《光传感光调制》PPT课件.ppt

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1、第 十一 章,光 调 制 技 术,何 谓 光 调 制,光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上,完成这一过程的器件称为调制器。调制器能使载波光波的参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的振幅、位相、频率、偏振、波长等。承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器系统解调，然后检测出所需要的信息。,1 光强度调制技术,一、微弯效应光强度调制技术,原 理,利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹在两块具周期性波纹的微弯析构成的变形器中构成调制器。从波导理论的观点来看，当光纤发生弯曲时，传输光会有一部分泄漏到包层中去，这种泄漏是光纤内发生模式耦合的结果，这些耦合模变为辐射模，造成传播光能

2、量的损耗。纤芯中的光向包层逸出的原因从几何光学来说是由于全反射条件的破坏造成的，从波导理论来说则是光纤的弯曲引起了各种传导模式的耦合，则形成耦合模式被送入包层中去产生辐射模。,微 弯 调 制 示 意 图,定 量 分 析微弯效应造成的损耗 可写成如下形式 式中 为齿距，为齿数目，为变形幅度，为纤芯半径，为光纤外半径，为内外层折射率差值。其中任何一个参数改变都会起到光强调制的作用。在实际问题里，变形器及光纤参数全部固定时，则可认为,实 际 测 量 框 图,利用这种调制技术可以直接测量位移的变化量(变形器上的变形板位移的大小决定光强的衰减程度),而间接测量的量则可包括温度，压力，振动，应变等。,脱

3、模 器 的 作 用,这里脱模器的作用是在进入探测器之前消除掉进入包层中的光以保证只有纤芯中的光才能传到变形器和探测器。其方法是在几厘米长的包层外边表面上刷上黑漆，这就可以几乎完全吸收掉传入包层中的光（或者剥去外包层置于折射率匹配的小盒中）。,其它类型,被测物体移动引起光纤变形，曲率半径随之改变，引起辐 射模。,其 它 类 型,将光纤绕成多圈螺旋管状，增加变形长度以提高灵 敏 度,微 弯 型 水 听 器,多模光纤绕于带有螺纹的铝管螺纹谷内不会发生变形，而通过纵向槽的那部分光纤将由于外部压力而变形，如果这种压力来自于声波，则可依此原理制成水听器。,脱模器,探测器,二、光 强 度 的 外 调 制 技

4、 术,上述微弯调制技术属于内调制，属于功能性调制技术，它是利用光纤本身特性的改变来实现光调制的。所谓外调制技术，是指调制环节发生在光纤以前的部分，光纤本身的性质并不改变，它只起到传光的作用。此时的光纤分为两部分，即输入光纤和输出光纤，或发送光纤和接收光纤。,1、反射型光强外调制传感器,a、原理由输入光纤出射的光投射到反射面上，其反射光的一部分进入输出光纤，进入多少与反射面位置有关。,b、定 量 分 析,反射镜面的移动方向是与光纤探头端面垂直的，反射镜面在其背面距离 处形成输入光纤的虚象，因此，光强调制作用是与虚光纤和输出光纤的耦合相联系的。设两光纤皆为阶跃折射率光纤，芯径为，数值孔径为，两光纤

5、垂直距离为 2，并定义,反射型光强外调制传感器示意图,back,检 测 范 围,则当距离 时，两光纤的耦合为零，无反射光进入输出光纤；当 时，两光纤耦合最强，输出光强达最大值，此时输入光纤的像发出的光锥底面积 将输出光纤端面积全部遮盖，是一个常数，光锥底面积为,因此最大检测范围是 即检测位移的范围在 和 之间。,定 量 计 算 光 耦 合 系 数,如果定量计算光耦合系数，必须先计算输入光纤像的发光锥体面积与输出光纤端面的交叠面积，如果精确计算，则必须使用gamma方程，十分复杂。,反射型光强外调制传感器示意图,如果作线性近似，即将锥体边缘与输出光纤芯交界的弧线作为直线处理，则可得到线性解，在线

6、性近似下，可求得交叠面积与光锥底面积之比为,式中 为交叠面积的高，由 决定：假定反射镜面无光吸收，两光纤的光功率耦合效率，即为交叠面积与光维底面积之比，的最大值发生在 处。,上述关系式给出了反射式位移传感器的设计依据，如果芯径，的阶跃光纤，计算结果表明最大耦合效率 发生于 处。此传感器的固有分辨率好于。,这 些 都 是 简 化 处 理,上面的分析作了很多简化处理：除了线性假设不分，还假定了光纤为阶跃型光纤；模谱是均匀一致的，即功率密度在光维底面上是均匀的；反射面平行于光纤端面；反射率为100等。,2、遮光型光强外调制技术,上面所言为反射式，除此之外还有遮光式，一种办法是将发射光纤和接取光纤对准

7、，光强调制信号加在移动的遮光板上；另一种方法是直接移动接收光纤。这两种方式都是使接收光纤只能收到发送光纤发出的部分光，从而实现光调制。,遮光型光强外调制技术,用这种办法可以测量位移、压力、温度等物理量，这些物理量的变化都可使光强减弱由于闸式要使两光纤距离大一些，因此光损耗较大，但它可固定两光纤，因而使用可靠。,三、折射率光强度调制技术（反射系数式光强调制技术）,反射系数与两介质的折射率有关，利用折射率的变化来改变反射系数，则可达到调制光强的目的，下图给出了一种典型装置：,调 制 机 理,由光纤左端入射的光，一部分沿光路返回到探测器。调制机理是：光纤左端有两个反射面，其中底面的为全反射面（镀膜而

8、成），两反射面搭接，斜面反射面与折射率为n3的介质接触，调节斜面反射镜的角度使纤芯光经反射后能垂直入射到全反射面上，则纤芯光入射到斜反射面时能够部分地透射到的介质中去，由费涅尔公式描述：,其中 为强度反射系数，为入射角。可见，若 介质由于压力或温度的变化引起 微小变化，则会导致反射系数的变化，从而导致反射光强的改变，利用此原理可设计温度或压力传感器。,2 光 偏 振 调 制 技 术,许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态，采用这些效应可设计偏振调制器，下面介绍一种典型效应。,法拉弟发现，许多物质在磁场的作用下可使穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转（在光的传播方向上加上强磁场时）,一、法拉弟效应（

9、磁致旋光效应）,振动面旋转的角度 由经验公式给出：式中 为静磁通量，为光所穿越的媒质长度，是比例因子，称费尔德常数，一种特定媒质的费尔德常数随频率和温度而变。,实 际 例 子,对于气体，约为，固体和液体为 的量级。如对于1厘米长的 样品，高斯的磁场，此时 振动面将转动。,显然，法拉弟效应可用来设计光调制器，欲提高效率必须每单位长度的材料对光的吸收要尽量小，而偏振面旋转的角度要尽量大，为此，人们研制了许多奇特的铁磁材料，如 eCraw 利用人工生长的钇铁石榴石（YIG）磁性晶体，它的费尔德数可以达到(对 波长，温度范围)。,利用法拉第效应测磁场 实 验 装 置 图,线偏振光从左面进入晶体，横向的

10、直流磁场使YIG晶体在此方向上引起磁化饱和，而总的磁化强度矢量（由恒定磁场和线圈磁场所引起）可以改变方向，它对晶体轴的倾斜角度正比于线圈中的调制电流。因为法拉弟旋转依赖于磁化强度的轴向分量，所以线圈电源控制了 角，检偏器把这一偏振调制转换为振幅调制。也就是说，要传递的信息作为调制电压加在线圈上，则出射的激光束以振幅变化的形式携带着信息。,应当指出的是，应将法拉弟旋转和旋光性旋转加以区别，所指旋光性旋转，是指入射线偏振光的电场振动面在旋光材料中连接地旋转的现象。这种现象的一个特点是旋转方身与传播方向有关，当光线正反两次通过一个旋光性物质时，总旋转角度为零，而法拉弟旋转是与光传播方向无关的，正反两

11、次通过法拉弟材料后，总的旋转角度为。,法拉弟旋转和旋光性旋转之区别,这样，为了获得更大的法拉弟效应，可以将放在磁场中的法拉弟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，并将两面镀成反射膜，只留入口和出口，这样，若光束在其间反射 次后出射，则有效旋光厚度为，则偏振面的旋转角度将提高 倍。,3 相 位 调 制,一、概 述利用光相位调制来测量某些物理量的开发应用已有一百多年的历史，不过一般以空间作为干涉光路的干涉仪体积大，环境条件要求严格，调整也困难，因此限制了在工业中的应用。光导纤维的出现为光学干涉仪开辟了广阔的天地，因为用光纤代替自由空间作为干涉光路有两个突出的优点：一是减少了干涉仪安

12、装和校准的固有困难，可使仪器小型化，块体化。二是可以用加长光纤的方法使干涉光路对环境参数的响应灵敏度增加。,相位调制是光纤传感器中最基本的调制技术，它的灵敏度极高，据报导，可探 测光程差引起的相位变化（对 于 光波），这相当于一个原子核直径的大小。相位调制经常与干涉测量机并用，构成相位调制的干涉型光纤传感器。光纤干涉传感器被认为是潜在开发灵敏度最高的仪表。,概 述,二、调 制 原 理,光纤中传导的光，其相位变化取决于外界物理量产生的光纤波导的下面三个参数的变化。光纤物理长度的变化（轴向应变伸长、热膨胀引起的伸长、泊松比变化引起长度伸长）光纤折射系数及分布的变化（温度引起、光弹效应）光纤横截面几

13、何尺寸的变化（压力、热膨胀）,为简化分析，假定分析折射率沿其截面分布不变化，则光相位调制则只由光纤长度、折射率大小和横截面尺寸产生。光纤中传播光相位变化可以表示为,轴向长度变化 产生的相位移 折射率变化 产生的相位移 光纤直径变化 产生的相位移,其中 此三个因素中 产生的相移表达式比较复杂，与 有关，其大小取决于光纤的结构。,（为光纤轴向应变）,外施参量与光相位的关系可由被测量产生的光纤参量变化来求得，下面以温度来说明。外施温度对光纤的热影响是最简单的情况。此时可只考虑温度对长度和折射率变化而忽略温度引起的直径变化。则,对纯硅材料，热胀温度系数，折射率温度系数，因此每束光纤升温一开的光相位移为

14、,三、相 位 调 制 实 用 技 术,1、迈克尔逊干涉仪单色光经分束器分为光强相等的两束光：一束射向固定反射镜，然后反射到分束器，被其透射部分，由探测器接收；另一束入射到可移动反射镜上，然后反射回分束器，经分束器反射的部分也传到探测器；当光程差小于激光器的相干长度时，传到探测器的两束光则产生干涉。,迈克尔逊干涉仪示意图,back,两相干光的位相差为 式中 为空气中的光传播常数，为两相干光的光程差。,可见，可移动反射镜每移动 长度，光探测器的输出就从最大值变到最小值，再变到最大值，变化一个周期。如果使用 激光，它能检测的位移大致为，即 的位移。,2.马赫泽德干涉仪示意图,与迈克尔逊干涉仪之区别,

15、1.它没有光返回到激光器，利于激光 器减少不稳定噪声；2.从分束器向上也可以获得两束光，一为参考光的反射，一为信号光的 透射，若需要，可利用这两束光 获得第二个输出信号。,迈克图,3.塞格纳克干涉仪,塞格纳克干涉仪的特点,这种干涉仪的特点是，激光束分为反射和透射两束沿相反方向传播，最后汇合到分束器回到探测器。在这种干涉仪中，任何一块反射镜在垂直表面的方向上移动，两束光的光源变化皆相等，因此不会在探测器上探测到光强之变化。但是，当将此装置置于一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上时，由于塞格纳克效应，两束传播方向相反的光就会有不同的延迟。,若平台顺时针方向以速度 转动，则在顺时针方向传播的光较反时

16、针方向延迟大，此相位延迟是可表为 式中 旋转角速度，光路围成的面积，光速，真空光波长。这样，通过检测光器变化，可知旋转速度，这种技术是设计导航系统中环形光纤陀螺的基础。,4.法布里珀罗 干涉仪,光源,传感器,探测器,法布里一珀罗干涉仪的特点,它由两块半透半反的平行放置的反射镜组成，通常反射率达95以上。激光入射干涉仪没在两个反镜间做多次往返反射，透射出来的平行光束由探测器接收。它与前三种的主要区别在于前面都是双光束干涉，此为多光束干涉，此时在探测器上观察到的干涉光路的变化为 式中 为反射率 为 相邻光束间的位相差,可见，当 一定时，干涉光强随 而变，当 时，干涉光强有最大值，当 时，干涉光强有

17、最小值。透射的干涉光强最大与最小之比为。可见，越大，干涉光强变化愈显著，分辨率愈高，这是此技术的最大特点，它是最灵敏的位移测量装置。,4 波长调制技术,波长调制技术主要是利用传感探头的光谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能型传感器。在波长（颜色）调制探头中，光纤只是简单地作为导光用，即把入射光送往测量区，而将返回的调制光送往分析器。,能够完全吸收投射其表面的辐射的物体称为黑体。实验情况中可用空腔代替之。黑体辐射实验研究成果至关重要，完美理论结论由 planck 给出。位移定律指出：，,一、黑体辐射及维恩位移定律,维恩位移定律,最大辐射波长随 向短波方向移动。,测得了最大辐射波长即可知晓温度，具体测量的是辐射通量密度。,例子：测量涡轮发动机叶片温度装置,信号处理系统,压缩机引入洁净空气防污降温,如果在发动机转子上再加装一个位置传感器，采用同步措施，则可测量任何一个指定叶片的温度。,史密斯公司产品性能指标,精 度：7001100误差小于5c响应时间：微 秒 级环境温度：光 学 头 60 550 光 纤 60 200 端 头 400 探 测 器 60 200 信号处理 60 125,二、频 率 调 制 技 术,光学 Doppler 效应：运动光源发出的光频，接收到的光频可测速度范围达,光纤 Doppler 血液流量计示意图,