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1、第九章 现代光电检测技术,陈 翔 宇 Email DTel 13986267362QQ 552136081电子信息工程系 2007-5,主要内容,一、视觉检测技术 二、光纤测量技术 三、激光测量技术 * 四、衍射测量技术 *,光纤测量技术,1、什么是光纤? 2、光纤传输光的原理和主要特性？ 3、光纤有哪些主要的应用？ 4、光纤在测量方面有哪些主要的技术？其基本的操作原理是什么？,光纤的基本理论,光纤是光导纤维的简称；其传输特性由其结构和材料决定。,光纤的组成,(一) 光纤的分类,1. 按传输的模式数量：,单模光纤 只能传输一种模式的光纤,多模光纤 同时传输多种模式的光纤,单模：纤芯直径 2a
2、= 218 m纤芯包层折射率差小 (n1-n2)/n1 0.00050.01,多模：纤芯直径 2a = 50500 m纤芯包层折射率差大 (n1-n2)/n1 0.010.02,纤芯,包层,涂覆层,纤芯 -光主要被限制在该层内传输,包层-将光限制在纤芯中传输,涂覆层-保护作用,光纤的数值孔径（NA）：NA n0sin0 ,1 n2/n12,子午光线的传播-全反射原理,n0,n1,n2,子午面：通过光纤中心轴 的任何平面。,子午线：位于子午面内的光线。,子午光线的入射光线、反射光线和分界面的法线三者均在子午面内。,要使光能完全限制在光纤内传输，则应使光线在纤芯包层分界面上的入射角 大于或等于临界
3、角 0，即,或,sin 0 =,光纤的损耗,光纤的损耗,吸收损耗,散射损耗,杂质离子的吸收,过渡族离子金属,OH离子,本征吸收,紫外吸收,红外吸收,制作缺陷,本征散射及其他,折射率分布不均匀,芯涂层界面不理想,气泡、条纹、结石,瑞利散射,布里渊散射,喇曼散射,光纤损耗谱特性,第三传输窗口,第二传输窗口,第一传输窗口,1300,1550,850,紫外吸收,红外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,损耗(dB/km),波长(nm),损耗的外界因素,1、弯曲引起的光纤损耗光纤的宏弯损耗微弯引起的光纤损耗,2、光纤和光源的耦合损耗,3、多模光纤和多模光纤的耦合损耗,4、光纤种类不同对耦合损耗的影响光纤芯径不
4、同折射率不同,5、单模光纤和单模光纤直接耦合的损耗,光纤的色散,在光纤中传输的光脉冲，受到由光纤的折射率分布、光纤材料的色散特性、光纤中的模式分布以及光源的光谱宽度等因素决定的“延迟畸变”，使光脉冲波形在通过光纤后发生展宽。,1) 多模色散,2) 波导色散,3) 材料色散,4) 偏振模色散,发生于多模光纤中由于各模式之间群速度不同而产生的色散， 即各模式以不同时刻到达光纤出射端而使脉冲展宽。,由于某一传播模的群速度对于光的频率（或波长）不是常数， 同时光源的谱线又有一定的宽度，因而产生波导色散。,由于光纤材料的折射率随入射光频率变化而产生的色散。,一般的单模光纤中都同时存在两个正交模式。若光纤
5、的结 构为完全的轴对称，则这两个正交偏振模在光纤中的传播 速度相同，即有相同的群延迟，故无色散。实际的光纤必 然会有一些轴的不对称，因而两正交模有不同的群延迟， 这种现象称之为偏振模色散。,光纤的主要应用,1、光传输介质 2、光纤激光器 3、光放大器、滤波器、偏振控制器等 4、光纤测量器件1) 光纤传感器2) 光纤干涉仪3) 光纤光栅 *,光纤测量技术-光纤传感器,光纤传感器的特点光纤传感器有以下三大特点，因而得到广泛的应用。(1) 光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗小。(2) 光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。(3) 光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接
6、触 式、非破坏性以及远距离测量。,光纤测量技术-光纤传感器,1、按光纤功能传光型 传感型2、按调制原理 强度调制相位调制偏振态调制频率调制,光纤测量技术-光纤传感器,温度传感器 位置传感器 流量传感器 应变传感器 磁场传感器 电流传感器 电压传感器 压力传感器 核辐射传感器，等等,3、按测量对象来分类,光纤测量技术-光纤传感器,光源,探测器,敏感元件,光纤,光纤,外界因素使通过敏感元件的光波的振幅、相位、偏振态等参量发生变化,传光型光纤传感器利用敏感元件或材料将被测量变成带有信息的光信号，通过光纤传输；光纤仅起传输光的作用。,光纤测量技术-光纤传感器,传感型光纤传感器外界物理量作用于光纤，改变
7、了光纤的传输参数或改变了通过光纤的光波，光纤同时完成了传感和传光两种功能。,光源,探测器,入射光波的特征参量： 振幅、相位、偏振态、波长等,外界物理因素：温度、压力、 电场、磁场、电流,光纤,光纤测量技术-光纤传感器,光纤传感器的调制器原理光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应，实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能。光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制。研究光纤传感器的调制器，就是研究光在调制区与外界被测参数的相互作用。外界信号可能引起光的某些特性(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态等调制。下面将分别介绍几种常用的调制原理。,强度调
8、制型光纤传感器,利用外界因素引起的光纤中光强的变化来探测物理量的光纤传感器。可以利用各种对光强的调制方式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、辐射等来调制入射光，从而形成相应的调制器。,其特点是技术简单可靠、价格低廉。可采用多模光纤，光纤的连接器和耦合器均已商品化。采用LED和白炽灯等非相干光源，探测器一般用光电二极管、三极管和光电池等。,强度调制型光纤传感器,利用外界因素引起的光纤中光强的变化来探测物理量的光纤传感器。 改变光纤中光强的办法：改变光纤的微弯状态、改变光纤的耦合条件、 改变光纤对光波的吸收条件、改变光纤中折射率分布。,变型器,光纤微弯传感器,变形器一般采用有机合成材料（
9、如尼龙、有机玻璃等）制成。 一根光纤从一对变形器之间通过，当变形器的活动部分受到外力的作用时，光纤将发生周期性微弯曲，引起传播光的散射损耗,强度调制型光纤传感器,透射型光强调制,（a）径（横）向位移；（b）轴向位移；（c）遮挡光闸位移；（d）响应曲线,强度调制型光纤传感器,受抑全反射光强调制,（a）结构；（b）光纤空隙（m）,强度调制型光纤传感器,反射机制光强调制原理,强度调制型光纤传感器,微弯光强调制机制,强度调制型光纤传感器,光弹效应在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力的材料将会使光产生双折射现象，其折射率的变化与应力材关，这种现象称为光弹效应。由光弹效应产生的偏振光的相位变化为：式
10、中： K 物质光弹性常数； P 施加在物体上的压强；L 光波通过材料的长度。此时出射光强为：,利用物质的光弹效应可以构成压力、振动、位移等光纤传感器。,相位调制型光纤传感器,利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量的传感器。主要特点： （1）、灵敏度高；（2）、灵活多样；（3）、对象广泛；（4）、特殊需要的光纤。,光纤干涉仪,Mach-Zehnder Michelson Sagnac,偏振态调制型光纤传感器,外界因素使光纤中光波模式的偏振态发生变化，并对其加以检测的光纤传感器。基本原理是根据光纤材料的 Faraday 效应：光波在处于磁场中的光纤内传播时偏振光发生偏振面的旋转，其旋
11、转角度于磁场强度、磁场中光纤的长度成正比。, VHL,V：Verdet 常数,频率调制型光纤传感器,光纤光栅传感器,通过外界参量对布拉格中心波长的调制来获取传感信息,利用外界作用改变光纤中光的波长或频率，通过检测光纤中光的波长或频率的变化来测量各种物理量,这两种调制方式分别称为波长调制和频率调制。波长调制技术比强度调制技术用得少，其原因是解调技术比较复杂。,频率调制型光纤传感器,f0 +f 或 f 0-f（视流向而定），向后散射光与光纤端面反射光（参考光）,设激光光源频率为 f 0 ，经半反射镜和聚焦透镜进入光纤射入到被测物流体，当流体以速度 运动时，根据多普勒效应，其向后散射光的频率为,经聚
12、焦透镜和半反射镜，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 f0 与向后散射光 f 0 +f 或 f0-f 的差拍的拍频f ，由此可知流体的的流速。,频率调制技术目前主要利用多普勒效应来实现光纤常采用传光型光纤,光纤图像传感器,光纤图像传感器是靠光纤传像束实现图像传输的。传像束由光纤按阵列排列而成，一根传像束一般由数万到几十万条直径为l020m 的光纤组成，每条光纤传送一个像素信息。用传像束可对图像进行传递、分解、合成和修正。传像束式的光纤图像传感器在医疗、工业、军事部门有着广泛的应用。,在工业生产的某些过程中，经常需要检查某些系统内部结构状况，而这些系统由于种种原因不能打开或靠近
13、观察，采用光纤图像传感器可解决这一难题。将探头事先放入系统内部，通过光纤传像束的传输可以在系统外部。,该传感器主要由物镜、传像束、传光束、目镜或图像显示器组成。光源发出的光通过传光束照射到待观测物体上，再由物镜对待观测物体成像，经传像束把待观测物体的各个像素传送到目镜或图像显示设备上，观察者便可对该图像进行分析处理。, 工业用内窥镜,光纤图像传感器, 医用内窥镜,医用内窥镜由末端的物镜、光纤图像导管（传像束）、顶端的目镜和控制手柄组成。照明光是通过图像导管外层光纤照射到被观察物体上，反射光通过传像束输出。由于光纤柔软、自由度大，末端通过手柄控制能偏转，传输图像失真小，因此，它是检查和诊断人体内
14、各部位疾病和进行某些外科手术的重要仪器。,光纤测量技术-光纤传感器,光纤传感技术发展趋势,1、商品化 2、集成化和全光纤化 3、网络化 4、特殊光纤 5、新型传感机理和方案,光纤测量技术-光纤干涉仪,Mach-Zehnder 光纤干涉仪,PZT,3dB耦合器,3dB耦合器,L,L + L,1,2,4,3,MZ 的传输特性:,T1-3 = cos2/2 ，,T1-4 = sin2/2 ，,若有两个频率分别为 f1 和 f2 的光波从 1 端输入，且 f1 和 f2 分别满足：,1 2,2 2, 2m, 2m 1/2,m 1, 2, 3, ,则有：,T1-3 1， T1-4 0 f f1,T1-3
15、 0， T1-4 1 f f2,频率间隔：,fc ,2nL,C, (12)/(2nL),或：,FabryPerot 光纤干涉仪,PZT,光纤,PZT,光纤,光纤,PZT,光纤,光纤,光纤 FP 腔,(a),(b),(c),光纤波导腔 FFPF光纤两端面直接镀高反射膜，腔长一般为厘米到米量级，因此自由谱区小。,空气隙腔 FFPF腔长一般小于 10 m，因此自由谱区较大。插入损耗也比较大。,改进型波导腔 FFPT可通过中间光纤波导段的长度来调整其自由谱区，其光纤长度一般为 100 m 到 几厘米。,光纤温度测量技术,光纤压力测量技术,光纤电流测量技术,关于双折射现象的说明, 一束光在各向同性介质（
16、如玻璃）的表面所产生的折射光只有一束，这是一般的常识。然而，对于光学性质随方向而异的一些晶体（各向异性介质），一束入射光常有被分解为两束的现象，这就是双折射现象。这种现象不是因为不同频率的光在介质中的折射率不同而产生的，而是由于各向异性介质的折射率对不同入射角的光不是常数而产生的。通过各向异性介质折射的光，若对于任意的入射角，其入射角的正弦与折射角的正弦值比为一常数（即通常所说的折射率）时，这种光称为寻常光，简称为o光；若其入射角的 正弦与折射角的正 弦值比随入射角的 不同而变化时，这 种光称为非寻常光， 简称为e光。o光和e光都是线偏振光，但光矢量（电矢量）等振动方向不同。o光的电矢量垂直于自己的主平面，而e光的电矢量则在自己的主平面内振动，如上图所示。在光弹效应和普克尔效应中所说的相位变化，实际上是指这两种光的相位差。,
