第六章-其他类型光纤传感器

第六章其它类型光纤传感器6.1偏振态调制型光纤传感器第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术基本概念光波是一种横波，其光矢量是与传播方向垂直的。如果光波的光矢量方向始终不变，只是它的大小随位相改变，这样的光称线偏振光。光矢量与光的传播方向组成的平面为线偏振光的振动面。第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术基本概念如果光矢量的大小保持不变，而它的方向绕传播方向均匀地转动，光矢量末端的轨迹是一个圆，这样的光称圆偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有规律地变化，且光矢量的末端沿着一个椭圆转动，这样的光称椭圆偏振光。第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术基本概念kEH偏振光的表示法圆偏振光线偏光椭圆偏振光第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术基本概念:马吕斯定律：利用偏振片检验光线的偏振化程度，称为检偏自然光通过偏振片后变为线偏振光，称为起偏起偏器检偏器AII020cosII第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术基本概念:一束自然光射向石英、方解石等各向异性介质时，其折射光有两束，这种现象称为双折射现象。o光e光寻常光(o光)：遵守折射定律非常光(e光)：不遵守折射定律第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术偏振调制原理偏振调制光纤传感器通常基于电光、磁光和弹光效应，通过敏感外界电磁场对光纤中传输的光波的偏振态的调制来检测被测电磁场参量。典型偏振态调制效应：法拉第(Faraday)效应，普克尔（Pockels）效应，克尔(Kerr)效应，光弹效应第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术旋光性1811年实验物理学家阿喇果发现，线偏振光通过某些透明物质时，其偏振面将旋转一定的角度。d偏振片2偏振化方向单色自然光偏振片1偏振化方向光轴方向P2P’2石英晶片(不产生双折射)（原消光）（现消光）第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术旋光性旋光性是指线偏振光通过旋光性物质时，输出光的偏振面以光的传播方向为轴发生旋转的现象。它是一种自然旋光性，是互易的光学过程。实验表明：对于旋光晶体，旋转角与厚度成正比；对于旋光液体，旋转角不仅与液体的厚度有关，还与液体的浓度有关。第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术旋光性能够产生旋光现象的物质称为旋光物质。如石英、糖、酒石酸钾钠等。旋光性物质是可逆的，有互易性。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。旋光性物质分为左旋和右旋两种。右旋物质：迎着光的传播方向观看，使振动面按顺时针方向转动的物质，如葡萄糖、石英等。左旋物质：迎着光的传播方向观看，使振动面按逆时针方向转动的物质，如果糖等。第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术法拉第(Faraday)效应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，又称磁致旋光效应。式中，V为物质的弗尔德常数，L为光在物质中的光程，H为磁场强度。0LVHdl当偏振光传播方向沿磁场方向（平行或反平行）通过磁场时，光的电矢量E旋转角θ可表示为第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术法拉第效应法拉第效应示意图第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术法拉第效应旋转方向与磁场方向有关，即弗尔德常数有正负之分。一般约定，正的费尔德常数系指光的传播方向平行于所加磁场方向，法拉第效应为左旋的；反平行于磁场方向时为右旋的。非互易性：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，而与光线的传播方向无关，正反两次通过法拉第材料后，总的旋转角度为。2法拉第旋转和旋光性旋转间的最重要的区别第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术法拉第效应为了获得更大的法拉弟效应，可以将放在磁场中的法拉弟材料做成平行六面体，使通光面对光线方向稍偏离垂直位置，并将两面镀层反射膜，只留入口和出口，这样，若光束在其间反射N次后出射，则偏振面的旋转角度将提高N倍第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术法拉第效应光纤电流传感器原理示意图V为物质的费尔德常数，N光纤绕在被测导线上的圈数，I为电流第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术普克尔（Pockels）效应当某些晶体（各向异性晶体）在外界强电场作用下，不同方向上的折射率会发生不同的变化，从而改变光的偏振态，产生附加的电致线性双折射现象，这种电光效应称为普克尔效应。感生双折射正比于所加电场的一次方，两正交的偏振光的相位变化为n0—正常折射率；rc—电光系数；U—加在晶体片上的横向电压；λ—光波长；L—光传播方向晶体长度；d—电场方向晶体厚度。300cnrULd第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术克尔(Kerr)效应克尔效应也是一种电致双折射效应。当外电场作用于各向同性的透明介质上时，各向同性的介质的光学性质发生变化，变成具有各向异性的双折射单轴晶体，光轴方向和电场方向一致，当外加电场与光的传播方向垂直时，双折射引起的寻常光和非常光折射率之差与外加电场平方成正比，故又称平方电光效应。第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术克尔效应感应双折射引起的两偏振光波的光程差为2eonnLkLE位相差为22kLEE为外加电场，L为光在克尔元件中的长度，k为克尔常数第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术克尔效应利用克尔效应可以构成光纤电场、电压传感器，它具有极快的响应速度，响应频率达1010Hz，可以构成高速的克尔光闸。第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术光弹效应光弹效应是一种应力双折射现象。当在垂直于光的传播方向施加应力时，介质沿应力方向的折射率与其它方向不同，原来各向同性的介质变为各向异性（其等效光轴在应力方向），引起出射光偏振面的变化。感生的双折射的大小正比于应力。22oennLkpLp为压强，L为光通过材料的厚度，k为物质常数第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术光弹效应光弹效应示意图第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术晶体在受压后其折射率发生变化，呈现双折射的现象称为光弹性效应。利用光弹性效应测量压力的原理及传感器结构如图。(b)传感器结构12345P(a)检测原理P678910111光源2、8起偏器3、91/4波长板4、10光弹性元件5、11检偏器6光纤7自聚焦透镜偏振光线偏振光椭圆偏振光光弹性式光纤压力传感器第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术当有与入射光偏振方向呈45º的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强，即可测出压力的变化。其中1/4波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。(b)传感器结构12345P(a)检测原理P678910111光源2、8起偏器3、91/4波长板4、10光弹性元件5、11检偏器6光纤7自聚焦透镜偏振光线偏振光椭圆偏振光第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术为了提高传感器的精度和稳定性，下图为另一种检测方法的结构。1光纤2起偏器3光弹性元件41/4波长板5偏振分光镜6反射镜输出前置放大前置放大I2－I1I2+I1驱动123456I1I2PD1PD2p第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术输出光用偏振分光镜分别检测出两个相互垂直方向的偏振分量；并将这两个分量经“差／和”电路处理，即可得到与光源强度及光纤损耗无关的输出。该传感器的测量范围为103Pa～106Pa，精度为±1％，理论上分辨力可达1.4Pa。1光纤2起偏器3光弹性元件41/4波长板5偏振分光镜6反射镜输出前置放大前置放大I2－I1I2+I1驱动123456I1I2PD1PD2p第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度。1光纤2起偏器3光弹性元件41/4波长板5偏振分光镜6反射镜输出前置放大前置放大I2－I1I2+I1驱动123456I1I2PD1PD2p第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术电流、磁场传感器：法拉第效应；电场、电压传感器：泡尔效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；温度、压力、振动传感器：双折射性应用优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。6.2波长调制型光纤传感器第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术波长调制技术主要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的。此类传感器多为非功能型传感器。在波长（颜色）调制探头中，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。波长调制技术第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术波长调制型光纤传感器利用外界物理量改变光纤中光波波长，通过检测光纤中光波波长的变化来测量各种物理量的光纤传感器，通常属于非功能型传感器。第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术波长调制原理如光纤PH值传感器、磷光、荧光光纤温度传感器、黑体辐射式光纤温度传感器、利用热色物质颜色变化的光纤温度传感器、光纤光栅传感器。其中光纤光栅是近几年发展最为迅速、最有代表性的光纤无源器件之一，是典型的光波长调制器件。第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术优点：对光纤或连接器等某些器件的稳定性不敏感缺点：解调技术较复杂。但采用光学滤波或双波长检测技术后，可使解调技术简化波长调制型光纤传感器第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术光纤pH值探测技术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.第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术光纤pH值探测技术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(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1010cLRk式中，c、k为常数；L为试剂长度,Δ＝pH-pK，其中pH是酸碱度,pK是酸碱平衡常数。第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术黑体辐射及维恩位移定律能够完全吸收投射其表面的辐射的物体称为黑体。实验情况中可用空腔代替之。黑体辐射实验研究成果至关重要，完美理论结论由planck给出。位移定律指出：，constTmkCC82.22第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术维恩位移定律最大辐射波长随向短波方向移动。T测得了最大辐射波长即可知晓温度，具体测量的是辐射通量密度。14uJuc第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术测量涡轮发动机叶片温度装置信号处理系统压缩机引入洁净空气防污降温用石英光纤以承受高温发动机叶片蓝宝石透镜：氧化铝晶体，熔点在2030oC,可在500oC，350压力下工作。2cmN第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术如果在发动机转子上再加装一个位置传感器，采用同步措施，则可测量任何一个指定叶片的温度。第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术史密斯公司产品性能指标精度：700－1100℃误差小于5°c响应时间：微秒级环境温度：光学头－60~＋550℃光纤－60~200℃端头~400℃探测器－60~200℃信号处理－60~125℃第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术波长调制型光纤光栅温度传感器原理图第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术彩色共焦测量范围与测量精度存在矛盾。可以测量位移，同时也可以测量透明物体厚度利用透镜的色差，将白光中各种不同谱线的单色光聚焦在不同面上，其中焦点处的单色光反射最大，最终通过光谱仪对反射回来的光进行光谱测量，从而实现对位移与透明物体厚度的测量。第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术彩色共焦第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术彩色共焦第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术彩色共焦6.3频率调制型光纤传感器第六章：其它类型光纤传感器技术光纤传感器技术频率调制原理利用外界作用改变光纤中光波频率，通过检测光纤中光波频率的变化来测量各