光纤传感器_西北工业大学_61页.pdf

光纤传感器光纤传感器西北工业大学目录目录目录目录9.19.1 概述概述9.29.2 光纤的传光原理及特性光纤的传光原理及特性9.39.3 传输光的调制技术传输光的调制技术9.49.4 强度调制光纤传感器强度调制光纤传感器9.59.5 相位调制光纤传感器相位调制光纤传感器9.69.6 偏振态调制光纤传感器偏振态调制光纤传感器9.79.7 频率调制光纤传感器频率调制光纤传感器9.89.8 分布式光纤传感器分布式光纤传感器9.19.1概述概述概述概述光纤传感器始于光纤传感器始于19771977年，经过年，经过2020多年，目前已进入研究与应用并重阶多年，目前已进入研究与应用并重阶段段优点：优点：灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可桡性、可实现不带电的全光型扰、可桡性、可实现不带电的全光型探头探头频带宽动态范围大频带宽动态范围大可用很相近的技术基础构成传感不同可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器物理量的传感器便于与计算机和光纤传输系统相连便于与计算机和光纤传输系统相连,易易于实现系统的遥测和控制于实现系统的遥测和控制可用于高温、高压、强电磁干扰、腐可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境蚀等恶劣环境结构简单、体积小、重量轻、耗能少结构简单、体积小、重量轻、耗能少9.29.2 光纤的传光原理及特性光纤的传光原理及特性光纤的传光原理及特性光纤的传光原理及特性9.2.19.2.1 光纤的结构光纤的结构9.2.29.2.2 光在光纤中的传播光在光纤中的传播9.2.39.2.3 光纤的重要参数光纤的重要参数9.2.49.2.4 光纤的分类光纤的分类9.2.19.2.1 光纤的结构光纤的结构光纤的结构光纤的结构纤纤 芯芯包包 层层涂敷层涂敷层护护 套套多层介质结构：1.纤芯：石英玻璃，直径575um，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素2.2.包层包层：直径直径100100200um200um，折射率略低于纤芯折射率略低于纤芯3.涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光4.护套：尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤9.2.29.2.2 光在光纤中的传播光在光纤中的传播1.斯涅尔定理(Snells law)光由光密介质入射到光疏介质时发生折射，如图(a)，其折射角大于入射角，即n1n2时，r ri i。n1n2ri(a)光的折射示意图n1、n2、r r、i i间的数学关系为间的数学关系为：n1sini=n2sinr当当r=90r=90 时时，i i仍仍9090，此时此时，出射光线出射光线沿界面传播如图沿界面传播如图（b b），），称为临界状态称为临界状态。n1n2ri(b)临界状态示意图i0=arcsin(n2/n1)临界角i0i0为：当当i ii0i0并继续增并继续增大时大时，r r9090，这时便发这时便发生全反射现象生全反射现象，如图如图(c)(c)，其出射光不再折射其出射光不再折射而全部反射回来而全部反射回来。n1n2ri(c)光全反射示意图包层n2纤芯n1cc光在光纤中的传输9.2.39.2.3 光纤的重要参数光纤的重要参数光纤的重要参数光纤的重要参数1.数值孔径式中,n1为纤芯折射率,n2为包层折射率n1n2nnnNA2122212.传播模式根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程,考虑到光纤圆柱波导和纤芯-包层界面处的几何边界条件时,则只存在波动方程的特定(离散)的解。不同的允许存在的解代表许多离散的沿波导轴传播的波。每一个允许传播的波称为模式。每个波具有不同的离散的振幅和速度。采用“V值”表述光在阶跃型折射率光纤中的传播特性:1222120022()()aaVnnNA式中,a为纤芯半径,0为入射光在真空中的波长(真空中的光波长近似等于光在空气中的波长)。光纤V值越大,则光纤所能拥有的,即允许传输的模式(不同的离散波)数越多。当V值低于2.404时,只允许一个波或模式在光纤中传输。即圆柱波导的“单模条件”是12221202()2.404ann在光导纤维中传播模式很多对信息传在光导纤维中传播模式很多对信息传输是不利的。因为同一光信号采取很多模输是不利的。因为同一光信号采取很多模式传播式传播,就会使这一光信号分为不同时间到就会使这一光信号分为不同时间到达接收端的多个小信号达接收端的多个小信号,从而导致合成信号从而导致合成信号的畸变。在信息传输中一般希望模式数量的畸变。在信息传输中一般希望模式数量越少越好。希望越少越好。希望V V小小,纤芯直径纤芯直径d=2ad=2a不能太不能太大大,一般为几个微米一般为几个微米,不能超过几十微米。不能超过几十微米。另外另外,n1,n1与与n2n2之差很小之差很小(例如例如,一般纤芯折射一般纤芯折射率率n1n1可能是可能是1.46,1.46,而包层折射率而包层折射率n2n2可能是可能是1.44)1.44)。一 般 要 求。一 般 要 求 n2n2 与与 n1n1 之 差 不 大 于之 差 不 大 于1.4%6.2%1.4%6.2%。3.传播损耗光从光纤一端射入，从光纤另一端射出，光强发生衰减，定义为:PoPiLlog10(dB/km)式中 光线损耗L光线长度Pi、Po分别为光纤输入输出功率光纤传播损耗分类：吸收损耗：与组成光纤的材料的电子受激跃迁和分子共振有关。散射损耗：由于材料密度的微观变化，成分起伏，以及在制造光纤过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起的。辐射损耗：当光纤受到具有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射损耗。4.色散材料色散：材料的折射率随光波长丸的变化而变化，使光信号中各波长分量的光的群速度不同而引起的色散。波导色散：由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数随着信号角频率变化而引起色散。多模色散：在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同、群速度不同而产生的色散。9.2.49.2.4 光纤的分类光纤的分类光纤的分类光纤的分类1.按折射率变化类型分类n(r)n2n1(a)阶跃折射率光纤折射率分布n(r)rr渐变折射率光纤纤芯包层(b)按纤芯到包层折射率变化：阶跃折射率光纤渐变折射率光纤2.按传播模式种类来分单模光纤多模光纤纤芯直径小只能传送一种模式传输性能好制造、连接、耦合困难纤芯直径较大传播模式较多性能较差，带宽较窄制造容易，耦合容易3.3.按材料分类按材料分类高纯度石英玻璃纤维：光损耗比较小多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤：用常规玻璃制成用常规玻璃制成，损耗也很低塑料光纤塑料光纤：用人工合成导光塑料制成用人工合成导光塑料制成，其损耗较大其损耗较大，但重量轻但重量轻，成本低成本低，柔软柔软性好性好9.39.3 传输光的调制技术传输光的调制技术强度调制相位调制偏振态调制频率解调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、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa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MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb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SMMMSMMMb,abbb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MMMMMMbbb注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a、b功能型、非功能型光纤传感器的分类光纤传感器的分类（一一）：）：功能型光纤传感器功能型光纤传感器：利用光纤本身感受利用光纤本身感受被测量变化而改变传输光的特性被测量变化而改变传输光的特性，光纤既是传光元件光纤既是传光元件，又是敏感元件又是敏感元件传光型光纤传感器传光型光纤传感器：利用其他敏感元利用其他敏感元件感受被测量的变化件感受被测量的变化，光纤仅作光纤仅作为光信号的传输介质为光信号的传输介质。光纤传感器的分类光纤传感器的分类（二二）：）：光纤传感器的主要关键技术光纤传感器的主要关键技术4S+R4S+R技术：技术：SensitivitySensitivity；SelectivitySelectivity；StabilityStability；StandardizationStandardization；ReliabilityReliability光源功率稳定技术光源功率稳定技术 电流控制；功率控制；温度控制；噪声控制电流控制；功率控制；温度控制；噪声控制信号检测技术信号检测技术 强度检测；波长检测；相位检测；偏振态检强度检测；波长检测；相位检测；偏振态检测；弱信号放大测；弱信号放大系统智能化技术系统智能化技术9.49.4 强度调制光纤传感器强度调制光纤传感器利用外界因素改变光纤中光的强度，通过测量光强的变化来检测外界物理量的传感器。光纤微弯传感器反射式光纤位移传感器反射式光纤压力传感器半导体吸收式光纤温度传感器折射率调制光纤传感器9.4.1 光纤微弯传感器：FF光纤变形器L图9.4.1能引起光纤产生微弯的变形器光纤微弯传感器是利用光纤微弯传感器是利用光纤的微弯损光纤的微弯损耗耗来检测外界物理量的变化来检测外界物理量的变化。一根多模光纤从一对机械变形器中间一根多模光纤从一对机械变形器中间通过通过，如图如图9.4.1所示所示。当变形器受到压力当变形器受到压力作用时作用时，光纤沿轴线产生周期性微弯曲光纤沿轴线产生周期性微弯曲。光纤的弯曲会引起光纤中的传导模与辐射光纤的弯曲会引起光纤中的传导模与辐射模之间产生耦合模之间产生耦合，从而使一部分导模泄漏从而使一部分导模泄漏到包层中去到包层中去。通过检测纤芯中的传导光功通过检测纤芯中的传导光功率率，就能测量出与之成一定关系的压力的就能测量出与之成一定关系的压力的大小大小。9.4.2 反射式光纤位移传感器图9.4.2光纤位移传感器的结构和工作原理反射式光纤位移传感器结构示意图如图9.4.2所示。根据被测目标表面光反射至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。所使用光纤束的特性是影响这种类型光纤传感器的灵敏度的主要因素之一。一般在光纤探头的端部,发射光纤与接收光纤有以下四种分布:(a)随机分布;(b)半球形对开分布;(c)共轴内发射分布;(d)共轴外发射分布，如图9.4.3所示。图9.4.3发射光纤与接收光纤的四种分布(a)(b)(c)(d)一个典型位移输出曲线如图9.4.3所示。在位移-输出曲线的前坡区,输出信号的强度增加得非常快,这一区域可以用来进行微米级的位移测量。在后坡区,信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比,可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。输出位移光峰坡前后坡O图9.4.4位移-输出信号曲线9.4.3 反射式光纤压力传感器图9.4.3.1光纤测压传感器对中套管光纤厚的膜片0.254 mm膜片管2.7693.9374.826这种传感器是在前面介绍的光纤位移传感器的探头前面加上一个膜片构成的，其结构如图9.4.3.1所示。光源发出的光经发射光纤传输并投射到膜片的内表面上,反射光由接收光纤接收并传回光敏元件。9.4.4 半导体吸收式光纤温度传感器半导体吸收温度传感器示意半导体吸收温度传感器示意光源探测器传输光纤GaAs原理：利用半导体材料的光吸收与温度的关系，结构示意图如下。透过率T01.00.5g/nm光源辐射谱T(,t)t1t2t1 t2光源：采用半导体发光二极管，使其光谱落在吸收片的的吸收边的区域。右图是吸收片透过率与光波波长的关系，通过温度温度升高时升高时，吸收曲线吸收曲线向短波长方向移动向短波长方向移动，相应的相应的，透射曲透射曲线向长波长方向移线向长波长方向移动动，意味着有更多意味着有更多的光子被吸收的光子被吸收。半导体材料的透过率特性9.4.5 折射率调制光纤传感器利用折射率的不同进行强度调制。原理利用被测物理量引起传感材料折射率发生变化利用折射率不同的介质之间的折射和反射典型应用：用于温度报警系统的温度传感器、光纤液位传感器等。上图所示是光纤液位测量系统原理图9.59.5 相位调制光纤传感器相位调制光纤传感器原理：利用外界因素改变改变光纤中光波的相位，通过检测相位变化来测量物理量。检测原理应力应变效应光弹效应磁致伸缩效应声光效应光热效应萨格纳克(Sagnac)效应常用干涉仪马赫-泽德尔(Mach-Zender)干涉仪法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉仪迈克尔逊(Michelson)干涉仪萨格纳克(Sagnac)干涉仪典型应用：图9.5.1 马赫泽德干涉仪激光器分束器移动平面镜换能器光检测器分束器固定平面镜1.马赫泽德尔干涉仪马赫泽德尔干涉仪的典型结构如图9.5.1所示，下方的分束器把激光器的输出光束分成两束。它们经上、下光路的传输之后又重新合路,使它们在光检测器处互相发生干涉。优点只有少量的或者没有光直接返回激光器,这就避免了反馈光使激光器不稳定和产生噪声。具体应用光纤压力传感器光纤力传感器光纤加速度传感器光纤磁传感器2.法布里-泊罗干涉仪图9.5.2法布里珀罗干涉仪激光器光检测器换能器固定平面镜移动平面镜法 布 里 珀 罗 干涉 仪 原理 如 图9.5.2所示。它是由两块平行的部分透射平面镜组成的。这两块平面镜的反射率(反射系数)通常是非常大的,一般大于或等于95%。假定反射率为95%,那么在任何情况下,激光器输出光的95%将朝着激光器反射回来,余下的5%的光将透过平面镜而进入干涉仪的谐振腔内。主要特点：精细度高；光谱分辨率高；调整精度要求低。3.迈克尔逊干涉仪图95.3迈克尔逊干涉仪激光器光检测器换能器分束器固定平面镜移动平面镜迈克尔逊干涉仪的基本原理如图9.5.3所示。用一块部分反射、部分透射的平面镜作分束器。分束器使激光器输出的一部分光向上反射到固定平面镜。这些光被固定平面镜反射回分束器,于是一部分光透射到光检测器,另一部分光被反射回激光器。激光器输出的另一部分光透过该分束器,被活动平面镜反射回分束器,一部分光被该分束器反射到光检测器。4.萨格纳克干涉仪图9.5.4萨格奈克干涉仪激光器光检测器平面镜平面镜图9.5.4为萨格奈克干涉仪的结构。激光器输出的两束光沿着一条由一个分束器和三个平面镜构成的闭合光路反方向传输,它们重新合路后再入射到光检测器,同时一部分光又返回到激光器。可以求得可以求得,顺、反两光束之间的光程差为顺、反两光束之间的光程差为4ALc 其中,A为光路系统围成的面积,c为光速,为光路系统旋转的角速度。它是目前许多惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。9.69.6 偏振态调制光纤传感器偏振态调制光纤传感器原理：利用外界因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏振态的变化来检测各种物理量。检测原理法拉第效应普克尔效应(电光效应)光弹效应1.1.法拉第效应法拉第效应（磁光效应磁光效应）某些物质在磁场作用下某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振动面线偏振光通过时其振动面会发生旋转会发生旋转，这种现象称为法拉第效应这种现象称为法拉第效应。光的电矢量光的电矢量E E旋转角旋转角与光在物质中通过的距离与光在物质中通过的距离L L和磁场强度和磁场强度H H成正成正比比，即即VLHHdLVL0式中式中V V 物质的物质的弗尔德常数弗尔德常数。利用法拉第利用法拉第效应可以测量效应可以测量磁场磁场。其测量其测量原理如右图所原理如右图所示示。2.普克尔效应普克尔效应（电光效应电光效应）当压电晶体受光照射当压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电并在与光照正交的方向上加以高压电场时场时，晶体将呈现双折射现象晶体将呈现双折射现象，这种现象被称为这种现象被称为PockelsPockels效应效应，如下图所示如下图所示。并且并且，这种双折射正比于所加电场的一次方在晶这种双折射正比于所加电场的一次方在晶体中体中，两正交的偏振光的相位变化为两正交的偏振光的相位变化为其中其中：n n0 0 正常折射率正常折射率；d de e 电光系数电光系数；U U 加在晶体片上的加在晶体片上的电压电压；光波长光波长；L L 晶体长度晶体长度；d d 场方向晶体厚度场方向晶体厚度。dLUdne0303.3.光弹效应光弹效应在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力的材料将会使光产生双折射现象，其折射率的变化与应力材关，这被称为光弹效应。由光弹效应产生的偏振光的相位变化为：式中：K 物质光弹性常数；P 施加在物体上的压强；L 光波通过材料的长度。此时出射光强为：KPLIII2020sin2sinKPL2偏振态调制电流传感器偏振态调制电流传感器偏振态调制电流传感器偏振态调制电流传感器偏振调制型光纤电流传感器偏振调制型光纤电流传感器，其基本原理是前述介绍其基本原理是前述介绍的法拉第效应的法拉第效应（磁光效应磁光效应）。）。当平面偏振光在强度为当平面偏振光在强度为H H的磁场作用下的磁场作用下，线偏振光线偏振光在物质中通过的距离在物质中通过的距离L L时电矢量时电矢量E E旋转角旋转角为为：。：。如果这如果这个磁场是由长直载流导线产生的个磁场是由长直载流导线产生的，根据安培环路定律根据安培环路定律：式中式中：I I 载流导线中的电流强度载流导线中的电流强度；r r 导线外任一导线外任一观测点到导线的垂直距离观测点到导线的垂直距离。由此可见由此可见，只要根据磁光效只要根据磁光效应应，利用光纤传感器测量出导线外任一点利用光纤传感器测量出导线外任一点r r的磁场强度的磁场强度H H，即可得到导线中的电流即可得到导线中的电流I I。rIH29.79.7 频率调制光纤传感器频率调制光纤传感器原理：利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率变化来测量外界物理量。频率调制是基于光学多普勒效应。如果一束频率为f 的光入射到相对于探测器速度为v 的运动物体上，则从运动物体上反射的光频率为fs，根据多普勒效应，得到fcvsvffs)11其中，c是光在介质中的传播速度典型应用典型应用：光纤多普勒速度计光纤多普勒速度计光纤多谱勒流量计结构探测器频谱分析仪He-Ne激光器123456781、3 分束器分束器；2 反射镜反射镜；4 透镜透镜；5 流体管道流体管道；6 窗口窗口；7、8 光纤光纤特点特点：非接触测量非接触测量，不影响待测物体的流动不影响待测物体的流动状态状态。9.89.8 分布式光纤传感器分布式光纤传感器随着光纤传感技术的发展和应用的日益广泛，仅仅依靠单点式测量，已难以满足需求，并且不能充分发挥光纤传感器的技术优势。分布式光纤传感器一般是指：具有一个公共数据通道并能与控制中心实施通信联络的传感器网络。分布式光纤传感器测量是运用光纤的一维特性进行测量的技术，它可同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。它可以在整个光纤上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量。在理论上，它可以把被测量作为光纤位置长度的函数，能得到任意大小的分辨率。1、反射法：利用光纤在外部扰动作用下产生的Reyleigh、Raman、Brillouin等效应进行测量的方法。2、偏振光时域反射法(POTDR)：利用后向散射光的偏振态信息进行分布式测量的技术。3、波长扫描法(WLS)：用白光照射保偏光栅，运用快速Fourier算法来确定模式耦合系数的分布。4、干涉法：利用各种形式的干涉装置把被测参量对干涉光路中光波的相位调制进行解调，从而得到被测参量信息的方法。一种分布式光纤传感系统The end!