光纤传感器基本原理

五、波长调制机理波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能型传感器。在波长(颜色)调制光纤探头中，光纤只是简单地作为导光用，即把入射光送往测量区，而将返回的调制光送往分析器。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，法布里-珀罗滤光器等。)10(10LckR1.光纤pH值探测技术这种技术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。根据这种原理可以做成光纤pH探头。取绿光(558nm)作为调制检测光，红光(630nm)作参考光，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(△=pH-pK,其中pH是酸碱度,pK是酸碱平衡常数）2.光纤磷光探测技术利用磷光现象可以制成光纤温度探测系统。其工作原理是基于稀土磷光体的磷光光谱随温度变化而改变。磷光体被紫外光照射后，就发射一与温度有关的光谱，如下图左所示。光谱中“a”谱线的强度随温度升高而增加，而“c”谱线则降低。3.光纤黑体探测技术通过测量物体的热辐射能量确定物体表面温度是非接触式测温技术。物体的热辐射能量随温度提高而增加。对于理想“黑体”辐射源发射的光谱能量可用热辐射的基本定律之一普朗克(Planck)公式表述：1/310)1(),(2TceCTEE0(λ,T)是“黑体”发射的光谱辐射通量密度，T是黑体绝对温度。光纤黑体探测技术就是以黑体做探头，利用光纤传输热辐射波，不怕电磁场干扰，质量轻．灵敏度高，体积小，探头可以做到0.1mm。4.光纤法布里-珀罗滤光技术根据光学原理，假设有一束平行光以θ角倾斜入射到法布里一珀罗标准具上，则当波长λ0=λ0(m)时，透射光或反射光的强度达到极大值，其中),2,1(cos2)(0mmdnm六、偏振调制机理偏振调制就是利用光偏振态的变化来传递被测对象的信息。kEH▲光是一种横波偏振光的表示法圆偏振光线偏光椭圆偏振光光的双折射是指一束光射向石英、方解石等各向异性晶体介质时，分解为两束折射光的现象。1.普克耳效应普克耳效应(线性电光效应)：当强电场施加于光正在穿行的各向异性晶体时，所引起的感生双折射正比于所加电场的一次方。1232222212nznynx以主折射率表示的折射率椭球方程为对于双轴晶体，主折射率；对于单轴晶体，主折射率，。321nnnonnn21enn3对于KDP类晶体，晶体折射率的变化Δn与电场E的关系由下式给定Enn6330两正交的平面偏振光穿过厚度为l的晶体后，光程差为6330022/nUUnlEnlnL63306330当折射率变化所引起的相位变化为Π时，则称此电压为半波电压Uλ/2，并有)42(sin20II)(/204130纵向UndlnUc300221-BGO调制器晶体；2-1/4波长片；3-检偏器；4-电压传感器测头；5-多模光导纤维；6-光检测器；7-运算器；8-输出信号；9-光源；10-光耦合器；11-起偏器输出的光程为)(030横向dlUnc式中,φ是晶体中两正交平面偏振光的相位差：晶体的半波电压2.克尔效应克尔效应(平方电光效应)当外加电场作用在各向同性的透明物质上时，各向同性物质的光学性质发生变化，变成具有双折射现象的各向异性特性，并且与单轴晶体的情况相同。当外加电场方向与光的传播方向垂直时，由感应双折射引起的寻常光折射率和非常光折射率与外加电场E的关系为：20kEnnoe式中，k是克尔系数。ldUklnnoe20)()(2)(2dUkl▲克尔调制器装置若在两极上加电压U，则由感应双折射引起的两偏振光波的光程差为])(2[sin0222UUII两光波间的相位差则为检偏镜的透射光强度I与起偏镜的入射光强I0之间的关系:3.法拉第效应法拉第效应(磁致旋光效应):物质在磁场的作用下可以使穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转的现象。光矢量旋转的角度：HdlVl0式中，V是物质的费尔德常数，l是物质中的光程，H是磁场强度。▲法拉第旋转与旋光性旋转区别法拉第旋转和旋光性旋转间的一个最重要的区别：前者磁致偏振面的旋转方向，对于所给定的法拉第材料仅由外磁场方向决定，二与光线的传播方向无关。旋光性是一种互易的光学过程：对于旋光性的旋转，光线正反两次通过旋光性材料后总的旋转角度等于0。法拉第旋转是非互易的光学过程：平面偏振光一次通过法拉第材料转过角度θ，而沿相反方向返回时将再旋转θ角。因此两次通过法拉第材料后总的旋转角度为2θ。4.光弹效应kpnne0kpllnneo)(光弹效应:在垂直于光波传播方向施加压力，材料将会产生双折射现象，其强弱正比于应力的现象。设单轴晶体的主折射率ne对应于MN方向上的振动光的折射率，主折射率no对应于垂直MN方向上的振动光的折射率，这时光弹效应与压强P的关系可表达为00/22kpl则光程差和相应的相位差为七、对光纤和光电器件的要求光纤、激光器、探测器是构成光纤传感器的主要部件，其特性的好坏对光纤传感器的灵敏度影响极大。光纤传感器的灵敏度主要决定于系统中的内部噪声电平，因此在光纤传感器里分离出噪声源，并设法降低它，对提高灵敏度是有实际好处的。光纤多普勒系统光纤系统的主要噪声源是背向瑞利散射噪声和偏振噪声。瑞利散射从根本上讲是不能消除的。瑞利散射的大小与传输的模、纤芯尺寸无关，而与波长的四次方成反比，因此，选用长工作波长是有利的。偏振噪声的出现，是由于不同模式的波传播常数不同，导致模间的脉冲形成。保持单模光纤偏振状态的稳定十分重要，这样做的结果，可使灵敏度提高几个数量级。光纤传感器对光源-激光器的一般要求是:有一定的功率输出、输出的偏振相干性要好、寿命长。在目前研制的各类传感器中，用He-Ne气体激光器做光源的比较多。但从发展看，体积小、性能可靠的半导体激光器应具有宽广的应用前景。在光纤传感器里，半导体雪崩光电二极管(APD)和PIN光电二极管是把光信号变成电信号的检测器件，其噪声源主要是“散粒噪声”，它是由光信号中的光子在检测器件内部转换成电信号的过程中所产生的波动引起的。在散粒噪声中，光电流I0和暗电流ID引起的噪声是主要的。设法降低光电检测器的噪声，对传感器灵敏度的提高具有现实意义。