频率调制型光纤传感技术教学PPT.ppt

* ◎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一个复杂的传感系统，即 为复用传感器或传感器的复用。由于传感器的复用，诸 多传感探头可以共用一个或几个光源、光探测器和二次 仪表。这样，不仅简化了传感系统，提高了可靠性，而 且降低了成本。 * §8.7光纤传感技术的发展趋势 ◎商品化 ◎集成化和全光纤化 ◎ 网络化 ◎特殊光纤 ◎新型传感机理和方案 * §8.3 频率调制型光纤传感器 外调制：多普勒效应，光纤仅用来传光。 内调制：(光纤的非线性)受激布里渊散射、喇 曼散射等 1、光学多普勒概念 * 图36 多普勒频移原理图 * 2、光纤多普勒技术 根据上述多普勒频移原理，采用激光作为光源的 测量技术是研究流体流动的有效手段，并获得了广泛 应用。图37所示是一个典型的激光多普勒光纤测速系 统。测量系统中从目标返回的信号强弱取决于后向散 射光的强度， 流体介质内部 的损耗，光纤 接受面积和数 值孔径。 图37 多普勒管线测速系统 * 图38 发射光纤出射光锥示意图 * * 实验证明，光纤多普勒探头是检测透明介质中散 射物体运动的非常灵敏的探测器。但是由于它的结构 特性决定它的能量有限，只能穿透几个毫米以内的深 度，所以这种装置只适合于微小流量范围的介质流动 的测量。光纤 多普勒探头典 型的应用在医 学上对血液流 动的测量，如 图38所示。 图38 光纤多普勒探头测血液流动 * §8.4 波长调制型光纤传感器 波长调制同频率调制一样，可分为外调制和由光纤 非线性导致的内调制。 1、光纤颜色探测 利用光频谱特性作为传感探头可以测量温度。图 39所示为一种利用黑体辐射效应的光纤颜色探头结构 图39 光纤颜色探头结构 * 该结构不需外加光源而是简单的由探头尖端（黑体腔）收集黑 体的光谱辐射，然后通过光纤把这种宽频带的辐射传送分光仪 获滤光片，根据维恩位移定律： 通过双波长或单波长检测就 能测出黑体的黑体温度。据 此制成光测高温仪，运用在 250---650℃的温度范围。 图40显示，温度升高，峰值 波长将兰移。 图40 不同温度下r0-λ的实验曲线 Stefan-Boltzman定律： R=σT4 其中σ为 5.670×10-8W/m2﹒K4 * 2、光纤法布里-珀罗滤光技术 假设有一束平行光以θ角斜入射到法布里-珀罗标 准具上，则当波长λ0 =λ0(m)时，透射光或反射光的强 度得极大值。其中， 式中d是标准具厚度，n’是标准具平行板内的介质折射 率，φ是反射光的相位跃变。 图41所示是一光谱调制传 感器，被测物理量发生变 化，或会随之变化，从而 引起反射峰值波长移动。 图41 光谱 调制 传感 器 探测阵列检测不 同波长的光强度 * 白光干涉型光纤传感器 全光纤的白光干涉型传感器由两个光纤干涉仪 组成，其中一个用作传感头（图中F-P干涉仪） 放在被测量点，同时作为第二个干涉仪的传感 臂；第二个干 涉仪（图中迈 氏干涉仪）的 另一臂做为参 考臂，放在远 离现场的控制 室，提供补偿。 图26 白光干涉型光纤传感器 * 3、光纤pH探测技术 这种技术是利用化学指示剂对被测溶液的颜色反应来测量溶液的pH值的。据此可制成光纤pH探头。图42是该探头的典型结构，其内盛有用指示剂 染色的聚丙酸酯小球 。用指示剂（如红酚）将小球染色，其透明度在红色 区域对pH值非常敏感， 在绿色区域却与pH值无 关。白光导入，该探头 可用于测量血液的pH值， pH在7—7.4范围内仪器 具有0.01的分辨率。 图42 光纤pH探头结构 * §8.5 偏振态调制 利用外界因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏 振态的变化 来检测各种物理量，称为偏振态调制。 1、法拉第效应 法拉第磁光效应表明，偏振光的光矢量在磁场作用 下发生旋转的角度θ与在物质中通过的距离L，磁感应 强度B成正比，即 式中， 为物质的费尔德常数。 根据上式，可以制成光纤磁传感器。 * 如果线偏振光的矢量入射时沿旋光物质的水平方向，利用 琼