Michelson干涉型光纤传感器原理

Michelson干涉型光纤传感器原理
Michelson干涉型光纤传感器原理

一、引言

光纤传感由于具有本质安全、电绝缘性好、灵敏度高及便于连网等优点,已在许多物理量的测量中得到应用,特别是基于光纤干涉的传感系统已成为物理量检测中最为精确的系统之一。

光纤干涉仪是一种高精度测量仪器,但存在相位随机漂移及倍频等光学问题。现有文献报导中,解决的方法是采用相位生成载波技术,调制解调的实现过程复杂,并有可能产生信号波形的失真。另外,虽有采用压电陶瓷(PZT)的报导,但未见对相位随机漂移及倍频问题的具体解决方法。为此,本文给出一种简单实用的解决方案,在原理上说明其可行性,并进行了实验验证。

二、Michelson干涉型光纤传感器原理

图1所示为Michelson相位调制型光纤干涉仪结构示意图。由激光器发出的相干光经光隔离器和耦合器后一分为二分别送入2根长度基本相同的单模光纤(即干涉仪的两臂,其一为信号臂,另一参考臂),而后被反射膜反射,在耦合器的输出端发生干涉。显然,这是一种双光束干涉仪,干涉光的幅度与信号光及参考光的幅度有关,其相位为两臂光相位之差,干涉场光强分布为

I=I1+I2+2I1I2cos(Φ)=A+Bcos(Φ)(1)

Φ=2nπl/λ(2)

式(1)右端是光电转换的信号,I1、I2分别为干涉仪两臂单独存在时的光强,在检测时通常以直流项对待;2I1I2cos(Φ)表示干涉效应,当Φ=2mπ时,为干涉场的极大值,其中m为干涉级次。式(2)中,Φ为干涉仪两臂光波的相位差,它可以表示为因为环境波动引起的随机漂移信号S和待测信号N之和,由光波波长λ、光纤折射率n以及光纤两臂长度差l共同决定。在波长一定的情况下,两臂光程差改变nl,就改变了干涉信号的相位差,从而实现传感功能。

干涉光信号由光电转换器(PD)转换为电信号。通过检测电信号的变化,就得到相应的干涉光信号的相位变化。

三、相位漂移及倍频原因简析

由式(1)可见,I随Φ呈余弦变化规律,I~Φ关系曲线如图2所示。在Φ=2nπ处为最大值(n=0,±1,±2,??),而在Φ=(2n+1π处取值最小,而在Φ=nπ+π/2处变化最快,I变化最快即表示此时干涉仪具有最高灵敏度。

所以,干涉仪应在工作在两臂光程差为π/2的位置,这样它的灵敏度最高;否则,当相位差在π或π的整数倍时,就几乎检测不到信号的变化。在实际探测过程中,即使事先调节两臂光程差为π/2,也会由于缓变的随机相位漂移噪声、偏振噪声及所处环境的某些无规则运动带来的噪声使静态时两臂光程差不能保持为π/2而出现相位漂移的现象,使输出发生漂移,如图3所示。

另外,由式(1)可知,在检测大信号时,若使两臂相位差改变量超过π/2就会出现倍频的现象,如图4所示。可见,此时输出信号不能反映实际信号。

四、采用PZT解决相位随机漂移及倍频问题

(一)PZT的光纤相位调制原理

PZT具有压电效应。当电压加在PZT筒上时,PZT筒的外径周长会发生变化,从而使缠绕在PZT筒的光纤长度及折射率随之发生变化,改变光纤内传输的光波相位。

光纤相位变化量的数学表达式为

式中,kl为光纤应变系数。由式(3)可知,相位调制的关键是分析光纤长度的变化量Δl /l的规律。

如图5所示模型,PZT筒的高为h,电压u(t)加于内外半径r1、r2间。由于使用的PZ T筒半径远大于厚度(即r2mr2-r1),所以在PZT筒内可以认为径向电场强度E为均匀分布。即

式中,re=(r1+r2)/2为平均半径。根据弹性学理论构造柱面坐标系,可以把PZT筒看作是横向效应振子,即在径向施加电场,在圆周围方向发生应变。经过一系列公式推导,可以得到

其中,s为PZT筒的周长;μ为泊松比;AE是一常数,与PZT筒的材料及外形有关;kf n为光纤刚度系数;Np为光纤匝数;kdp是负载系数,这主要是考虑光纤绕在PZT上应变的不一致及滑动所产生灵敏度下降,一般取kdp=0.1~1.0。式(5)和式(6)表示了电压u (t)与光纤应变Δl/l的关系式,它是PZT把电压转变为相位的模型关系式。

可以看到,光纤应变Δl/l与加在PZT两极的电压成正比,这是利用PZT实现光纤的相移补偿的理论基础。

(二)检测小信号的方法

当用光纤干涉仪检测非常小的信号时,两臂相位差的改变不会超过π/2,此情况下可不考虑倍频,只要解决缓变相位的漂移。我们解决的方案如图6所示。

传感器在实际应用中需要探测的信号频率一般至少在几10Hz以上,缓变的随机相位噪声的频率一般小5Hz。适当设置低通滤波器的截止频率,将缓变噪声取出给比较器电路。当存在缓变随机相移时,相位噪声通过低通滤波器,造成比较器电平的失配,从而产生输出并作用于PZT晶体。PZT晶体在电压的作用下产生径向的拉伸或收缩,则缠绕在上面的光纤的长度和折射率也发生变化,使得光相位发生相应变化,通过干涉光路造成了输出光强的改变,并转换成电压信号,构成了反馈环路,从而达到调制的作用。

在没有重新达到平衡之前,比较器的输出电压将会在积分回路的控制下不断的变化(积分回路起到保持电压的作用),带动光纤重新回到平衡相位。两路干涉光中,一路缠在声敏器件上用于信号检测,另外一路缠在PZT上用于相位补偿。实验光源的是输出光强的2mW的LD;PZT相位调制采用直径约25mm的PZT。

(三)检测大信号的方法

当出现大信号的待测信号时,将出现图4所示有失真的倍频现象。我们的解决方案如图7所示,相应实用电路如图8所示。电路的基本思想是利用PZT晶体的压电特性结合PID电路技术对光纤进行调制,不仅对低频相位漂移进行补偿,而且对信号引起的相位变化也同时补偿。这样将信号缓变漂移及信号倍频问题同时解决。

检测水听器输出干涉光的光电管D7将干涉光的强弱变化转变成电流的变化,由12、13、14脚构成的运放将其变化转换成电压的变化并放大,W1的作用是调节放大倍数。W2的作用是调节信号的直流分量,以消除干涉光的直接分量。由2、3、1脚构成的运放对信号进一步放大,并将信号送入PID控制电路。由5、6、7脚构成的运放及其外围的Cp2、Rp6、Cp 4、Rp9组成比PID电路。由于PZT的频率响应在水听器有效频段范围内不一致,PID电路中微分回路与积分回路分别针对一些特征高、低频信号选择放大。小容量电容Cp3的作用是防止PZT自激,抑制接近PZT本振频率的噪声(由外界环境或电阻等器件噪声引起)。将反馈电压信号通过适当的带通滤波电路(由9、10、8脚构成的运放及其外围组成)就可以提取出信号,得到待测信号。

可以看到,本方案既可检测大信号,也可检测小信号,但电路较复杂。

五、实验及结果

实验装置图如图9所示,将标准压电水听器探头和光纤水听器探头置于同一声场(对声源而言位置靠近或对等)中,并将两探头的输出同时接到数字示波器上进行比对测量。考虑到桶内和振动台面的振动相差较大,故未采用在国家标准中建议的用放在振动台面上的加速度计,改用标准压电水听器(型号RAS22,715研究所制造)。频响在3Hz~1kHz范围内平坦,约为-178.5dB,灵敏度起伏<0.6dB,并将其与被测光纤水听器探头同时置于校准容器(图9的金属圆桶)中。所用振动台型号为2101A,中国航天科技集团第702研究所制造。

实验中,激光器的输出功率约为1mW、波长为1550nm;水听器信号臂与参考臂为7m、直径0.12mm的单模光纤。实验结果如图10所示。可以看出,信号得到如实反映,没有出现倍频失真问题。对比图3、图4波形,直观地看到,低频随机相位漂移和倍频问题得到了解决。

六、结论

针对光纤干涉型传感器普遍存在的相位随机漂移及倍频问题,提出了方便实用的相位补偿的解决方法——通过合适的反馈电路驱PZT对光路进行调制,并从理论和实验验证了其可行性。本文的研究结果,不仅可以应用于水听器的相位补偿,还能用于与此相关或类似的干涉型光纤传感系统,具有较高的应用价值。

实验五反射式光纤位移传感器实验

实验五 反射式光纤位移传感器 一、实验目的 了解反射式光纤位移传感器的结构,学习和掌握最简单、最基本的光纤位移传感器的原理和应用。 二、基本原理 反射强度调制式光纤传感器具有准确、结构简单、价格低廉等优点,广泛应用于各种位移、压力和温度传感器中。反射式光纤位移传感器的基本结构如图5-1所示,其中发射光纤通常由一根光纤构成,接收光纤有时候由单根光纤构成,而有些时候为了提高光的接收效率也经常由多根光纤构成。本实验采用的传光型光纤,它是由两根光纤的一端熔合后组成的Y 型光纤,一根作为发射光纤,端部与光源相接发射光束;另一根作为接收光纤,端部与光电转换器相接接收反射光。两根光纤熔合后的端部是工作端也称传感探头,截面为半圆分布即D 型结构。由光源发出的光传到端部出射后再经被测体反射回来,由另一束光纤接收光信号经光电转换器转换成电压信号。 图5-1 反射式光纤位移传感器示意图 传光型光纤反射式位移传感器的发射调制方法,可用等效分析法来分析。首先,画出接收光纤关于反射体的镜像,然后计算出该镜像接收光纤在发射光纤纤端光场中所接收到的光强值,最后将该光强值乘以反射体的反射率R ,作为传感器的最后输出光强。如图5-2中的a 图所示。 接收光纤的镜像坐标即它的等效坐标位置为F (2z ,d ),这里z 为发射接收光纤的端面与反射体之间的距离,d 为发射光纤轴心到接收光纤轴心之间的距离,由此可以获得接收光纤接收到的光强为: ]] )/(1[exp[])/(1[)(2 2/30202222/3020c c tg a z a d tg a z RI z I θζσθζσ+-?+= 其中,0I 为光源的光强,σ为表征光纤折射率分布的相关参数,对于阶跃折射率光纤,它的值为1,0a 为光纤的纤芯半径,ζ为光源种类及光源与光纤耦合情况有关的调制参数, c θ为发射光纤的最大出射角。此函数的曲线形状如图5-2中的b 图所示。 reflector

干涉型光纤传感器的信号处理系统

干涉型光纤传感器的信号处理系统 近年来,传感器在朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网络化的方向发展。 在这一过程中,光纤传感器作为传感器家族的新成员,由于其优越的性能而倍受青睐。在各种光纤传感器中以干涉型光纤传感器的灵敏度最高。 干涉仪结构的光纤传感器系统,通过深入研究随机信号的互相关函数和基于AR模型的功率谱估计,设计出具有事件发生检测功能的传感器信号处理算法。此算法可以对外界振动进行实时预警,并实现高速、高精度的定位。 该技术可用于检测第三方入侵,对需要防护的地域、管线进行监控、报警并提供精确定位。 研究成果对于长距离分布式干涉型光纤传感器的实用化具有重要的理论意义和实际应用价值,并在工业和国防领域具有应用前景。 本文设计的光纤传感系统分为传感线路、光收发模块、数据采集和信号处理等部分。 传感线路部分是一种基于马赫一泽德干涉仪的双向干涉结构。 当干涉仪中的干涉臂受到外力引起的振动时,光纤中传输的光信号的相位会发生变化,从而导致输出干涉波形的变化。 干涉信号经光电转换、数据采集送至信号处理系统,经信号处理分析后可以对外界振动发生的位置进行定位。 信号处理部分由DSP和PC机共同组成,DSP用于实现事件发生检测算法,PC机实现定位算法。通过实验分析表明,事件发生检测算法可以显著地改善光纤传感器的性能,提高系统准确性,降低误报率。在合理设置采样率

的基础上,可以实现lOOM的定位误差。采用DSP和PC机合理分配运算负担,可以满足光纤传感器系统实时监控的要求。 第一章绪论 1.1引言传感器是感受规定的被测物理量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置,它在工业生产、国防建设和科学技术等各个领域都发挥着巨大作用。近年来,传感器在朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网络化的方向发展。在这一过程中,光纤传感器作为传感器家族的新成员,由于其优越的性能而倍受青睐。与传统的传感器相比,光纤传感器具有以下的优势:首先,光纤是一种耐高压,抗腐蚀的介质,能在电磁或电子传感器不能工作的恶劣环境下运行。其次光波的传播频率极高,具有巨大的信息容量,又能有效的防止无线电波及电火花干扰传输的光波信号。同时,光纤很细,又具有极高的韧性,可以制造各种体积小、重量轻以及任意形状的传感器。更重要的是光纤传感器可以传感各种物理量,例如声,电、磁、温度、压力、振动、旋转等,并具有极高的灵敏度。 光纤传感器利用光纤本身的敏感特性进行工作。 由光源发出的光在光纤中传播时,若应力、温度、电场、磁场等外界因素发生了变化,则光波的振幅、相位、波长及偏振态等特征参量会随之变化,该过程称为光波的调制。含有调制信息的光波经光纤传输到光电转换部分,解调后被仪器接收,即可得到外场确切变化的信息。根据被测物理量对光的调制方法不同,光纤传感器可分为强度传感器,频率(或波长)传感器,相位传感器及光纤偏振式传感器四大类。其中尤其以光纤相位传感器(即各种光纤干涉仪)的灵敏度最高。光纤干涉仪将光波的相位信息转换位强度信息,通过检测光强信号分析出所测物理量。20世纪70年代以来,在飞速发展的光纤通信技术的带动下,光纤传感

光纤传感器位移特性实验

光纤传感器位移特性实验报告 一、实验目的: 了解反射式光纤位移传感器的原理与应用。 二、实验仪器: 光纤位移传感器模块、Y型光纤传感器、测微头、反射面、直流电源、数显电压表。三、实验原理: 反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理如图36-1所示:光纤采用Y型结构,两束光纤一端合并在一起组成光纤探头,另一端分为两支,分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤,通过光纤传输,射向反射面,再被反射到接收光纤,最后由光电转换器接收,转换器接收到的光源与反射体表面的性质及反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后,接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然,当光纤探头紧贴反射面时,接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加,接收到的光强逐渐增加,到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量,具有探头小,响应速度快,测量线性化(在小位移范围内)等优点,可在小位移范围内进行高速位移检测。 图36-1 反射式光纤位移传感器原理图36-2 光纤位移传感器安装示意图四、实验内容与步骤 1.光纤传感器的安装如图36-2所示,将Y型光纤安装在光纤位移传感器实验模块上。探头对准镀铬反射板,调节光纤探头端面与反射面平行,距离适中;固定测微头。接通电源预热数分钟。 2.将测微头起始位置调到14cm处,手动使反射面与光纤探头端面紧密接触,固定测微头。 3.实验模块从主控台接入±15V电源,打开实验台电源。 4.将模块输出“Uo”接到直流电压表(20V档),仔细调节电位器Rw使电压表显示为零。 5.旋动测微器,使反射面与光纤探头端面距离增大,每隔0.1mm读出一次输出电压U值,并记录。 五、数据记录与分析 1、数据记录表格 X(mm)0.10.20.30.40.50.60.70.80.9 1.0 Uo(V)0.080.180.280.400.520.640.750.870.97 1.06

反射式光纤位移传感器特性实验

仪器与电子学院实验报告 (操作性实验) 班级: 学号: 学生姓名: 实验题目:反射式光纤位移传感器特性实验 一、实验目的 1)掌握反射光纤位移传感器工作原理; 2)掌握反射光纤位移传感器静态特性标定方法。 二、实验仪器及器件 光纤、光电转换器、光电变换器、电压表、支架、反射片、测微仪。 三、实验内容及原理 反射式光纤位移传感器的工作原理如图3所示,光纤采用Y 型结构,两束多模光纤一端合并组成光纤探头,另一端分为两束,分别作为接收光纤和光源光纤,光纤只起传输信号的作用。当光发射器发生的红外光,经光源光纤照射至反射体,被反射的光经接收光纤至光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离,通过对光强的检测而得到位移量。 图1 反射式光纤位移传感器原理及输出特性曲线 四、实验步骤 1、观察光纤结构:本仪器中光纤探头为半圆型结构,由数百根光导纤维组成,一半为光源光纤,一半为接收光纤。 2、将原装电涡流线圈支架上的电涡流线圈取下,装上光纤探头,探头对准镀铬反射片( 即

电涡流片)。 3、振动台上装上测微仪,开启电源,光电变换器Vo端接电压表。旋动测微仪,带动振 动平台,使光纤探头端面紧贴反射镜面,此时Vo输出为最小。然后旋动测微仪,使反射镜面离开探头,每隔0.5mm取一Vo电压值填入下表,作出V—X曲线。 4、根据所测数据求出平均值后,在坐标纸上画出输出电压-位移特性曲线(分前坡和后坡), 计算灵敏度S=,并在坐标纸上画出V—X关系线性、灵敏度、重复性、迟滞曲线。 五、实验测试数据表格记录 表1 六、实验数据分析及处理 1、线性度: 图2 线性曲线

Michelson干涉型光纤传感器原理.

一、引言 光纤传感由于具有本质安全、电绝缘性好、灵敏度高及便于连网等优点,已在许多物理量的测量中得到应用,特别是基于光纤干涉的传感系统已成为物理量检测中最为精确的系统之一。 光纤干涉仪是一种高精度测量仪器,但存在相位随机漂移及倍频等光学问题。现有文献报导中,解决的方法是采用相位生成载波技术,调制解调的实现过程复杂,并有可能产生信号波形的失真。另外,虽有采用压电陶瓷(PZT)的报导,但未见对相位随机漂移及倍频问题的具体解决方法。为此,本文给出一种简单实用的解决方案,在原理上说明其可行性,并进行了实验验证。 二、Michelson干涉型光纤传感器原理 图1所示为Michelson相位调制型光纤干涉仪结构示意图。由激光器发出的相干光经光隔离器和耦合器后一分为二分别送入2根长度基本相同的单模光纤(即干涉仪的两臂,其一为信号臂,另一参考臂),而后被反射膜反射,在耦合器的输出端发生干涉。显然,这是一种双光束干涉仪,干涉光的幅度与信号光及参考光的幅度有关,其相位为两臂光相位之差,干涉场光强分布为 I=I1+I2+2I1I2cos(Φ)=A+Bcos(Φ)(1) Φ=2nπl/λ(2) 式(1)右端是光电转换的信号,I1、I2分别为干涉仪两臂单独存在时的光强,在检测时通常以直流项对待;2I1I2cos(Φ)表示干涉效应,当Φ=2mπ时,为干涉场的极大值,其中m为干涉级次。式(2)中,Φ为干涉仪两臂光波的相位差,它可以表示为因为环境波动引起的随机漂移信号S和待测信号N之和,由光波波长λ、光纤折射率n以及光纤两臂长度差l共同决定。在波长一定的情况下,两臂光程差改变nl,就改变了干涉信号的相位差,从而实现传感功能。

光纤式传感器

光纤式传感器 传感技术与计算机技术、通讯技术被称为信息产业三大支柱技术, 是组成现代信息化技术的基础。世界各大强国均将传感器技术视为国家科技发展战略中的重要组成部分, 作为国家重点发展的领域之一。光纤传感器主要有传感型和传光型两大类, 两类传感器在传感原理上均可分为光强调制、相位调制、偏振态调制及波长调制不同形式, 由此构成不同的传感器。迄今业已证实, 被光纤传感器敏感的物理量有 70多种, 与传统的传感器相比, 光纤传感器有灵敏度高、重量轻和体积小、多用途、对介质影响小、抗电磁干扰和耐腐蚀且本质安全、易于组网等特点, 使其近年来在航天航空、国防、能源电力、医疗和环保、石油化工、食品加工、土木工程等领域的应用得到了迅速发展。表 1 为光纤传感器对参数测定的原理及主要方式。 一、光纤传感器的基本原理及组成 光纤传感器由光源、敏感元件、光探测器、信号处理器系统以及光纤等组成。光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器,使待测量参数与进入调制区的光相互作用后,导致光的光学性质(如光的强度、波长频率、相位偏振态等)发生变化,成为被调制的信号光,再经过光纤送入光探测器,经解调器解调后,获得被测参数。 1.1强度调制光纤传感器 强度调制光纤传感器的基本原理是:待测物理量引起光纤中传输光的光强变化,通过检测光强的变化实现对待测量的测量。待测量作用于光纤敏感元件,使通过光纤的光强发生变化。设输入光强为恒量Iin,输出光强为Iout,即待测量对光纤中的光强度产生调制。可

直接连接光探测器变成电信号(即调制的强度包括电信号)。 1.2相位调制光纤传感器 相位调制光纤传感器的基本原理是:通过被测能量场的作用,使光纤内传输的光波相位发生变化,再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化,从而检测出待测的物理量。所有能够影响光纤长度、折射率和内部应力的被测量都会引起相位变化,如应力应变温度和磁场等外界物理量。但是,目前的各类光探测器都不能探测敏感光的相位变化,必须采用干涉测量技术,才能实现对外界物理量的检测。与其他调制方式相比,相位调制技术由于采用干涉技术而具有很高的检测灵敏度。常用的干涉仪有四种:迈克尔逊、马赫-琴特、法布里-珀罗和萨格耐克。它们的共同点是:光源发出的光都要分成两束或更多束的光,沿不同的路径传播后,分离的光束又重新汇合,产生干涉现象。

光纤水听器综述

光纤水听器及阵列综述 马宏兰周美丽 (天津师范大学电子与通信工程学院) 摘要:为适应水声学应用特别是水下反潜战的需要 ,在光纤技术不断发展的基 础上 ,光纤水听器应运而生。光纤水听器是一种基于光纤、光电子技术上的新型水下声传感器 ,因其在军事、民用各领域应用广泛 ,目前光纤水听器在国内外发展迅速 ,已经到达实用状态。全光光纤水听器系统的湿端采用全光实现,信号传感与传输皆基于光纤技术。具有抗电磁干扰、重量轻和造价低等优点。文章简述了光纤水听器的发展历史、现状 ,论述了光纤水听器阵列的原理及其应用前景。 关键词:光纤水听器多路复用技术阵列 0引言:在光纤水听器的实际应用中,由于水下声场的复杂性,单元水听器很难获得目标的详细信息,因而需要将数百乃至上千个探测基元组成大的阵列,以获得更多水声场信息,通过水听器阵列完成声场信号的波束形成,实现对水下目标的定位与指向。在2003年8月下水的美国最新型攻击核潜艇上,装备的舷侧阵就由2 700个光纤水听器基元组成【1】。对于大规模的光纤水听器阵列,多达数十上百基元的光纤水听器光信号都是由同一根光纤传输的,在实际系统中,这种性能就是由光纤水听器的多路复用技术实现的。可见多路复用是光纤水听器的核心技术。 1 光纤水听器的开发 自1976年美国Bucar等人发表第一篇有关光纤水听器的论文【2】以来, 各工业发达国家的海军研究部门以及有关的研究和工业部门都在积极从事光纤水听器的研究和开发,尤其以美国最为突出。美国海军研究实验室、美国海军研究生院和Litton制导和控制公司等先后研究开发了Maeh一Zehnder、Michelson 干涉仪的光纤水听器, 主要结构有心轴型、互补型(推挽式) 、平面型和椭球弯 张式等光纤水听器。这些结构水听器达到的归一化灵敏度(△。/ 。△P)为适应水声学应用特别是水下反潜战的需要 ,在光纤技术不断发展的基础上 ,光纤水听器应运而生。光纤水听器是一种基于光纤、光电子技术上的新型水下声传感器 ,因其在军事、民用各领域应用广泛 ,目前光纤水听器在国内外发展迅速 ,已经到达实用状态。各国对光纤水听器的研究投入了大量人力和物力,技术也日益娴熟。 2、多路复用的阵列体系结构 阵列体系分为以下六大部分,其中时分/ 波分混合复用技术是其关键有效手段。 1 ) 频分复用(FDM) 【3】相位产生载波(PGC)问询的体系结构—美国海军研究实验室已用此方案对总数48 个单元水听器成网组成的阵列成功地进行了海上试验, 证实了这种体系结构的低阐值检测能力和低的串扰。 2) 时分复用(TDM) 相位产生载波问询的体系结构—美国海军研究实验室已作了10 单元的光纤水听器阵列演示, 证实了其低的光背景噪声和低的串扰。

基恩士光纤传感器的分类及原理

基恩士光纤传感器的分类 KEYENCE光纤传感器根据光受被测对象的调制形式可以分为:强度调制型、偏振态制型、相位制型、频率制型;KEYENCE光纤传感器根据光是否发生干涉可分为:干涉型和非干涉型;KEYENCE光纤传感器根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量可分为:分布式和点分式;根据光纤在传感器中的作用可以分为:一类是功能型(传感型)传感器; 另一类是非功能型(传光型)传感器。 基恩士光纤传感器的原理 KEYENCE光纤传感器光纤布拉格光栅传感器(FBS)是一种使用频率最高,范围最广的光纤传感器,这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。光纤布拉格光栅是通过全息干涉法或者相位掩膜法来将一小段光敏感的光纤暴露在一个光强周期分布的光波下面。这样光纤的光折射率就会根据其被照射的光波强度而永久改变。这种方法造成的光折射率的周期性变化就叫做光纤布拉格光栅。 当一束广谱的光束被传播到光纤布拉格光栅的时候,光折射率被改变以后的每一小段光纤就只会反射一种特定波长的光波,这个波长称为布拉格波长,这种特性就使光纤布拉格光栅只反射一种特定波长的光波,而其它波长的光波都会被传播。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台,正品现货、优势价格、迅捷配送,是一站式采购的工业品商城!具有10年工业用品电子商务领域研究,以强大的信息通道建设的优势,以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力,为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解相关传感器产品的选型,报价,采购,参数,图片,批发等信息,请关注艾驰商城。https://www.360docs.net/doc/f66984609.html,/

浅谈反射式强度型光纤传感器

大学物理实验 光纤技术专题实验 学院 班级 学号 姓名 教师张丽梅 首次实验时间2012年9月17日

浅谈反射式强度型光纤传感器 摘要:本文通过物理实验的经历和收获和查阅相关资料,简要地论述了反射式强度型光纤传感器的工作原理,以及国内外对该类传感器研究现状,指出其存在的问题和解决方法。 关键词:反射式光纤传感器,反射面,强度调制,研究,发展趋势 1引言 通过光纤技术专题实验,我对光纤的结构和一般性质,光纤的耦合、传输及传感特性有了一定的了解,尤其是在做第三个实验“光纤传感”时,对反射式强度型光纤传感器产生了浓厚的兴趣。通过查阅资料等手段,写下了这篇浅显的论文。 2反射式强度型光纤传感器及其原理 反射式强度型光纤传感器(RIM-FOS:Reflective Intensity Modulated Fiber Optic Sensor)具有原理简单、设计灵活、价格低廉等特点,并已在许多物理量

( 如位移、转速、振动等) 的测量中获得成功应用。其结构原理如图1。 图2 与传统传感器是以机- 电测量为基础相比,,光纤传感器则以光学测量为基础。从本质上分析, 光就是一种电磁波, 其波长范围从极远红外的1nm 到极远紫外线的 10nm。电磁波 的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此, 在讨论光的敏感测量时必须考虑光的电矢量E 的振动。通常用下式表示:E=Asin( ωt+")

式中A—电场E 的振辐矢量; ω—光波的振动频率;"— 光的相位; t—光的传播时间。由上式可见, 只要使光 的强度、偏振态( 矢量A的方向) 、频率和相位等参量 之一随波测量状态的变化而变化, 或者受被测量调制, 那么, 我们就有可能通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位的调制等进行解调, 获得我们所需要 的被测量的信息。最简单的反射式强度型光纤传感 ( RIMFOS)由光源、发送光纤、接收光纤、反射面以及 光电探测器组成.在图一中S 为光源, D 为检测器。光 源S 发出的光经发送 光纤束全反射传播, 到达反射面( 被测物) , 射 进入接收光纤束再次全反射传播到达检测器D, 测器D 输出相应的电信号U0。 U0=f( d) 在光纤芯半径r、光纤的数值孔径NA、反射面、 检测器已确定情况下, 输出电压U0 只是位移d 的函数。所以通过分析输出电压U0, 可以得到相应位移d的数值, 这样可以实现非接触微小位移的精密测量。

干涉型微纳光纤传感器

干涉型微纳光纤传感器 金龙,李杰,关柏鸥 (暨南大学光子技术研究所,广州,510632) 摘要:本文报道我们在干涉型微纳光纤传感器方面的研究进展,包括高双折射微纳光纤环形传感器、级联长周期光栅传感器及基于单锥结构的微纳光纤干涉型传感器。通过对干涉仪几何结构的设计与优化,实现了104 nm/RIU 量级的折射率感测灵敏度,为研制成本低廉、高灵敏度的光学生物化学传感器提供了可选方案。 关键词:微纳光纤;微纳光纤传感器;干涉型传感器 微纳光纤传感器具有体积小巧、结构灵活、强瞬逝场等特点,基于对周围液体折射率的测量,能够实现对微弱生化成分变化的检测。已报道的微纳光纤折射率传感器包括光栅型、谐振型等。我们通过结构设计与优化,实现了几种干涉型微纳光纤折射率传感器,具有折射率灵敏度高、温度灵敏度低,制作成本低等优点,具体包括: (1)高双折射微纳光纤环形传感器。在闭合光纤环镜结构中加入一段由矩形截面光纤熔融拉锥而成的高双折射微纳光纤,构成M-Z 干涉型传感器,其折射率灵敏度达到18897nm/RIU ,并通过进一步将干涉仪制成灵巧型尖端式结构,将灵敏度提升到24373nm/RIU ,温度灵敏度仅为5 pm/°C 。理论分析表明其传感特性由群双折射色散决定,可通过对光纤截面的椭圆度和和直径的优化实现灵敏度的提升。 (2)级联长周期光栅微纳光纤传感器。通过用CO 2激光器在微纳光纤上构成级联长周期光栅,感测灵敏度达到2227nm/RIU ,温度灵敏度为11.7 pm/°C ,并通过理论计算指出,通过进一步降低光纤直径到 3.5μm 左右时,由于瞬逝场作用的增强和模式色散因子的降低,感测灵敏度有望达到40000nm/RIU 左右。 (3)单锥结构的微纳光纤干涉型传感器。在光纤熔融拉锥过程中,通过减小过渡区长度,可激发微纳光纤中的高阶模式,并基于单个锥区实现干涉仪结构。这种结构制作方法简便,锥区总长度更短,本文还将介绍我们在这方面的最新结果。 CO 2 Laser L d =9.5μm 73.5 μm d Λ 图1左图:基于高双折射微纳光纤环镜结构的传感器原理图及实物图;右图:基于级联微纳光纤长周期光栅的干涉型传感器原理图及实物图。

光纤水听器原理与应用综述(1)

光纤水听器原理与发展现状 袁虎邓华秋 (华南理工大学物理系广州510640) 摘要光纤水听器由于其特有的抗电磁干扰、体积小等特点,在军事、民用方面有着广泛应用。本文简介了光纤水听器的基本原理,并分别对强度调制型、干涉型和光栅型光纤水听器进行了简单的介绍。在现在的光纤水听器的应用中,点式的传感已不能满足现在的大规模集成化要求,因此分布式光纤水听器也是近期的研究热点。文中介绍了两种分布式光纤水听器的技术方案,分别是OTDR和FMCW技术。与此同时由于光纤激光器的发展,其良好的单色性和稳定性可以用于优良的光源,把它用到干涉型光纤水听器中可以极大程度的提高光纤水听器的性能。 关键词:光纤水听器;FMCW;光纤激光器 1.光纤水听器简介 声波作为一种机械波,可以在海水中进行远程能量传递,而其他类型的能量场在水中衰减很快,因此,声波是海洋深层信息收集、传递和处理的最重要形式[1]。水声传感器简称水听器,是在水中侦听声场信号的仪器。它作为反潜声纳的核心部件,在军事领域中有着重要的应用;在工业生产和民用领域,也有着广泛的用途,如用于海洋石油和天然气的勘探、地震预测、水声物理研究、海洋气候以及渔业等众多方面。 早期的水听器主要有压电陶瓷制成的压电水听器。但随着应用的深入,基于压电陶瓷传感元件的水听器出现了许多不足之处。如对电磁场的敏感性,电缆负载、连接电缆的共振效应,同时利用压电陶瓷进行点传感的技术难度和成本也十分困难。正是由于传统压电式水听器存在这些问题,随着光纤和激光技术的发展,人们研制出了一种基于光纤光电子技术的新型水听器-光纤水听器。它的研究始于冷战时期,由于反潜战的需要,美国海军开始了光纤水听器的研究。[2,3]1977年布卡诺等人发表首篇关于光纤技术的水声传感系统的论文[4]。 光纤水听器由于传感头部分不用使用电,而是通过光来传输信号,所以具有抗电磁干扰、电绝缘、动态范围宽、稳定可靠性高、灵敏度不受水流静压力和频率的影响、可以进行远距离测量、探头体积小、方便构成大规模阵列等众多优点。所以,光纤水听器的研究越来越受到各国的重视[4]。 2.光纤水听器原理

反射式光纤传感器原理操作步骤

五、注意事项 1.不得随意摇动和插拔面板上的各种元器件,以免造成实验仪不能正常工作。 2.光纤传感器弯曲半径不得小于5㎝,以免折断。 3.旋动螺旋测微丝杆尾帽中出现咔咔声表示不能继续前进,不能超过其量程。 4.在使用过程中,出现任何异常情况,必须立即关机断电以确保安全。 5.不得用手触摸反射面,以免影响实验结果。 六、实验操作 1)光路与机械系统组装调试实验 1.按照图3安装光纤传感器,把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上,把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 图3 光纤传感器安装示意图 2.将发射和接收部分接入电路,探测器输出信号处理电路不接调零电路,输出端U0接入电路板上电压表。 3.调节光纤传感器探头,使探头与反射面接触。 4.选择智能可调档位200mv或者2v档位。 5.打开电源开关,调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面,观察电压表显示变化,并分析。 6.关闭电源。 2)发光二极管驱动实验1.按照图3安装光纤传感器,把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上,把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 2.仅仅把发射部分接入电路。 3.调节光纤传感器探头,使探头与反射面接触。 4.打开电源开关,调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面,观察电压表显示变化,并分析。 5.关闭电源。 3)光电探测器PD接收实验 1.按照图3安装光纤传感器,把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上,把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 2.仅仅把接收部分接入电路。 3.调节光纤传感器探头,使探头与反射面接触。 4.打开电源开关,调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面,观察电压表显示变化,并分析。 5.关闭电源。 4)光纤位移传感器输出信号放大处理实验 1.按照图3安装光纤传感器,把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上,把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 2.将发射和接收部分接入电路,探测器输出信号处理电路接调零电路,输出端U0接入电压表。 3.调节光纤传感器探头,使探头与反射面接触。 4.打开电源开关,调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面某一距离后维持不动,调节增益旋钮,观察电压表显示变化,并分析。 5.关闭电源。 5) 光纤位移传感器输出信号误差补偿电路 1.按照图3安装光纤传感器,把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座 7

反射式光纤位移传感器实验

反射式光纤位移传感器实验报告 一、实验内容 1、按照光路图搭建各类光学元件 2、用螺丝固定两侧推平移平台,侧推平移台装在滑块上,然后采用 FC=FC对接法兰连接半导体激光输出接口与塑料反射式传感光纤,塑 料反射式光鲜FC端口与功率计感应端口通过光纤法兰座固定。 3、塑料反射式传感光纤螺纹端夹持固定可调棱镜支架中,并调节可调 棱镜支架的调节旋钮使出射的光路与导轨平行。 4、调节反射镜与反射式光纤跳线之间距离,使得反射端紧贴反射镜, 调节旋钮使得反射光与入射光重合达到反射镜与光路垂直,直到显示 的功率接近0值。 5、固定反射镜与可调棱镜的位置,旋转沿光轴方向(导轨方向)xuan 转侧推平移台尺杆,使反射镜远离光纤发光端,并记录位移-功率值数 据并绘制实验图,在曲线图中线性最好的那一段可作为实际位移传感 器应用。 二、实验结果 三、实验分析 如图,线性较好的第一段(即位移在0-0.3mm间)满足线性化,可作为实际位移传感应用。反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。光从光源耦合到光源光纤,通过光纤传输,射向反射片,再被反射到接收光纤,最后由光电

转换器接收,转换器接受到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后,接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然,当光纤探头紧贴反射片时,接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加,接收到的光强逐渐增加,到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量,具有探头小,响应速度快,测量线性化(在小位移范围内)等优点,可在小位移范围内进行高速位移检测。

光纤传感器的分类及特点

1 光纤传感器基本原理 随着工艺水平的提高,光纤技术目前相对成熟。光纤传感器即为应用光纤传输的基本原理组合的一个广电感应系统。通常的光纤传感系统由光源、光导纤维、光传感元件,光调制元件和信号处理部分组成[3]。其工作原理如下图所示:光源发出的光经过光导纤维进入光传感元件,而在光传感元件中受到周围环境场的影响而发生变化的光再进入光调制机构,由其将传感元件测量的参数调制成幅度、相位、偏振等信息,这一过程称为光电转换过程,最后利用微处理器进行信号分析。 如前所述可以看出光纤传感器的传感机理和电磁传感器的传感机理是相似的,但是光纤传感器由于其测量信号的载体是激光,其在光导纤维内部传播,很难受到外界电磁场干扰,因此适合复杂工况下的检测,且操作方便灵活,信号输出自动化。 2 光纤传感器的分类及特点 2.1 光纤传感器的分类 2.1.1 光纤传感器的分类有不同的方式 按光纤在光纤传感器中的作用可分为传感型和传光型两种类型。 传感型光纤传感器的光纤不仅起传递光作用,同时又是光电敏感元件。由于外界环境对光纤自身的影响,待测量的物理量通过光纤作用于传感器上,使光波导的属性(光强、相位、偏振态、波长等)被调制。传感器型光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、振态调制型和波长调制型等。 2.1.2 传光型光纤传感器 传光型光纤传感器是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后,通过在输出端进行光信号处理而进行测量的,这类传感器带有另外的感光元件对待测物理量敏感,光纤仅作为传光元件,必须附加能够对光纤所传递的光进行调制的敏感元件才能组成传感元件。光纤传感器根据其测量范围还可分为点式光纤传感器、积分式光纤传感器、分布式光纤传感器三种。其中,分布式光纤传感器被用来检测大型结构的应变分布,可以快速无损测量结构的位移、内部或表面应力等重要参数。目前用于土木工程中的光纤传感器类型主要有 Math-Zender干涉型光纤传感器,Fabry-pero 腔式光纤传感器,光纤布喇格光栅传感器等。 2.2 光纤传感器的特点 研究和工程应用表明光纤传感器具有如下特点: ⑴高灵敏度,抗电磁干扰。由于光纤传感器检测系统很难受到外界场的干扰,且光信号在传输中不会与电磁波发生作用,也不受任何电噪声的影响,由于这一特征,光纤传感器在电力系统的检测中得到了广泛应用。 ⑵光纤具有很好的柔性和韧性,所以传感器可以根据现场检测需要做成不同的形状。 ⑶测量的频带宽、动态响应范围大。 ⑷可移植性强,可以制成不同的物理量的传感器,包括声场、磁场、压力、温度、加速度、位移、液位、流量、电流、辐射等。 ⑸可嵌入性强,便于与计算机和光纤系统相连,易于实现系统的遥测和控制。 3.光纤传感器土木工程中的应用举例 随着光纤传感技术的发展,在土木工程领域光纤传感器得到了广泛的应用,用来测量混凝土结构变形及内部应力,检测大型结构、桥梁健康状况等,其中最主要的都是将光纤传感器作为一种新型的应变传感器使用。

传感器原理第九章 光纤传感器

第九章光纤传感器第一节光纤的传光原理与特性 一、光纤的结构 二、光纤的传光原理 三、光纤的传光特性 第二节传输光的调制技术 一、光强度调制 二、光相位调制 三、偏振调制 四、频率调制 第三节强度调制光纤传感器 一、光纤水深探测器 二、透射式光纤温度传感器 三、反射式光纤位移传感器 第四节相位调制光纤传感器 第五节偏振调制光纤电流传感器 第六节频率调制光纤血流传感器

第九章光纤传感器 1970年,美国康宁玻璃公司研制成功传输损耗为20db/km的光导纤维。光导纤维的诞生,是20世纪人类的重要发明。现已广泛应用于工程技术、及通讯技术。 光导纤维作为远距离传输光波信号的媒质,最早用于光通讯技术,但人们在实际光通讯过程中发现,光导纤维受到如压力,温度、电场、磁场等外界环境因素变化的影响时,将引起光纤传输的光波量,如光强、相位、频率、偏振态等的变化。若能测量光波量的变化,就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小。于是,诞生了光导纤维传感器技术。 光纤传感器亦称光导纤维传感器,光纤传感器技术是70年代末发展起来的一门崭新技术,是传感器技术领域里的新成就。 光导纤维传感器技术是随着光导纤维的实用化和光通讯技术的发展而发展起来的,它与以电为基础的传感器相比有本质的区别。 光纤传感器是以光来作敏感信息的载体,用光导纤维作为传递敏感信息的媒质。

光导纤维传感器同时具有光导纤维及光学测量的一些宝贵的特点: 灵敏度高、结构简单、体积小、耗电量少、耐腐蚀、绝缘性好、光路可弯曲、抗电磁干扰、对被测场不产生影响、易实现对被测信号的远距离测控。 光纤传感器技术是一门多学科性科学,涉及到的知识面广泛,如光纤光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术、计算机应用等。本章重点介绍光纤传感器原理、分类、及典型应用。

干涉型光纤水听器调制解调方案研究

干涉型光纤水听器调制解调方案研究 ! 沈梁"叶险峰"李志能 #浙江大学信息与电子工程学系"杭州$%&&’()摘要*本文概述了+,-./01.2314 干涉型光纤水听器两种不同的调制解调技术"着重分析了用$5$耦合器组成的干涉型光纤水听器的解调原理" 并比较分析了这两种方案的特点"指出采用$5$耦合器解调技术是将来构成全光纤干涉型水听器系统的优选方案6 关键词*干涉型光纤水听器789零差检测解调$ 5$耦合器中国分类法*:7’%’6%;"文献标识码*<文章编号* %&&;/%=>>#’&&%)&%/&&&?/&=@引言 光纤水听器是利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产生的种种调制效应" 在海洋中侦听声场信号的仪器A %B 6 干涉型光纤水听器具有高灵敏度的相位检测能力和大的动态范围"可以远距离捕获海洋中声发射源如潜艇C 鱼群等发出的噪声"以便进行警报和定位"其检测声压灵敏度比传统的压电式水听器高出$个数量级"因而对光纤水听器技术的研 究在?&年代初就引起各国的高度重视6 同国外相比"我国在这一领域差距很大"仍处于原理性探索与实验室研究阶段"通过近几年的探索"已取得了一些成果6本文概述了+,-./01.2/ 314 干涉型光纤水听器两种不同调制解调技术6通过严密的数学推导"重点分析了$5$耦合器对称解调技术方案A D "=B " 并分析研究了这两种方案的特点"这些工作对于实现全光纤化水听器阵列远距离信号传输与检测具有重要的意义6 E 789调制/ 解调原理干涉型光纤水听器的789检测方案是在光纤水听器中引入检测信号带宽外的某一频 率的大幅度相位调制信号A ’B " 通过分离随机漂移与信号项"消除随机漂移对传感信号的影响6将圆频率为F G " 信号幅度为H 的相位调制信号加在+,-./01.2314光纤干涉仪上"则干涉仪的检测信号及其I 1J J 1K 函数展开为L M NO P -Q J A -Q J F G R O S #R )B M NO P T A U &#H )O ’V W X M % # Y %)X U ’X #H )-Q J ’X F G R B -Q J S #R )Y A ’V W X M &# Y %)X U ’X O %#H )-Q J #’X O %)F G R B J Z 2#R )[#%) ’&&%年$月传感技术学报第%期 !来稿日期*’&&&/&>/’?资助项目*国家自然科学基金资助项目#=>(&’&&$)万方数据

光纤传感器的位移特性

光纤传感器的位移特性实验报告 一、实验目的 了解光纤位移传感器的工作原理和性能。 二、基本原理 本实验采用的是传光型光纤,它由两束光纤混合后,组成Y型光纤,半园分布即双D型一束光纤端部与光源相接发射光束,另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头,它与被测体相距X,由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来,另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量,而光电转换器转换的电量大小与间距X有关,因此可用于测量位移。 三、需用器件与单元 光纤传感器、光纤传感器实验模板、数显单元、测微头、直流源、反射面。 四、实验步骤 1、根据图1-6安装光纤位移传感器,二束光纤插入实验板上的座孔上。其内部已和发光管D及光电转换管T 相接。 图1-6光纤传感器安装示意图

2、将光纤实验模板输出端V O1与数显单元相连,见图1-7。 图1-7光纤传感器位移实验接线图 2、调节测微头,使探头与反射面圆平板接触。 3、实验模板接入±15V电源,合上主控箱电源开关,调R W、使 数显表显示为零。 4、旋转测微头,被测体离开探头,每隔0.1mm读出数显表值, 将其填入表1-4。 表1-4光纤位移传感器输出电压与位移数据 X(mm) V(v) 5、根据表9-1数据,作光纤位移传感器的位移特性,计算在量 程1mm时灵敏度和非线性误差。 五、实验数据处理 1、实验数据: X(mm) 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 V(v)0.00 0.08 0.19 0.32 0.45 0.59 0.76 0.92 1.13 1.27 X(mm) 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 V(v) 1.39 1.50 1.59 1.65 1.70 1.78 1.84 1.88 1.91 1.91

光纤传感中的光学原理及效应

第1章:光纤传感中的光学原理及效应 1.1光学反射原理 分为镜面反射和漫反射 镜面反射和漫反射情况 基于反射原理的光纤传感器结构简单、工作可靠、成本低廉。主要应用于位移测量,振动测量,压力测量,浓度测量和液位测量。 1.2光学折射原理

1.3光学吸收原理 选择吸收:介质对某些波长的光的吸收特别显著 郎伯比尔(Lambert-Beer)定律: Lambert-Beer 定律是吸收光度法的基本定律,表示物质对某一单色光吸收的强弱与吸光物质浓度和厚度间的关系。 当气体浓度、光程均很小的时候,可以近似为: 1.4光学多普勒效应 θ cos 11f f 02 20 0c u c u -= 雷达测速仪 检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。交通警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波,通常是红外线,同时测量反射波的频率,根据

反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度.装有多普勒测速仪的警车有时就停在公路旁,在测速的同时把车辆牌号拍摄下来,并把测得的速度自动打印在照片上。

1.5声光效应 超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变,该应变随时间和空间作周期性变化,使介质出现疏密相间的现象,如同一个相位光栅 。当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象,这种现象称之为声光效应。 利用声光衍射效应制成的器件,称为声光器件。声光器件能快速有效地控制激光束的强度、方向和频率,还可把电信号实时转换 为光信号。此外,声光衍射还是探测材料声学性质的主要手段。 主要用途有:制作声光调制器件,制作声光偏转器件,声光调Q 开关,可调谐滤光器,在光信号处理和集成光通讯方面的应用。 1.6磁光效应 具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下,电磁特性发生变化,因而使得光波在其内部传输特性也发生变化的现象。 A 、法拉第效应:当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时,其偏振面发生旋转的现象,对于给定的介质,偏振面旋转角度=介质长度×磁场强度×维厄德系数 B 、磁光克尔效应:指一束线偏振光在磁化了的介质表面反射时,反射光将是椭圆偏振光,而且以椭圆的长轴为标志的“偏振面”相对于入射偏振光的偏振面旋转了一定的角度。 分类: ①极化克尔效应,即磁化强度M 与介质表面垂直时的克尔效应,应用于磁光存储技术中 ②横向克尔效应:M 既平行于介质表面,但垂直于光的入射面 ③纵向克尔效应:M 既平行于介质表面,又平行于光的入射面 C 、磁致线双折射效应:某些由各向异性分子组成的介质,在不加磁场时表现为各向同性,加上足够强的外磁场时,分子磁矩受到了力的作用,各分子对外磁场有了一定的取向,使介质宏观上呈现各向异性,当光以不同于磁场方向通过这样的介质时,就会出现双折射现象。 1.7电光效应 电光效应:指某些晶体的折射率因外加电场而发生变化的一种效应,当光波通过此介质时,其传输特性就受到影响而改变。 +++=20bE aE n n (6-3)

光纤传感器的基本原理及在医学上的应用

2008年9月中国医学物理学杂志Sep .,2008 第25卷第5期 ChineseJournalofMedicalPhysics Vol.25.No.5 光纤传感器的基本原理及在医学上的应用 孙素梅1,陈洪耀2,3,尹国盛2(1.漯河医学高等专科学校,河南漯河462000;2.河南大学物理与电子学院,河南开封 475004;3.中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥230031) 摘要:目的:本文的目的简要介绍光纤传感器的基本原理和简单分类,重点阐述传光型光纤传感器在医学的压力、流速、pH值等五方面的应用。方法:光纤传感器基本原理是将光源发出的光经光纤送入调制区,在调制区内,外界被测参数与进入调制区的光相互作用,使光的强度、频率、相位、偏振等发生变化成为被调制的信号光,再经光纤送入光探测器、解调器而获得被测物理量。光纤传感器按其传感原理可分为两大类:一类是传光型传感器,另一类是传感型传感器。结果:目前在医学上应用的主要是传光型光纤传感器。光纤传感器主要优点:小巧、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高。医疗上的图象传输是传输型光纤传感器应用中很有特色的一部分。只需将许多光纤组成光纤束,就可以做成能有效地使图象空间量子化的传感器。自从光导纤维引入到内窥镜以后,扩大了内窥镜的应用范围。光导纤维柔软、自由度大、传输图象失真小、直径细等优点使得各种内窥镜检查人体的各个部位几乎都是可行的,且操作中不会引起病人的痛苦与不适。其中光纤血管镜已应用于人类的心导管检查中。在进行激光血管成形术时,血管镜可提供很多重要的信息,用以引导激光辐射的方向,选择激光的能量和持续时间,并可了解在成形术后的治疗效果。光纤内窥镜不仅用于诊断,也正进入治疗领域中,例如用于做息肉切除手术等。微波加温治疗技术是当前治疗癌症的有效途径,但微波加温治疗癌症技术的温度难以控制,而光纤温度传感器恰可以对微波加温治疗癌症的有效温度进行监测,从而使温度不致于过高杀死人体的正常细胞,也不会过低达不到治疗目的,使癌细胞进一步扩散。光纤温度传感器在癌症治疗方面的研究和开发正日益兴起。结论:光纤传感器作为一种优势明显的新型传感器在医学领域得到应用,为治疗疾病提供了一种崭新的方法。可以预见随着制作技术的日益成熟和器件性能的不断提高,不久的将来光纤传感器必将会进一步推动医学的飞速发展。 关键词:光纤传感器;测量;医学;应用中图分类号:R312 文献标识码:A 文章编号:1005-202X (2008)05-0846-05 The Basic Principle and Applications on Medical of Fiber Optic Sensors SUNSu-mei1,CHENHong-yao2,3,YINGuo-sheng2 (1.LuoheMedicalCollege,LuoheHe'nan462000,China;2.ChinaPhysicsandElectronicsCollege,He'nanUniversity,KaifengHe'nan475004,China;3.TheAn'huiInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,TheChineseAcademyofSciences,HefeiAnhui230031,China) Abstract:Objective:Thisarticlesimplyintroducedthebasicprincipleoffiberopticsensoranditsapplicationespeciallyonmedicalinbloodpressure,thespeedofflow,thepHvalueetc.Method:Thefiberopticsensorbasicprincipleisthelightwhichsendsoutthephotosourcesendsinafterthefiberopticthemodulationarea,inthemodulationarea,theoutsidewasmeasuredtheparameterwithentersthemodulationareathelighttoaffectmutually,causesthelighttheintensity,thefrequency,thephase,thepolarizationtooccurchangesintothesignallightwhichmodulates,againpassesthroughthefiberoptictosendinthelightdetector,thedemodulatorobtainsismeasuredthephysicalquantity.Thefiberopticsensormaydivideintotwokindsaccordingtoitssensingprinciple:onekindisthelight-passingsensor;theotheristhesensingsensor.Result:Atpresent,themainapplicationinthemedicineisthelight-passingfiberopticsensor.Themainadvantagesoffiberoptic sensorare:exquisite,insulation,notinfluencedbytheradiofrequencyandthemicrowave.Themeasuringaccuracyish igh.Theimagetransmissioninmedicalisthespecialpartof theapplicationonthetransmissionmodesfiberopticsensor.Onlytieaplentyoffiberoptictocompositionfiberoptics,wecouldmakethesensorwhichcancausetheimagespace 收稿日期:2008-03-10 作者简介:孙素梅(1954-),女,漯河医学高等专科学校物理教研室 副教授。Tel :0395-296452713939575106;E -mail : sunsumei2007@https://www.360docs.net/doc/f66984609.html, 。 846--

相关文档
最新文档