文档介绍：第9章光纤传感原理与技术
本章主要内容
¾ 克服困难过程中带来的副产品—
光纤传感技术
¾ 光纤传感器概述
¾ 光纤传感原理
¾ 空间编码光纤干涉投影轮廓测量术
光纤传感器概述
¾ 什么是传感器?
¾ 什么是光纤传感器?
¾ 光纤传感器的优点
¾ 光纤传感器的基本工作原理
¾ 光纤传感器的构成框图
¾ 光纤传感器的分类及应用
¾ 光纤传感器的发展趋势
光纤传感原理
我们研究光纤传感原理,其核心就
是研究如何利用光纤的各种效应,实现
对外界被测参数的“传”和“感”的功能;
就是研究光在调制区与外界被测参数的
相互作用,即光的性能参数如何被外界
信号调制的原理。下面我们按着光在调
制区内受调制的形式,分别介绍几种常
用的调制原理及应用。
强度调制原理
(内调制)
在光通信领域由于光纤弯曲引起的光强损耗
一直倍受关注。随着光纤传感技术的发展,微弯
引起的损耗已作为一种有用的传感调制技术被利
用,业已开展了大量的研究,目前我们可以利用
光纤的弯曲损耗来测量多种物理参量。
光纤的弯曲损耗可以分为两类:宏弯曲(Macro bending)
损耗和微弯曲(Micro bending)损耗。光纤弯曲损耗传感器
是由宏弯曲与微弯曲联合作用的结果。前者包括光路的必要弯
曲、光纤(缆)在盘上的松绕等,其特点是相关长度长,空间频
率分布窄。后者主要是指光纤相对于其平直状态发生随机的小
振幅偏离,其特点是相关长度短、空间频率分布宽,典型例子
是光纤在成缆过程中、光缆在低温环境下运行、光纤以一定张
力绕在盘上等所形成的变形。
理论分析和实验研究均表明:光纤弯曲
时,曲率半径在某个临界值之前,由弯曲而
引起的附加损耗很小,以致可以忽略不计;
在临界值以后,附加损耗按指数规律迅速增
加。
多模光纤弯曲损耗的计算公式为
⎡ 2W 3 ⎤
⎢2Wa− R⎥
T 3 2
α= e ⎣⎢β⎦⎥
2 R
其中 2ak 2
T =
2
ev πWV
2 2 2 2
为横向传播常数
U = k0 n1 −β U / a
2 2 2 2
W = β− k0 n2 W / a 为包层中的衰减
常数
V 2 = U 2 + W 2
单模光纤弯曲损耗的计算公式为
1
−
α= AR 2 e()−UR
1 2
其中 1 ⎛π⎞ 2 ⎡ U ⎤
A = ⎜ 3 ⎟⎢⎥
2 ⎝ aW ⎠⎣Wk2 ()W ⎦
4δnW 3
U = 2
3aV n2
根据光纤的模式耦合理论,当光纤在轴向
上发生周期性微弯时,光纤中的部分光会折射
到包层中去,全反射被破坏,即部分导波模会
转化为辐射模,能量由纤芯转移到包层中,产
生微弯损耗。因此,通过测量纤芯(亮场)或
包层(暗场)中光的能量变化就可以测量如应
力、重量、加速度和应变等物理量。也可以两
场同时探测(相比)来补偿光源漂移的影响。