第10章 光学传感器(下)

10.3光纤传感器光纤（Opticalfiber）是光导纤维的简称。它是一种传输光波的介质波导。光纤的分类：①按制作材料分：高纯度石英玻璃光纤、塑料光纤、多组分玻璃光纤；②按传输模式分：单模光纤、多模光纤；③按光纤折射率的径向分布分：阶跃光纤、梯度光纤；④按用途分：通信光纤、非通信光纤（低双折射率光纤、高双折高射率光纤、涂层光纤、液芯光纤、激光光纤、红外光纤等）。光纤传感器是利用光在光纤中传播引起光干涉、衍射、偏振、反射、损耗等物理特征的变化，进行各种物理量测量的装置和器件。光纤传感器一般由光源、接口、光导纤维、光电探测器、光调制机构和信号处理器等部分组成。光纤传感器有三种分类方法：①按光纤与光的作用机理分，可分为本征型（传感型、功能型）和非本征型（传光型、非功能型）;②按模数分，光纤传感器也可分为单模器件和多模器件;③按信号在光纤中被调制的不同方式分，还可将光纤传感器分为强度调制、相位调制、偏振态调制、频率调制和波长调制等多种不同类型。10.3.1通信用光纤图10-36光纤结构示意图图10-37光临界角及全反射图10-38光纤的导光原理。（a）—阶跃折射率光纤；（b）—渐变折射率光纤。图10-39光纤中的散射示意图图10-40光纤弯曲损耗示意图图10-41椭圆形光纤对偏振的影响10.3.2非通信光纤图10-42双外套声学传感光纤图10-43用磁致伸缩材料作光纤外套图10-44陶瓷骨架石英线圈图10-45偏心孔石英棒图10-46

(a)椭圆芯光纤,(b)蝴蝶结光纤,(c)熊猫光纤图10-47D截面型光纤图10-48中空截面光纤与金属光纤图10-49用改进的MCVD法制作掺钕光纤图10-50二次插棒法制成的W型光纤10.3.3光纤器件图10-51布拉格光栅全息制作示意图图10-52光纤光栅的结构及原理图10-53光纤光栅传感器原理图⒉光纤耦合器利用连接器和熔接的方法都可以将两段光纤连接起来，这样可以满足两个器件之间的光信号的传输。但是，在很多应用中，需要连接的不只是仪器的两个端头。耦合器就是用来连接3个或者更多的连接点。耦合器是将输入信号分成两路或更多路输出，或将两路或更多路输入合并成一路输出。光信号在每条支路中的分配比例可以相同，也可以不同。在光纤耦合器的使用过程中，有几个方面需要考虑：①输入端口和输出端口的数量；②信号的衰减和分束；③光传输的方向性（光穿过耦合器的方式）；④波长选择性；⑤光纤类型，即单模或多模；⑥偏振敏感和偏振相关损耗。⒊光纤隔离器及环形器与光纤耦合器不同，光纤隔离器只能沿一个方向传输光信号。它们在光纤系统中起着非常重要的作用，可以阻止后向反射和散射的光到达敏感器件，尤其是激光器。光隔离器的内部工作机制依赖于偏振，因此光隔离器内有一对线偏振器，两个偏振器的偏振面放置成45°角。在两个偏振器之间是法拉第旋转器，它将偏振器的偏振面旋转45°。光环形器在其功能和设计上都属于光隔离器的“远亲”。它的功能是作为一个单行道使光通过一系列的端口，也就是进入端口1的光必须到端口2，进入端口2的光必须到端口3，以此类推。和光隔离器一样，环形器的工作也利用了偏振现象。⒋光开关光开关是光纤通信中光交换系统的基本元件，并广泛应用于光路监控系统和光纤传感系统。光开关在光传输过程中的作用有3类：其一是将某一光纤通道的光信号切断或开通；其二是将某波长的光信号由一条光纤通道转换到另一条光纤通道去；其三是在同一条光纤通道中将一种波长的光信号转换为另一波长的光信号（波长转换器）。光开关的特性参数主要有插入损耗、回波损耗、隔离度、串扰、工作波长、消光比和开关时间等。⒌波分复用器波分复用（WDM）技术，就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大宽带资源，根据每一信道光波的频率（或波长）不同，将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输，在接收端由一个波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作相互独立（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。⒍自聚焦透镜自聚焦透镜又称为梯度折射率透镜，是指其内部的折射率分布沿径向逐渐减小的柱状透镜。由于梯度折射率透镜具有端面准直、耦合和成像特性，加上它圆柱状小巧的外形特点，在多种不同的集成光学系统如医用光学仪器、光学复印机、传真机、扫描仪中有着广泛的应用。梯度折射率透镜是光通信无源器件中必不可少的基础元器件，应用于要求聚焦和准直功能的各种场合，分别使用在光耦合器、准直器、光隔离器、光开关和激光器上。⒎光源光源的作用是将电信号电流变换为光信号功率，即实现电-光的转换，以便在光纤中传输。由于光纤传感器的工作环境特殊，要求光源的体积小，便于和光纤耦合。光源发出的光波长应合适，以减小在光纤中传输的能量损耗。光源要有足够的亮度。在相当多的光纤传感器中还对光源的相干性有一定要求。此外，要求光源的稳定性好，能在室温下连续长期工作，还要求光源的噪声小和使用方便等。目前光纤传感系统中常用的光源主要有半导体激光器LD、半导体发光二极管LED、放大自发辐射ASE光源和半导体分布反馈激光器等。⒏光电探测器光纤传感常用光电探测器有PIN光电二极管、雪崩光电二极管（AvalanchePhotoDiode，APD）、光敏电阻、硅光电池、硅光电二极管和光电倍增管（PMT）等。10.3.4光纤Fabry-Perot传感器图10-54Fabry-Perot干涉腔图10-55内F-P腔应变传感器图10-56外F-P腔应变传感器10.3.5光纤水听器图10-57（a）是基于Michelson光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。图10-57（b）是基于Mach-Zehnder光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。图10-57（c）是基于Fabry-Perot光纤干涉仪光纤水