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第9章 光纤式传感器 光光(导导)纤纤(维维)是是20世世纪纪70年年代代的的重重要要发发明明之之一一，它它与与激激光光器器、半半导导体体探探测测器器一一起起构构成成了了新新的的光光学学技技术术，创创造造了了光光电电子子学学的的新新天天地地。光光纤纤的的出出现现产产生生了了光光纤纤通通信信技技术术，特特别别是是光光纤纤在在有有线线通通信信方方面面的的优优势势越越来来越越突突出出，它它为为人人类类21世世纪纪的的通通信信基基础础信信息息高高速速公公路路奠奠定定了了基基础础，为为多多媒媒体体通通信信提提供供了了实实现现的的必必需需条条件件。由由于于光光纤纤具具有有许许多多新新的的特特性性，所所以以不不仅仅在通信方面，在传感器等方面也获得了应用在通信方面，在传感器等方面也获得了应用。第9章 光纤式传感器 当当光光纤纤受受到到外外界界环环境境因因素素的的影影响响，如如温温度度、压压力力、电电场场、磁磁场场等等条条件件变变化化时时，光光纤纤的的传传输输特特性性将将随随之之改改变变，且且二二者者之之间间存存在在一一定定的的对对应应关关系系，由由此此便便研研制制出出光光纤纤传传感感器器。20世世纪纪70年年代代初初研研制制出出第第一一根根实实用用光光纤纤后后，20世世纪纪80年年代代已已发发展展了了60多多种种不不同同的的光光纤纤传传感感器器。目目前前，已已研研发发出出测测量量位位移移、速速度度、加加速速度度、压压力力、温温度度、流流量量、电电场场、磁磁场场等等各各种种物物理量理量的数百种光纤传感器。的数百种光纤传感器。第9章 光纤式传感器 光纤传感器的优点如下光纤传感器的优点如下:(1)(1)具有很高的灵敏度。具有很高的灵敏度。(2)(2)频带宽、动态范围大。频带宽、动态范围大。(3)(3)可根据实际需要做成各种形状。可根据实际需要做成各种形状。(4)可可以以用用很很相相近近的的技技术术基基础础构构成成传传感感不不同同物物理理量量的的传传感感器器，这这些些物物理理量量包包括括声声场场、磁磁场场、压压力力、温温度度、加加速速度度、转转动动(陀陀螺螺)、位位移移、液液位位、流流量量、电电流流、辐射等。辐射等。第9章 光纤式传感器 (5)便便于于与与计计算算机机和和光光纤纤传传输输系系统统相相连连，易易于于实实现现系系统的遥测和控制。统的遥测和控制。(6)可可用用于于高高温温、高高压压、强强电电磁磁干干扰扰、腐腐蚀蚀等等各各种种恶恶劣环境。劣环境。(7)结构简单、体积小、重量轻、耗能少。结构简单、体积小、重量轻、耗能少。第9章 光纤式传感器9.1&9.2 光纤及其传光原理光纤及其传光原理9.3 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的组成及分类9.4&9.5 光调制方式光调制方式9.6 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例9.1&9.2 光纤及其传光原理9.1.1 光纤的结构光纤的结构9.1.2 光纤的传光原理光纤的传光原理9.1.3 光纤的主要参数光纤的主要参数9.1.1 光纤的结构 如如图图所所示示，中中心心圆圆柱柱体体称称为为纤纤芯芯，由由某某种种玻玻璃璃或或塑塑料料制制成成。纤纤芯芯外外围围的的圆圆筒筒形形外外壳壳称称为为包包层层，通通常常也也是是由由玻玻璃璃或或塑塑料料制制成成。包包层层外外面面有有涂涂敷敷层层，之之外外是是一一层层塑塑料料保保护护外外套套。光光纤纤的的导导光光能能力力取取决决于于纤纤芯和包层的性质芯和包层的性质，机械强度取决于塑料保护外套。，机械强度取决于塑料保护外套。9.1 光纤及其传光原理9.1.1 光纤的结构光纤的结构9.1.2 光纤的传光原理光纤的传光原理9.1.3 光纤的主要参数光纤的主要参数9.1.2 光纤的传光原理 当当光光线线由由光光密密媒媒质质(折折射射率率n1)射射入入光光疏疏媒媒质质(折折射射率率n2，n1n2)时时，若若入入射射角角大大于于等等于于临临界界角角f fsin1(n2/n1)，在媒质界面上会发生，在媒质界面上会发生全反射现象全反射现象。9.1.2 光纤的传光原理 光光在在光光纤纤中中传传播播的的基基本本原原理理可可用用光光线线或或光光波波的的概概念念来来描描述述。光光线线的的概概念念是是一一个个简简便便、近近似似方方法法，可可用用来来导导出出一一些些重重要要概概念念，如如全全反反射射的的概概念念、光光线线截截留留的的概概念念等等。然然而而，要要进进一一步步研研究究光光的的传传播播理理论论，将将光光看看作作射射线线就就不不够够了了，必必须须借借助助波波动动理理论论。即即需需要要考考虑虑到到光光是是电电磁磁波波动动现现象象以以及及光光纤纤是是圆圆柱柱形形介介质质波波导导等等，才才能能研研究究光光在在圆圆柱柱形形波波导导中中允允许许存存在在的的传传播播模模式式，并并导导出经常要提到的出经常要提到的波导参数波导参数(V值值)等概念。等概念。9.1.2 光纤的传光原理 以以阶阶跃跃型型多多模模光光纤纤为为例例，在在子子午午面面内内光光线线从从空空气气(折折射射率率n0)射射入入光光纤纤端端面面，与与轴轴线线的的夹夹角角为为q q0，若若入入射射角角小小于于某某一一值值q qC，光光线线在在纤纤芯芯和和包包层层的的界界面面上上将将发发生生全全反反射射，光光线线射射不不出出纤纤芯芯，从从而而能能够够从从光光纤纤的的一一端端传传播播到到另另一一端端，这这就就是是光光纤纤传光的基本原理。传光的基本原理。子午面子午面通过物点和光轴的截面称为子午面9.1.2 光纤的传光原理由由Snell定律得定律得则则 即即9.1.2 光纤的传光原理 若若要要使使入入射射光光线线在在纤纤芯芯和和包包层层的的界界面面上上发发生生全全反反射，由临界角定义，应满足射，由临界角定义，应满足代入代入9.1.2 光纤的传光原理 能能使使光光线线在在光光纤纤内内全全反反射射的的最最大大入入射射角角q qC可可由由上上式求得，即式求得，即 得得9.1.2 光纤的传光原理式式中中，NA称称为为光光纤纤的的数数值值孔孔径径，它它表表示示当当入入射射光光从从外外部部介介质质射射入入光光纤纤时时，只只有有入入射射角角小小于于q qC的的光光才才能能在在光光纤中传播。纤中传播。9.1 光纤及其传光原理9.1.1 光纤的结构光纤的结构9.1.2 光纤的传光原理光纤的传光原理9.1.3 光纤的主要参数光纤的主要参数9.1.3 光纤的主要参数 1.数值孔径数值孔径 定定义义：光光从从空空气气入入射射到到光光纤纤输输入入端端面面时时，处处在在某某一一角角锥锥内内的的光光线线一一旦旦进进入入光光纤纤，就就将将被被截截留留在在纤纤芯中，此芯中，此光锥半角光锥半角(q qC)的正弦称为的正弦称为数值孔径数值孔径。数数值值孔孔径径NA是是光光纤纤的的一一个个基基本本参参数数，反反映映了了光光纤纤与与光光源源或或探探测测器器等等元元件件耦耦合合时时的的耦耦合合效效率率，只只有有入入射射光光处处于于2q qC的的光光锥锥内内,光光纤纤才才能能导导光光。一一般般希希望望有有大大的的数数值值孔孔径径，这这有有利利于于耦耦合合效效率率的的提提高高，但但数值孔径过大，会造成光信号畸变。数值孔径过大，会造成光信号畸变。9.1.3 光纤的主要参数 可可知知，NA与与光光纤纤的的几几何何尺尺寸寸无无关关，仅仅与与纤纤芯芯和和包包层层的的折折射射率率有有关关，纤纤芯芯和和包包层层的的折折射射率率差差别别越越大大，数数值值孔孔径径就就越越大大，光光纤纤的的集集光光能能力力就就越越强强。石石英英光光纤纤的的NA0.20.4。由由9.1.3 光纤的主要参数 2.光纤的传输模式光纤的传输模式 根根据据电电介介质质中中电电磁磁场场的的麦麦克克斯斯韦韦方方程程，考考虑虑到到光光纤纤圆圆柱柱形形波波导导和和纤纤芯芯包包层层界界面面处处的的几几何何边边界界条条件件时时，则则只只存存在在波波动动方方程程的的特特定定(离离散散)解解。允允许许存存在在的的不不同同的的解解代代表表许许多多离离散散的的沿沿波波导导轴轴传传播播的的波波。每一个允许传播的波称为一个每一个允许传播的波称为一个模模。9.1.3 光纤的主要参数 光光纤纤传传输输的的光光波波，可可分分解解为为沿沿轴轴向向和和沿沿横横截截面面传传输输的的两两种种平平面面波波。因因为为沿沿横横截截面面传传输输的的平平面面波波是是在在纤纤芯芯和和包包层层的的界界面面处处全全反反射射的的，所所以以，当当每每一一次次往往返返相相位位变变化化是是2p p的的整整数数倍倍时时，将将在在截截面面内内形形成成驻驻波波。能能形形成成驻驻波波的的光光线线称称为为“模模”，“模模”是是离离散散存存在在的的，某某种种光光纤纤只只能能传传输输特特定模数的光定模数的光。9.1.3 光纤的主要参数 实实际际中中常常用用由由麦麦克克斯斯韦韦方方程程导导出出的的归归一一化化频频率率n n作作为为确确定定光光纤纤传传输输模模数数的的参参数数。n n的的值值可可以以由由纤纤芯芯半半径径r、传输光波波长传输光波波长l l及光纤的数值孔径及光纤的数值孔径NA确定，即确定，即9.1.3 光纤的主要参数当当N比较大时比较大时，光纤传输的，光纤传输的模的总数模的总数N近似为近似为n n值值小小于于2.41的的光光纤纤，纤纤芯芯很很细细(5 m mm10 m mm)，仅仅能能传传输输基基模模(截截止止波波长长最最长长的的模模式式)，故故称称为为单单模模光光纤纤。n n值值大大的的光光纤纤传传输输的的模模数数多多，称称为为多多模模光光纤纤，通通常常纤纤芯芯直直径较粗径较粗(几十几十m mm以上以上)，能传输几百个以上的模。，能传输几百个以上的模。9.1.3 光纤的主要参数 (1)单单模模光光纤纤 这这类类光光纤纤传传输输性性能能好好，常常用用于于功功能能型型光光纤纤传传感感器器，制制成成的的传传感感器器比比多多模模传传感感器器有有更更好好的的线线性性、更更高高的的灵灵敏敏度度和和动动态态测测量量范范围围。但但由由于纤芯太小，制造、连接和耦合都很困难。于纤芯太小，制造、连接和耦合都很困难。(2)多多模模光光纤纤 这这类类光光纤纤性性能能较较差差。但但纤纤芯芯截截面面大大，容容易易制制造造，连连接接耦耦合合也也比比较较方方便便。这这种种光光纤纤常用于常用于非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器。9.1.3 光纤的主要参数 3.传输损耗传输损耗 光光波波在在光光纤纤中中传传输输，随随着着传传输输距距离离的的增增加加，光光功功率率逐逐渐渐下下降降，这这就就是是光光纤纤的的传传输输损损耗耗。形形成成光光纤纤损损耗耗的的原原因因很很多多，光光纤纤纤纤芯芯材材料料的的吸吸收收、散散射射，光光纤纤弯弯曲曲处处的的辐辐射射损损耗耗，光光纤纤与与光光源源的的耦耦合合损损耗耗，光光纤纤之之间间的的连连接接损损耗耗等等，都都会会造造成成光光信信号号在在光光纤纤中中的的传传播播有有一一定定程度的损耗。通常用衰减率程度的损耗。通常用衰减率A表示传播损耗表示传播损耗9.1.3 光纤的主要参数 4.色散色散 光光纤纤的的色色散散是是由由于于光光信信号号中中的的不不同同频频率率成成分分或或不不同同的的模模式式，在在光光纤纤中中传传输输时时，由由于于速速度度不不同同而而使使得传播时间不同，从而产生得传播时间不同，从而产生波形畸变波形畸变的现象。的现象。当当输输入入光光束束是是光光脉脉冲冲时时，随随着着光光的的传传输输，光光脉脉冲冲的的宽宽度度可可被被展展宽宽，如如果果光光脉脉冲冲变变得得太太宽宽以以致致发发生生重重叠叠或或完完全全吻吻合合，施施加加在在光光束束上上的的信信息息就就会会丧丧失失。这种光纤中产生的脉冲展宽现象称为色散。这种光纤中产生的脉冲展宽现象称为色散。9.1.3 光纤的主要参数常用光纤类型及参数如表所示。常用光纤类型及参数如表所示。类类 型型折射率分布折射率分布纤芯直径纤芯直径/m mm包层直径包层直径/mm数值孔径数值孔径单单 模模28801250.100.15多模多模阶跃光纤阶跃光纤(玻璃玻璃)802001002500.10.3多模多模阶跃光纤阶跃光纤(玻璃玻璃/塑料塑料)200100023012500.180.50多模多模梯度光纤梯度光纤501001251500.10.29.1 光纤及其传光原理9.1.1 光纤的结构光纤的结构9.1.2 光纤的传光原理光纤的传光原理9.1.3 光纤的主要参数光纤的主要参数第9章 光纤式传感器9.1&9.2 光纤及其传光原理光纤及其传光原理9.3 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的组成及分类9.4&9.5 光调制方式光调制方式9.6 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例9.3 光纤传感器的组成及分类9.3.1 光纤传感器的基本组成光纤传感器的基本组成9.3.2 光纤传感器的分类光纤传感器的分类9.3.1 光纤传感器的基本组成 光光纤纤传传感感器器主主要要包包括括光光导导纤纤维维、光光源源、光光探探测测器器三个重要部件。三个重要部件。光光源源 分分为为相相干干光光源源(各各种种激激光光器器)和和非非相相干干光光源源(白白炽炽光光、发发光光二二极极管管)。实实际际中中，一一般般要要求求光光源源的的尺尺寸寸小小、发发光光面面积积大大、波波长长合合适适、足足够够亮亮、稳稳定性好、噪声小、寿命长、安装方便等。定性好、噪声小、寿命长、安装方便等。9.3.1 光纤传感器的基本组成 光光探探测测器器 包包括括光光敏敏二二极极管管、光光敏敏三三极极管管、光光电电倍倍增增管管、光光电电池池等等。光光探探测测器器在在光光纤纤传传感感器器中中有有着着十十分分重重要要的的地地位位，它它的的灵灵敏敏度度、带带宽宽等等参参数数将将直接影响传感器的总体性能。直接影响传感器的总体性能。9.3 光纤传感器的组成及分类9.3.1 光纤传感器的基本组成光纤传感器的基本组成9.3.2 光纤传感器的分类光纤传感器的分类9.3.2 光纤传感器的分类 光光纤纤传传感感器器一一般般可可分分为为功功能能型型和和非非功功能能型型两大类。两大类。1.功能型光纤传感器功能型光纤传感器 功能型光纤传感器又称功能型光纤传感器又称传感型光纤传感器传感型光纤传感器，主要主要使用单模光纤使用单模光纤，基本结构原理如图所示。光纤在这类，基本结构原理如图所示。光纤在这类传感器中传感器中不仅是传光元件不仅是传光元件，而且利用光纤本身的某些而且利用光纤本身的某些特性来感知外界因素的变化特性来感知外界因素的变化，所以它所以它又是敏感元件又是敏感元件。9.3.2 光纤传感器的分类 在在功功能能型型光光纤纤传传感感器器中中，由由于于光光纤纤本本身身是是敏敏感感元元件件，因因此此改改变变几几何何尺尺寸寸和和材材料料性性质质可可以以改改善善灵灵敏敏度度。功功能能型型光光纤纤传传感感器器中中光光纤纤是是连连续续的的，结结构构比比较较简简单单，但但为为了了能能够够灵灵敏敏地地感感受受外外界界因因素素的的变变化化，往往往需要用特种光纤作探头，使得制造比较困难。往需要用特种光纤作探头，使得制造比较困难。9.3.2 光纤传感器的分类 2.非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器 非非功功能能型型光光纤纤传传感感器器又又称称传传光光型型光光纤纤传传感感器器。它它是是利利用用在在两两根根光光纤纤中中间间或或光光纤纤端端面面放放置置敏敏感感元元件件，来来感感受受被被测测量量的的变变化化，光光纤纤仅仅起起传传光作用，如图所示。光作用，如图所示。9.3.2 光纤传感器的分类 这这类类光光纤纤传传感感器器可可以以充充分分利利用用现现有有的的性性能能优优良良的的敏敏感感元元件件来来提提高高灵灵敏敏度度。为为了了获获得得较较大大的的受受光光量量和和传传输输光光的的功功率率，这这类类传传感感器器使使用用的的光光纤纤主主要要是是数数值孔径和芯径较大的阶跃型多模光纤值孔径和芯径较大的阶跃型多模光纤。9.3.2 光纤传感器的分类 在在非非功功能能型型光光纤纤传传感感器器中中，也也有有并并不不需需要要外外加加敏敏感感元元件件的的情情况况。比比如如，光光纤纤把把测测量量对对象象辐辐射射或或反反射射、散散射射的的光光信信号号传传播播到到光光电电元元件件。这这种种光光纤纤传传感感器器也也称称为为探探针针型型光光纤纤传传感感器器，使使用用单单模模光光纤纤或或多多模模光光纤纤。典典型型的的例例子子有有光光纤纤激激光光多多普普勒勒速速度度传传感感器器和和光纤辐射温度传感器光纤辐射温度传感器等。等。9.3 光纤传感器的组成及分类9.3.1 光纤传感器的基本组成光纤传感器的基本组成9.3.2 光纤传感器的分类光纤传感器的分类第9章 光纤式传感器9.1&9.2 光纤及其传光原理光纤及其传光原理9.3 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的组成及分类9.4&9.5 光调制方式光调制方式9.6 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例9.4&9.5 光调制方式 光光纤纤传传感感器器的的工工作作原原理理是是，通通过过被被测测量量对对光光纤纤内内传传输输的的光光进进行行调调制制，使使传传输输光光的的振振幅幅、波波长长、相相位位、频频率率或或偏偏振振态态等等发发生生变变化化，再再对对被被调调制制的的光光信信号号进进行行检检测测，从从而而得得出出相相应应的的被被测测量量。所所谓谓光光调调制制可可归归结结为为将将一一个个携携带带信信息息的的信信号号叠叠加加到到载载波波光光波波上上的的过过程程。这这个过程称为光波的调制，简称光调制。个过程称为光波的调制，简称光调制。9.4&9.5 光调制方式 光光调调制制技技术术是是光光纤纤传传感感器器的的基基础础和和关关键键技技术术。按按调调制制方方式式可可分分为为：强强度度调调制制、相相位位调调制制、偏偏振振调调制制、频频率率调调制制和和波波长长调调制制等等。而而且且，同同一一种种光光调调制制方方式式可可以以实实现现多多种种物物理理量量的的检检测测，同同一一物物理理量量也也可可利用多种光调制方式来实现测量。利用多种光调制方式来实现测量。9.4&9.5 光调制方式9.4.1 强度调制强度调制(功能型功能型)9.4.2 波长调制波长调制(功能型功能型)9.4.3 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量(功能型功能型)9.4.4 频率调制频率调制(功能型功能型)9.4.5 偏振调制偏振调制(功能型功能型)9.5.1 强度调制强度调制(遮断光路遮断光路-非功能型非功能型)9.5.2 强度调制强度调制(改变位置改变位置-非功能型非功能型)9.4.1 强度调制 利利用用被被测测量量直直接接或或间间接接地地改改变变光光纤纤中中传传输输光光的的强强度度，再再通通过过测测量量光光强强的的变变化化检检测测出出被被测测量量的的方方法法，称称为为强度调制强度调制，如图所示，如图所示。Is为外力场强。为外力场强。9.4.1 强度调制 同同理理，可可利利用用其其他他各各种种对对光光强强的的调调制制方方式式，如如光光纤纤位位移移、光光栅栅、反反射射式式、微微弯弯、模模斑斑、斑斑图图、辐辐射射等等来来调调制制入入射射光光，从从而而形形成成相相应应的的调调制制器器。强强度度调调制制是是光光纤纤传传感感器器使使用用最最早早的的调调制制方方法法，其其特特点点是是技技术术简简单单可可靠靠、价价格格低低廉廉。可可采采用用多多模模光光纤纤，光光纤纤的的连连接接器器和和耦耦合合器器均均已已商商品品化化。光光源源可可采采用用LED和和白白炽炽灯灯等等非非相相干干光光源源，探探测测器器一一般般用用光光敏敏二二极极管管、光敏三极管和光电池。光敏三极管和光电池。9.4.1 强度调制 1.微弯损耗光强调制微弯损耗光强调制 根根据据模模态态理理论论，当当光光纤纤受受力力微微弯弯时时，一一部部分分纤纤芯芯模模式式能能量量会会转转化化为为包包层层模模式式能能量量，通通过过测测量量包包层层模式能量或纤芯模式能量的变化就能测出被测量。模式能量或纤芯模式能量的变化就能测出被测量。9.4.1 强度调制 当当把把多多模模光光纤纤夹夹在在一一个个空空间间周周期期为为L的的梳梳状状结结构构变变形形器器中中时时，只只要要适适当当选选择择空空间间周周期期L和和光光纤纤传传输输模模式式间间的的传传输输常常数数差差，使使其其相相匹匹配配，则则变变形形器器位位移移产产生生的的光光纤纤微微弯弯就就会会引引起起各各传传输输模模式式间间的的耦耦合合，光光能能在在光光纤纤纤纤芯芯中中的的模模式式就就会会转转变变成成耦耦合合模模被被送送进进包包层层中中，形形成模辐射。成模辐射。9.4.1 强度调制 模模态态理理论论表表明明，当当纤纤芯芯传传输输模模b b1和和包包层层传传输输模模b b2的传输常数之差为的传输常数之差为时时，纤纤芯芯传传输输模模与与包包层层传传输输模模之之间间的的耦耦合合最最强强。在在梯度光纤中梯度光纤中9.4.1 强度调制在阶跃光纤中在阶跃光纤中n(0)、n(r)为为距距离离光光纤纤轴轴为为0和和r处处的的折折射射率率；r为为纤纤芯芯半径。半径。上面两式中上面两式中9.4.1 强度调制 2.利用小的线位移和角位移进行光强调制利用小的线位移和角位移进行光强调制 采采用用端端面面为为平平面面的的两两根根光光纤纤，一一根根为为入入射射光光纤纤，一一根根为为出出射射光光纤纤，光光纤纤间间距距约约23 m mm。出出射射光光纤纤相相对对于于入入射射光光纤纤横横向向或或纵纵向向微微小小移移动动或或微微小小转转动动时时，出出射光强随之发生变化。射光强随之发生变化。9.4.1 强度调制 3.利用折射率的变化进行光强调制利用折射率的变化进行光强调制 当当某某些些物物理理量量(如如温温度度或或压压力力等等)作作用用于于光光纤纤时时，引引起起光光纤纤的的纤纤芯芯和和包包层层的的折折射射率率发发生生变变化化，若若包包层层的的折折射射率率变变得得大大于于或或等等于于纤纤芯芯的的折折射射率率，则则光光在在纤纤芯芯和和包包层层界界面面上上的的全全反反射射遭遭到到破破坏坏，产产生输出光强的变化即实现强度调制。生输出光强的变化即实现强度调制。9.4.1 强度调制 4.利用光纤的吸收特性进行光强调制利用光纤的吸收特性进行光强调制 X射射线线、g g射射线线等等辐辐射射会会使使光光纤纤材材料料的的吸吸收收损损耗耗增增加加，光光纤纤的的输输出出功功率率降降低低，从从而而形形成成强强度度调调制制。由由于于不不同同材材料料对对不不同同的的射射线线敏敏感感，因因此此改改变变光光纤纤材材料料的的成成分分可可对对不不同同的的射射线线进进行行测测量量。图图示示是是根根据据这这种原理制成的测量辐射量的传感器。种原理制成的测量辐射量的传感器。9.4&9.5 光调制方式9.4.1 强度调制强度调制(功能型功能型)9.4.2 波长调制波长调制(功能型功能型)9.4.3 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量(功能型功能型)9.4.4 频率调制频率调制(功能型功能型)9.4.5 偏振调制偏振调制(功能型功能型)9.5.1 强度调制强度调制(遮断光路遮断光路-非功能型非功能型)9.5.2 强度调制强度调制(改变位置改变位置-非功能型非功能型)9.4.2 波长调制 利利用用外外界界因因素素改改变变光光纤纤中中光光的的波波长长，通通过过检检测测波波长长的的变变化化来来检检测测各各种种物物理理量量，称称为为波波长长调调制制。波波长长调调制制的的解解调调技技术术比比较较复复杂杂，与与强强度度调调制制技技术术相相比比应应用用较较少少。常常用用的的波波长长调调制制方方法法有有：利利用用热热色色物物质质的的颜颜色色变变化化、利利用用磷磷光光和和荧荧光光光光谱谱的的变变化化、利利用用黑黑体体辐辐射射、利利用用滤滤光光器器参参数数的的变变化化和和利利用用位位移移进进行行波波长调制。长调制。9.4.2 波长调制 如如图图所所示示，是是利利用用位位移移进进行行波波长长调调制制的的原原理理。光光纤纤线线性性位位移移、光光栅栅旋旋转转或或衍衍射射板板位位移移都都能能进进行行波波长长调调制。由此可以设计出光纤位移传感器。制。由此可以设计出光纤位移传感器。9.4&9.5 光调制方式9.4.1 强度调制强度调制(功能型功能型)9.4.2 波长调制波长调制(功能型功能型)9.4.3 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量(功能型功能型)9.4.4 频率调制频率调制(功能型功能型)9.4.5 偏振调制偏振调制(功能型功能型)9.5.1 强度调制强度调制(遮断光路遮断光路-非功能型非功能型)9.5.2 强度调制强度调制(改变位置改变位置-非功能型非功能型)9.4.3 相位调制及干涉测量 1.相位调制相位调制 利利用用外外界界因因素素改改变变光光纤纤中中光光波波的的相相位位，通通过过检检测测相相位位变变化化来来测测量量被被测测量量的的方方法法，称称为为相相位位调调制制。这这是是光光纤纤传传感感器器中中最最基基本本的的调调制制技技术术，以以灵灵敏敏度度高高著著称称。例例如如，若若信信号号监监测测系系统统可可以以检检测测1 m mrad的的相相移移，则则每每米米光光纤纤的的检检测测灵灵敏敏度度对对温温度度为为109、对对压压力力为为107 Pa、对对应应变变为为107(即即0.1 meme)，动动态态范范围可达围可达1010。9.4.3 相位调制及干涉测量 理理论论表表明明，当当真真空空中中波波长长为为l l0的的光光入入射射到到长长度度为为L的的光光纤纤时时，若若以以其其入入射射端端面面为为基基准准，则则出出射射光光的相位为的相位为式中式中，K0为光在真空中的传播常数，为光在真空中的传播常数，n为折射率。为折射率。由由此此，纤纤芯芯折折射射率率n变变化化和和光光纤纤长长度度L变变化化导导致的光相位变化为致的光相位变化为9.4.3 相位调制及干涉测量 当当光光纤纤受受到到纵纵向向(轴轴向向)的的机机械械应应力力作作用用时时，由由于于应应力力应应变变效效应应，光光纤纤的的长长度度(应应变变效效应应)、光光纤纤的的直直径径(泊泊松松效效应应)、纤纤芯芯折折射射率率(光光弹弹性性效效应应)都都将将变变化化，这这些些变变化化将将导导致致光光纤纤中中光光波波相相位位的的变变化化。若若将将光光纤纤放放在在变变化化的的温温度度场场中中，由由于于温温度度应应变变效效应应，引引起起光光纤纤的的折折射率和几何长度的变化也会引起相位变化射率和几何长度的变化也会引起相位变化。9.4.3 相位调制及干涉测量 最最常常用用的的相相位位调调制制方方法法是是在在PZT圆圆管管上上绕绕若若干干圈圈光光纤纤，并并且且稍稍稍稍拉拉紧紧。对对单单模模光光纤纤，当当l l633 nm，圆圆管管工工作作频频率率远远低低于于机机械械共共振振频频率率时时，通通过过施施加加70100 V的的反反转转电电压压可可产产生生2p p弧弧度度的的相相移移。若若工工作作在在机机械共振频率，相移的调制幅度可增加几个数量级。械共振频率，相移的调制幅度可增加几个数量级。9.4.3 相位调制及干涉测量 图图示示为为带带有有共共轴轴压压电电换换能能器器的的光光纤纤相相位位调调制制器器。光光纤纤置置于于PZT圆圆管管的的轴轴线线上上，圆圆管管与与光光纤纤间间充充以以声声学学材材料料(环环氧氧树树脂脂)。PZT圆圆管管工工作作于于厚厚度度模模式式，由由圆圆管管薄薄壁壁产产生生的的声声波波会会聚聚于于圆圆管管中中心心，对对纤纤芯芯施施加加压压力力，通过光弹效应使光纤的折射率受到调制。通过光弹效应使光纤的折射率受到调制。9.4.3 相位调制及干涉测量 图图示示为为被被覆覆压压电电外外套套的的光光纤纤相相位位调调制制器器。在在光光纤纤上上被被覆覆一一层层压压电电塑塑料料外外套套，如如聚聚偏偏二二氟氟乙乙烯烯(PVDF)，外套的内外表面被覆金属膜作电极。，外套的内外表面被覆金属膜作电极。9.4.3 相位调制及干涉测量 2.干涉测量干涉测量 目目前前光光探探测测器器对对光光的的相相位位变变化化都都不不敏敏感感，须须采采用用干干涉涉技技术术将将相相位位变变化化转转化化为为强强度度变变化化，才才能能够够实实现现对对物物理理量量的的测测量量。相相位位变变化化将将引引起起干干涉涉条条纹纹的的运运动动，记记录录干干涉涉条条纹纹移移动动的的数数目目，就就可可测测得得相相位位的的变变化化，从从而而测测得得导导致致相相位位变变化化的的物物理理量量，这这就就是是干干涉涉测量的原理。测量的原理。9.4.3 相位调制及干涉测量光纤干涉仪的一般系统结构如图所示。光纤干涉仪的一般系统结构如图所示。L激光器；激光器；P1分束器；分束器；P2耦合器；耦合器；D检测器检测器9.4.3 相位调制及干涉测量 (1)迈迈克克尔尔逊逊干干涉涉仪仪 基基本本原原理理如如左左图图所所示示。激激光光波波长长为为632.9 nm时时，可可检检测测平平面面镜镜6.31014 m的的位位移移。下下图图为为实际应用。实际应用。9.4.3 相位调制及干涉测量 (2)马马赫赫曾曾特特尔尔干干涉涉仪仪 结结构构如如右右图图所所示示。与与迈迈克克尔尔逊逊干干涉涉仪仪相相比比，优优点点是是只只有有少少量量或或者者没没有有光光直直接接返返回回激激光光器器，避避免免了了反反馈馈光光使使激激光光器器不不稳稳定定和和产产生生噪噪声声。下图为实际应用。下图为实际应用。9.4.3 相位调制及干涉测量 (3)萨萨格格奈奈克克干干涉涉仪仪 结结构构如如右右图图所所示示。平平面面镜镜移移动动时时，两两束束光光的的光光程程不不会会出出现现差差别别。但但如如果果使使固固定定该该干干涉涉仪仪的的台台子子绕绕着着垂垂直直于于光光束束平平面面的的轴轴旋旋转转，则则出出现现差别。下图为实际应用。差别。下图为实际应用。9.4.3 相位调制及干涉测量可以求得顺、反时针两光束之间的光程差为可以求得顺、反时针两光束之间的光程差为式式中中，A为为光光路路系系统统围围成成的的面面积积，c为为光光速速，w w为为光光路路系统旋转的角速度。系统旋转的角速度。由由此此可可测测干干涉涉仪仪的的台台子子相相对对于于惯惯性性空空间间的的转转动动角角速速度度。从从原原理理上上讲讲，它它是是目目前前许许多多惯惯性性导导航航系系统统所所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。9.4.3 相位调制及干涉测量 (4)法法布布里里珀珀罗罗干干涉涉仪仪 原原理理如如右右图图所所示示。两两平平行行平平面面镜镜的的反反射射率率通通常常非非常常大大，一一般般大大于于或或等等于于95%。下图为实际应用。下图为实际应用。9.4.3 相位调制及干涉测量 光光检检测测器器接接收收到到的的电电场场有有一一系系列列电电场场矢矢量量，在在原原理理上上它它们们的的数数量量是是无无限限的的，每每一一个个后后续续电电场场矢矢量量都都按按系系数数R2递递减减，这这里里R是是反反射射系系数数。设设相相邻邻两两出出射光束间的相位差为射光束间的相位差为q q，可得，可得9.4.3 相位调制及干涉测量 当当q q0,2p p,4p p,时时，干干涉涉光光强强有有最最大大值值。当当q qp p,3p p,5p p,时干涉光强有最小值。注意到时干涉光强有最小值。注意到反反射射率率越越大大，干干涉涉光光强强变变化化越越明明显显，分分辨辨率率越越高高。它它是能用于现代科学的最灵敏的位移测量装置之一。是能用于现代科学的最灵敏的位移测量装置之一。9.4&9.5 光调制方式9.4.1 强度调制强度调制(功能型功能型)9.4.2 波长调制波长调制(功能型功能型)9.4.3 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量(功能型功能型)9.4.4 频率调制频率调制(功能型功能型)9.4.5 偏振调制偏振调制(功能型功能型)9.5.1 强度调制强度调制(遮断光路遮断光路-非功能型非功能型)9.5.2 强度调制强度调制(改变位置改变位置-非功能型非功能型)9.4.4 频率调制 利利用用外外界界因因素素改改变变光光纤纤中中光光波波的的频频率率，通通过过检检测测光光频频率率的的变变化化来来测测量量被被测测量量，这这种种方方法法称称为为频频率率调调制制。这这里里光光纤纤本本身身只只作作为为传传光光元元件件，而而频频率率调调制制多是利用光学多普勒效应来实现的多是利用光学多普勒效应来实现的。9.4.4 频率调制 如如图图所所示示，S为为单单色色光光源源，P为为运运动动物物体体，Q是是观观察察者者所所处处的的位位置置。设设物物体体P的的运运动动速速度度为为u u，运运动动方方向向与与PS和和PQ的的夹夹角角分分别别为为q q1和和q q2。根根据据多多普普勒勒效效应应，对对于于从从光光源源S发发出出的的频频率率为为f的的光光，在在P点点观观察察到到的的频频率率f1可表示为可表示为SPQuq1q29.4.4 频率调制 频频率率为为f1的的光光通通过过物物体体P产产生生散散射射，在在Q处处所所观观察到的频率察到的频率f2可表示为可表示为9.4.4 频率调制考虑到考虑到u u c，则可把双重多普勒频移方程表示为，则可把双重多普勒频移方程表示为9.4.4 频率调制 如如图图所所示示，设设激激光光频频率率为为f0，流流体体流流速速为为u u。根根据据多多普普勒勒效效应应，光光纤纤接接收收到到的的散散射射光光的的频频率率为为f0D Df或或f0D Df(视视流流向向而而定定)，由由检检偏偏器器检检出出散散射射光光与与光光纤纤端端面面反反射射光光(参参考考光光)中中振振动动方方向向相相同同的的光光，探探测器检测出二者的差频测器检测出二者的差频D Df，可知流体的流速。，可知流体的流速。9.4&9.5 光调制方式9.4.1 强度调制强度调制(功能型功能型)9.4.2 波长调制波长调制(功能型功能型)9.4.3 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量(功能型功能型)9.4.4 频率调制频率调制(功能型功能型)9.4.5 偏振调制偏振调制(功能型功能型)9.5.1 强度调制强度调制(遮断光路遮断光路-非功能型非功能型)9.5.2 强度调制强度调制(改变位置改变位置-非功能型非功能型)9.4.5 偏振调制 利利用用外外界界因因素素改改变变光光的的偏偏振振特特性性，通通过过检检测测光光的的偏偏振振态态变变化化(即即偏偏振振面面的的旋旋转转)来来测测量量被被测测量量的的方方法法，称称为为偏偏振振调调制制。在在光光纤纤传传感感器器中中，偏偏振振调调制制主主要要基基于于人人为为旋旋光光现现象象和和人人为为双双折折射射现现象象，如如法法拉拉第第磁光效应磁光效应、克尔电光效应克尔电光效应和和光弹效应光弹效应等。等。9.4.5 偏振调制 根根据据电电磁磁场场理理论论，光光波波是是一一种种横横波波；光光振振动动的的电电场场矢矢量量和和磁磁场场矢矢量量始始终终与与传传播播方方向向垂垂直直。若若光光波波电电场场矢矢量量的的方方向向在在传传播播过过程程中中保保持持不不变变，称称为为线线偏偏振振光光。线线偏偏振振光光电电场场矢矢量量方方向向与与传传播播方方向向组组成成的的面面称称为为线线偏偏振振光光的的振振动动面面。若若电电场场矢矢量量的的大大小小不不变变，振振动动方方向向绕绕传传播播轴轴转转动动，矢矢量量端端点点轨轨迹迹为为圆圆，称称为为圆圆偏偏振振光光；如如果矢量轨迹为一个椭圆，称为果矢量轨迹为一个椭圆，称为椭圆偏振光椭圆偏振光。9.4.5 偏振调制 若若自自然然光光在在传传播播过过程程中中受受到到外外界界的的作作用用而而使使各各个个振振动动方方向向上上强强度度不不等等，使使某某一一方方向向的的振振动动比比其其他他方方向向占占优优势势，称称为为部部分分偏偏振振光光。若若外外界界作作用用使使自自然然光光的的振振动动方方向向只只有有一一个个，称称为为起起偏偏。利利用用光光波波的的偏偏振振性性质质，可可以以制制成成偏偏振振调调制制传传感感器器。注注意意，关关于于光光的振动方向通常是指电场矢量的方向的振动方向通常是指电场矢量的方向。9.4.5 偏振调制 1.法拉第磁光效应法拉第磁光效应 法法拉拉第第磁磁光光效效应应表表明明，在在磁磁场场作作用用下下，偏偏振振光光的的振振动动面面发发生生旋旋转转，旋旋转转的的角角度度q q与与光光在在物物质质中中通通过过的距离的距离L及磁场强度及磁场强度H成正比，即成正比，即式式中中，Vd为为物物质质的的费费尔尔德常数德常数。9.4.5 偏振调制 应应用用法法拉拉第第磁磁光光效效应应可可测测量量高高压压大大电电流流。通通过过高高压压输输电电线线的的电电流流为为I，在在高高压压输输电电线线上上绕绕有有N圈圈光光纤纤。光光纤纤中中传传输输的的线线偏偏振振光光在在高高压压输输电电线线形形成成的的磁磁场场作作用用下，偏振面旋转的角度为下，偏振面旋转的角度为q q。利用。利用q qVdLH可得可得 光光纤纤材材料料的的Vd非非常常小小(00.0161/A)，用用此此法法测测量量的的电电流流值可达几十到几值可达几十到几十万安十万安。9.4.5 偏振调制 2.克尔电光效应克尔电光效应 在在与与入入射射光光垂垂直直的的方方向向上上加加高高电电压压，各各向向同同性性体体便便可可呈呈现现双双折折射射现现象象，这这种种现现象象即即为为克克尔尔电电光光效效应应。一束入射光变成两束出射光，两束出射光的相位差为一束入射光变成两束出射光，两束出射光的相位差为式式中中，K为为克克尔尔常常数数。L为光程，为光程，d为电极间距。为电极间距。9.4.5 偏振调制 3.光弹效应光弹效应 在在垂垂直直于于光光波波传传播播方方向向上上施施加加应应力力，材材料料将将会会使使光光产产生生双双折折射射现现象象，其其折折射射率率的的变变化化与与应应力力有有关关，这这种种现现象象称称为为光光弹弹效效应应。利利用用物物质质的的光光弹弹效效应应可可以以构构成成压力、振动、位移等光纤传感器。压力、振动、位移等光纤传感器。9.4 光调制方式9.4.1 强度调制强度调制(功能型功能型)9.4.2 波长调制波长调制(功能型功能型)9.4.3 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量(功能型功能型)9.4.4 频率调制频率调制(功能型功能型)9.4.5 偏振调制偏振调制(功能型功能型)9.5.1 强度调制强度调制(遮断光路遮断光路-非功能型非功能型)9.5.2 强度调制强度调制(改变位置改变位置-非功能型非功能型)第9章 光纤式传感器9.1&9.2 光纤及其传光原理光纤及其传光原理9.3 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的组成及分类9.4&9.5 光调制方式光调制方式9.6 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例9.6 光纤式传感器应用举例9.6.1 光纤温度传感器光纤温度传感器9.6.2 光纤位移传感器光纤位移传感器9.6.3 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器9.6.4 光纤磁传感器光纤磁传感器9.6.5 医用光纤传感器医用光纤传感器9.6.6 分布式光纤传感器分布式光纤传感器9.6 光纤式传感器应用举例9.6.7 工业用内窥镜工业用内窥镜9.6.8 光纤加速度传感器光纤加速度传感器9.6.9 光纤光栅传感器光纤光栅传感器9.6.10 光纤层析成像分析技术及应用光纤层析成像分析技术及应用9.6.11 光纤纳米生物传感器光纤纳米生物传感器9.6.12 光纤传感领域的发展光纤传感领域的发展9.6.1 光纤温度传感器 光光纤纤测测温温技技术术是是一一种种新新技技术术，光光纤纤温温度度传传感感器器是是工工业业中中应应用用最最多多的的光光纤纤传传感感器器之之一一。按按调调制制原原理理分分为为相相干干型型和和非非相相干干型型两两类类。在在相相干干型型中中有有偏偏振振干干涉涉、相相位位干干涉涉以以及及分分布布式式温温度度传传感感器器等等；在在非非相相干干型型中中有有辐辐射射温温度度计计、半半导导体体吸吸收收式式温温度度计计、荧荧光光温温度计等。度计等。9.6.1 光纤温度传感器 1.半导体吸收式温度传感器半导体吸收式温度传感器 半半导导体体材材料料的的光光吸吸收收和和温温度度的的关关系系曲曲线线如如图图所所示示。半半导导体体材材料料的的吸吸收收边边波波长长l lg(T)随随温温度度增增加加而而向向较长波长方向位移。较长波长方向位移。9.6.1 光纤温度传感器 若若能能适适当当选选择择发发光光二二极极管管，使使其其光光谱谱范范围围正正好好落落在在吸吸收收边边的的区区域域，即即可可做做成成透透射射式式光光纤纤温温度度传传感感器。透过半导体的光强随温度升高而减少。器。透过半导体的光强随温度升高而减少。9.6.1 光纤温度传感器 图图示示为为双双光光纤纤参参考考基基准准通通道道法法半半导导体体吸吸收收式式光光纤纤温温度度传传感感器的结构框图。器的结构框图。光光源源为为GaAlAs发发光光二二极极管管，测测温温介介质质为为测测量量光光纤纤上上的的半半导导体体材材料料CdTe。参参考考光光纤纤上上面面没没有有敏敏感感材材料料。采采用用除除法法器器消消除除外外界界干干扰扰，提提高高测测量量精精度度。测测温温范范围围在在40 120 之间，精度为之间，精度为1。9.6.1 光纤温度传感器 2.干涉型光纤温度传感器干涉型光纤温度传感器 温温度度变变化化能能引引起起光光纤纤中中传传输输的的光光的的相相位位变变化化，利利用用光光纤纤干干涉涉仪仪检检测测相相位位变变化化即即可可测测得得温温度度。图图示示是是利利用用马马赫赫曾曾特特尔尔干干涉涉仪仪测测温温的的原原理理图图。光光通通过过信信号号臂臂产生的相位变化为产生的相位变化为式式中中，L为为感感受受温温度度变变化化的的光纤段的长度。光纤段的长度。9.6.1 光纤温度传感器 例例9.1 若若已已知知光光源源波波长长l l0.6329 m mm，对对n1.456的单模石英玻璃光纤，有的单模石英玻璃光纤，有试试计计算算在在1 m的的光光纤纤上上，温温度度每每变变化化1 时时，将将有有几根条纹移动。几根条纹移动。9.6 光纤式传感器应用举例9.6.1 光纤温度传感器光纤温度传感器9.6.2 光纤位移传感器光纤位移传感器9.6.3 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器9.6.4 光纤磁传感器光纤磁传感器9.6.5 医用光纤传感器医用光纤传感器9.6.6 分布式光纤传感器分布式光纤传感器9.6.2 光纤位移传感器 1.反射强度调制型位移传感器反射强度调制型位移传感器 通通过过改改变变反反射射面面与与光光纤纤端端面面之之间间的的距距离离来来调调制制反反射射光光的的强强度度。Y形形光光纤纤束束由由几几百百根根至至几几千千根根直直径径为为几几十十m mm的的阶阶跃跃型型多多模模光光纤纤集集束束而而成成。它它被被分分成成纤纤维数目大致相等，长度相同的两束。维数目大致相等，长度相同的两束。9.6.2 光纤位移传感器 发发送送光光纤纤束束和和接接收收光光纤纤束束在在汇汇集集处处端端面面的的分分布布有有多多种种，如如随随机机分分布布、对对半半分分布布、同同轴轴分分布布(分分为为接接收光纤在外层和接收光纤在内层两类收光纤在外层和接收光纤在内层两类)，如图所示。，如图所示。9.6.2 光纤位移传感器 反反射射光光强强与与位位移移的的关关系系如如图图所所示示。可可以以看看出出，随随机机分分布布时时传传感感器器的的灵灵敏敏度度和和线线性性都都较较好好。还还可可以以看看出出，AB段段的的灵灵敏敏度度和和线线性性好好，但但测测量量范范围围小小，CD段段的的斜斜率率小小即即灵灵敏敏度度低，但线性范围宽。低，但线性范围宽。1随机分布；随机分布；2对半分布；对半分布；3同轴分布；同轴分布；4同轴分布同轴分布AMB CDM9.6.2 光纤位移传感器 假假设设传传感感器器工工作作在在AB段段，偏偏置置工工作作点点在在M，被被测测物物体体的的反反射射面面与与光光纤纤端端面面之之间间的的初初始始距距离离是是M点点所所对对应应的的距距离离XM。由由曲曲线线可可知知，随随位位移移增增加加光光强强增增加加，反反之之则则光光强强减减少少，故故由由此此可可确确定定位位移移方方向向。光光纤纤位位移移传传感感器器一一般般用用来来测测量量小小位位移移。最最小小能能检检测测零零点点几几m mm的的位位移移量量。这这种种传传感感器器已已在在镀镀层层不不平平度度、零零件件椭椭圆圆度度、锥锥度度、偏偏斜斜度度等等测测量量中中得得到到应应用用，它它还还可以用来测量微弱振动，而且是非接触测量。可以用来测量微弱振动，而且是非接触测量。9.6.2 光纤位移传感器 2.干涉型光纤位移传感器干涉型光纤位移传感器 干干涉涉型型光光纤纤位位移移传传感感器器和和反反射射光光强强调调制制型型位位移移传传感器相比，测量范围大，测量精度高。感器相比，测量范围大，测量精度高。测量位移的测量位移的迈克尔逊干涉仪如图所示。迈克尔逊干涉仪如图所示。1氦氦氖氖激激光光器器；2分分束束器器；3扩扩束束镜镜；4反反射射镜镜；5可可移移动动四四面面体体棱棱镜镜；6全全息息照照片片；7光光纤纤参参考考臂臂；9光光探探测测器器；9可逆计数器；可逆计数器；10光阑光阑9.6.2 光纤位移传感器 物物光光和和参参考考光光干干涉涉，在在全全息息干干板板上上形形成成干干涉涉条条纹纹。如如因因被被测测物物体体位位移移变变化化引引起起四四面面体体移移动动时时，由由于于光光程程差差变变化化而而使使干干涉涉条条纹纹移移动动，从从干干涉涉条条纹纹的的移移动量可以确定位移的大小。动量可以确定位移的大小。1氦氦氖氖激激光光器器；2分分束束器器；3扩扩束束镜镜；4反反射射镜镜；5可可移移动动四四面面体体棱棱镜镜；6全全息息照照片片；7光光纤纤参参考考臂臂；8光光探探测测器器；9可逆计数器；可逆计数器；10光阑光阑9.6 光纤式传感器应用举例9.6.1 光纤温度传感器光纤温度传感器9.6.2 光纤位移传感器光纤位移传感器9.6.3 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器9.6.4 光纤磁传感器光纤磁传感器9.6.5 医用光纤传感器医用光纤传感器9.6.6 分布式光纤传感器分布式光纤传感器9.6.3 光纤流量、流速传感器 1.光纤涡流流量计光纤涡流流量计 原原理理如如图图所所示示。采采用用一一根根横横贯贯液液流流管管的的大大数数值值孔孔径径的的多多模模光光纤纤作作为为传传感感元元件件。光光纤纤受受到到液液体体涡涡流流的的作作用用而而振振动动，这这种振动与液体的流速有关。种振动与液体的流速有关。9.6.3 光纤流量、流速传感器 根根据据流流体体力力学学原原理理，由由于于光光纤纤不不是是流流线线体体，在在一一定定条条件件下下，在在其其下下游游会会产产生生涡涡流流。这这种种涡涡流流是是在在光光纤纤下下游游两两侧侧产产生生的的有有规规律律的的漩漩涡涡，称称为为卡卡门门“涡涡街街”，由由于于漩漩涡涡列列之之间间的的相相互互作作用用，涡涡列列一一般般不不稳稳定定，但但是是实实验验证证明明，当当满满足足h/l0.281时时，涡涡列列是是稳定的。稳定的。9.6.3 光纤流量、流速传感器 当当每每个个漩漩涡涡产产生生并并泻泻下下时时，它它会会在在光光纤纤上上产产生生一一种种侧侧向向力力，这这样样就就有有一一个个周周期期力力作作用用在在光光纤纤上上，使使其其振振动动。野野外外的的电电线线等等在在风风吹吹动动下下会会嗡嗡嗡嗡作作响响，就就是是这这种现象。实验证明，光纤振动的频率由下式得出种现象。实验证明，光纤振动的频率由下式得出式式中中，u u为为流流速速；d为为光光纤纤直直径径；s为为斯斯特特罗罗哈哈数数(无无量量纲纲)，当当雷雷诺诺数数在在Re500150000范范围围内内时时，对对圆圆柱柱体体s0.2。9.6.3 光纤流量、流速传感器 当当光光通通过过未未受受扰扰动动的的光光纤纤时时，如如果果光光纤纤直直径径为为200 m mm300 m mm，在在距距离离光光纤纤端端面面约约1520 cm的的地地方方可可以以观观察察到到清清晰晰而而稳稳定定的的斑斑图图，但但它它的的分分布布是是无无规规则则的的。当当光光纤纤振振动动时时，这这些些斑斑图图就就会会不不断断地地振振动动，如如用用光光探探测测器器接接收收斑斑图图的的一一个个小小区区域域，即即可可通通过过频频谱谱仪仪读读
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