第9章光导纤维与光纤传感器

第9章光导纤维与光纤传感器 1.光导纤维基础知识 2.光导纤维的应用 3.光纤传感器的分类及构成 4.功能型光纤传感器 5.非功能型光纤传感器光导纤维(OpticalFiber)是20世纪后半叶人类的重要发明之一。它与激光器、半导体光电探测器一起构成了新的光电技术，即光电子学领域。光纤的最初研究是为了通讯，光纤传感器是伴随着光纤通讯和光电技术而发展起来N一种新型传感器。光纤传感器具有灵敏度高、响应速度快、动态范围大、防电磁干扰、超高电绝缘、防燃、防爆、体积小、耐腐蚀、材料资源丰富、成本低等优点。目前，发达国家正投人大量人力、物力、财力对光纤传感器进行研制与开发。光纤传感器的缺点是有的系统比较复杂。光纤传感器的应用与光电技术密切相关，因而光纤传感器也成为光电检测技术的重要组成部分。9．1光导纤维基础知识9．1．1光纤的结构光纤由纤芯、包层及外套组成，如图9−1所示。纤芯是由玻璃、石英或塑料等制成的圆柱体，一般直径约为5~150μm。围绕着纤芯的那一层叫包层，材料也是玻璃或塑料等。纤芯的折射率nl稍大于包层的折射率n2。由于纤芯和包层构成了一个同心圆双层结构，所以光纤具有使光束封闭在纤芯里面传输的功能。外套起保护光纤的作用，它的折射率n3大于包层的折射率n2。通常人们把较长的或多股的光纤称为光缆。9．1．2光纤的种类根据折射率的变化规律，光纤被分为阶跃型和梯度型两种。阶跃型光纤如图9−2(a)所示。纤芯的折射率n1分布均匀，固定不变；包层内的折射率n2分布也大体均匀，但纤芯到包层的折射率变化呈台阶状。在纤芯内，中心光线沿光纤轴线传播，通过轴线的子午光线(光线永远在通过轴线的一个平面运动，这种光线称为子午光线)呈锯齿形轨迹。梯度型光纤纤芯内的折射率不是常数，从中心轴线开始沿径向大致按抛物线规律变化，中心轴线处折射率最大，因此光在传播中会自动地从折射率小的界面处向中心会聚。光线传播的轨迹类似正弦曲线。这种光纤又称为自聚焦光纤。图9−2(b)示出了经过轴线的子午光线传播的轨迹。9．1．3光纤的传输模式在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的和沿半径方向传播的平面波。沿半径方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上将产生反射。如果此波在一个往复(入射和反射)过程中相位变化为2π的整数倍，就会形成驻波。只有能形成驻波的那些以特定角度射人光纤的光波才能在光纤内传播，这些光波就称为模。在光纤内只能传输一定数量的模。通常，纤芯直径较粗(几十微米以上)时，能传播几百个以上的模，而纤芯很细(5～10μm)时，只能传播一个模。前者称为多模光纤，后者称为单模光纤。根据光纤的传输模式，把光纤分为多模光纤和单模光纤两类。阶跃型和梯度型为多模光纤，而图9−2(c)所示为单模光纤。9．1．4光纤的传光原理当光线以较小的入射角φ1(φ<φc，φc为临界角)由光密媒质(折射率为n1)射入光疏媒质(折射率为n2)时，如图9−3(a)所示，折射角φ2满足斯乃尔(Snell)法则，即nlsinφ1=n2sinφ2(9−1)若逐渐加大入射角φ1，当φ1=φc，折射角φ2=90°，如图9−3(b)所示。此时有(9−2)则临界角φc可由式(9−2)决定。若继续加大入射角φ1(即φ1>φc)，光不再产生折射，而只有在光密媒质中的反射，即形成了光的全反射现象，如图9−3(c)所示。下面以阶跃型多模光纤为例，来说明光纤的传光原理。当光线从空气(折射率为n0)中射人光纤的一个端面，并与其轴线的夹角为θ0时，在光纤内折射成θ1，然后以φ1(φ1=90°−θ1)入射到纤芯与包层的交界面上，如图9−4(a)所示。若入射角φ1大于临界角φc，则人射的光线就能在交界面上产生全反射，并在光纤内部以同样的角度反复全反射向前传播，直至从光纤的另一端射出。若光纤两端同处于空气之中，则出射角也将为θ0。�EMBEDPBrush���_1217665741.unknown从空气中射人光纤的光并不一定都能在光纤中产生全反射。图9−4(a)中的虚线表示入射角θ0过大，光线不能满足(即φ1<φc)，大部分光线将穿透包层而逸出，这叫漏光。即使有少量光反射回纤芯内部，但经过多次这样的反射后，能量几乎耗尽，以致基本没有光通过光纤传播出去。能产生全反射的最大入射角可以通过斯乃尔法则及临界角定义求得。即(9−3)于是，引入光纤的数值孔径NA这个概念，光纤的数值孔径NA表示为(9−4)式中，n0光纤周围媒质的折射率。对于空气，n0=1。数值孔径NA是光纤的一个基本参数，它决定了能被传播的光束的半孔径角的最大值θc，反映了光纤的集光能力。当NA=1时，集光能力达到最大。从式(9−4)可以看出，纤芯与包层的折射率差值越大，数值孔径就越大，光纤的集光能力就越强。石英光纤的NA=0.2～0.4。9．1．5光纤的传输特性表征光信号通过光纤时的特性参数有以下几个。1．传输损耗上面在讨论光纤的传光原理时，忽略了光在传播过程中的各种损耗。实际上，入射到光纤中的光，由于存在着费涅耳反射损耗、吸收损耗、全反射损耗及弯曲损耗等，其中一部分在途中就损失了。因此，光纤不可能百分之百地将入射光的能量传播出去。_1217666055.unknown_1217666147.unknown当光纤长度为L，输人与输出的光功率分别为Pi和P0时，光纤的损耗系数α可以表示为光纤损耗可归结为吸收损耗和散射损耗两类。物质的吸收作用将使传输的光能变成热能，造成光能的损失。光纤对于不同波长光的吸收率不同，石英光纤材料SiO2对光的吸收发生在波长0.16μm附近和8～12μm的范围。散射损耗是由于光纤的材料及其不均匀性或其几何尺寸的缺陷引起的。如瑞利散射就是由于材料的缺陷引起折射率随机性变化所致。光纤的弯曲也会造成散射损耗。这是由于光纤边界条件的变化，使光在光纤中无法进行全反射传输所致。光纤的弯曲半径越小，造成的散射损耗越大。2．色散所谓光纤的色散就是输入脉冲在光纤内的传输过程中，由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。光纤色散使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽，光纤色散有以下几种。(1)材料色散。材料的折射率随光波长λ的变化而变化，使光信号中各波长分量的光的群速度vg不同，因此而引起的色散称为材料色散(又称为折射率色散)。(2)波导色散。由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数β随着信号角频率ω变化而引起的色散，称为波导色散(有时也称为结构色散)。(3)多模色散。在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率ω下的传播常数不同、群速度不同，因此而产生的色散称为多模色散。多模色散是阶跃型多模光纤中脉冲展宽的主要根源，多模色散在梯度型光纤中大为减少，因为在这种光纤中不同模式的传播时间几乎彼此相等。在单模光纤中起主要作用的是材料色散和波导色散。采用单色光源(如激光器)，可有效地减小材料色散的影响。_1217666285.unknown3．容量输入光纤的可能是强度连续变化的光束，也可能是一组光脉冲，由于存在光纤色散现象，会使脉冲展宽，造成信号畸变，从而限制了光纤的信息容量和品质。光脉冲的展宽程度可以用延迟时间来反映，设光源的中心频率为f0，带宽为Δf，某一模式光的传播常数为β，则总的延迟增量Δτ为式中，c为真空中的光速。4．抗拉强度可以弯曲是光纤的突出优点。光纤的弯曲性与光纤的抗拉强度的大小有关系。抗拉强度大的光纤，不仅强度高，可挠性也好；同时，其环境适应性能也强。光纤的抗拉强度取决于材料的纯度、分子结构状态、光纤的粗细及缺陷等因素。_1217666799.unknown_1217666820.unknown_1217666516.unknown5．集光本领光纤的集光本领与数值孔径有密切的关系。如图9−5所示，光纤的数值孔径NA定义为当光从空气中入射到光纤端面时的光锥半角的正弦，即NA=sinθc光锥的大小是使此角锥内所有方位的光线一旦进入光纤，就被截留在纤芯中，沿着光纤传播。对于阶跃型光纤，其数值孔径可表示为当光信号从空气中射人光纤时，数值孔径可表示为(9−5)数值孔径只决定于光纤的折射率，与光纤的尺寸无关。因此，光纤就可以做得很细，使之柔软可以弯曲，这是一般光学系统无法做到的。当光纤的数值孔径最大时，光纤的集光本领也最强。_1217667022.unknown_1217667023.unknown9．1．6光纤的耦合光纤的耦合分为强耦合和弱耦合两种。光纤强耦合是光纤纤芯间形成直通，传输模直接进入耦合臂。光纤弱耦合是通过光纤的弯曲，或使其耦合处成锥状。于是，纤芯中的部分传导模变为包层模，再由包层进入耦合臂中的纤芯，形成传导模。常用的耦合器有以下3种结构形式。(1)把每根光纤埋人玻璃块的弧形槽中，将其侧面研磨抛光，使光纤耦合处的包层厚度达到一定的要求，然后将两根光纤拼接在一起，如图9−6(a)所示。(2)将两根光纤稍加扭绞，用微火炬对耦合部位进行加热，在熔融过程中拉伸光纤，最后拉细成型，如图9−6(b)所示。此时，在两根光纤的耦合部位形成双锥区，两根光纤包层合并在一起，纤芯变细，形成了一个新的合成光波通路，从而构成弱耦合。(3)将光纤的局部外套去掉，腐蚀掉光纤耦合部位的大部分包层，并将两根光纤的纤芯紧紧接触在一起，然后进行加固。如图9−7所示，还可通过控制扭力或张力，调节光纤间距，以达到调节光纤耦合强弱的目的。9．2光导纤维的应用光导纤维除了应用于光通信、制作传感器外，还可以应用于导光和传像。9．2．1光纤在直接导光方面的应用利用光纤柔软可弯曲的特点，可按需要制成各种导光器。1．光纤照明器光纤照明器可以实现不同形状的照明或多路照明。图9−8所示是线状照明的例子，光源发出的光经透镜进入圆形光纤束的一端，另一端排成所需的形状输出光束。光纤输出端可以排成圆形、方形或三角形等多种形状，实现所需形状的光输出。图9−9所示是多路照明的例子，光源所发出的光会聚进入光纤束的一端，另一端按需要由多束光纤输出，分别照明所需照明的位置。在检测技术中光纤照明器常制成叉型，又叫Y形光纤耦合器，如图9−10所示。合成一端作为探头，探测待测信息；两支分束光纤一支接受光源的光，另一支输出返回探头的光，从而使光电探测器获得所需的光信息。待测信息可以是孔或平面的粗糙度、位置、尺寸、变形、压力等。这些信息按性质不同反应为光的强弱、光谱的变化或角分布变化等。Y形光纤耦合器可用不同的方式合成。一种是将两束光纤均匀混合排列；另一种是各占一半；第三种是中间是发射光纤束，周围是接收光纤束或两柱形光纤束并联。2．光纤束行扫描器利用直线一圆环光纤转换器和Z型导光管可以对移动目标实现图像信号的采集，如图9−11所示。条状光源照明移动的带状待测物的一行，线状排列的光纤将光源所照明的那一行物体的信息采入，并传递到光纤圆环上。Z型导光管以输出光轴为旋转轴扫描圆环，将圆环光纤输出信息按时序由聚光镜会聚于光电探测器上。光电探测器输出的时序信号就是对待测物的扫描信号。3．光纤直接导光的其他应用光纤直接导光的例子很多，例如对于多种光的合成，利用光纤比利用光学系统方便得多。又如激光手术刀就是利用光纤束传输激光，使激光能量以高入射功率密度(1～10W)聚焦在人体某部分组织表面上，辐射能为人体组织吸收、升温，最后气化而切除。激光加工、加热及海底供能等，采用光纤束传输能量是最佳的。9．2．2光纤制品在传像方面的应用完成传像功能的光纤制品主要是光纤传像束和硬性光纤器件(光纤面板、扭像器和光纤锥等)。�EMBEDPBrush���1．各种内窥镜利用光纤传像束可弯曲的特点，可制成各种内窥镜，以实现对用一般光学方法难以观察到的地方进行窥视。目前内窥镜在医疗及工业工程中得到了广泛而又满意的应用。用医用内窥镜可以检查食道、胃、直肠、支气管、心脏、血液、骨关节、鼻咽和腹腔等部位。医用光纤内窥镜主要由光源及传光部分、成像部分、传像部分和观察记录部分组成。高强度光源，如150W的卤素灯或氙灯发出的光通量，经光纤传光束传至内窥镜的头部，照明欲测部位，待测物由物镜成像在光纤传像束的输入端面上，经传像束将待测物的像传至体外，供观察、照相或录像。2．光纤图像换向器在许多工作场合需要对多处目标进行切换观察，这可采用光纤图像换向系统来实现。如图9−12所示。它由目标图像采集系统、图像切换系统，以及观察和记录系统等组成。欲对n个目标进行切换观察，则用n套目标图像采集系统，它们各有物镜L将目标像成在光纤传像束E的输入端面上，经传像束传到输出端面处，再通过转像镜R将输出端面的图像再次成像，待切换观察。图像切换系统由转旋棱镜P及有关机构组成。棱镜P按要求转动，使待观察的目标像引入棱镜后或转到观察系统B供人眼观看，或转到记录器A记录图像。只需转动棱镜P就可对n个目标进行依次观察或选择观察。3．光学纤维面板(光纤面板)光学纤维面板是用多根单光纤或复合光纤经热压而制成的真空气密性良好的光纤棒，然后按需要进行切片、抛光而成的一种光纤器件，它是一种面板厚度远小于面板直径的板状传像元件，其形状各式各样，如图9−13所示。为了正确传递图像，光纤间必须相关排列，由棒中切出的每块面板的输入与输出端面空间阵列相对应。光学面板具有传光效率高，级间耦合损失小，传像清晰、真实，在光学上具有零厚度等特点。在真空光电器件和真空摄像器件中，光纤面板主要是用来充当输入窗口、输出窗口或管内传像器件。例如，在第一代像增强器中，它是作为几支单级像增强器(如三支)之间的级间耦合元件。采用光纤面板作为单管的输入和输出窗，使级间直接耦合，将极大地提高光能的利用率；同时，光纤面板还可校正电子光学系统产生的场曲。光纤面板平像场器是光纤面板的又一应用，在摄影特别是在广角摄影中，要求物镜不产生畸变和场曲，有时很难做到。而利用光纤面板制成校正元件，同时可以校正畸变和场曲。图9−14是一个用来消除场曲的光纤面板平像场器。凹面为输入端，其曲面与物镜像场形状一致。平面为平像场器的输出端。同类光纤器件还有光纤扭像器和光纤光锥。光纤扭像器是将图像旋转180°后输出，使倒像转为正像，也称光纤倒像器，如图9−15所示。光纤倒像器目前主要用来带起微光夜视仪中的中继透镜系统，也被广泛应用于需要倒像的装置中。光纤光锥简称光锥，如图9−16所示。它可使图像放大或缩小，常作为图像耦合器件使用。光锥广泛应用于耦合、像增强器耦合，以及电视成像和先进的光电成像应用方面。9．3光纤传感器的分类及构成9．3．1光纤传感器的分类光纤传感器种类繁多，可以称为万能传感器。目前已证明可作为加速度、角加速度、速度、角速度、位移、角位移、压力、弯曲、应变、转矩、温度、电压、电流、液位、流量，流速、浓度、pH值、磁场、声强、光强、射线等70多个物理量的传感器。但是目前实际应用的还很少，因此是一个发展潜力极大的领域。按照光纤在检测系统中所起的作用分类，光纤传感器可分为功能型传感器，即光纤本身既是传输介质又是传感器，以及非功能型传感器，即光纤只是信息传输介质，而传感器要采用其他元件来进行光电转换。1．功能型光纤传感器功能型光纤传感器如图9−17(a)所示。这种类型主要使用单模光纤。光纤不仅起传光作用，同时又是敏感元件，即光纤本身同时具有传、感两种功能。功能型光纤传感器是利用光纤本身的传输特性受被测物理量的作用而发生变化，使光纤中波导光的属性(光强、相位、偏振态、波长等)被调制这一特点而构成的一类传感器，其中有光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型等几种。其典型例子有：利用光纤在高电场下的泡克耳效应的光纤电压传感器，利用光纤法拉第效应的光纤电流传感器，利用光纤微弯效应的光纤位移(压力)传感器等。功能型传感器的优点是，由于光纤本身是敏感元件，因此加长光纤的长度，可以得到很高的灵敏度。尤其是利用各种干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器，具有极高的灵敏度。这类传感器的缺点是，技术难度大，结构复杂，调整较困难。2．非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器是在光纤的端面或在两根光纤中问放置机械式或光学式的敏感元件来感受被测物理量的变化，从而使透射光或反射光强度随之发生变化。在这种情况下，光纤只是作为光的传输回路，如图9−17(b)、图9−17(c)所示。为了得到较大的受光量和传输的光功率。使用的光纤主要是数值孔径和芯径大的阶跃型多模光纤。这类光纤传感器的特点是结构简单、可靠，技术上易实现，但其灵敏度、测量精度一般低于功能型光纤传感器。在非功能型光纤传感器中，也有并不需要外加敏感元件的情况，光纤把测量对象所辐射、反射的光信号传输到光电元件(如图9−17(d)所示)。这种光纤传感器也叫探针型光纤传感器。典型的例子有光纤激光多普勒速度传感器、光纤辐射温度传感器和光纤液位传感器等，其特点是非接触式测量，而且具有较高的精度。9．3．2光纤传感器的基本构成光纤传感器的基本组成除光纤以外，还有光源和光电元件。1．光源在实际应用中，人们希望能研制出一种适合于各种系统的光源。激光二极管(LD)和发光二极管(LED)的发射波段分别是0.8～0.9μm和0.3～1.1μm，在这一波段石英光纤的损耗最小。特别是激光二极管具有亮度高、易于进行上吉赫兹的直接调制、尺寸小等优点，一直受到人们的注意。除了上述光源外，还可采用白炽灯等作光源。一般选择光源时，根据系统的用途和所用光纤的类型，对光源还要提出功率和调制的要求。2．光电元件光纤传感器常用如下4种光电元件作探测器：普通光电二极管、雪崩光电二极管、肖特基光电二极管、光电晶体管，有时也用电荷耦合器件、光电导体和光电倍增管等。9．3．3光纤传感器的优点与其他电量传感器相比较，光纤传感器有许多优点。①光纤传感器的电绝缘性能好，表面耐压可达4kV／cm，且不受周围电磁场的干扰。②光纤传感器的几何形状适应性强。由于光纤所具有的柔性，使用及放置均较为方便。③光纤传感器的传输频带宽，带宽与距离之积可达30MHz·km～10GHz·km之多。④光纤传感器无可动部分、无电源，可视为无源系统，因此使用安全，特别是在易燃易爆的场合更为适用。⑤光纤传感器通常既是信息探测器件，又是信息传递器件。⑥光纤传感器的材料决定了它有强的耐水性和强的抗腐蚀性。⑦由于光纤传感器体积小，因此对测量场的分布特性影响较小。⑧光纤传感器的最大优点在于它们探测信息的灵敏度很高。9．4功能型光纤传感器9．4．1相位调制型光纤传感器1．相位调制的原理波长为λ的相干光在光纤中传播时，光波的相位角与光纤的长度L、纤芯折射率n1和纤芯直径d有关。光纤受到物理量的作用时，这3个参数就会发生不同程度的变化，从而引起光的相位角的变化。一般说来，光纤纤心直径引起光相位的变化很小，可以忽略。由普通物理学知道，在一长为L、纤芯折射率为n1的单模光纤中，波长为λ的输出光相对输入端来说。其相角为(9−6)当光纤受到物理量的作用时，则相位角变化为(9−7)式中：——光波相位角的变化量；ΔL——光纤长度的变化量；Δn1——光纤纤芯折射率的变化量；εL——光纤轴向应变(εL=ΔL／L)。于是，就可以应用光的相位检测技术测量出温度、压力、加速度、电流等物理量。由于光的频率很高(约为1014Hz)，光电探测器不能跟踪以这样高的频率进行变化的瞬时值，因此光波的相位变化是不能够直接被检测到的。为此，应用干涉技术将相位调制转换成振幅(强度)调制。在光纤传感器中常采用马赫−泽德(Mach−Zehnder)干涉仪等几种不同的干涉测量仪。_1217740846.unknown_1217741001.unknown_1217741010.unknown_1217740832.unknown2．相位调制型光纤压力和温度传感器利用马赫一泽德干涉仪测量压力或温度的相位调制型光纤传感器组成原理，如图9−18所示，激光器发出的一束相干光经过扩束以后，被分束器分成两束光，分别耦合到传感光纤和参考光纤中。传感光纤被置于被测对象的环境中，感受压力(或温度)信号；参考光纤不感受被测物理量。这两根单模光纤构成干涉仪的两个臂，再通过光纤耦合器组合起来，以便产生相互干涉，形成一系列明暗相间的干涉条纹。当传感光纤感受到温度变化时，光纤的折射率会发生变化；而且因光纤的热胀冷缩使其长度发生改变。由式(9−7)知，光纤的长度和折射率的变化，将会引起传播光的相位角变化。这样，传感光纤和参考光纤的两束输出光的相位也发生了变化，从而使合成光强的强弱随着相位的变化而变化。通过光电探测器就可以将合成光强的强弱变化转换成电信号大小的变化，图9−19所示为一相位调制实例。由图9−19可以看出，在初始情况(室温26℃)下，传感光纤中的传播光与参考光纤中的传播光同相，输出光电流最大。随着T的上升，相位增加，光电流逐渐减小。T上升到26.03℃，相移增加π弧度，光电流达到最小值；T上升到26.06℃，相移增加到2π弧度，光电流又上升到最大值。这样，光的相位调制便转换成电流信号的幅值调制。T上升了0.06℃，相位变化了2π弧度，干涉条纹移动了一根。如果在两光纤的输出端用光电元件来扫描干涉条纹的移动，并变换成电信号，放大后输入记录仪，从记录的移动条纹数就可以检测出温度(或压力)信号。9．4．2光强调制型光纤传感器光纤微弯曲位移和压力传感器是光强调制型光纤传感器的一个典型例子。它是基于光纤微弯而产生的弯曲损耗原理制成的，损耗的机理可用图9−20中光纤微弯对传播光的影响来说明。假如光线在光纤的直线段以大于临界角射入界面(φ1>φc)，则光线在界面上产生全反射。当光线射入微弯曲段的界面上时，入射角将小于临界角(φ1>φc)。这时，全反射被破坏，一部分光在纤芯和包层的界面上反射；另一部分光则透射进入包层，从而导致光能的损耗。光纤微弯曲传感器(如图9−21所示)就基于这一原理而研制的。该传感器由两块波形板(变形器)构成，其中一块是活动板，另一块是固定板。光纤从一对波形板之间通过。当活动板受到微扰(位移或压力)作用时，光纤就会发生周期性微弯曲，引起传播光的散射损耗，使光在芯模中重新分配：一部分光从纤芯进入包层，另一部分光反射回纤芯。当活动板的位移或压力增加时，泄漏到包层的散射光随之增大，光纤芯模的输出光强度就减小，(参见图9−22)，于是光强就受到了调制。通过检测光纤输出光的强度就能测出位移(或压力)信号。光纤微弯曲传感器的一个突出优点是光功率维持在光纤内部，因此可以免除周围环境污染的影响，适宜在恶劣环境中使用。另外，这种传感器还具有灵敏度较高、结构简单、动态范围宽、性能稳定等优点。例如，它可以检测到100μPa的压力变化。9．4．3偏振态调制型光纤传感器偏振态调制型光纤电流传感器测试原理如图9−23所示。根据法拉第旋光效应，由电流所形成的磁场会引起光纤中线偏振光的偏转。通过检测偏转角的大小，就可得到相应的电流值。如图9−23中所示，从激光器发出的激光经起偏器变成线偏振光，由物镜聚焦耦合到单模光纤中。为了消除光纤中的包层模，可把光纤浸在折射率高于包层的油中，再将单模光纤以半径R绕在高压载流导线上。设通过其中的电流为I，由此产生的磁场H满足安培环路定律。对于无限长直导线，则有(9−8)由法拉第旋光效应引起光纤中线偏振光的偏转角为(9−9)式中：V——费尔德常数(对于石英，V=3.7×10-4rad／A)；L——受磁场作用的光纤长度。受磁场作用的光束由光纤输出端经显微物镜耦合到偏振棱镜，并分解成振动方向相互垂直的两束偏振光，分别进入光探测器，再经信号处理后输出信号。(9−10)(9−11)式中，N为光纤绕在输电线上的匝数。由此可见，只要系统的V和N一经确定，就可通过输出信号P的大小，获得被测输电线上的电流值。_1217741501.unknown_1217741601.unknown_1217741689.unknown_1217741458.unknown另外，应注意到光纤中双折射现象的影响(例如，光纤中的应力、光纤在输电线上环绕时的弯曲、光纤横截面具有一定的椭圆度等因素都会造成双折射现象)，并尽量予以减少。偏振态调制型光纤电流传感器适用于高压输电线大电流的测量，测量范围为0～1000A。9．5非功能型光纤传感器光纤本身不是敏感元件的非功能型光纤传感器，主要依据敏感元件对光强的调制这一原理进行工作。非功能型光纤传感器又可分为传输光强调制型和反射光强调制型两种。9．5．1传输光强调制型光纤传感器传输光强调制型光纤传感器，一般是在输入光纤与输出光纤之间放置有机械式或光学式的敏感元件。敏感元件在物理量的作用下对传输的光强进行调制，如吸收光的能量、遮断光路及改变光纤之间的相对位置等。图9−24为半导体吸收式传输光强调制型光纤传感器系统原理图。在图9−24中，输入光纤和输出光纤两端面间夹一片厚度约零点几毫米的半导体光吸收片，并用不锈钢管加以固定，使半导体与光纤成为一体。它的关键部件是半导体光吸收片，半导体的本征吸收长波限λg。随温度增加而向长波长的方向位移。由图9−25可以看出，半导体对光的吸收随长波限λg。的变短而急剧增加(在T一定时)，即透过率急剧下降；反之，随着长波限λg的变长，半导体的透光率增大。由此可见，在光源λ一定的情况下，通过半导体的透射光强随温度T的增加而减小。图9−24所示系统光源中所用的发光二极管，其发光光谱应与半导体的吸收光谱互相匹配。敏感材料的夹入可看成是在光纤耦合器的中部切断的置入。系统组成并通过调试后，光源发出的稳定光强通过输入光纤传到半导体薄片，透射光强受到所测温度的调制，并由输出光纤传到光电探测器，转换成电信号输出从而达到测温的目的。该系统的温度测量范围为−20℃～300℃。精确度约为±3℃。响应时间常数约2s，能在强电场环境中工作。�EMBEDPBrush���9．5．2反射光强调制型光纤传感器图9−26所示光纤动态压力传感器是一个反射光强调制型的光纤传感器。整个系统由光源、压力膜片、光敏二极管、Y形光纤束和放大器等组成。压力敏感元件——膜片一方面用以感受压力流场的平均压力和脉动压力，另一方面用以反射光。它是用不锈钢材料制成的圆形平膜片，膜片的内表面抛光后镀一层反射膜，以提高反射率。Y形光纤束约由3000根直径为50μm的阶跃型光纤(NA=0.603)集束而成。它被分成纤维数目大致相等、长度相同的两束：发送光纤束和接收光纤束。为了补偿光源光功率的波动及减少光敏二极管的噪声，系统增加了一根补偿光纤束。由膜片的挠度理论知，周边固定的圆形平膜片，其中心位移与压力成正比。当压力变化时，膜片与光纤端面之间的距离将线性地变化。因此，光纤接收的反射光强度将随压力变化而线性变化。此光信号被光敏二极管变成相应的微弱光电流。经放大、滤波后输出与压力成正比的电压信号。该系统的优点是：频率响应范围宽，脉动压力的频率在0～18kHz的范围内变化；灵敏度高；输出幅度大，放大后的输出信号可达几伏。此外，还具有结构简单、容易实现的优点。9．5．3频率调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器属于非功能型光纤传感器，调制原理是光学多普勒效应。如果有一台发射机和一台接收机相对静止，则接收机收到的信号频率等于发射机发射的信号频率；假若发射机与接收机之间的距离在不断变化，则发射机发射的信号频率与接收机收到的信号频率就不同。这一现象称为多普勒效应。当发射机和接收机在同一地点且两者无相对运动，而被测物体以速度v向发射机和接收机运动时，可以把被测物体对信号的反射现象看成是有一个运动着的发射机在发射信号。这样，接收机和被测物体之间因有相对运动，所以就产生了多普勒效应。如图9−27(a)所示，发射机发射出的电磁波向被测物体传输，以速度v向发射机运动的被测物体接收到的信号频率为(9−12)式中：f0——发射机发射信号频率；v——被测物体的运动速度；λ0——发射信号的波长，λ0=c／f0；c——电磁波的传播速度。_1217742045.unknown若把f1看成新的发射机向与发射机同地点的接收机发射的信号(如图9−27(b)所示)，则接收机接收到的信号频率为(9−13)由于被测物体的运动速度远小于电磁波的传播速度，则可认为λ0=λ1，于是有(9−14)由多普勒效应产生的频率之差称为多普勒频率，即(9−15)式(9−15)说明，被测物体的运动速度v可以用多普勒频率来描述。(a)发射机发射信号，被测物体接收并以速度v运动(b)被测物体反射信号如同新的发射机并以速度u运动使与发射机同地点的接收机接收一般情况下，光学多普勒效应可用图9−28加以说明。图中，S为光源，P为运动物体，Q是观察者所处的位置。如果物体P的运动速度为v，P的运动方向与PS的夹角为θ1，P的运动方向与PQ的夹角为θ2。则从S射出的频率为f1的光，经过运动物体P散射，观察者在Q处观察到的频率为f2。根据多普勒原理可得�EMBEDPBrush���_1217742298.unknown_1217742337.unknown_1217742195.unknown式中，c为真空中的光速。知道了发射频率和接收频率，从它们之差就可以求得物体的运动速度。采用光纤多普勒测量系统，对研究流体流动特别有效。尤其是对微小流量的测量，希望测量系统不干扰流体的流动，而光纤正好具有能做成微型探头的优点。图9−29所示是一个典型的激光多普勒光纤测速系统。当激光沿着光纤投射到测速点A时，被测物体的散射光与光纤端面的反射光(起参考光作用)一起沿着光纤返回。为消除从发射透镜反射回来的光，在光电探测器前边装一块偏振片R，使光电探测器只能检测出与原来光束偏振方向相垂直的偏振光。这样，频率不同的信号光与参考光共同作用在光电探测器上，并产生差拍。形成的光电流经频谱处理求出频率的变化，进一步可算出物体的速度。�EMBEDPBrush���_1217742572.unknown9．5．4光纤液位传感器图9−30所示为基于全内反射原理制成的光纤液位传感器。它由发光管LED、光电二极管、多模光纤等组成。其结构特点是，在光纤测头端有一个圆锥反射器。当测头置于空气中没有接触到液面时，光线在圆锥体内发生全内反射而返回到光电二极管；当测头接触到液面时，由于液体的折射率与空气的折射率不同，全内反射被破坏，一部分光线透入液体内，使返回到光电二极管的光强变弱。实践证明，返回光强是液体折射率的线性函数。当返回光强出现突变时，表明测头已经接触到液位。图9−30给出了光纤液位传感器的3种结构形式。对于图9−30(a)，其结构主要是由一个Y形光纤、全反射锥体、LED光源及光电二极管等组成。图9−30(b)所示是一种U形结构。当测头浸入到液体内时，无包层的那段光纤光波导的数值孔径增加。这是由于与空气折射率不同的液体此时起到了包层的作用，反射回的光强与液体的折射率和测头弯曲的形状有关。为了避免杂光干扰，光源可采用交流调制。在图9−30(c)所示的结构中，用作输入与输出的两根多模光纤由棱镜耦合在一起。它的光调制深度最强，而且对光源和光电接收器的要求不高。由相同的溶质和溶剂组成的溶液在不同浓度时溶液的折射率也不同，因此经过定标处理后，这种液位传感器也可以作为浓度计测量溶液的浓度，但对于图9−30(c)所示的传感结构，其耦合棱镜的选择是不能随意的。这里需要强调的是，光纤液位传感器不能在线探测容易粘附在测头表面的污浊、粘稠溶液的浓度。�EMBEDPBrush���