第12章光纤传感器.pptx

第第第第12121212章章章章 光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器（1 1）光纤的结构和传输原理）光纤的结构和传输原理 光纤结构：光纤结构：u基本采用石英玻璃，基本采用石英玻璃，有不同掺杂，主要有不同掺杂，主要由三部分组成由三部分组成中心中心纤芯；纤芯；外层外层包层；包层；护套护套尼龙料。尼龙料。u性质性质光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯折射率纤芯折射率N1略大于包层折射率略大于包层折射率N2（N1N2）。）。纤芯纤芯保护套保护套包层包层玻璃光纤塑料光纤石英光纤第第第第12121212章章章章 光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器n光纤的传播基于光的光纤的传播基于光的全反射全反射。当光线以不同角。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；n光线在光纤端面入射角光线在光纤端面入射角减小到某一角度减小到某一角度c时，光线时，光线全部反射。全部反射。n只要只要c，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。向前传播，最后从另一端面射出。（1 1）光纤的结构和传输原理）光纤的结构和传输原理 光纤的传光原理：光纤的传光原理：第第第第12121212章章章章 光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器为保证全反射，必须满足全反射条件（即为保证全反射，必须满足全反射条件（即c）实现全反射的临界入射角为：实现全反射的临界入射角为：空气中空气中v可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（质（N1、N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。）决定的，与光纤的几何尺寸无关。第第第第1212章章章章 光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器（2）光纤的性能（几个重要参数）光纤的性能（几个重要参数）数值孔径（数值孔径（NA）临界入射角临界入射角c的正弦函数定义为光纤的数值孔径的正弦函数定义为光纤的数值孔径.空气中：空气中：第第第第12121212章章章章 光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器NA意义讨论：意义讨论：uNA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在大，只要在2c张角之内的入射光才能被光纤接收、张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。光。u一般一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。越大光信号畸变越大，要选择适当。u产品光纤不给出折射率产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径，只给数值孔径NA，石英，石英光纤的数值孔径一般为：光纤的数值孔径一般为：第第第第12121212章章章章 光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同。模式值定义为：模式值定义为：式中：式中：为纤芯半径为纤芯半径；为入射波长为入射波长。（2 2）光纤的性能（几个重要参数）光纤的性能（几个重要参数）光纤模式（光纤模式（V V）第第第第12121212章章章章 光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤模式光纤模式第第第第12121212章章章章 光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器模式讨论：模式讨论：u模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号，多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号，导致合成信号畸变。导致合成信号畸变。u模式值模式值V V小，就是小，就是值小，即纤芯直径小，只能值小，即纤芯直径小，只能传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。连接困难。u除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。常用的普通光纤。第第第第12121212章章章章 光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗。处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗。用衰减率用衰减率A A表示：表示：I1、I2：两接收光纤的光强：两接收光纤的光强在一根在一根衰衰减率为减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传的光纤中，表示当光纤传输输1Km后，光强下降到入射时的后，光强下降到入射时的1/10。（2 2）光纤的性能（几个重要参数）光纤的性能（几个重要参数）传播损耗（传播损耗（A A）第第第第12121212章章章章 光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器 (3)(3)光纤传感器的基本测量原理光纤传感器的基本测量原理(1)(1)物性型光纤传感器原理物性型光纤传感器原理物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。敏感元件型或功能型光纤传感器。(1)(1)物性型光纤传感器原理物性型光纤传感器原理 激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数（温度、压力、振动等）基准光路，另一为测量光路。外界参数（温度、压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。(2)结构型光纤传感器原理结构型光纤传感器原理 结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。能型光纤传感器。图图2 结构型光纤传感器工作原理示意图结构型光纤传感器工作原理示意图 (3)(3)拾光型光纤传感器原理拾光型光纤传感器原理 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或用光纤作为探头，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。速度计、辐射式光纤温度传感器等。图图3 3 拾光型光纤传感器工作原理示意图拾光型光纤传感器工作原理示意图 第第第第12121212章章章章 光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器(4)(4)光纤传感器组成光纤传感器组成u光源：要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定光源：要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定相干光：半导体激光器等相干光：半导体激光器等非相干光：发光二极管、白织灯等非相干光：发光二极管、白织灯等u探测器（探测器（光电探测器是光电检测中不可缺少的器件，光电探测器是光电检测中不可缺少的器件，把光信号转变为电信号把光信号转变为电信号）：灵敏度好、响应快、线）：灵敏度好、响应快、线性好性好光电二极管、光电倍增管光电二极管、光电倍增管光敏电阻、光电池光敏电阻、光电池u光纤光纤功能型光纤传感器（功能型光纤传感器（Function Fiber Optic Sensor)，又称又称FF型光纤传感器型光纤传感器）光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件更高的灵敏度更高的灵敏度调整困难调整困难非功能型光纤传感器（非功能型光纤传感器（Non-Function Fiber Optic Sensor)，又，又NF型光纤传感器型光纤传感器）光纤仅起传光作用光纤仅起传光作用灵敏度、测量精度较低灵敏度、测量精度较低有一种传感探针型光纤传感器有一种传感探针型光纤传感器(4)(4)光纤传感器分类光纤传感器分类被被测测物物理理量量测量测量方式方式光的光的调制调制光光学学现现象象材材料料特特性性性性能能电电流流磁磁场场FFFF偏振偏振法拉第效应法拉第效应石英系玻璃石英系玻璃铅系玻璃铅系玻璃电流电流501200A(精度精度0.24%)磁场强度磁场强度0.84800A/m(精度精度2%)相位相位磁致伸缩效应磁致伸缩效应镍镍6868碳莫合金碳莫合金最小检测磁场强度最小检测磁场强度810-5A/m-2(110kHz)NFNF偏振偏振法拉第效应法拉第效应YIGYIG系强磁体系强磁体FR-5铅铅玻璃玻璃磁场强度磁场强度0.08160A/m(精度精度0.5%)电电压压电电场场FFFF偏振偏振PockelsPockels效应效应亚硝基苯胺亚硝基苯胺-相位相位电致伸缩效应电致伸缩效应陶瓷振子陶瓷振子压电元件压电元件-NFNF偏振偏振PockelsPockels效应效应LiNbOLiNbO3 3,LiTaO,LiTaO3 3BiBi1212SiOSiO2020电压电压11000V电场强度电场强度0.11kV/cm(精度精度1%)温温度度FFFF相位相位干涉现象干涉现象石英系玻璃石英系玻璃温度变化量温度变化量17条条/(m)光强光强红外线透过红外线透过SiOSiO2 2,CaF,CaF2 2,ZrF,ZrF2 2温度温度25012(精度精度1%)FFFF偏振偏振双折射变化双折射变化石英系玻璃石英系玻璃温度温度301200开口数开口数折射率变化折射率变化石英系玻璃石英系玻璃-NFNF断路断路双金属片弯曲双金属片弯曲双金属片双金属片温度温度1050(精度精度0.5)断路断路磁性变化磁性变化铁氧体铁氧体开开(57)关关(53)水银的上升水银的上升水水银银4040时精度时精度0.5透射率透射率禁带宽度变化禁带宽度变化GaAsGaAs、CdTe半导体半导体温度温度080透射率变化透射率变化石石蜡蜡开开(63)关关(52)光强光强荧光辐射荧光辐射(Gd(Gd0.990.99EuEu0.010.01)2 2O O2 2S S-50-50300(精度精度0.1)被被测测物物理理量量测量测量方式方式光的光的调制调制光光学学现现象象材材料料特特性性性性能能速速度度FFFF频率频率多普勒效应多普勒效应石英系玻璃石英系玻璃流速流速10-4103m/sNFNF断路断路风标的旋转风标的旋转旋转圆盘旋转圆盘风速风速60m/s振振动动压压力力音音响响FFFF频率频率多普勒效应多普勒效应石英系玻璃石英系玻璃最小振辐最小振辐0.4m/(120Hz)相位相位干涉现象干涉现象石英系玻璃石英系玻璃压力压力154kPam/条条光强光强微小弯曲损失微小弯曲损失薄膜薄膜+膜条膜条压力压力0.910-2Pa以上以上NFNF光强光强散射损失散射损失C C4545H H7878O O2 2+VL2255N+VL2255N压力压力040kPa断路断路双波长透射率双波长透射率变化变化振振子子振幅振幅0.05500m(精度精度1%)光强光强反射角变化反射角变化薄薄膜膜血压测量误差血压测量误差2.6103Pa射射线线FFFF光强光强生成着色中心生成着色中心石英系玻璃石英系玻璃铅系铅系玻璃玻璃辐照量辐照量0.011Mrad图图像像FFFF光强光强光纤束成像光纤束成像石英系玻璃石英系玻璃长数米长数米多波长传输多波长传输石英系玻璃石英系玻璃长数米长数米非线性光学非线性光学非线性光学元件非线性光学元件长数米长数米光的聚焦光的聚焦多成分玻璃多成分玻璃长数米长数米（5 5）光纤传感器的基本结构）光纤传感器的基本结构被被测测对对象象被被测测对对象象敏感元件敏感元件被被测测对对象象敏感元件敏感元件被被测测对对象象（6 6）光纤传感器的应用）光纤传感器的应用第第第第12121212章章章章 光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器利用半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。利用半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。敏感元件是一个半导体光吸收器，光纤用来传输信敏感元件是一个半导体光吸收器，光纤用来传输信号。当光源的光强度经光纤达到半导体薄片时，透号。当光源的光强度经光纤达到半导体薄片时，透过薄片的光强受温度的调制温度过薄片的光强受温度的调制温度T T升高，材料吸收光升高，材料吸收光波长向长波移动，半导体薄片透过的光强度变化。波长向长波移动，半导体薄片透过的光强度变化。u光纤温度传感器光纤温度传感器第第第第12121212章章章章 光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器利用光纤实现无接触位移测量。光源经一束多利用光纤实现无接触位移测量。光源经一束多股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤传送到光敏元件上。传送到光敏元件上。被测物体与光纤间被测物体与光纤间距离变化，反射到距离变化，反射到接受光纤上，光通接受光纤上，光通量发生变化。再通量发生变化。再通过光电传感器检测过光电传感器检测出距离的变化。出距离的变化。u反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器u温度（压力）光纤传感器温度（压力）光纤传感器外界参数（温度、压力、振动等）引起光纤长度的变化和相外界参数（温度、压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。向移动进行计数，就可测量温度或压力等。