第5章-偏振调制型传感器
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第七讲 偏振调制机理与检测技术页数:16
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光电检测技术 第七章 光偏振调制检测系统页数:19
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第六章 偏振调制型光纤传感器xue页数:16
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偏振调制型传感器页数:57
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高中物理选择性必修件第五章认识传感器
时间测量
在物理实验中，常常需要 精确测量时间，如使用光 电门传感器测量物体通过 某一点的时间。
验证物理定律实验
牛顿第二定律验证
通过加速度传感器测量物体的加 速度，结合已知的质量和合外力
，验证牛顿第二定律。
动量守恒定律验证
在碰撞实验中，使用速度传感器分 别测量碰撞前后两物体的速度，从 而验证动量守恒定律。
流量传感器
监测管道中液体或气体的流量，实现精确的流量 控制，保证生产过程的稳定性和效率。
环境保护领域应用
空气质量传感器
监测大气中的PM2.5、PM10、二氧化硫、氮氧化物等有害物质的 含量，为环境保护提供数据支持。
水质传感器
用于监测水体中的PH值、溶解氧、浊度、重金属离子等参数，评估 水环境质量。
高中物理选择性必修件第五章 认识传感器
汇报人：XX
20XX-01-19
CONTENTS
• 传感器概述 • 传感器技术基础 • 常见传感器类型及其工作原理 • 传感器在物理实验中的应用 • 传感器在日常生活和工业生产
中的应用 • 传感器技术发展趋势与挑战
01
传感器概述
定义与分类
传感器定义
传感器是一种能够将非电学量（ 如温度、压力、光强等）转化为 电学量（如电压、电流等）的装 置。
应用领域
传感器广泛应用于工业自动化、环境监测、医疗诊断、智能家居等领域。
重要性
传感器技术的发展对于推动科技进步、提高生产效率和生活质量具有重要意义 ，是现代信息技术的重要组成部分。
02
传感器技术基础
敏感元件及转换电路
敏感元件
指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，如热敏电阻、光敏 电阻等。
转换电路
第五章光纤传感基本原理-频率调制
m
1,2,
光纤传感器基本原理
5.6 偏振调制机理
线偏振光，光波的光矢量方向始终不变，只是它的大小随 相位改变。光矢量与光的传播方向组成的平面为线偏振光的振 动面。
圆偏振光，光矢量大小保持不变，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。
椭圆偏振光，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。
黑体光谱辐射能量密度、 温度及波长三者之间的关系。
5.5.3 光纤黑体探测技术
光纤传感器基本原理
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。
光纤传感器基本原理
5.5.4 光纤法布里-珀罗滤光技术
0 m
2nd cos m /
FL 108
可检测到信号
5.4.2 光纤多普勒系统的局限性
光纤传感器基本原理
一般多普勒探测器最大只能实现液体中几毫米处粒子的运动
速度虚测像量半，径只ri适 a用du 于携带粒子的流体或混浊体中悬浮物质的速度 测量数。值速孔度径测NA量i 范NA围du 为μm/s～m/s，相应的频偏为Hz-MHz。
ne n0 0kE2
非寻常光折射率
寻常光折射率
大多数情况下，ne-n0＞0
光纤传感器基本原理
5.6.2 克尔效应
不加外电场，无光通过，克尔盒关闭；加外电场，有光通过，
克尔盒开启。
光程差：
ne
n0
l
k
0
U d
2
l
N1、N2相互垂直，与 电场分别成±45°。
相位差：
2
kl
U d
2
光纤传感技术课件：偏振态调制型光纤传感器
21
偏振态调制型光纤传感器
这样， 为了获得大的法拉第效应， 可以将放在磁场中的 法拉第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， 并将两面镀高反射膜， 只留入射和出射窗口。 若光 束在其间反射N次后出射， 那么有效旋光厚度为Nl， 偏振面的 旋转角度就提高N倍。 法拉第效应是偏振调制器的基础， 利 用法拉第效应可制作光纤电流传感器。
偏振态调制型光纤传感器
偏振态调制型光纤传感器
6.1 偏振态调制型传感原理 6.2 偏振态调制光纤传感器应用实例
1
偏振态调制型光纤传感器
6.1
偏振态调制型光纤传感器是有较高灵敏度的检测装置。 它比高灵敏度的相位调制光纤传感器的结构简单且调整方便。 偏振态调制型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。 最为典型的偏振态调制效应有Pockels效 应、 Kerr效应、 Faraday效应， 以及弹光效应（原理介绍详见 第一章1.3.4节）。
此时， 检偏镜的透射光强度 I 与起偏镜的入射光强度I0 之间的关系可由下式表示：
(6.1-11)
16
式中， 半波电压Uλ/2可表示为
偏振态调制型光纤传感器
(6.1-12)
利用克尔效应可以构成电场、 电压传感器， 其结构类 似于图6-1。
17
偏振态调制型光纤传感器
6.1.4 Faraday
物质在磁场的作用下使通过的平面偏振光的偏振方向发 生旋转， 这种现象称为磁致旋光效应或法拉第(Faraday)效应。
9
偏振态调制型光纤传感器
10
偏振态调制型光纤传感器
6.1.3 Kerr
Kerr效应也称为二次（或平方）电光效应， 它发生在一
偏振态调制型光纤传感器
这样， 为了获得大的法拉第效应， 可以将放在磁场中的 法拉第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， 并将两面镀高反射膜， 只留入射和出射窗口。 若光 束在其间反射N次后出射， 那么有效旋光厚度为Nl， 偏振面的 旋转角度就提高N倍。 法拉第效应是偏振调制器的基础， 利 用法拉第效应可制作光纤电流传感器。
偏振态调制型光纤传感器
偏振态调制型光纤传感器
6.1 偏振态调制型传感原理 6.2 偏振态调制光纤传感器应用实例
1
偏振态调制型光纤传感器
6.1
偏振态调制型光纤传感器是有较高灵敏度的检测装置。 它比高灵敏度的相位调制光纤传感器的结构简单且调整方便。 偏振态调制型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。 最为典型的偏振态调制效应有Pockels效 应、 Kerr效应、 Faraday效应， 以及弹光效应（原理介绍详见 第一章1.3.4节）。
此时， 检偏镜的透射光强度 I 与起偏镜的入射光强度I0 之间的关系可由下式表示：
(6.1-11)
16
式中， 半波电压Uλ/2可表示为
偏振态调制型光纤传感器
(6.1-12)
利用克尔效应可以构成电场、 电压传感器， 其结构类 似于图6-1。
17
偏振态调制型光纤传感器
6.1.4 Faraday
物质在磁场的作用下使通过的平面偏振光的偏振方向发 生旋转， 这种现象称为磁致旋光效应或法拉第(Faraday)效应。
9
偏振态调制型光纤传感器
10
偏振态调制型光纤传感器
6.1.3 Kerr
Kerr效应也称为二次（或平方）电光效应， 它发生在一
第五章-相位调制型光纤传感器PPT课件
➢ 影响相位变化的基础物理效应：
应力应变、温度
萨格纳克(Sagnac)效应
5.3 光纤相位调制机理
光波通过长度为L的光纤，出射光波的相位延迟为
2
L kL
光波在外界因素的作用下，相位的变化为
L
k
k
(
k
Lk
)
L
n
L
a
L
n
a
应变效应或
热胀效应
光弹效应或 泊松效应（灵敏度
➢ 使用方便。封闭式光路，不受外界干扰，减少了
干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，可使干涉
仪小型化。
➢ 灵活多样。光纤本身是传感器的敏感部分，其探
头的形状可按使用要求设计成不同形状。
➢ 对象广泛。不论何种物理量，只要对干涉仪中的
光程产生影响，就可用于传感。
缺点
➢ 需相干光源，单模光纤以及高精度光电检测系统
萨格纳克(Sagnac)干涉仪
法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉仪
常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤
实现的干涉型光纤传感器。
迈克耳逊
（A.A.Michelson）
美籍德国人
迈克耳逊在工作
因创造精密光学
仪器，用以进行
光谱学和度量学
的研究，并精确
测出光速，获
1907年诺贝尔物
理奖。
➢由激光器输出的单
2
I min
透射的干涉光强的最大值与最小值之比
I max 1 R
I min 1 R
2
反射率R越大，干涉光强越显著，分辨力越高。
应力应变、温度
萨格纳克(Sagnac)效应
5.3 光纤相位调制机理
光波通过长度为L的光纤，出射光波的相位延迟为
2
L kL
光波在外界因素的作用下，相位的变化为
L
k
k
(
k
Lk
)
L
n
L
a
L
n
a
应变效应或
热胀效应
光弹效应或 泊松效应（灵敏度
➢ 使用方便。封闭式光路，不受外界干扰，减少了
干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，可使干涉
仪小型化。
➢ 灵活多样。光纤本身是传感器的敏感部分，其探
头的形状可按使用要求设计成不同形状。
➢ 对象广泛。不论何种物理量，只要对干涉仪中的
光程产生影响，就可用于传感。
缺点
➢ 需相干光源，单模光纤以及高精度光电检测系统
萨格纳克(Sagnac)干涉仪
法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉仪
常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤
实现的干涉型光纤传感器。
迈克耳逊
（A.A.Michelson）
美籍德国人
迈克耳逊在工作
因创造精密光学
仪器，用以进行
光谱学和度量学
的研究，并精确
测出光速，获
1907年诺贝尔物
理奖。
➢由激光器输出的单
2
I min
透射的干涉光强的最大值与最小值之比
I max 1 R
I min 1 R
2
反射率R越大，干涉光强越显著，分辨力越高。
光纤传感原理与应用 尚盈 电子课件 第五章.光纤解调技术
5.2 波长解调 5.2.2 滤波解调法
5.2 波长解调 5.2.2 滤波解调法
5.3 频率解调 5.3.1 频率调制基本原理
s O 光学多普勒效应原理
5.3 频率解调 5.3.2光纤多普勒流速测量技术
5.3 频率解调 5.3.2光纤多普勒流速测量技术
光束1 光束2
前方散射形成的干涉条纹
5.3 频率解调
Ⅰ
三角函数象限图
5.4 相位解调 5.4.4 I/Q解调算法
5.4 相位解调 5.4.4 I/Q解调算法
5.4 相位解调 5.4.4 I/Q解调算法
5.5 偏振态解调
5.1 强度解调
强度解调的方案结构简单,适合短距离且信噪比要求不太高的场合,受激光器相位噪声影响较小。强 度解调过程如图5.1所示，先将光信号进行光学滤波,滤除中心波长以外的其他噪声，光电探测器将光信 号转成电信号,将获得的信号进行放大，然后将信号进行滤波，保证只将有用信号进行放大。
强度解调型FBG传感器是通过测量传感FBG的光强或光功率来解调被测参量的传感器,其传感系统 通常由光源、传感头、光信号传输器件和解调模块四部分组成，而解调模块中方案的选择直接决定了系 统成本的高低和系统的精度,是传感系统的关键部分。
在零差方式下,解调电路直接将干涉仪中的相位变化转变为电信号。零差方式又包括主动零差法 (Active Homodyne Method)和被动零差法(Passive Homodyne Method)。
外差方式包括普通外差法、合成外差法和伪外差法。
1.主动零差法
在主动零差法中,需要“主动”地控制干涉仪参考臂的长度,使得干涉仪工作在正交工作点处。常 见的主动零差法包括两种，即主动相位跟踪零差法和主动波长调谐零差法。
第4章-波长调制型光纤传感器
应力灵敏度系数 (10-11/(N/m2))
E＝86.5×109
E＝90×109
E＝110×109
E＝120×109
1.02
1.04
1.06
1.08
0 2 4 6 8 10 ×103 涂层厚度（μm）
应力灵敏度系数 (10-11/(N/m2))
光纤光栅传感器 优点： 抗干扰能力强，稳定、可靠 传感头结构简单、体积小 测量重复性好 可实现绝对测量 便于规模生产、成网 不足：解调系统昂贵、动态范围受限
光纤的光敏性
历史 1978年，加拿大K.O.Hill，488nm 1989年，美国G.Meltz，244nm（倍频）,通信窗口的FBG 载氢掺锗 光敏性的解释：色心模型紫外辐射玻璃的压缩 光敏性类型： I型光栅－通信锗硅光纤，Δn>0 IIA型光栅－重掺锗光纤，I型被擦除后，负调制折射率深度 II型光栅－透射谱为高通，温度稳定性高，擦除800℃ 光栅的生命周期与稳定性
光纤传感器用于智能结构的一些问题
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的一个复杂的传感系统 与智能结构的兼容性 在智能结构中的分布 在智能结构中应用的工艺研究
传光型波长调制光纤传感器
荧光、磷光光谱 关键 光源和频谱分析器的性能系统的稳定性和分辨率 光源：白炽灯、汞弧灯 频谱分析仪：光栅、棱镜分光计；干涉和染料滤光器 稳定性: 比值运算，补偿系统误差 主要应用-医学、化学等领域。 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 法布里一帕罗滤光器等
弹光效应
弹性变形
横向应力作用
纵向应力作用
5.5 波长调制机理
灵敏度：1 1pm 测量范围：1％ 频率响应：可达1MHz
E＝86.5×109
E＝90×109
E＝110×109
E＝120×109
1.02
1.04
1.06
1.08
0 2 4 6 8 10 ×103 涂层厚度（μm）
应力灵敏度系数 (10-11/(N/m2))
光纤光栅传感器 优点： 抗干扰能力强，稳定、可靠 传感头结构简单、体积小 测量重复性好 可实现绝对测量 便于规模生产、成网 不足：解调系统昂贵、动态范围受限
光纤的光敏性
历史 1978年，加拿大K.O.Hill，488nm 1989年，美国G.Meltz，244nm（倍频）,通信窗口的FBG 载氢掺锗 光敏性的解释：色心模型紫外辐射玻璃的压缩 光敏性类型： I型光栅－通信锗硅光纤，Δn>0 IIA型光栅－重掺锗光纤，I型被擦除后，负调制折射率深度 II型光栅－透射谱为高通，温度稳定性高，擦除800℃ 光栅的生命周期与稳定性
光纤传感器用于智能结构的一些问题
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的一个复杂的传感系统 与智能结构的兼容性 在智能结构中的分布 在智能结构中应用的工艺研究
传光型波长调制光纤传感器
荧光、磷光光谱 关键 光源和频谱分析器的性能系统的稳定性和分辨率 光源：白炽灯、汞弧灯 频谱分析仪：光栅、棱镜分光计；干涉和染料滤光器 稳定性: 比值运算，补偿系统误差 主要应用-医学、化学等领域。 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 法布里一帕罗滤光器等
弹光效应
弹性变形
横向应力作用
纵向应力作用
5.5 波长调制机理
灵敏度：1 1pm 测量范围：1％ 频率响应：可达1MHz
第5章 偏振调制型传感器
2 2
E2 1 cos(2 2 ) J E cos ( ) 2 在θ＝0，φ ＝±45º 时，检测灵敏度最高
E2 1 sin( 2 ) J 2
sin( 2 ) 2
NxtPhase
OVT进行-18℃的测试。
（a）
（b）
BSO晶体光纤电场传感器
可构成压力、振动、位移等光纤传感器。
压力与水声传感器
折射系数与声强的关系
材料的光弹性声强检测灵敏度
n3 p 2 I S p n 2 VS3
6 2
1 2
Pyrex玻璃材料
n p M 3 VS
最小可测压差：9.5Pa（理论值为1.4Pa） 在0～500kPa：有良好的线性；测量范围可扩展至2MPa, 动态范围达86dB
光电转换
t
电子式光纤电流互感器
Rogowski Ring 电流母线I
DCБайду номын сангаас源
A/D 调制器
探测器 光源 光纤
Kerr二次电光效应
克尔效应（Kerr effect）(1875年)
克尔盒内充某种液体，如硝基本（C6H5NO2）
不加电场→液体各向同性→P2不透光 P1P2
加外电场→液体呈单轴晶体性质，光轴平行 透光 E P2
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
. . . .
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
. . . .
.
检偏器
双折射
各向异性介质中，一束入射光常有被分解为两束的现象 注意，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。 o光（寻常光）：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）； e光（非寻常光）：若其入射角的正弦与折射角的正弦值 比随入射角而变化。
E2 1 cos(2 2 ) J E cos ( ) 2 在θ＝0，φ ＝±45º 时，检测灵敏度最高
E2 1 sin( 2 ) J 2
sin( 2 ) 2
NxtPhase
OVT进行-18℃的测试。
（a）
（b）
BSO晶体光纤电场传感器
可构成压力、振动、位移等光纤传感器。
压力与水声传感器
折射系数与声强的关系
材料的光弹性声强检测灵敏度
n3 p 2 I S p n 2 VS3
6 2
1 2
Pyrex玻璃材料
n p M 3 VS
最小可测压差：9.5Pa（理论值为1.4Pa） 在0～500kPa：有良好的线性；测量范围可扩展至2MPa, 动态范围达86dB
光电转换
t
电子式光纤电流互感器
Rogowski Ring 电流母线I
DCБайду номын сангаас源
A/D 调制器
探测器 光源 光纤
Kerr二次电光效应
克尔效应（Kerr effect）(1875年)
克尔盒内充某种液体，如硝基本（C6H5NO2）
不加电场→液体各向同性→P2不透光 P1P2
加外电场→液体呈单轴晶体性质，光轴平行 透光 E P2
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
. . . .
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
. . . .
.
检偏器
双折射
各向异性介质中，一束入射光常有被分解为两束的现象 注意，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。 o光（寻常光）：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）； e光（非寻常光）：若其入射角的正弦与折射角的正弦值 比随入射角而变化。
偏振调制型传感器
l
d
克尔盒
Kerr盒
ne no kE 2 2
45 P1
+
P2 45
l
d
kV 2 k ne no l 2 l d
克尔盒
2
k 时，克尔盒相当于半波片－P2透光最强 硝基苯 k 1.44 10 18 m2 / V 2 ，设l =3cm，d = 0.8cm， 则λ= 600nm， V 2 104 V 优点：响应时间10-9s－用于光开关、高速摄影、 激光通讯、光速测距、脉冲激光系统（作为Q开关） 缺点：如硝基苯有毒，易爆炸，需极高纯度和高电 压，故现在很少用。
4 光弹效应
在垂直于k方向上施加应力(内应力或外来的机械应力) 双折射
F
·
P1
S
C
P2
有机玻璃
d
干涉
F
片状、插在两偏振片之间，不同地点因（no-ne）不同会 引起o光和e间不同的相位差δ干涉图样。
应力越集中地方，各向异性越强，干涉条纹越细密。 在白光照射下，则显示出彩色的干涉图样。
<10-9s，可用作超高速开关，激光调Q，显示技
术，数据处理…
Kerr二次电光效应
克尔效应（Kerr effect）(1875年)
克尔盒内充某种液体，如硝基苯（C6H5NO2）
不加电场→液体各向同性→P2不透光 透光
45 P1
加外电场→液体呈单轴晶体性质，光轴平行
+
P2 45
45 2 90
··
磁致旋光物质
研究物质结构：结构不同-其碳氢化合物的法拉第
旋转效应也不同 测电流和磁场：在电工测量中，用来测电流和磁 场，特别可制造用于测量超高压电网电流的光纤 电流传感器 磁光调制：光通信技术中，应用磁致旋光效应， 使信号电流产生的光振动面旋转，转化为光的强 度变化，这就是磁光调制
新型光纤传感器的灵敏度提升研究
新型光纤传感器的灵敏度提升研究一、引言光纤传感器作为一种先进的检测技术，在众多领域如工业生产、医疗诊断、环境监测等都有着广泛的应用。
然而，随着应用场景的不断拓展和需求的日益提高，对光纤传感器灵敏度的要求也越来越高。
灵敏度是衡量光纤传感器性能的关键指标之一，直接影响着检测结果的准确性和可靠性。
因此，如何提升新型光纤传感器的灵敏度成为了当前研究的热点和重点。
二、光纤传感器的工作原理光纤传感器的基本原理是利用光纤作为传输介质，将被测量的物理量转化为光信号的变化，然后通过检测光信号的变化来获取被测量的信息。
常见的光纤传感器类型包括强度调制型、相位调制型、波长调制型和偏振调制型等。
以强度调制型光纤传感器为例，其工作原理是通过改变光纤中传输光的强度来反映被测量的变化。
例如，在测量位移时，当被测物体移动导致光纤弯曲或拉伸，从而改变了光在光纤中的传输损耗，进而引起输出光强度的变化。
相位调制型光纤传感器则是通过检测光的相位变化来测量被测量。
当外界物理量作用于光纤，导致光纤的长度、折射率等发生变化，从而引起光在光纤中传播时相位的改变。
波长调制型光纤传感器依靠检测光波长的变化来实现测量。
例如，在温度测量中，由于温度的变化会导致光纤中某些材料的光学特性改变，从而使输出光的波长发生漂移。
偏振调制型光纤传感器则是根据外界物理量对光偏振态的影响来进行测量。
三、影响光纤传感器灵敏度的因素（一）光纤材料和结构光纤的材料特性和结构设计对传感器的灵敏度有着重要影响。
例如，高折射率差的光纤能够增强光与物质的相互作用，从而提高灵敏度。
同时，特殊结构的光纤，如微结构光纤、光子晶体光纤等，具有独特的光学特性，能够为提升灵敏度提供更多的可能性。
（二）光源特性光源的稳定性、功率、波长等特性也会影响光纤传感器的灵敏度。
稳定的光源能够提供更准确的测量结果，而高功率的光源可以增加光与被测物的相互作用强度，从而提高灵敏度。
此外，选择合适波长的光源，使其与被测物的光学特性相匹配，也能够提升传感器的性能。
强度调制机理光纤传感器基本原理
吸收系数强度调制
光模式强度调制
第五章 光纤传感器基本原理
一、强度调制机理
1、反射式强度调制 传感器的调制机理： 输入光纤将光源的光 射向被测物体表面， 再从被测面反射到另 一根输出光纤中，其 光强的大小随被测表 面与光纤间的距离 d 而变化。
这是一种非功能型光纤传感器， 光纤本身只起传光作用。
第五章 光纤传感器基本原理
光源 传输光纤
被 测 参 数
调制区或 调制区 传感区
光强、波长、频率、 相位、偏振态等发 生变化
信号检测 与处理
光电 探测 器
第五章 光纤传感器基本原理
光纤传感器分类
传 光 型
只“传”不 “感” 按光纤在传 感器中作用
传 感 型
“传”“感” 合一
第五章 光纤传感器基本原理
光纤本身起敏感元件的作用。光纤与 被测对象相互作用时，光纤自身的结 构参量 ( 尺寸和形状 ) 发生变化，光纤 的传光特性发生相关变化，光纤中的 光波参量受到相应控制，即在光纤中 传输的光波受到了被测对象的调制， 空载波变为调制波，携带了被测对象 的信息；或者是光纤与被测对象作用 时，光纤自身的结构参量并不发生变 化，而光纤中传输的光波自身发生了 某种变化，携带了待测信息。
ap L
第五章 光纤传感器基本原理
一、强度调制机理
微弯损耗光强度调制的应用
光纤由变形器引起微弯变形时，纤芯中的光有一部分 逸出到包层。若采取适当的方式探测光强的变化，则 可知道位移变化量，据此可以制作出温度、压力、振 动、位移、应变等光纤传感器。 微变形光纤强度调制传感器的优点：灵敏度高、结构 简单、响应速度快。
令：T tg (sin1 N. A.)
输入光纤
N.A＝sin
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no=1.51，λ=546nm时，半波电压 V 7.6 103 V 比克尔盒要求的电压低得多
➢ 磷酸二氢胺（NH4H2PO4，ADP）
开关响应时间也极短
➢ <10-9s，可用作超高速开关，激光调Q，显示技 术，数据处理…
旋光效应－磁致旋光效应
磁致旋光(magnetic opticity)
l 2 l kV 2 d
d l
克尔盒
k 时 ，克尔盒相当于半波片－P2透光最强
硝基苯 k 1.44 101，8m设2 / Vl =2 3cm，d = 0.8cm， 则λ=
600nm，
V 2 104 V
优点：响应时间10-9s－用于光开关、高速摄影、
激光通讯、光速测距、脉冲激光系统（作为Q开关）
载流导线
检偏器
记录显示器
光纤电流传感器原理示意图
光纤电流传感器
y
E
P
振动面偏转角仅与电流 I 有关
V L
I
J
设：
2 r
x
检偏器方向设置
➢ 载流导线中的电流 I＝0 时，线偏振光振动方向在检偏器
处的与y 轴平行，检偏器P（普通检偏器）的方位为φ；
➢ I≠0 时的方位为θ，在P上的投影（即光探测器的输出信号 强度）为J，则
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
双折射
各向异性介质中，一束入射光常有被分解为两束的现象
注意，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。 o光（寻常光）：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）； e光（非寻常光）：若其入射角的正弦与折射角的正弦值
Kerr二次电光效应
克尔效应（Kerr effect）(1875年)
➢ 克尔盒内充某种液体，如硝基本（C6H5NO2）
➢ 不加电场→液体各向同性→P2不透光 P1P2
➢ 加外电场→液体呈单轴晶体性质，光轴平行
透光
E
P2
Kerr盒
+
45 P1
P2 45
ne no kE2
k
2
ne no
对自然旋光物质，光顺磁场与逆磁场方向传播， 其振动面旋向相反。
入射光
右旋
反射光
左旋
反射镜
B
反射镜
B
磁旋光物质－光顺磁场与逆磁场方向传播， 其振动面旋向相同。
法拉第效应的应用 P
B M
··
隔离器 45 2 90
··
应用很广泛：
磁致旋光物质
➢ 研究物质结构：结构不同-其碳氢化合物的法拉第 旋转效应也不同
➢ 圆偏振光、椭圆偏振光 ➢ 部分偏振光、全偏振光
偏振调制传感器
➢ 常用：电光、磁光、光弹等物理效应进行调制。 ➢ 注：光的振动方向通常是指电场矢量 E的方向
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光 .
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光 .
光源 起偏器 电光晶体 检偏器 信号处理
系统结构
I
1
sin
El
U*
V /mV
光强
电光40 转换
t
信
2 0
号
双芯光缆
处 理
0 0.5
光电转换
光强
1.0 E /(kV·cm-1) t
电流导线
电子式光纤电流互感器
Rogowski Ring 电流母线I
DC电 源
A/D 调制器
探测器 光源 光纤
缺点：如硝基苯有毒，易爆炸，需极高纯度和高电 压，故现在很少用。
光纤电压传感器
输入激光 起 偏 光 纤
电场
保偏光纤
晶体
输出至 分束器和探测 器
（a）
（b）
旋光效应
晶体和溶液的旋光性
➢ 单轴晶体（如P1方解石石英）晶片 光线沿检偏光器轴传播时不 发生双折射(o光和e的传播方向和波速都一样)
➢ 垂直于光轴切割出一块平行平面晶片P2从偏振 片有I改透变出，来起在的偏偏线器振偏片振c I光I之经c后过仍此然晶消片光时。偏振状态没
偏振调制型光纤传感器
Lecture 8-9
内容提要
偏振、双折射与波片
偏振调制和偏振干涉
Pockles电光效应
OCT
旋光效应（法拉第磁光效应）
Kerr效应
OVT
偏振光的干涉与光纤偏振干涉仪
光弹效应
压力、水声
偏振与偏振调制
概念：
➢ 线偏振光
振动面（E×K ） 偏振面：包含k、垂直于振动面
➢ 人工方法产生旋光性法拉第旋转 （Faraday rotation）
➢ 1846年,法拉第发现
应用
➢ 隔离器－非互易性即只允许光 从一个方向通过，而不能从反方 向通过的光阀门。在激光的多级 放大装置中
磁光材料
➢ 水、二硫化碳、食盐、乙醇等都 是磁致旋光物质
入射光
左旋
反
反射光
左旋
射 镜
反 射 镜
J E2 cos2 ( ) E2 1 cos(2 2 )
2
➢ 在θ＝0，φ ＝±45º时，检测灵敏度最高
J E2 1 sin( 2 )
2
sin( 2 ) 2
NxtPhase
OVT进行-18℃的测试。
（a）
（b）
BSO晶体光纤电场传感器
BSO晶体
➢ 同时具有电光Pockels效应和磁光Faraday效 应；且其温度系数较小
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光.. Nhomakorabea..
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
比随入射角而变化。
o光和e光示意图
双折射晶体
o光 e光
下图是不同的相位差对应的偏振态
0
4
2
3
4
5
4
2
7
4
2
Pockels 效应（一次电光效应）
线性电光效应 晶体中，两正交的偏振光的相位变化为：
Pockels效应
单晶电光材料
➢ 磷酸二氢钾（KH2PO4，简称KDP）
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
两偏振片的偏振化方向相互垂直 光强为零
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
➢ 测电流和磁场：在电工测量中，用来测电流和磁 场，特别可制造用于测量超高压电网电流的光纤 电流传感器
➢ 磁光调制：光通信技术中，应用磁致旋光效应， 使信号电流产生的光振动面旋转，转化为光的强 度变化，这就是磁光调制
应用：光纤电流传感器
强度H的磁场中
H I
2 r
I
激光器
起偏器
光纤
显微物镜 光探测器
➢ 磷酸二氢胺（NH4H2PO4，ADP）
开关响应时间也极短
➢ <10-9s，可用作超高速开关，激光调Q，显示技 术，数据处理…
旋光效应－磁致旋光效应
磁致旋光(magnetic opticity)
l 2 l kV 2 d
d l
克尔盒
k 时 ，克尔盒相当于半波片－P2透光最强
硝基苯 k 1.44 101，8m设2 / Vl =2 3cm，d = 0.8cm， 则λ=
600nm，
V 2 104 V
优点：响应时间10-9s－用于光开关、高速摄影、
激光通讯、光速测距、脉冲激光系统（作为Q开关）
载流导线
检偏器
记录显示器
光纤电流传感器原理示意图
光纤电流传感器
y
E
P
振动面偏转角仅与电流 I 有关
V L
I
J
设：
2 r
x
检偏器方向设置
➢ 载流导线中的电流 I＝0 时，线偏振光振动方向在检偏器
处的与y 轴平行，检偏器P（普通检偏器）的方位为φ；
➢ I≠0 时的方位为θ，在P上的投影（即光探测器的输出信号 强度）为J，则
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
双折射
各向异性介质中，一束入射光常有被分解为两束的现象
注意，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。 o光（寻常光）：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）； e光（非寻常光）：若其入射角的正弦与折射角的正弦值
Kerr二次电光效应
克尔效应（Kerr effect）(1875年)
➢ 克尔盒内充某种液体，如硝基本（C6H5NO2）
➢ 不加电场→液体各向同性→P2不透光 P1P2
➢ 加外电场→液体呈单轴晶体性质，光轴平行
透光
E
P2
Kerr盒
+
45 P1
P2 45
ne no kE2
k
2
ne no
对自然旋光物质，光顺磁场与逆磁场方向传播， 其振动面旋向相反。
入射光
右旋
反射光
左旋
反射镜
B
反射镜
B
磁旋光物质－光顺磁场与逆磁场方向传播， 其振动面旋向相同。
法拉第效应的应用 P
B M
··
隔离器 45 2 90
··
应用很广泛：
磁致旋光物质
➢ 研究物质结构：结构不同-其碳氢化合物的法拉第 旋转效应也不同
➢ 圆偏振光、椭圆偏振光 ➢ 部分偏振光、全偏振光
偏振调制传感器
➢ 常用：电光、磁光、光弹等物理效应进行调制。 ➢ 注：光的振动方向通常是指电场矢量 E的方向
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光 .
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光 .
光源 起偏器 电光晶体 检偏器 信号处理
系统结构
I
1
sin
El
U*
V /mV
光强
电光40 转换
t
信
2 0
号
双芯光缆
处 理
0 0.5
光电转换
光强
1.0 E /(kV·cm-1) t
电流导线
电子式光纤电流互感器
Rogowski Ring 电流母线I
DC电 源
A/D 调制器
探测器 光源 光纤
缺点：如硝基苯有毒，易爆炸，需极高纯度和高电 压，故现在很少用。
光纤电压传感器
输入激光 起 偏 光 纤
电场
保偏光纤
晶体
输出至 分束器和探测 器
（a）
（b）
旋光效应
晶体和溶液的旋光性
➢ 单轴晶体（如P1方解石石英）晶片 光线沿检偏光器轴传播时不 发生双折射(o光和e的传播方向和波速都一样)
➢ 垂直于光轴切割出一块平行平面晶片P2从偏振 片有I改透变出，来起在的偏偏线器振偏片振c I光I之经c后过仍此然晶消片光时。偏振状态没
偏振调制型光纤传感器
Lecture 8-9
内容提要
偏振、双折射与波片
偏振调制和偏振干涉
Pockles电光效应
OCT
旋光效应（法拉第磁光效应）
Kerr效应
OVT
偏振光的干涉与光纤偏振干涉仪
光弹效应
压力、水声
偏振与偏振调制
概念：
➢ 线偏振光
振动面（E×K ） 偏振面：包含k、垂直于振动面
➢ 人工方法产生旋光性法拉第旋转 （Faraday rotation）
➢ 1846年,法拉第发现
应用
➢ 隔离器－非互易性即只允许光 从一个方向通过，而不能从反方 向通过的光阀门。在激光的多级 放大装置中
磁光材料
➢ 水、二硫化碳、食盐、乙醇等都 是磁致旋光物质
入射光
左旋
反
反射光
左旋
射 镜
反 射 镜
J E2 cos2 ( ) E2 1 cos(2 2 )
2
➢ 在θ＝0，φ ＝±45º时，检测灵敏度最高
J E2 1 sin( 2 )
2
sin( 2 ) 2
NxtPhase
OVT进行-18℃的测试。
（a）
（b）
BSO晶体光纤电场传感器
BSO晶体
➢ 同时具有电光Pockels效应和磁光Faraday效 应；且其温度系数较小
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光.. Nhomakorabea..
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
比随入射角而变化。
o光和e光示意图
双折射晶体
o光 e光
下图是不同的相位差对应的偏振态
0
4
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4
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4
2
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2
Pockels 效应（一次电光效应）
线性电光效应 晶体中，两正交的偏振光的相位变化为：
Pockels效应
单晶电光材料
➢ 磷酸二氢钾（KH2PO4，简称KDP）
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
两偏振片的偏振化方向相互垂直 光强为零
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
➢ 测电流和磁场：在电工测量中，用来测电流和磁 场，特别可制造用于测量超高压电网电流的光纤 电流传感器
➢ 磁光调制：光通信技术中，应用磁致旋光效应， 使信号电流产生的光振动面旋转，转化为光的强 度变化，这就是磁光调制
应用：光纤电流传感器
强度H的磁场中
H I
2 r
I
激光器
起偏器
光纤
显微物镜 光探测器