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1、2017/12/26,8.3 频率调制型光纤传感器 外调制：多普勒效应，光纤仅用来传光。 内调制：(光纤的非线性)受激布里渊散射、喇 曼散射等 1、光学多普勒概念,2017/12/26,图36 多普勒频移原理图,2017/12/26,2、光纤多普勒技术 根据上述多普勒频移原理，采用激光作为光源的测量技术是研究流体流动的有效手段，并获得了广泛应用。图37所示是一个典型的激光多普勒光纤测速系统。测量系统中从目标返回的信号强弱取决于后向散射光的强度，流体介质内部的损耗，光纤接受面积和数值孔径。,图37 多普勒管线测速系统,2017/12/26,图38 发射光纤出射光锥示意图,2017/12/26,2
2、017/12/26,实验证明，光纤多普勒探头是检测透明介质中散射物体运动的非常灵敏的探测器。但是由于它的结构特性决定它的能量有限，只能穿透几个毫米以内的深度，所以这种装置只适合于微小流量范围的介质流动的测量。光纤多普勒探头典型的应用在医学上对血液流动的测量，如图38所示。,图38 光纤多普勒探头测血液流动,2017/12/26,8.4 波长调制型光纤传感器 波长调制同频率调制一样，可分为外调制和由光纤非线性导致的内调制。 1、光纤颜色探测 利用光频谱特性作为传感探头可以测量温度。图39所示为一种利用黑体辐射效应的光纤颜色探头结构,图39 光纤颜色探头结构,2017/12/26,该结构不需外加光
3、源而是简单的由探头尖端（黑体腔）收集黑体的光谱辐射，然后通过光纤把这种宽频带的辐射传送分光仪获滤光片，根据维恩位移定律：通过双波长或单波长检测就能测出黑体的黑体温度。据此制成光测高温仪，运用在250-650的温度范围。图40显示，温度升高，峰值波长将兰移。,图40 不同温度下r0-的实验曲线,Stefan-Boltzman定律：R=T4其中为5.67010-8W/m2K4,2017/12/26,2、光纤法布里-珀罗滤光技术 假设有一束平行光以角斜入射到法布里-珀罗标准具上，则当波长0 =0(m)时，透射光或反射光的强度得极大值。其中， 式中d是标准具厚度，n是标准具平行板内的介质折射率，是反射
4、光的相位跃变。 图41所示是一光谱调制传感器，被测物理量发生变化，或会随之变化，从而引起反射峰值波长移动。,图41光谱调制传感器,探测阵列检测不同波长的光强度,2017/12/26,白光干涉型光纤传感器全光纤的白光干涉型传感器由两个光纤干涉仪组成，其中一个用作传感头（图中F-P干涉仪）放在被测量点，同时作为第二个干涉仪的传感臂；第二个干涉仪（图中迈氏干涉仪）的另一臂做为参考臂，放在远离现场的控制室，提供补偿。,图26 白光干涉型光纤传感器,2017/12/26,3、光纤pH探测技术 这种技术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值的。据此可制成光纤pH探头。图42是该探头的典型结
5、构，其内盛有用指示剂 染色的聚丙酸酯小球 。用指示剂（如红酚）将小球染色，其透明度在红色区域对pH值非常敏感，在绿色区域却与pH值无关。白光导入，该探头可用于测量血液的pH值，pH在77.4范围内仪器具有0.01的分辨率。,图42 光纤pH探头结构,2017/12/26,8.5 偏振态调制 利用外界因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏振态的变化 来检测各种物理量，称为偏振态调制。 1、法拉第效应 法拉第磁光效应表明，偏振光的光矢量在磁场作用下发生旋转的角度与在物质中通过的距离L，磁感应强度B成正比，即 式中， 为物质的费尔德常数。 根据上式，可以制成光纤磁传感器。,2017/12/26,如果线
6、偏振光的矢量入射时沿旋光物质的水平方向，利用琼斯矢量表示法，单位振幅的水平偏振入射光波可以表示为：式中： 为左旋圆偏振光的琼斯表达式； 为右旋圆偏振光的琼斯表达式； 由于左旋和右旋圆偏振光在旋光物质中传播速度不同，因而折射率不同，它们的波数分别为：,2017/12/26,2017/12/26,图43 光纤电流传感器,2017/12/26,2、克尔电光效应 -二阶电光效应,图44 光纤电压计原理图,2017/12/26,2017/12/26,3、光弹效应 应力双折射,图45 光弹效应原理图,2017/12/26,4、双折射对光纤传感器的影响 光纤本身的双折射由于内部残余应力和纤芯不对称性以及外部
7、弯曲、各种外应力和外电磁场的原因而客观存在，对偏振态调制的影响很大。输入、输出光矢量的数学描述如下：,2017/12/26,2017/12/26,图46 纵向磁场对光纤的作用,2017/12/26,在光纤的中心部分受一纵向磁场的作用如图46示。 为了克服光纤自身双折射的影响，需采用超低双折射光纤，使固有双折射的影响减到最小。,2017/12/26,8.6 特种光纤简介 本节主要讨论一些特种光纤，如红外光纤、紫外光纤、增敏和去敏光纤、镀金属光纤以及塑料光纤等，最后说明一下光纤传感器在智能结构和材料中应用。 1、红外光纤 红外光纤主要是指用于近红外和中红外波段传输光能量，尤其是传输大功率光能量的光
8、纤。红外光纤的分类: 玻璃红外光纤 晶体红外光纤 空芯红外光纤,存在制造上的困难:材料和工艺,2017/12/26,制造红外光纤的材料的要求: 散射损耗小 材料色散小 杂质(过渡族金属和OH基)的吸收损耗小 材料结构稳定制造红外光纤的材料:红外玻璃 氧化物玻璃: TeO-ZnO-BaO GeO-SbO 硫化物玻璃: As-S Ge-Se Ge-Se-Te多晶材料 重金属卤化物: CsBr KCl 单晶材料 AgBr CsI,2017/12/26,2、紫外光纤 随着即光医疗技术以及紫外激光器的发展，对于传输紫外光的光纤，要求愈来愈迫切。一般光纤对紫外光的透过性能都很差。 石英光纤在紫外波段的透过
9、率高 ；塑料光纤（如PMMA）对250295nm波段的紫外光，透过率可达75% 。另外，蓝宝石晶体光纤和液芯光纤对紫外光的透过性能良好。,2017/12/26,3、增敏和去敏光纤 对光纤做增敏和去敏处理，其方法有两种： 改变光纤结构 如保偏光纤、镀金属光纤、液芯光纤、单晶光纤等 改变材料成分 如磁敏光纤、辐射敏光纤、荧光光纤等耐辐射光纤采用耐辐射玻璃材料作光纤的芯和涂层材料，对辐射去敏的光纤。而一般玻璃光纤因玻璃在核辐射下会因染色而不透光，不能在大剂量辐射环境下工作。,2017/12/26,辐射敏光纤对辐射更敏感的的光纤，具有快速反应和增加空间分辨率的能力。用磷光体、塑料和玻璃等发光材料可以制
10、成用于探测 X射线、高能粒子的光学纤维。磁敏光纤有较高的Verdet常数，比普通石英光纤高出一个数量级，因此，电流传感以及全光纤光隔离器中有广泛应用前景。目前我国已研制成掺Tb（稀土元素）的磁敏光纤。磁敏光纤的主要问题是损耗大。,2017/12/26,4、镀金属光纤 镀金属光纤是外保护层为金属膜的特种光纤。 金属膜的厚度一般为微米量级。镀金属光纤的主要用途是改善起增敏和去敏性能，以满足不同的使用要求，尤其是高性能的光纤传感器的要求。 镀铝光纤只能用于400以下的环境，镀金光纤则可以用于高于800 高温环境。,2017/12/26,5、光纤传感器用于智能材料 光纤传感器具有体积小、损耗低、灵敏度
11、高、抗电、磁干扰、电绝缘性好等的优点，可同时作为传感元件的传输媒介，并实现多点或分布式传感，因而是最适用于智能结构的传感技术。目前用于智能结构的光纤传感器有以下几种。点式传感器 特点是传感头尺寸小，只局限于检测一个很小截面内的某一参两的值。光纤Fabry-Perot传感器、光纤Bragg光栅传感器。,2017/12/26,积分式传感器 可用于测量一定范围内某一参量的平均值。如光纤干涉仪（Mach-Zehnder干涉仪 、Michelson干涉仪等）可用于测量光纤长度范围内应变或温度。分布式传感器 可沿空间位置连续给出某一参量测量值 ,可给出大空间范围内某一沿构件空间位置的连续分布值。其主要特征参量是空间分辨率和灵敏度。,2017/12/26,光纤传感器的复用 由多个点式传感器和（或）多个积分式传感器，和（或）多个分布式传感器构成一个复杂的传感系统，即为复用传感器或传感器的复用。由于传感器的复用，诸多传感探头可以共用一个或几个光源、光探测器和二次仪表。这样，不仅简化了传感系统，提高了可靠性，而且降低了成本。,2017/12/26,8.7光纤传感技术的发展趋势 商品化 集成化和全光纤化 网络化 特殊光纤 新型传感机理和方案,
