六、偏振调制调制型光纤传感器的应用举例—光纤电流传感器 偏振调制调制型光纤传感器中最典型的例子是高压传输线用光纤电 流传感器,其基本原理是前述介绍的法拉第效应(磁光效应)。 当平面偏振光在强度为的磁场作用下,线偏振光在物质中通过的 距离L时电矢量旋转角0为:。如果这个磁场是由长直载流导线产生的, 根据安培环路定律: H 2r 式中:I一载流导线中的电流强度;r-导线外任一观测点到导线的 垂直距离。由此可见,只要根据磁光效应,利用光纤传感器测量出导线 外任一点r的磁场强度H,即可得到 导线中的电流I。 激光器 为了利用光纤测量导线中的电 起偏器 流,可以将单模光纤绕在载流导线 上,形成一个半径为r的螺线管,光 显微物镜 纤螺线管的光纤长度为L。在强度为 光纤 光探测器 H的磁场作用下,通过光纤的线偏 振光的振动面将会产生的偏转,只 载流导线 检偏器 要检测出这个偏转角即可知道导线 录显示器 中电流/大小。 光纤电流传感器原理示意图
六、偏振调制调制型光纤传感器的应用举例——光纤电流传感器 偏振调制调制型光纤传感器中最典型的例子是高压传输线用光纤电 流传感器，其基本原理是前述介绍的法拉第效应（磁光效应）。 当平面偏振光在强度为H的磁场作用下，线偏振光在物质中通过的 距离L时电矢量E旋转角θ为：。如果这个磁场是由长直载流导线产生的， 根据安培环路定律： 式中：I — 载流导线中的电流强度；r — 导线外任一观测点到导线的 垂直距离。由此可见，只要根据磁光效应，利用光纤传感器测量出导线 r I H 2 = 外任一点r的磁场强度H，即可得到 导线中的电流I。 为了利用光纤测量导线中的电 流，可以将单模光纤绕在载流导线 上，形成一个半径为r的螺线管，光 纤螺线管的光纤长度为L。在强度为 H 的磁场作用下，通过光纤的线偏 振光的振动面将会产生的偏转，只 要检测出这个偏转角即可知道导线 中电流I的大小。 激光器 起偏器 显微物镜 I 光纤 载流导线 光纤电流传感器原理示意图 光探测器 记录显示器 检偏器
然而,目前直接测量偏振光振动面的偏转角需要借助成套的机电伺服 系统,不仅系统繁杂,测量精度也不太高,所以常常采用将偏振光振动面 偏转角的信息变换成光的强度后再进行测量。当光纤材料和光纤螺线管确 定之后,由激光器出射后经起偏器所形成的线偏振光,经显微目镜耦合通 过光纤到达检偏器时的振动面偏转角仅与电流Ⅰ有关(实际上是与电流在 半径r处所产生的磁场H有关) 2丌r 设载流导线中的电流Ⅰ为零时,线偏振光振动方向在检偏器处的与Y 轴平行,检偏器P(普通检偏器)的方位为q;Ⅰ≠0时的方位为0,在P上 的投影(即光探测器的输出信号强度)为J,则 E COS 0)=-[ +cos(2(+20) 在0=0附近,q=±45°时检测的灵敏 E 度最高。也就是说,为了获得较高的灵敏度 检偏器的方位应与I=0时到达线偏器的线 偏振光的振动方向成45°角。此时: J==[1sn(20) 通常θ很小,所以, 检偏器方向设置 si(20)≈20。由此可见,J与成线性关系
然而，目前直接测量偏振光振动面的偏转角需要借助成套的机电伺服 系统，不仅系统繁杂，测量精度也不太高，所以常常采用将偏振光振动面 偏转角的信息变换成光的强度后再进行测量。当光纤材料和光纤螺线管确 定之后，由激光器出射后经起偏器所形成的线偏振光，经显微目镜耦合通 过光纤到达检偏器时的振动面偏转角仅与电流 I 有关（实际上是与电流在 半径 r 处所产生的磁场 H 有关）： 设载流导线中的电流 I 为零时，线偏振光振动方向在检偏器处的与 Y 轴平行，检偏器P（普通检偏器）的方位为φ；I ≠0时的方位为θ，在 P上 的投影（即光探测器的输出信号强度）为J，则 I r VL 2 = 1 cos(2 2 ) 2 cos ( ) 2 2 2 = − = + + E J E E P x y 检偏器方向设置 J 在θ= 0附近，φ=±45°时检测的灵敏 度最高。也就是说，为了获得较高的灵敏度， 检偏器的方位应与 I = 0 时到达线偏器的线 偏振光的振动方向成45°角。此时： 通常θ很小，所以， 。由此可见，J与I成线性关系。 1 sin( 2 ) 2 2 E J = sin( 2 ) 2
七、光纤图像传感器 光纤图像传感器是靠光纤传像束实现图像传输的。传像束由光纤按 阵列排列而成,一根传像束一般由数万到几十万条直径为10~20m的光 纤组成,每条光纤传送一个像素信息。用传像束可以对图像进行传递、 分解、合成和修正。传像束式的光纤图像传感器在医疗、工业、军事部 门有着广泛的应用 对象物 目傥 (1)工业用内窥镜 物镜 传像束 在工业生产的某些过程中,经常需要 检查某些系统内部结构状况,而这些 传光束 系统由于种种原因不能打开或靠近观 察,采用光纤图像传感器可解决这 光氰 难题。将探头事先放入系统内部,通 过光纤传像束的传输可以在系统外部 工业用内窥镜原理图 观察、监视系统内部情况,其工作原理如上图所示。该传感器主要由物 镜、传像束、传光束、目镜或图像显示器组成。光源发出的光通过传光 束照射到待观测物体上,再由物镜对待观测物体成像,经传像束把待观 测物体的各个像素传送到目镜或图像显示设备上,观察者便可对该图像 进行分析处理
七、光纤图像传感器 光纤图像传感器是靠光纤传像束实现图像传输的。传像束由光纤按 阵列排列而成，一根传像束一般由数万到几十万条直径为l0～20μm的光 纤组成，每条光纤传送一个像素信息。用传像束可以对图像进行传递、 分解、合成和修正。传像束式的光纤图像传感器在医疗、工业、军事部 门有着广泛的应用。 ⑴ 工业用内窥镜 在工业生产的某些过程中，经常需要 检查某些系统内部结构状况，而这些 系统由于种种原因不能打开或靠近观 察，采用光纤图像传感器可解决这一 难题。将探头事先放入系统内部，通 过光纤传像束的传输可以在系统外部 观察、监视系统内部情况，其工作原理如上图所示。该传感器主要由物 镜、传像束、传光束、目镜或图像显示器组成。光源发出的光通过传光 束照射到待观测物体上，再由物镜对待观测物体成像，经传像束把待观 测物体的各个像素传送到目镜或图像显示设备上，观察者便可对该图像 进行分析处理
另一种结构形式如下图所示。内部结构的图像通过传像束送 到CCD器件上,可以把光的图像信息转换成电信号送入微机进行 相应的处理,微机的输出可以通过伺服装置,实现跟踪、控制等 机械扫描 试样 系统示意图 光纤工业内窥镜 QO 功放」14单片机 倍号处理 功放B控制系 统 照明系煷 E功放c 微机控制的工业内窥镜
另一种结构形式如下图所示。内部结构的图像通过传像束送 到CCD器件上，可以把光的图像信息转换成电信号送入微机进行 相应的处理，微机的输出可以通过伺服装置，实现跟踪、控制等
(2)医用内窥镜 医用内窥镜的示意图如左下图所示。它由末端的物镜、光纤图 像导管(传像東)、顶端的目镜和控制手柄组成。照明光是通过图 像导管外层光纤照射到被观察物体上,反射光通过传像束输出。 由于光纤柔软,自由度大、末端通过手柄控制能偏转,传输图 像失真小,因此,它是检查和诊断人体内各部位疾病和进行某些外 科手术的重要仪器。 物镜 照明光导 女图导 目镜 照明导光管 医用内窺镜示意图
⑵ 医用内窥镜 医用内窥镜的示意图如左下图所示。它由末端的物镜、光纤图 像导管（传像束）、顶端的目镜和控制手柄组成。照明光是通过图 像导管外层光纤照射到被观察物体上，反射光通过传像束输出。 由于光纤柔软，自由度大、末端通过手柄控制能偏转，传输图 像失真小，因此，它是检查和诊断人体内各部位疾病和进行某些外 科手术的重要仪器