第五章 光纤传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,光纤传感器,FOS(Fiber Optical Sensor),是,20,世纪,70,年代发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器,用光作为敏感信息的载体,，用光纤作为,传递敏感信息的媒质,。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。,电绝缘；,抗电磁干扰,高电压大电流,强磁场噪声,强辐射；,非侵入性；,高灵敏度,;,容易实现对被测信号的远距离监控。,测量物理量：,位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等,第六节光纤传感器,1,各种装饰性光导纤维,2,发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。,上海东方明珠,3,一、光导纤维导光的基本原理,光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理，然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即,几何光学,的方法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的,多模光纤,是完全适用的。为此,采用几何光学的方法来分析。,1,、斯乃尔定理,（,Snells Law,）,当光由,光密物质,(,折射率大,),入射至,光疏物质,时发生折射，其折射角大于入射角，即,n,1,n,2,时，,r,i,。,n,1,n,2,r,i,光的折射示意图,可见，入射角,i,增大时，折射角,r,也随之增大，且始终,r,i,。,n,1,、,n,2,、,r,、,i,之间的数学关系为,n,1,sin,i,=,n,2,sin,r,4,当,i,i0,并继续增大时，,r,90,，,这时便发生全反射现象，其出射光不再折射而全部反射回来。,式中：,i0,临界角,i0,=arcsin(,n,2,/,n,1,),sin,i0,=,n,2,/,n,1,sin,r,sin90,1,n,1,n,2,r,i,光全反射示意图,n,1,n,2,r,i,临界状态示意图,当,r,=90,时，,i,仍,90,，此时，出射光线沿界面传播，称为临界状态。,这时有,5,2,、光纤结构,光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯,(,纤芯,),和玻璃包皮,(,包层,),两个同心圆柱的双层结构以及护套组成。,纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤心折射率,n,1,比包层折射率,n,2,稍大些两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。,n,1,n,2,6,光的全反射实验,7,3,、光纤导光原理及数值孔径,NA,入射光线,AB,与纤维轴线,OO,相交角为,i,，,入射后折射,(,折射角为,j,),至纤芯与包层界面,C,点，与,C,点界面法线,DE,成,k,角，并由界面折射至包层，,CK,与,DE,夹角为,r,。则,n,0,sin,i,=,n,1,sin,j,n,1,sin,k,=,n,2,sin,r,sin,i,=(,n,1,/,n,0,)sin,j,sin,k,=(,n,2,/,n,1,)sin,r,因,j,=90,k,所以,j,i,k,r,A,B,C,D,E,F,G,K,O,O,n,0,n,2,n,1,光纤导光示意图,n,0,为入射光线,AB,所在空间的折射率，一般为空气，故,n,0,1,，,n,l,为纤芯折射率，,n,2,为包层折射率。当,n,0,=1,时,8,上式,sin,i0,为“,数值孔径,”,NA(Numerical,Aperture),。,由于,n,1,与,n,2,相差较小，即,n,1,+,n,2,2,n,1,故又可因式分解为,=(,n,1,-,n,2,)/,n,1,称为相对折射率差,当,r,=90,的临界状态时，,i,=,i0,当,r,NA,，,i,arcsin,NA,，,光线消失。,结论：,arcsinNA,是一临界角,凡入射角,i,arcsinNA,的光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反,只有入射角,i,arcsinNA,的光线才可进入光纤被全反射传播,。,当,r,=90,时,当,r,90,时，光线发生全反射，则,sin,i0,=NA,i0,=,arcsin,NA,i,i0,=,arcsin,NA,9,4,、光纤的主要参数,（,1,）传播损耗,光纤纤芯材料和包层物质的吸收、散射、畸变，以及光纤弯曲处的辐射损耗等,它表示光强度相对衰减与光纤长度的关系。,（,2,）光纤模式,是光波沿光纤传播的途径和方式。单模光纤和多模光纤,（,3,）色散,表征光纤传输特性的一个重要参数，在光纤通讯中反映传输带宽，影响通讯信息的容量和质量。,多模色散；,材料色散和波导结构色散,。,（,4,）光纤强度,材料纯度、结构状态、擦伤等有关。,10,二、光纤传感器结构原理及分类,1,、光纤传感器结构原理,以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。见图,(a),。,光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。见图,(b),。,信号处理,电 源,信号接收,敏感元件,（,a,）,传统传感器,导线,光纤,信号处理,光接收器,敏感元件,光发送器,（,b,）,光纤传感器,可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以,机,电测量,为基础，而光纤传感器则以,光学测量,为基础。,11,光是一种电磁波，其波长从极远红外的,lmm,到极远紫外线的,10nm,。,它的,物理作用,和,生物化学作用,主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量,E,的振动，即,A,电场,E,的振幅矢量；,光波的振动频率；,光相位；,t,光的传播时间。,可见，只要使光的,强度,、,偏振态,(,矢量,A,的方向,),、,频率,和,相位,等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。,光纤传感器光学测量基本原理,12,传感器,光学现象,被测量,光纤,分类,干涉型,相位调制光线传感器,干涉（磁致伸缩）,干涉（电致伸缩）,Sagnac,效应,光弹效应,干涉,电流、磁场,电场、电压,角速度,振动、压力、加速度、位移,温度,SM、PM,SM、PM,SM、PM,SM、PM,SM、PM,a,a,a,a,a,非,干,涉,型,强度调制光纤温度传感器,遮光板遮断光路,半导体透射率的变化,荧光辐射、黑体辐射,光纤微弯损耗,振动膜或液晶的反射,气体分子吸收,光纤漏泄膜,温度、振动、压力、加速度、位移,温度,温度,振动、压力、加速度、位移,振动、压力、位移,气体浓度,液位,MM,MM,MM,SM,MM,MM,MM,b,b,b,b,b,b,b,偏振调制光纤温度传感器,法拉第效应,泡克尔斯效应,双折射变化,光弹效应,电流、磁场,电场、电压、,温度,振动、压力、加速度、位移,SM,MM,SM,MM,b,a,b,b,b,频率调制光纤温度传感器,多普勒效应,受激喇曼散射,光致发光,速度、流速、振动、加速度,气体浓度,温度,MM,MM,MM,c,b,b,注：,MM,多模；,SM,单模；,PM,偏振保持；,a,b,c,功能型、非功能型、拾光型,2,、光纤传感器的分类,13,（,1,）按光纤在传感器中的作用,功能型,、,非功能型,和,拾光型,三类。,1,）功能型（全光纤型）光纤传感器,FF,（,Function Fibre Optil Sensor,）,光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。此类传感器的优点是结构紧凑、灵敏度高。但是，它须用特殊光纤和先进的检测技术。因此，成本高，其典型例子如光纤陀螺、光纤水听器等。,信号处理,光受信器,光纤敏感元件,光发送器,14,2,）非功能型（或称传光型）光纤传感器,NFF,（,Non-Function Fibre Optil Sensor,）,光纤仅起导光作用，光照在非光纤型敏感元件上受被测量调制。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。目前，已实用化或尚在研制中的光纤传感器，大都是非功能型的。,信号处理,光受信器,敏感元件,光发送器,光纤,3,）拾光型光纤传感器,用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。,信号,处理,光受,信器,光发送器,光纤,耦合器,被测对象,15,（,2,）根据光受被测对象的调制形式,强度调制型、偏振调制、频率调制、,相位调制,1,）强度调制型光纤传感器,是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的,折射率,、,吸收,或,反射,等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的,微弯损耗,，各物质的,吸收特性,，振动膜或液晶的,反射光强度,的变化，物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象，以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。,优点,：结构简单、容易实现，成本低。,缺点,：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大,。,16,2,）偏振调制光纤传感器,是一种利用光,偏振态,变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的,法拉第效应,做成的电流、磁场传感器，利用光在电场中的压电晶体内传播的,泡克耳斯效应,做成的电场、电压传感器，利用物质的,光弹效应,构成的压力、振动或声传感器，以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。,3,）频率调制光纤传感器,是一种利用由被测对象引起的光频率的变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的,多普勒效应,的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的,喇曼散射,构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用,光致发光,的温度传感器等。,17,4,）相位调制传感器,基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的,折射率,或,传播常数,发生变化，而导致光的,相位,变化，使两束单色光所产生的,干涉条纹,发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用,光弹效应,的声、压力或振动传感器；利用,磁致伸缩效应,的电流、磁场传感器；利用,电致伸缩,的电场、电压传感器以及利用光纤,赛格纳克,（,Sagnac,）,效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。,18,三、光纤传感器的应用,（一）温度的检测,光纤温度传感器有功能型和传光型两种。,1,、遮光式光纤温度计,下图为一种简单利用水银柱升降温度的光纤温度开关。用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。,1,2,3,4,水银柱式光纤温度开关,1,浸液,2,自聚焦透镜,3,光纤,4,水银,19,下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤温度计能测量,10,50,的温度。检测精度约为,0.5,。,它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。,光源,接收,热双金属式光纤温度开关,1,2,1,遮光板,2,双金属片,20,2,、透射型半导体光纤温度传感器,当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长,g,的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的,g,称为,半导体的本征吸收波长,。电子从价带激发到导带引起的吸收称为,本征吸收,。当一定波长的光照射到半导体上时,电子吸收光能从价带跃迁入导带,显然,要发生本征吸收,光子能量必须大于半导体的禁带宽度,E,g,，,即,因,c,/,v,，,则产生本征吸收条件,h,普朗克常数；,v,光频率,因此，对于波长大于,g,的光，能透过半导体，而波长小于,g,的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料具有不同的本征吸收波长，图,为,在室温,(,20,),时,120,m,厚的,GaAs,材料的透射率曲线。,21,由图看出，,GaAs,在室温时的本征吸收波长约为,880nm,左右,，半导体的吸收光谱与,E,g,有关，而半导体材料的,E,g,随温度的不同而不同，,E,g,与温度,t,的关系可表示为,式中：,E,g,（,0,）,绝对零度时半导体的禁带宽度；,经验常数,(,eV,K,),；,经验常数,(K),。,850,800,900,950,1000,0,10,20,30,40,t,=20,波长,/nm,砷化镓的光谱透射率曲线,透射率,(%),对于,GaAs,材料，由实验得到,=5.810,-4,eV/K,=,300K,22,由此可见，半导体材料的,E,g,随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长,g,随温度上升而增大。反映在半导体的透光特性上，即当温度升高时，其透射率曲线将向,长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的,g,(,t,),相匹配的发光二极管作为光源，如图，则透射光强度将随着温度的升高而减小。,LED,发光光谱,半导体透射率,T,1,T,2,0,P=0,P0,(a),传感器结构,(b),探头截面结构,(c),测量原理,P,I,2,I,1,I,0,2(,外圈,),1(,内圈,),I,1,I,0,I,2,I,1,I,0,I,2,I,1,I,0,I,2,3(,输入,),26,可见，输出光强比,I,2,I,l,与膜片的,反射率,、,光源强度,等因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。,将上式两边取对数且满足,(,Ap,),2,1,时,等式右边展开后取第一项，得到,这表明待测压力与输出光强比的,对数呈线性,关系。因此，若将,I,1,、,I,2,检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。,若选用的光纤束中每根光纤的芯径为,70,m,包层厚度为,3.5,m,纤芯和包层折射率分,别为,1.52,和,1.62,则该传感器可获得,115dB,的动态范围,线性度为,0.25,。采用不同的尺寸、材料的膜片,即可获得不同的测量范围。,两束输出光的光强之比为,A,与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；,p,待测量压力。,27,2,、光弹性式光纤压力传感器,晶体在受压后其折射率发生变化，呈现,双折射,的现象称为,光弹性效应,。利用光弹性效应测量压力的原理及传感器结构如图。发自,LED,的入射光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈,45,的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强，即可测出压力的变化。其中,1,/,4,波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。,(b),传感器结构,1,2,3,4,5,P,(a),检测原理,1,光源,2,、,8,起偏器,3,、,9 1/4,波长板,4,、,10,光弹性元件,5,、,11,检偏器,6,光纤,7,自聚焦透镜,P,6,7,8,9,10,11,偏振光,线偏振光,椭圆偏振光,28,为了提高传感器的精度和稳定性，下图,为,另一种检测方法的结构。输出光用偏振分光镜分别检测出两个,相互垂直,方向的偏振分量；并将这两个分量经“差和”电路处理，即可得到与光源强度及光纤损耗无关的输出。该传感器的测量范围为,10,3,Pa,10,6,Pa,，,精度为,1,，理论上分辨力可达,1.4Pa,。,这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度。,输出,前置,放大,前置,放大,I,2,I,1,I,2,+,I,1,驱动,1,2,3,4,5,6,I,1,I,2,PD,1,PD,2,光弹性式光纤压力传感器的另一种结构,1,光纤,2,起偏器,3,光弹性元件,4 1/4,波长板,5,偏振分光镜,6,反射镜,p,29,