第六章 偏振调制型光纤传感器xue
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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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第六章 偏振调制型光纤传感器xue
I1 I 0 cos2 (45 ) I 2 I 0 sin 2 (45 )
这样，将光波旋转角Θ 的信息转化为光强信息。 经过加法器、减法器和除法器，输出信号为
I1 I 2 P cos2(45 ) sin 2 I1 I 2
Θ ＜＜１时，ｓｉｎ２ Θ约等于Θ，故Ｐ与Θ成线性关系．再经过信号处理 可得被测电流。
3
K--物质光弹性常数；Δ σ --施加在物体上的应力差；l--光波通过材料的 长度。 偏振面旋转正比于Δ σ ，光弹效应发生于一切透明材料中，强弱不同，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。
光弹效应实验系统
偏振调制检测
马吕斯定律
• 一束光强为I0的线偏振光，透过检偏器以后，透射光的光 强为I=I0cos2 Θ 。 式中 Θ是线偏振光的光振动方向与检偏 器透振方向间的夹角，该式称为马吕斯定律。
偏振调制
• 对于低双折射光纤,拍长很长,在有限长度下,两垂直分量相 差很小,在外界因素作用下,双折射加强,线偏振态发生明显 变化,导致偏振调制。 • 保偏光纤（高双折射）不受外界影响，在两保偏光纤之间 插入一偏振敏感器，用来感知外界因素。 偏振调制机制： • 电光调制 • 磁光调制 • 光弹调制
法拉第效应
对于KDP • 纵向调制（电场与通光方向一致）
n n0 63 E
3 3
63
3
纵向运用电光系数
2n0 63 E l / 0 2n0 63U / 0 U ,U U U U 0 / 2n0 63
3 2
改变纵向电压，实现偏振调制。对于KDP半波电压约为7~8KV
载流导线在周围产生磁场满足安 培环路定律
光纤传感器ppt讲解可修改文字
NA n12 n22
n n 1为纤芯折射率 ， 2 为包层折射率
arcsinNA是一个临界角，
θ> arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
θ< arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大，只有2 张角之内的光被
光纤接受传播。一般希望光纤有大的数值孔径，这样有利于耦合效率的提高。 但数值孔径越大，光信号将产生大的“模色散”，入射光能分布在多个模式 中，各模式速度不同，因此到达光纤远端的时间不同，信号将发生严重的畸
非功能型光纤传感器
传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的媒介， 待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的， 光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。
三 介绍几种光纤传感器
1，光纤压力传感器
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如 图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片 受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化， 从而使输出光强受到调制。
6 光纤传感器的类型
光纤传感器按其作用方式一般分为两种类型： 一 功能型光纤传感器， 二 非功能型光纤传感器。
功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏 感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且 在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学 特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。
（3）传输损耗
由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等 的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输 损耗A可用下式表示
-10 lg I0
A=
I
L
式中 L ——光纤的长度 I0——光纤入射端的光强 I——光纤输出端的光强
n n 1为纤芯折射率 ， 2 为包层折射率
arcsinNA是一个临界角，
θ> arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
θ< arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大，只有2 张角之内的光被
光纤接受传播。一般希望光纤有大的数值孔径，这样有利于耦合效率的提高。 但数值孔径越大，光信号将产生大的“模色散”，入射光能分布在多个模式 中，各模式速度不同，因此到达光纤远端的时间不同，信号将发生严重的畸
非功能型光纤传感器
传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的媒介， 待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的， 光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。
三 介绍几种光纤传感器
1，光纤压力传感器
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如 图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片 受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化， 从而使输出光强受到调制。
6 光纤传感器的类型
光纤传感器按其作用方式一般分为两种类型： 一 功能型光纤传感器， 二 非功能型光纤传感器。
功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏 感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且 在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学 特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。
（3）传输损耗
由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等 的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输 损耗A可用下式表示
-10 lg I0
A=
I
L
式中 L ——光纤的长度 I0——光纤入射端的光强 I——光纤输出端的光强
学习情境偏振态调制型光纤传感器页课件 (一)
学习情境偏振态调制型光纤传感器页课件(一)学习情境偏振态调制型光纤传感器页课件随着科技的进步，许多如传感器这样的设备也得到了不断的改进与升级。
光纤传感器便是其中之一，而学习“情境偏振态调制型光纤传感器”的课件不仅可以让人深入了解这一领域的技术，还能为相关的研究工作提供更全面的知识支持和理论指导。
情境偏振态调制型光纤传感器是一种利用光学原理测量信号的传感装置。
它通过调变光纤中传输光的偏振态来实现信号的测量与检测。
这一技术的优势在于精度高、灵敏度高、抗干扰能力强等，使其在许多领域得到了广泛的应用。
学习情境偏振态调制型光纤传感器的课件应该具备的要素包括以下几个方面：1. 光学知识光学是情境偏振态调制型光纤传感器的基础，因此学习者需要了解光学的基本知识。
包括光线模型、光波模型、光学元件等方面。
2. 光纤传输原理光纤传输原理是情境偏振态调制型光纤传感器能够实现信号传输和测量的基础，学习者需要掌握光纤传输原理、常见的光纤类型、光纤的优缺点等方面的知识。
3. 偏振态调制技术偏振态调制技术是情境偏振态调制型光纤传感器的关键技术，因此要学习这一课题需要掌握其基本原理、技术特点、工作模式、其中可利用的偏振态参数等方面的内容。
4. 应用案例学习者需要了解情境偏振态调制型光纤传感器在实际应用中的应用案例和其使用特点。
包括研究领域、应用场景、工作原理、具体应用效果等方面。
如何更好地学习情境偏振态调制型光纤传感器页课件？1. 研读教材。
系统地分析光学原理、光纤传输原理、偏振态调制技术以及各类应用案例，对关键概念、原理、特点等进行深入了解。
2. 实践操作。
对于光学领域的学习，理论知识固然非常重要，但实践操作也等同重要。
可以尝试利用已有的光纤传感器设备进行实验操作，将理论变为实际应用。
3. 讨论交流。
在学习过程中可以设法和同僚朋友交流讨论，分享和交流对于光学领域的见解、感受以及学习方法和心得都是不错的学习旅程，可以有效地大家的深度学习效果。
第6章光纤传感器
跃型多模光纤为例,来进一步说明光纤的传光原理。
阶跃型多模光纤的基本结构如图6.4所示。设纤芯的折射 率为n1,包层的折射率为n2（ n1 ＞ n2 ）。当光线从空气（折 射率为n0）中射入光纤的一个端面,并与其轴线的夹角为θ0时 （如图6.4(a)所示）,按照斯乃尔法则,在光纤内折射成θ1角,然 后以φ1(φ1 =90°-θ1)角入射到纤芯与包层的交界面上。若入射 角φ1大于临界角φc,则入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逐次全反射向前传播,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。光纤总是把光能封闭在线状的光路中,从一点传输到 另一点。即便弯曲,光也能沿着光纤传播。但光纤过分弯曲,以 致使光射至界面的入射角小于临界角,那么,大部分光将透过包 层损失掉,从而不能在纤芯内部传播。
5. 光纤的集光本领与数值孔径有密切的关系。如图 6.5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之正弦：
NA =sinθc
20
第6章 光纤传感器
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。
数值孔径只决定了光纤的折射率,与光纤的尺寸无 关。这样,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。
k0dd2k2
f
f0
式中：k0=2πf0／c；k=2πf／c；c为真空中的光速。
19
第6章 光纤传感器
4. 可以弯曲是光纤的突出优点。光纤的弯曲性与光 纤的抗拉强度有关。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1=n1cosφ1
(6.4)
阶跃型多模光纤的基本结构如图6.4所示。设纤芯的折射 率为n1,包层的折射率为n2（ n1 ＞ n2 ）。当光线从空气（折 射率为n0）中射入光纤的一个端面,并与其轴线的夹角为θ0时 （如图6.4(a)所示）,按照斯乃尔法则,在光纤内折射成θ1角,然 后以φ1(φ1 =90°-θ1)角入射到纤芯与包层的交界面上。若入射 角φ1大于临界角φc,则入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逐次全反射向前传播,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。光纤总是把光能封闭在线状的光路中,从一点传输到 另一点。即便弯曲,光也能沿着光纤传播。但光纤过分弯曲,以 致使光射至界面的入射角小于临界角,那么,大部分光将透过包 层损失掉,从而不能在纤芯内部传播。
5. 光纤的集光本领与数值孔径有密切的关系。如图 6.5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之正弦：
NA =sinθc
20
第6章 光纤传感器
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。
数值孔径只决定了光纤的折射率,与光纤的尺寸无 关。这样,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。
k0dd2k2
f
f0
式中：k0=2πf0／c；k=2πf／c；c为真空中的光速。
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第6章 光纤传感器
4. 可以弯曲是光纤的突出优点。光纤的弯曲性与光 纤的抗拉强度有关。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1=n1cosφ1
(6.4)
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
偏振态调制干涉型光纤传感器
摘
要 ： 对 低 双 折 射光 纤 双 束 干 涉 型 传 感 器 两臂 偏 振 态 随 机 变 化 引起 的信 号 衰 落 ， 出 了一 种 新 型 干 涉 型光 纤 针 提
传 感 器 的 消 偏 振 衰 落 方 案 ．通 过 在 光 纤 干 涉仪 的 任 何 一 臂 加 对 光 波 偏 振 态 适 当的 高 频 调 制 ． 在输 出 端 高 频 滤 波 后 ， 可 以消 除 干 涉 仪 两 臂 偏 振 志 随机 变 化 的 影 响 ， 得 干 涉信 号 可 见度 为 ０ ７ ７的 稳 定 输 出 ， 而 实现 干 涉 型 光 纤 传 获 ．０ 从 感器的消偏振衰落． 关毽词 ： 光纤 干 涉 仪 ； 振 衰 落 ；调 制 偏 中 围分 类 号 ：Ｔ ２２ Ｐ １ 文 献标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ８９３ ２ ０ ）３０ ５ ４ ｉ０ ７ Ｘ（０ ２０ ０６０
（ ｅ ａ ｔ ｎ ｆ Ｉｊ ｒ ｔ ｎ ａ ｄ Ｅ ｅｔｏ ｉ Ｅｎ ｉｅｒｎ Ｚ ｅ ａ ｇ Ｕｎｖ ｒ ｔ Ｈａ ｇ ｈ ｕ ３ ０ ２ ， ｈ ｎ ） Ｄ ｐ ｒｍｅｔ ｎ ｂ ｍａｉ ｎ ｌｃ ｎｃ ｇ ｎ ｅｉｇ， ｈ ｆ ｎ ｉｅｓ ｙ， ｎ ｚ ｏ １ ０ ７ Ｃ ｉａ ｏ ｏ ｒ ｉ ｉ
Ｍ ｏ ｕ ａ ｅ ｏ ａ ｉ ａ ｉ ｎ ｉ ｅ ｉｉ ｅ ｄ ｌ ｔ ｄ ｐ ｌ ｒ ｚ ｔ ｏ ｎｓ ｎｓ ｔｖ ｉ ｅ ｆ ｒ ｍ ｅ ｒ ｃ ｆ ｂ ｒ ｏ ｉ ｅ ｓ ｒ ｎｔ ｒ ｅ ｏ ｔ ｉ ｉ ｅ － ｐｔｃ ｓ ｎ ｏ
ＬＩＺｈｉｎ ｎ — ｅ ｇ，ＳＨＥＮ ａ ｇ，ＺＨＯＵ ａ ｄ ｎ Ｌｉ ｎ Ｘｉｏ— ｏ ｇ
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第 ３ ６卷 第 １期
２０ ０ ２年 １月
光纤传感原理与应用 尚盈 电子课件 第六章
图6-1-5 微弯传感器的工作原理图
6.1 强度调制型光纤传感器
6.1 强度调制型光纤传感器
6.1.4 折射率强度调制
折射率强度调制的基本原理是多个物理量都可以引起光纤折射率的变化，通过折射率的变化实现光 强的调制。主要有三种方式。
1、利用光纤折射率的变化引起输入光损耗变化的光强调制 通常光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同，在温度不变时，包层折射率n1与纤芯折射率n2之间 的差值恒定，而当温度变化时，这个差值会发生变化，从而会产生传输损耗。根据这种原理，通过选择 具有不同折射率温度系数的材料制作纤芯和包层，并以某一温度时接收到的光强为基准，根据传输损耗 的变化就可以确定温度的变化。
图6-1-4 透射式调制原理图
6.1 强度调制型光纤传感器 6.1 强度调制型光纤传感器
6.1.3 微弯调制型 当光纤在外力作用下发生微弯时，会引起光纤中不同模式的转化，即某些传导模变为辐射模或泄漏 模，从而引起损耗，这就是微弯损耗。如果将微弯损耗与特制的微弯变形器及其位置，引起微弯的压力 等物理量通过特定的关系式联系起来，就可以构成各种不同功能的传感器。 图6-1-5是光纤微弯传感器的基本工作原理示意图。其中微弯变形器由两块具有特定周期的波纹板 和夹在其中的多模光纤构成。波纹板的周期根据满足两个光纤模式之间的传播常数匹配原则来确定。
图6-1-2 反射式调制的基本原理
ห้องสมุดไป่ตู้
6.1 强度调制型光纤传感器 6.1 强度调制型光纤传感器
6.1.2 透射式强度调制 强度调制的方式还可以采用透射式调制。透射式调制是在输入与输出光纤的耦合端面之间插入遮光 板，或者改变输入与输出光纤(其中之一为可动光纤)的间距、位置，以实现对输入与输出光纤之间的耦 合效率的调制，从而改变光电探测器所接收到的光强度。透射式调制型传感器的基本原理如图6-1-4所 示。 此类型的传感器常常被用于测量位移、压力、温度和振动等物理量。这些物理量作用于遮光板或者 动光纤上，使得输入与输出光纤的轴线发生相对移动，从而导致耦合效率的改变。
6.1 强度调制型光纤传感器
6.1 强度调制型光纤传感器
6.1.4 折射率强度调制
折射率强度调制的基本原理是多个物理量都可以引起光纤折射率的变化，通过折射率的变化实现光 强的调制。主要有三种方式。
1、利用光纤折射率的变化引起输入光损耗变化的光强调制 通常光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同，在温度不变时，包层折射率n1与纤芯折射率n2之间 的差值恒定，而当温度变化时，这个差值会发生变化，从而会产生传输损耗。根据这种原理，通过选择 具有不同折射率温度系数的材料制作纤芯和包层，并以某一温度时接收到的光强为基准，根据传输损耗 的变化就可以确定温度的变化。
图6-1-4 透射式调制原理图
6.1 强度调制型光纤传感器 6.1 强度调制型光纤传感器
6.1.3 微弯调制型 当光纤在外力作用下发生微弯时，会引起光纤中不同模式的转化，即某些传导模变为辐射模或泄漏 模，从而引起损耗，这就是微弯损耗。如果将微弯损耗与特制的微弯变形器及其位置，引起微弯的压力 等物理量通过特定的关系式联系起来，就可以构成各种不同功能的传感器。 图6-1-5是光纤微弯传感器的基本工作原理示意图。其中微弯变形器由两块具有特定周期的波纹板 和夹在其中的多模光纤构成。波纹板的周期根据满足两个光纤模式之间的传播常数匹配原则来确定。
图6-1-2 反射式调制的基本原理
ห้องสมุดไป่ตู้
6.1 强度调制型光纤传感器 6.1 强度调制型光纤传感器
6.1.2 透射式强度调制 强度调制的方式还可以采用透射式调制。透射式调制是在输入与输出光纤的耦合端面之间插入遮光 板，或者改变输入与输出光纤(其中之一为可动光纤)的间距、位置，以实现对输入与输出光纤之间的耦 合效率的调制，从而改变光电探测器所接收到的光强度。透射式调制型传感器的基本原理如图6-1-4所 示。 此类型的传感器常常被用于测量位移、压力、温度和振动等物理量。这些物理量作用于遮光板或者 动光纤上，使得输入与输出光纤的轴线发生相对移动，从而导致耦合效率的改变。
光纤传感器介绍
x、 射线传感器
流量传感器 转动、转速传感器 光开关
光强度调制型光纤传感器——光纤压力传感器
在压力作用下光纤产生微弯变形导致 光强度变化，从而引起光纤传输损耗 的改变，并由吸收、发射或折射率变 化来调制发射光，可制成微弯效应的 光纤压力传感器 。
由于齿板的作用，在沿光纤光轴的垂直方向上加有压力时，光纤产生 微弯变形，光波导方式改变，传输损耗增加。
光纤传感器的分类——相位调制型
相位调制型光纤传感器：
是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致 光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确 定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。
通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器； 利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感 器（光纤陀螺）等。
①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。 ⑤容易实现对被测信号的远距离监控。
光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、 磁场等物理量
光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本原理：光导纤维不仅可以作为光波的传播介质，而且光波在光纤中传 播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、 磁场、电场、位移、转动等）的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感 元件来探测各种物理量。
这种传感器的优点是有极高的灵敏度，主要用 于光纤陀螺、光纤水听器、动态压力和应变测 量、机械振动测量等方面 。
激光器的点光源光束扩散为平行波， 经分光器分为两路，一为基准光路， 另一为测量光路。外界温度（或压 力、振动等）引起光纤长度的变化 和相位的光相位变化，从而产生不 同数量的干涉条纹，对它的模向移 动进行计数，就可测量温度或压力 等。
流量传感器 转动、转速传感器 光开关
光强度调制型光纤传感器——光纤压力传感器
在压力作用下光纤产生微弯变形导致 光强度变化，从而引起光纤传输损耗 的改变，并由吸收、发射或折射率变 化来调制发射光，可制成微弯效应的 光纤压力传感器 。
由于齿板的作用，在沿光纤光轴的垂直方向上加有压力时，光纤产生 微弯变形，光波导方式改变，传输损耗增加。
光纤传感器的分类——相位调制型
相位调制型光纤传感器：
是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致 光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确 定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。
通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器； 利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感 器（光纤陀螺）等。
①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。 ⑤容易实现对被测信号的远距离监控。
光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、 磁场等物理量
光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本原理：光导纤维不仅可以作为光波的传播介质，而且光波在光纤中传 播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、 磁场、电场、位移、转动等）的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感 元件来探测各种物理量。
这种传感器的优点是有极高的灵敏度，主要用 于光纤陀螺、光纤水听器、动态压力和应变测 量、机械振动测量等方面 。
激光器的点光源光束扩散为平行波， 经分光器分为两路，一为基准光路， 另一为测量光路。外界温度（或压 力、振动等）引起光纤长度的变化 和相位的光相位变化，从而产生不 同数量的干涉条纹，对它的模向移 动进行计数，就可测量温度或压力 等。
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
光纤传感器的分类及其应用原理
光纤传感器的分类及其应用原理一、本文概述光纤传感器是一种基于光纤技术的高精度、高灵敏度的测量装置，具有广泛的应用前景。
本文旨在全面介绍光纤传感器的分类及其应用原理。
我们将首先概述光纤传感器的基本概念和分类，然后深入探讨各类光纤传感器的应用原理，以及它们在不同领域中的实际应用。
通过阅读本文，读者将能够更深入地理解光纤传感器的工作原理和应用领域，为相关研究和应用提供有益的参考。
在本文中，我们将重点关注光纤传感器的分类，包括基于干涉原理的传感器、基于光强调制的传感器、基于偏振态的传感器等。
每种类型的光纤传感器都有其独特的工作原理和应用场景。
我们将逐一分析这些传感器的工作原理，以及它们在通信、环境监测、医疗健康、军事等领域中的应用实例。
我们还将关注光纤传感器的优势与挑战。
光纤传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、传输距离远等优点，但同时也面临着成本、可靠性等方面的挑战。
我们将对这些问题进行深入探讨，以期为读者提供全面的光纤传感器知识。
本文旨在全面介绍光纤传感器的分类及其应用原理，帮助读者更好地理解和应用光纤传感器技术。
我们希望通过本文的阐述，能够激发读者对光纤传感器技术的兴趣，推动相关研究和应用的发展。
二、光纤传感器的分类光纤传感器按照其工作原理和传感机制的不同，大致可以分为以下几类：强度调制型光纤传感器：这类传感器主要利用光强的变化来感知外界的物理量，如温度、压力、位移等。
当外界物理量作用于光纤时，会导致光纤中的光强发生变化，通过测量这种变化，就可以实现对物理量的测量。
相位调制型光纤传感器：相位调制型光纤传感器主要利用外界物理量对光纤中光的相位进行调制。
当外界物理量作用于光纤时，会导致光的相位发生变化，通过测量相位变化，可以实现对物理量的测量。
这类传感器具有较高的灵敏度和精度。
偏振调制型光纤传感器：偏振调制型光纤传感器主要利用外界物理量对光纤中光的偏振状态进行调制。
当外界物理量作用于光纤时，会导致光的偏振状态发生变化，通过测量偏振状态的变化，可以实现对物理量的测量。
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• 克尔效应（平方电光效应）
发生于一切物质。当自然双折射（各向同性介质）外加电场方向与光传 播方向垂直时，各向同性介质变成各向异性介质，产生感应双折射
n 0 KE
2
2
K克尔系数，L光在克尔盒中物理长度，d电极间距离，则入射线偏振光的 两垂直分量间的相位差
U nl 2Kl 0 d d U 2kl 2
对于KDP • 纵向调制（电场与通光方向一致）
n n0 63 E
3 3
63
3
纵向运用电光系数
2n0 63 E l / 0 2n0 63U / 0 U ,U U U U 0 / 2n0 63
3 2
改变纵向电压，实现偏振调制。对于KDP半波电压约为7~8KV
2
特点：响应速度快，响应频率高达1010Hz，可用语快速电场、电压测量， 常用克尔液体：苯、二硫化碳、氯仿、硝基苯等
• 光弹效应 • 当材料在正交方向上受到应力差时，这两个正交方向 上的折射率发生变化，产生感应双折射
n n (1 )(P 11 P 12 ) 2E 2 nl
载流导线在周围产生磁场满足安 培环路定律
效应
• 对于自然双折射介质，当线偏振光与（折射率主轴X、Y 轴）成45度角通过介质时，两个正交分量出现相位差
2
0
n
x
n y l
2
0
nl
但自然双折射Δ n很小，对于KDP（KH2PO4）BSO（Bi4Ge3O12）、LNO（LiNO3）等人工晶 体，施加电场，产生正比于所加电场U的一次方的感应双折射，叫普克尔效应-线性电 光效应。
• 当 Θ =0°或180°时，透射光最强。当Θ =90°或180° 时，I=0，透射光强为零。
渥拉斯登棱镜:由棱镜出来的光,是两束平行偏振光,它们之间夹角 取决于所用材料及棱镜折射角。 当载流导体没有电流时，使渥拉斯登棱镜的两个主轴与入射光纤 的线偏振光的偏振方向成±４５◦，以便获得偏振面旋转角变化的最 大灵敏度。 当载流导体施加电流时，设光纤内光被光波偏振面旋转角度为Θ， 马吕斯定律，光探测器Ｄ１、Ｄ２接收到的光强为
偏振调制
• 对于低双折射光纤,拍长很长,在有限长度下,两垂直分量相 差很小,在外界因素作用下,双折射加强,线偏振态发生明显 变化,导致偏振调制。 • 保偏光纤（高双折射）不受外界影响，在两保偏光纤之间 插入一偏振敏感器，用来感知外界因素。 偏振调制机制： • 电光调制 • 磁光调制 • 光弹调制
法拉第效应
• 菲尔德常数V有正有负，偏振方向与外加磁场有关，当光 传播方向与磁场方向一致时，V取正值，顺着光传播方向 看，Θ 是左旋的（ Θ ＜0）；当光传播方向与磁场方向 一致时，V取负值，顺着光传播方向看，Θ 是右旋的（ Θ ＞0） • 法拉第效应是非互易效应
渥拉斯登棱镜:由棱镜出来的光,是两束平行偏振光,它们之间夹角取决于 所用材料及棱镜折射角。
2
• 横向调制（电场与通光方向垂直）
n0 41U l 0 d 0 d U 3 2n0 41 l 2 41 横向运用电光系数，l通光方向长度，d电场方向晶体厚度
3
横向半波电压与晶体尺寸有 关，通过调d/l可降低半波 电压，不同电光晶体半波电 压不同，LNO只有几百伏
I1 I 0 cos2 (45 ) I 2 I 0 sin 2 (45 )
这样，将光波旋转角Θ 的信息转化为光强信息。 经过加法器、减法器和除法器，输出信号为
I1 I 2 P cos2(45 ) sin 2 I1 I 2
Θ ＜＜１时，ｓｉｎ２ Θ约等于Θ，故Ｐ与Θ成线性关系．再经过信号处理 可得被测电流。
3
K--物质光弹性常数；Δ σ --施加在物体上的应力差；l--光波通过材料的 长度。 偏振面旋转正比于Δ σ ，光弹效应发生于一切透明材料中，强弱不同，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。
光弹效应实验系统
偏振调制检测
马吕斯定律
• 一束光强为I0的线偏振光，透过检偏器以后，透射光的光 强为I=I0cos2 Θ 。 式中 Θ是线偏振光的光振动方向与检偏 器透振方向间的夹角，该式称为马吕斯定律。
• 当平面偏振光在磁场作用下、使偏振光的振动面发生旋转， 这种现象称为法拉第效应。光矢量(E，H)旋转角θ 与光在 物质中通过的距离 L L和磁感应强度H成正比，即
V H dL VLH
0
V为材料的菲尔德常数；
如果材料L一定，旋转角 正比于磁感应强度H，利 用法拉第效应可以测量磁 场。