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第四章 光电信息技术应用第四章 光电信息技术应用

§4.1 §4.1 光电检测 光电检测

§4.2 §4.2 光电控制光电控制

§4.3 §4.3 光纤通信光纤通信

§4.4 §4.4 光纤传感器光纤传感器

§4.5 §4.5 光电信息技术其它应用光电信息技术其它应用

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一． 直接作用法受被测物理量控制的光通量，经光电接收器转换成电量后由检测机构直接得到欲测的物理量，测量框图如图所示。直接测量法的最大优点是简单方便，仪器设备造价低廉。这种方法的缺点是检测结果受参数、环境、电压波动等影响较大，精度及稳定性较差。适合于测量精度要求不高的场合。

根据检测原理光电检测的基本方法有直接作用法、差动法、补偿法和脉冲法等。

§4.1.1 光电检测基本方法

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§4.1.1 光电检测基本方法 二． 差动法利用被测量与某一标准量相比较，所得差或比反映了被测量的大小。例如，用双光路差动法测量物体的长度，如图所示。

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§4.1.1 光电检测基本方法

1 ．调整：放入标准工件的尺寸，调整光楔，使 φ1 ＝ φ2 ，使 μA 表读数为“ 0” 。

① 当工件尺寸无误差时，使 φ1 ＝ φ2 ，光电传感器输出 U 无交变分量，见图。②当工件尺寸变小时， φ1>φ2 ， U＝ S·(φ1-φ2)·R=S·Δφ·R 。 ③当工件尺寸变大时， φ1<φ2 ， U＝ S·(φ1-φ2)·R=－ S·Δφ·R 。

2 ．测量：

3 ．结论：

1 〕测量值的大小决定于u 的幅值，测量值的正负决定于 u 的相位 .

2 〕测量精度和灵敏度大大提高 .

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§4.1.1 光电检测基本方法

三、补偿法用光或电的方法补偿由被测量变化而引起的光通量变化，补偿器的可动元件联接读数装置指示出补偿量值，补偿值的大小反映了被测量变化的大小。

例如，单通道光电补偿式测量

该检测方法又称补偿直读法，测量原理：由光敏电阻 RG 和电阻 R0 、 R1 、 R2 组成电桥，当无光照时，调整 Rw 使电桥平衡，当信号光照射光敏电阻时，其阻值 RG 下降为 R’G ，使电桥失去平衡，检流计 G 中有信号输出。调整 RW 使电桥恢复平衡，调整 RW 时标尺指示器 A 随之移动，电桥平衡时， A 指示的数值就是待测量值的大小。以上是单通道电补偿的一个例子。

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§4.1.1 光电检测基本方法

1 ．脉宽法测长

四、脉冲测量法受被测量控制的光通量转换成电脉冲，其参数（脉宽、相位、频率、脉冲数量等）反映了被测量的大小。

图给出了脉宽法测长的原理。L＝ vt＝ vkN＝ KN

以上对零件尺寸的测量都要求匀速直线运动，实现起来较为困难，因此常用于精度要求不高的场合。

其中， k 是高频脉冲的时间当量，即表示单位高频脉冲所代表的时间，而 K 是长度当量，即表示单位高频脉冲所代表的长度。

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§4.1.1 光电检测基本方法2. 相位法测距

带有测距功能的望远镜是发射一束调制的脉冲激光，再接收来自于被测物的反射光。发射信号和接收信号的相位差反映了被测物的距离。设 Vo和Vi 分别代表发射脉冲和接收脉冲，如图 4.1.1－ 9 所示。

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§4.1.1 光电检测基本方法 3. 频率法测速

图是测速的原理框图。在转动轮上均匀贴有反射片，光电传感器可接收到与转速相对应的光脉冲。设m为反射片数， n为每分钟转速，则

只要控制在一定的时间 t 内计数 N，就可计算得到轮子的转速。 f=nm/60=N/t， n=60N/(mt)

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§4.1.2 几何量检测一．光电测距

1 ．脉冲激光测距脉冲激光测距利用了激光的发散角小，能量空间相对集中的优点。同时还利用了激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集中的特点。因此瞬时功率很大，一般可达兆瓦级。

脉冲激光测距的工作原理，如图：在 1处产生的激光，经过待测的路程射向 2处。在 2处装有向 1处反射的装置， 1处至 2处间的距离 D 是待测的。如果在 1处有一种装置，它能够测出脉冲激光从 1处到达 2处再返回 1处所需要的时间 t ，则 D=ct/2 ，式中 c 为光的传播速度。

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§4.1.2 几何量检测2 ．相位测距法在工程建设中进行测量时．常用 30m或 50m 的卷尺 (钢皮尺 ) 一

“链”复一“链”地进行测量，如图所示，其结果是整“链”数与卷尺长度的乘积再加上最后不足一整“链”过程可用下式表达

式中 D—— 待测距离； Ls—— 测尺长度； N—— 零或正整数，即整链数； ΔL—— 不足整尺的距离尾数。

D＝ NLs+ΔL

相位式测距仪采用了与上述相似的方法来测量距离，不过它所采用的测尺不是卷尺，而是“光尺”，这把“光尺”是通过对光的强度进行调制实现的。

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§4.1.2 几何量检测

测距用的调制光波形如图所示，若其调制频率为 f，光速为 c，则波长 λ可由下式求出： λ=c/f

2 ．相位测距法

由于调制光波在传播过程中其相位是不断变化的。如果设光波从 A到 B点的传播过程中相位变化 ( 又称为相位移 )为 φ ，则由图 4.1.2—5看出，φ 可由 2π 的倍数来表示： φ＝M·2π+Δφ=(M+Δm)2π

从图 4.1.2—5 可看出，光波每前进一个波长 λ ，相当于相位变化了 2π ，因此距离 D 可表示如下： D＝ λ(M+Δm)

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§4.1.2 几何量检测 三 . 光电测长

普通单色光源的单色性不够好，限制了可测量的长度，且普通光源的亮度也不够。自从激光诞生后，由于它的单色性、亮度高，很快成了精密测量中的理想光源。激光光波比长仪实质上就是一个以激光器作光源的干涉仪，其简化结构如图，待测物体的长度可按下式计算而得：

L＝ N·λ/2

式中 L— 待测物体的长度；λ— 光的波长； N — 计数器测得的脉冲数。

§4.1.4 温度检测

一．工作原理

热体的温度可以通过处理其所发出的辐射能来求得。辐射高温计就是以发射体的辐射强度和光谱成分来确定热体温度的仪表。

根据斯蒂芬－波兹曼定律。物体在单位时间内单位面积上，波长从 0－所辐射的总能量为 E＝ T4 ，测出辐射能 E 就可以得到物体的温度 T 。

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§4.1.4 温度检测测量波长从 0～整个波谱范围内的辐射功率来确定温度的仪器称为全辐射测温仪。但考虑到光电器件的光谱响应以及光学系统的光谱透过率等因素，利用光电器件接收不可能成为全辐射型。称为部分辐射光电高温计。

如 1000 度的目标时，石英透镜只能透过 0.2~4m 的辐射，占总 65％

若采用 PbS 光敏电阻因为它的光谱响应范围只占某一波段，其响应的范围更小。

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§4.1.4 温度检测

1 、温度直接测量法的原理框图如图所示。

目前光电高温计的类型很多，按作用原理大致分为五类：1 ）部分辐射法； 2 ）亮度法； 3 ）比色法； 4 ）三色测温法；5 ）最大波长法； 6) 直接测量法

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§4.1.4 温度检测 二． 部分辐射光电高温计

1 ．原理采用光电信息转换器件对部分辐射进行敏感测量，采用补偿法。

2. 结构结构框图如图所示。图中，由热体辐射的能量，经透镜聚焦后照射在调制盘上。

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§4.1.4 温度检测调制盘结构如图所示， φ1 为热体辐射的光通量， φ2 是参考光通量，调整 可变电阻 R 可改变 φ2 的光通量。

由调制盘的结构可知， φ1和 φ2 交替照射在光敏电阻上，光敏电阻输出 U

的波形如图 4.1.4－ 4.

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§4.2. 光电控制

§4.2.1 光电继电器

§4.2.2 光电遥控

§4.2.3 光纤开关

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§4.2.1 光电继电器 一．继电器原理• 继电器是低压电路控制高压电器通与不通的联接器件。

• 继电器结构及工作原理如图 4.2.1－ 1 所示。继电器的电路符号如图 4.2.1－ 2 所示。

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§4.2.1 光电继电器

一．继电器原理

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二．光电继电器• 光电继电器： 用光电信息转换器件控制继电器的通与断开• 按原理分类：亮通和暗通两类• 亮通 ( 明通 ) 光电控制电路：有光照射于光电器件上使继电器有足够的电流而动作

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二．光电继电器 亮通和暗通是相对而言的，可以通过哪些方式将两者相互转换？ 当光线较慢地连续变化，上述亮通或暗通控制电路有什么缺点？可以采取什么样的方式补偿这种缺点？

三．用电子开关代替继电器• 继电器工作时的优缺点：隔离高压区和低压区（使用安全）、工作可靠、但由于金属触点打出火花对电路产生干扰、其寿命有限

• 电子开关工作时的优缺点：无触点，使用寿命长，但电子开关不能完全隔断高压区、在大电流工作时散热问题也不能忽视

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三．用电子开关代替继电器

•电子开关不能完全隔断高压区，为了隔断高压区和低压区，可以使用光电耦合双向可控硅或联合使用光电耦合器和双向可控硅。

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三．用电子开关代替继电器

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• 双向可控硅基本结构双向可控硅基本结构如图所示。有两个主电极T1 、 T2 （ T2 是电位参考电极）和一个门极。它可以看成是一对反并联的普通可控硅晶体管。图中 (a) 为基本结构， (b) 为双向可控硅的符号， (c) 为双向可控硅型号的部颁标准。

四．双向可控硅触发电路

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双向可控硅特性曲线如图所示。从图中可知，高压的正电压和反电压都能使可控硅导通，只要 G 对 T2 加触发电压，正向触发电压和反向触发电压都能使可控硅导通，但导通时可控硅两端有压降存在，导通电流越大，压降越大，显然，消耗的功率也大，这时，一定要采取散热措施。

1 ＋

1 －

3 ＋

3 －

• 双向可控硅特征曲线

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双向可控硅有四种触发方式，工作在第一象限有二种触发方式 1 ＋和 1 －，工作在第三象限有二种触发方式 3 ＋和 3－。

• 1 ＋触发形式： T1 对 T2 加正电压， G 对 T2 加正电压；

• 1 －触发形式： T1 对 T2 加正电压， G 对 T2 加负电压；

• 3 ＋触发形式： T1 对 T2 加负电压， G 对 T2 加正电压；

• 3 －触发形式： T1 对 T2 加负电压， G 对 T2 加负电压；

双向可控硅使用时，一般采用第一和第三象限的组合，但由于双向可控硅元件的结构关系， 3 ＋触发形式在使用时所需控制级功率较大，故相对少用，而 1 ＋~3－和 1 －~3－的触发组合方式使用较多。

• 双向可控硅的触发方式

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五 双向可控硅触发电路

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图 (a) 简单的光控霓虹灯电路，采用的光敏器件为光敏电阻；

六 光电继电器的应用• 路灯、霓虹灯的自动控制电路

图 (b) 电路提高了霓虹灯控制的灵敏度，采用的光敏器件为光敏三极管；

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防止闪电等短时干扰的路灯控制电路如图所示

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4.4 4.4 光纤传感器光纤传感器

§4.4.1§4.4.1 元件型光纤传感器元件型光纤传感器 §4.4.2§4.4.2 传输型光纤传感器传输型光纤传感器

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一、光纤1 、光纤（ Optical Fiber ）是由纯石英拉制的而成的高度透明的玻璃丝。常用的通信光纤为降低传输损耗均由三部分组成：纤芯、包层、表面涂层，并且纤芯折射率略高于包层折射率。

2 、光纤种类非常多，分类标准也不同 ：1 ）按材料种类分，常见有三种：全石英光纤、塑包石英光纤、全塑光纤2 ）按折射率径向分布的不同，光纤可分为：阶跃折射率分布光纤和渐变折射率分布光纤。如图所示。

a

b

纤芯

包层

涂层2a

2b

n1 n2

n0

r

2a 2b

n1 n2

n0

r

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折射光到达纤芯——包层界面时，若入射角大于临界角 c 时，将发生全反射，若包层折射率为 n2 ，则定义为

3 、光纤的导光原理

1 ）阶跃折射率分布光纤的射线理论光纤的导光原理可用射线理论与导波理论两种方法进行分析。

右图为光波在阶跃折射率分布光纤中的传播路径。

r1i0 sinnsinn

12c n/nsin

所有 > c 的光线都将被限制在光纤芯中，这就是光纤导光的基本原理。

n2

n1

n0

θi

r

光纤的一个外特性参量是光纤的数值孔径 (Numerical Aperture) ，它代表了光纤的集光能力：NA = n0sini = n1cosc = (n1

2-n22)2

在光纤技术中常引用相对折射率差1

2121

22

21

n

nn

n2

nn

φ

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2 ）利用导波理论可将光纤分为多模光纤与单模光纤。

因此 NA 近似的可表示为： 211 )2(nNA

NA 数值孔径代表光纤的集光能力，只取决于折射率，而与光纤的芯径无关。这个结论在一般的多模光纤中是正确的。但当光纤芯径降到一定值时，此时射线理论不能解释可能产生的干涉现象，数值孔径的概念实际不存在。因此在单模光纤中不用数值孔径的概念。有时是为了形象比较而借用此名称，但并不直接表征接收角的大小。

多模光纤的纤芯直径 2a = 50μm ，单模光纤的纤芯直径 2a = 8 ~12μm ，包层直径均为 50μm 。在多模光纤中，可以激励起大量的传输模式，不同模式在横向的功率分布是不同的，入射的光功率按一定比例分配给这些模式进行传播，不同模式在轴向的传播常数不同。在单模光纤中，通常只能激励起一个模式，称为基模。

3 ）光纤的两个重要特性：损耗特性和色散特性

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連續型折射率分佈之光纖

單模光纖

階梯型多模光纖

n2

n2

n1

折射率分佈

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§4.4.1 元件型光纤传感器 一、微弯损耗光纤传感器基于微弯损耗机理的强度调制型传感器的结构如图所示 。传感光纤被夹在一个变形器中，变形器具有一定的变形函数，当外力使变形器的上下两部分靠近，则光纤将会按照变形器的变形函数形状发生弯曲变形，光纤中传输光产生损耗。因此由光纤中光功率的数值可得到诸如压力、位移等被测量的大小。

光输入 光输出

变形器多模光纤

L

Λ

微弯损耗光纤传感器原理

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qztDzf sin)()(

qT /2

设光纤的微弯变形函数为正弦型

式中 D(t) —— 外界信号导致的弯曲幅度；

q —— 空间频率；

z —— 变形点到光纤入射端的距离；

设光纤微弯变形函数的微弯周期为 T ，则有

根据光纤模式理论，可得到微弯损耗系数 的近似表达式 :

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K式中 ——比例系数；

L —— 光纤中产生微弯变形的长度； —— 光纤中光波传播常数差；

2

2

2/)(

2/)(sin)(

4

1

Lq

LqLtKD

q

式表明，与光纤弯曲幅度 D(t) 的平方成正比，弯曲幅度越大，模式耦合越严重，损耗就越高。 还与光纤弯曲变形的长度成正比，作用长度越长，损耗也越大。 与光纤微弯周期有关，当 时产生谐振，微弯损耗最大。因此，从获得最高灵敏度的角度考虑，需要选择合适的微弯周期。

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aa

lnn

lll

)(

二、干涉式光纤传感器

对上式微分得：

式中，第一项表示光纤长度变化引起的相位差（应变效应或热胀效应），第二项为光纤折射率变化引起的相位差（光弹效应或热光效应），第三项为光纤芯径变化引起的相位差（泊松效应）。

对调制在相位中的信号需要进行解调，用于光相位解调的干涉结构有多种，如双光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法及环形干涉法等，此处主要介绍双光束干涉法。

l 光波通过长度为 的光纤，其相位延迟为l其中为光波在光纤中的传播常数，＝ nk0

40

光源

探测器

信号臂

参考臂

3dB

(a) 迈克尔逊干涉仪

双光束光纤干涉仪有迈克尔逊 (Michlson) 干涉仪、马赫 - 曾德尔 (Mach-Zehnder) 干涉仪及斐索 (Fizeau) 干涉仪，基本结构如图所示。

在迈克尔逊干涉仪中，光源发射光经 3dB 光纤耦合器被分成功率相等的两部分，分别进入信号臂光纤与参考臂光纤，然后分别被端面的反射镜反射回各自的光纤中，在信号臂光纤中传输的光波相位被调制，在参考臂光纤中传输的光波相位与外界无关。被反射回来的光波在 3dB 耦合器另一端汇合，产生干涉条纹，信号由与此端相连的探测器接收。

1 ）迈克尔逊干涉仪

41

光源信号臂

参考臂

3dB

探测器

3dB

(b) 马赫 - 曾德尔干涉仪

光源

探测器

传输光纤3dB

M1 M2

自聚焦透镜

(c) 斐索干涉仪

2 ）马赫 - 曾德尔干涉仪

3 ）斐索干涉仪

马赫 - 曾德尔干涉仪使用了两个 3dB耦合器，光源发出的相干光由第一个3dB 耦合器进入信号臂光纤与参考臂光纤，在经第二个 3dB 耦合器后在探测器端汇合，产生干涉条纹。马赫 -曾德尔干涉仪的优点是克服了迈克尔逊干涉仪中反馈光波对光源的影响，得到广泛的应用。 在斐索干涉仪中，光源发出的相干光束

经 3dB 耦合器进入传输光纤，在光纤出射端一部分被光纤端面反射回光纤中，一部分从光纤输出后又被一个外部的反射镜反馈回光纤中，这两部分反馈光在耦合器的另一端汇合产生干涉条纹。通常在光纤出射端加一自聚焦透镜来提高外部反馈光的耦合效率。这种干涉仪的特点是结构非常简单，通过改变光纤端面与外部反射镜的间距就可以实现对光纤中光波相位的调制。

42

ststiEE )(exp101

rtiEE exp202

)exp()exp())((exp 2010 tiiEtsiEE rs

])(cos[10 rstskII

现以双光束干涉仪为例来分析干涉场。设信号光与参考光的场强分别为：

两光束相干产生的干涉场分布为

相应的光强分布为

这样，可将相位变化转换为强度变化，可以获得被测信号的大小。

43

光纤光栅是利用光纤的光折变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅根据其折射率分布形式有光纤Bragg 光栅、啁啾光栅等

光纤 Bragg 光栅（ Fiber Bragg Grating， FBG ）是一种反射型滤波器件，其机理是后向传播的 LP01 模与前向传播的 LP01 模之间发生耦合，根据相位匹配条件，要求光栅周期很小，一般小于 1μm。 FBG 的传输特性如图所示。

λ

I FBG 反 射谱

λBλ

I 输入谱

λ

I FBG 透 射谱

λB

三、光纤光栅传感器

FBG 的反射光波中心波长为 effB n2

45

effeffB nn 22

由于光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界信号如温度、压力的作用下，光纤将产生轴向应变与折射率变化，栅距也随之变化，导致反射波长变化：

光纤光栅的反射波长受到被测量的调制产生偏移，解调出波长变化就可以得到被测量。解调方法有光谱法，用光谱仪直接测量反射谱或透射谱，是最简单的方法，但光谱仪的价格较高，而且不适合在线实时测量。此外还有波长扫描法、光学滤波法及干涉法。在此介绍干涉解调法。

由光纤光栅反射回来的光波进入不等臂马赫 -曾德尔干涉仪，设干涉仪参考臂与测量臂几何长度差为 ，则干涉信号相位为：L

Ln

B

12

当反射波长变化 ，则干涉信号相位亦随之改变，变化量为：B B

B

Ln

212

由相位变化量可以得到波长偏移量，进而获得温度或压力信息。

46

lHVd

四、法拉第电流传感器 法拉第电流传感器是利用光纤的磁光效应实现电流测量的，按调制参数分类，则属于偏振调制型。磁光效应，又称法拉第（ Faradag ）效应，是指某些物质在外磁场的作用下，使通过它的线偏振光的偏振方向发生偏转。设法拉第材料的长度为 l ，沿长度方向施加的外磁场强度为 H ，则线偏振光通过它后偏振方向旋转的角度为

光纤的磁光效应最典型的应用就是高压传输线用的电流传感器，其结构如图所示。将光纤绕在被测导线上，设圈数为 N ，导线中通过的电流为 I ，由安培环路定律，距导线轴心为 R处的磁场为

P2 WP

探测器 1

探测器2

I1

I2

光源

光纤

I P1

21

21

II

II

R

IH

2

47

IR

lVd

2

INVd

由以上两式可得偏转角

RNl 2 ，代入上式得绕在导线上的光纤长度为

通过光纤的光偏振面偏转角与被测电流及光纤的匝数成正比，与光纤圈半径大小无关

由于探测器不能直接检测光的偏振态，需要将光偏振态的变化转换为光强度信号。一种检测方法采用 Wollaston棱镜 WP ，由光源发射的激光经起偏器 P1 变为线偏振光进入传感光纤，在输出端将检偏器 P2 输出的正交偏振分量在空间上分成两路输出，分别被探测器 1 与探测器 2 接收。探测器 1 与探测器 2 接收的光强信号分别为

)4/(cos201 II

)4/(sin 202 II

经信号处理可得到偏振面的偏转角

21

211sin2

1

II

II

该解调方法的特点是可以有效消除光源强度波动对测量结果的不利影响。

48

§4.4.2 传输型光纤传感器一、反射式位移传感器

反射式位移传感器 ，其基本原理如图所示。光源发出的光通过光纤射向被测物体，其反射光由接收光纤收集，送到探测器，接收光强将随着反射物体表面与光纤探头端面的距离变化。通过信号处理得到光纤端面与被测面之间距离的变化（位移）。

探测器光源

被测面

传输光纤 接收光纤

反射式位移传感器

为了定量的说明接收光强变化与位移之间的关系，参考下图。反射镜面即被测物的移动是与光纤探头端面垂直的。反射镜面在其背面距离 d处形成输入光纤的虚象。因此光强调制作用是与虚光纤和接收光纤的耦合是等效的。

49

R

a

交叠面

R= r+2dT

接收光纤

被测面传输光纤

传输光纤像

d

a 2r

ii0 sinsinnNA d2

atan)NAtan(sinT i

1

当距离 时，两光纤的光耦合为零，即没有反射光进入接受光纤； Tad 2/

当 时，两光纤的耦合最强，接收光强达到最大值。此时输入光纤的像发出的光锥完全覆盖接收光纤端面。

Trad 2/)2(

假设两根光纤均为阶跃折射率光纤，芯径为 2r ，数值孔径为 NA ，两光纤间隔为 a ，并定义

)tan(sin 1 NAT

50

])(exp[)0,(),( xIxI

gg Ehh

2/1)( gEhA

二、半导体吸收温度传感器

)0,(I设入射光强为 ，在经过长度为 x 的半导体材料后，出射光强为

只有能量大于半导体材料的禁带宽度 Eg 的光子才能被吸收：

式中 ——普朗克常数； ——光频； ——产生本征吸收要求的最低光频，对应波长为

h g g

比如对于 GaAs半导体材料，当光子能量 hv 大于材料的禁带宽度 Eg 时，吸收系数可以写成：

另一方面，对于 GaAs材料，其禁带宽度 Eg 与温度具有如下关系：

tb

atEtE gg

2

)0()(

51

图为透射式传感器的结构示意图。一宽光谱光源发出的光耦合进光纤中，在两传输光纤之间放置一 GaAs半导体薄片，厚度约 150μm ，两根光纤对准之后用树脂胶密封。透射光由探测器接收。 GaAs材料的吸收范围在 900nm 附近，因此光源光谱应覆盖这一范围。当温度升高时，透射光强度降低，可感知温度的变化。

光源 探测器

传输光纤

GaAs

半导体吸收温度传感器示意图

52

)cos2

1( vc

ffd

三、光纤多普勒速度传感器 如图所示，当频率为 f 的激光经光纤照射到以速率 v 为运动的散射物体 O

上时，一部分散射光又进入到光纤中，其光频为 :

θ反射光波 fd

3dB

光电检测与信号处理系统

激光光源

v

入射光波 f

O

光纤多普勒速度传感器原理示意图

通过测量多普勒频移 ，即可得到物体运动速率。这种频率调制光纤传感器适合于血流、气流或其他流体的流速及运动粒子的测量。

dfff