polarization Modulation 起偏与检偏 • 起偏 ： 当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向 .
起偏器 起偏器 检偏器 检偏器 Polarization Modulation 检 偏 检 偏
Polarization Modulation 光纤偏振调制传感器 利用光波的这些偏振性质，可以制成光纤偏振调制传感器。 光纤传感器中的偏振调制器常用电光、磁光、光弹等物理效应进行调制。
Polarization Modulation 偏振调制物理效应 • 普克尔效应 • 法拉第效应 • 光弹效应
折射率椭球 折射率椭球是晶体各向异性的几何表示，晶体折射率椭球方程为： 单轴晶体的折射率椭球是一个旋转对称的椭球。
z z y y 正单轴晶体 负单轴晶体 x x x
(1) 普克尔效应 电光效应（电致双折射）：某些晶体材料在外加电场作用下产生各向异性的折射率变化。 n＝E+kE2 普克尔效应（一次电光效应,Pockels，1893）： 当电场加在晶体上时，折射率的变化是线性的（在不对称中心的晶体中）如：ADP（磷酸二氢铵）、KDP（磷酸二氢钾）、KD*P（磷酸二氘钾） n＝E
纵向电光效应：一是电场沿着晶体主轴 (光轴方向)，使电场方向与光线方向平行； E 晶体 光轴 横向电光效应：二是电场沿晶体任一主轴x轴或y轴或Z轴加到晶体上，而取通光方向与电场方向相垂直. E 晶体 光轴
x’ y’ Example KDP（磷酸二氢钾）的纵向电光效应 沿Z轴加电场时, y 加电压前 x g63 电光系数, Ez电场强度
KDP的纵向电光效应 不加电压 P2 P1 加电压 l P2 P1 l U
不同的相位差 对应的偏振态
半波电压： 当晶体折射率变化所引起的两正交平面偏振光的相位变化为时，则称此时电压为半波电压U/2(或U)，且 半波电压是表征电光晶体性能的重要的参数，该电压越小越好。 作为一个例子：KDP（磷酸二氢钾）no=1.512 ,63=10.6,对于0.54mm光， U/2=7.36kV, 而KD*P: no=1.52，63=23.3: V=3.29KV
KDP的横向电光效应 横向加电压 P2 P1 U l 半波电压
图5—43是利用普克耳效应的光纤电压传感器示意图。调制器晶体可用BGO或BSO晶体。传感器工作过程是，从激光器射出的光由起偏器变为平面偏振光，再入射到调制器电光晶体上。由于电光效应的作用，从电光晶体射出的光变为椭圆偏振光，经1／4波片获得一光学偏置，最后经检偏器输出。图5—43是利用普克耳效应的光纤电压传感器示意图。调制器晶体可用BGO或BSO晶体。传感器工作过程是，从激光器射出的光由起偏器变为平面偏振光，再入射到调制器电光晶体上。由于电光效应的作用，从电光晶体射出的光变为椭圆偏振光，经1／4波片获得一光学偏置，最后经检偏器输出。
输出的光强为： 是晶体中两正交平面偏振光的相位差。
偏振面 (3) 法拉第效应（磁光效应，磁致旋光） 某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振动面会发生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量E旋转角j与光在物质中通过的距离l和磁场强度H成正比 V─费尔德常量， H E 光传播方向 l
磁致旋光物质 j H l • 偏振面的旋转方向由外磁场方向决定: 当光的传播方向与磁场方向一致时，顺着光传播方向看去，j角是左旋的。当光的传播方向与磁场方向相反时，顺着光传播方向看去，j角是右旋的。 j 左旋 j j 右旋 H l
偏振光一次通过法拉第材料转过角度为j ，而沿相反方向返回时将再旋转j角。因此，两次通过法拉第材料后总的旋转角度为2j。这样，为了获得大的法拉第效应，可以使光多次穿过材料，若光束在其间反射N次后出射，那么有效旋光厚度为Nl，偏振面的旋转角度提高N倍。 H Nj l
利用法拉第效应制成电流传感器。 法拉第效应光纤传感器 激光 探测器 光纤 信号源 • 振动面旋转方向与电流的方向有关
第 五 章 小 结 从本章的我们学习知道，无论是功能型光纤传感器，还是传光型光纤传感器，最终都是利用光波参量的调制来实现待测信息提取的，我们称之为光波调制技术。从光波调制的形式来分类，有强度调制、位相调制、频率调制、偏振调制及波长调制(光纤传感头的光频谱特性随待测物理量变化)。
1、光纤传感器的分类 传感器 物理效应 被测量 光纤类型 干涉型 相位调制光纤传感器 磁致伸缩效应 电致伸缩效应 Sagnac效应 光弹效应 电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度 SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM 非 干 涉 型 遮光板遮断光路 半导体透射率的变化 荧光辐射、黑体辐射 光纤微弯损耗 振动膜或液晶的反射 气体分子吸收 光纤漏泄膜 温度、振动、压力、加速度、位移 温度 温度 振动、压力、加速度、位移 振动、压力、位移 气体浓度 液位 MM MM MM SM MM MM MM 强度调制光纤传感器 偏振调制光纤传感器 电流、磁场 电场、电压、 温度 振动、压力、加速度、位移 SM MM SM MM 法拉第效应 泡克尔斯效应 光弹效应 频率调制光纤传感器 多普勒效应 受激喇曼散射 光致发光 速度、流速、振动、加速度 气体浓度 温度 MM MM MM 注：MM多模；SM单模；PM偏振保持
2、光纤传感器用光纤－－特种光纤 用作光纤传感器的光纤经常是一些具有独特性能的光纤，称之为特种光纤。光纤传感器选用的光纤随传感器类型不同而不同。 例如，在相位调制光纤传感器中，要使信号光和参考光获得较高的相干度，两束光的振动方向要一致，只有偏振保持光纤才能做到这一点。而在偏振态调制光纤中，要求偏振态充分地随外界因素而变，要用低双折射率光纤。 基于吸收、荧光的传感器，采用掺稀土元素光纤，掺稀土元素还可以增大光纤的费尔德常数（法拉第效应），提高克尔效应。
习题和思考题 1、在光纤传感器中，光波调制的方式有哪些？ 2、请你举2个具体例子（例如位移、温度、压力等的测量）说明如何利用光强度调制实现物理量的测量，详细说明传感器的原理。 3、总结归纳相位调制光纤传感器利用了那些物理效应。 4、举2例说明如何利用光相位调制实现物理量的测量，详细说明光调制原理。在你所介绍的传感器中，对光纤是否有什么特殊的要求？如果有，具体是什么要求？为什么？ 5、偏振调制光纤传感器利用了那些物理效应？
