传感器原理与应用(中)

1、传感技术传感技术是信息产业的三大支柱之一。是信息产业的三大支柱之一。光纤传感技术光纤传感技术一直处于传感技术发展的前沿。一直处于传感技术发展的前沿。光纤传感技术光纤传感技术光纤传感技术优点：光纤传感技术优点：光纤不带电；光纤不带电；抗电磁干扰抗电磁干扰; ;防爆、防燃；防爆、防燃；质量轻质量轻, ,体积小；体积小；可长期监测。可长期监测。这些优点决定其在国家重大工程安全监测方面具有独特的优势。这些优点决定其在国家重大工程安全监测方面具有独特的优势。 光纤传感示意图光纤传感示意图 光纤传感技术 光纤传感器是光纤传感器是20世纪世纪70年代中期发展起来的年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感

2、器。它是光纤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，它同时具有信息的媒质。因此，它同时具有光纤光纤及及光学光学测量的特点。测量的特点。光纤传感分类功能型光纤传感 这类传感器利用光纤这类传感器利用光纤 本身对外界被测对象本身对外界被测对象具有敏感能力和检测具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被传光作用，而且在被测对象作用下

3、，如光强、相位、偏振态等测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。息。 全光纤型传感器全光纤型传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤光纤(或特殊光纤或特殊光纤)作传感元件，将作传感元件，将“传传”和和“感感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相弯曲、相变变)的作用，其光学特性的作用，其光学特性(光强、相位、偏振光强、相位、偏振态等态等)的变化来实现的变化来实现“传传”

4、和和“感感”的功能。的功能。因此，传感器中光纤是连续的。因此，传感器中光纤是连续的。信号处理光接收器光纤敏感元件光发送器 拾光型光纤传感器拾光型光纤传感器 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。其典型例子如光纤或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤探针、光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤探针、光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器光纤光栅传感器等。温度传感器光纤光栅传感器等。 信号处理光 接收 器光发送器光纤耦合器被测对象非功能型光纤传感 传光型光纤传感器的传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调媒

5、介，待测对象的调制功能是由其它光电制功能是由其它光电转换元件实现的，光转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，纤的状态是不连续的， 光纤只起传光作用。光纤只起传光作用。 “有关光在纤维中的传输以用有关光在纤维中的传输以用于光学于光学 通信方面通信方面”取得了取得了突破性成就突破性成就2009年年 诺贝尔诺贝尔物理学奖物理学奖授予英国华裔科学授予英国华裔科学家家 高锟高锟 高锟高锟-光纤之父光纤之父 1966年，高锟发表了一篇题年，高锟发表了一篇题为为光频率介质纤维表面波光频率介质纤维表面波导导的论文，开创性地提出的论文，开创性地提出光导纤维在通信上应用的基光导纤维在通信上应用的基本原理，描述了长

6、路程及高本原理，描述了长路程及高信息量光通信所需绝缘性纤信息量光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性。简单维的结构和材料特性。简单地说，只要解决好玻璃纯度地说，只要解决好玻璃纯度和成分等问题，就能够利用和成分等问题，就能够利用玻璃制作光学纤维，从而高玻璃制作光学纤维，从而高效传输信息。效传输信息。 光纤技术历史光纤技术历史 1960年，梅曼发明第一台“红宝石激光器”。激光频谱窄；方向性好；相干性。（理想的光载波） 1966年，高锟和霍克哈姆指出利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径。（理论基础） 1970年，康宁公司研制光纤损耗20dB/km（光纤商用） 1970年1979年，光纤损耗0.2dB

7、/km以下 1970年，光源取得实质性进展。研制成功室温下连续振荡的镓铝砷双异质结半导体激光器(短波长) 光纤技术发展 光纤技术1970-1980，主要以强度调制型光纤传感器的研究为主。1980-1990，开始大规模研究干涉型光纤传感技术。1990-2000，光纤光栅（FBG）传感技术进入一个研究热潮。2000-至今，光纤传感技术进入商业化进程。光纤传感光纤传感光纤通信光纤通信1976年，美国在亚特兰大进行第一个光纤通信现场实验，速率44.7Mb/s1980年，美国铺设东西干线和南北干线，22个州1983年，日本南北光缆干线，全长3400km1989年，第一条横跨太平洋光缆建成，全长13200

8、km90年代， 我国光缆干线“八横八纵”，全长8万公里光纤传感的形成光纤传感的形成 实际光纤通信过程中发现,光纤受到外界环境因素的影响。如压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。因此，测量出光波量变化的大小，就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场 、 磁 场 等 物 理 量 的 大小于是就出现了光纤传感器技术。光纤传感优势光纤传感优势 电绝缘电绝缘性能好。性能好。 抗抗电磁干扰电磁干扰能力强。能力强。 光路可弯曲，对被测信号光路可弯曲，对被测信号远距离远距离监控。监控。 非侵入性。非侵入性。 高灵敏度。高灵敏度。电绝缘电绝缘性能

9、好（不可能产生静电火花）性能好（不可能产生静电火花）抗抗电磁干扰电磁干扰能力强：能力强：辐射干扰辐射干扰Electromagnetic Interference （EMI）传导干扰传导干扰天电噪声天电噪声宇宙射线宇宙射线人为的干扰源人为的干扰源 EMI是干扰电缆信号并降低信号完好性的是干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪音，电子噪音，EMI通常由电磁辐射发生源如通常由电磁辐射发生源如马达和机器产生。马达和机器产生。 在高速在高速PCB及系统设计中，高频信号线、及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电为

10、具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。统的正常工作。包括从干扰信号的频率范围来分，可以把干扰从干扰信号的频率范围来分，可以把干扰源分为源分为工频干扰源（工频干扰源（50Hz及其谐波）及其谐波）低频干扰源（低频干扰源（30Hz以下）以下）射频及视频干扰源（射频及视频干扰源（300kHz以上）以上）微波干扰源（微波干扰源（300MHz100GHz）虽然光和电都属于电磁波，但频率范虽然光和电都属于电磁波，但频率范围相差很大。一般微波干扰频率在吉围相差很大。一般微波干扰频率在吉赫赫10GHz ，光纤工作频率在，光纤工作频

11、率在 200THz 100 THz10 THz1 THz100 G Hz10 G Hz1 G Hz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可见光线10 m100 m1 mm10 mm100 mm1 m10 m100 m中波 (MF)短波 (HF)米波 (V HF)分米波 (UHF)厘米波 (SHF)毫米波 (EHF)亚毫米波远红外线近红外线(光纤通信用）频率波长名称紫外线光路可弯曲，对被测信号光路可弯曲，对被测信号远距离远距离监控：监控：泄漏小，泄漏小， 信息的保密性能好信息的保密性能好 光纤传输光泄漏非常微弱，弯曲地段无法窃听没有专用的特殊工具，光纤不能分接，信息在光纤中传输非常安全。？（

12、1）从光纤中折射出来的光线被设备中的光学检测设备拾取（2）然后发送给光电转换设备（3）光电转换装置将光信号转换为电信号，然后通过以太网线将数据传送到黑客的笔记本电脑上。黑客在笔记本电脑上运行某种sniffer软件，可以观察到目标光纤网络中传递的各种数据。 光纤的结构 光纤呈圆柱形，它由纤芯和包层光纤呈圆柱形，它由纤芯和包层两个同心圆柱的双层结构组成。两个同心圆柱的双层结构组成。2R2rn2n1nn2n1纤芯包层光纤结构光纤结构 纤芯 core：折射率较高，用来传送光； 包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件； 保护套 jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。纤芯纤芯

13、包层包层保护套保护套光纤的尺寸 外径一般为外径一般为125um(一根头发平均一根头发平均100um) 内径：单模内径：单模9um 多模多模50/62.5um12595012562.5125光纤的分类 按材料分类： 石英光纤：纤芯与包层都是SiO2，损耗小，传输距离长，成本高； 聚合物光纤（塑料光纤）：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。光纤的分类 按照光纤的模式分类单模（Single-Mode）多模（Multi-Mode） G.651：多模光纤，在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统。 G.652：常规单模光纤，在波长1.

14、31m色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。 斯乃尔定理斯乃尔定理（Snells Law） 当光由光密物质当光由光密物质(折射率大折射率大)入射至光疏物质入射至光疏物质时发生折射，如图时发生折射，如图(a)n1n2ri (a)光的折射示意图 可见，入射角可见，入射角i增大时，折射角增大时，折射角r也随之增大，也随之增大， NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2i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，光线会进入包层漏光。 一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。 产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA

15、光纤的集光能力光纤的集光能力jikrABCDEFGKOOn0n2n1数值孔径数值孔径NA光纤的传输特性单模光纤中损耗的功率可用损耗系数来描述，它表示单位长度光纤的损耗功率。如果沿长度方向的损耗是均匀的，那么在知道输入功率Pi后，沿光纤长度方向上任一点z处的功率Po便可用损耗系数表示)exp(0LPPi表征相对值的值，纯粹的比值，只表示两个量的相对大小关系，没有单位 。10logoutinWdBW 表示功率绝对值的值（也可以认为是以1mW功率为基准的一个比值）。10log1mWWdBm 损耗的机理损耗的机理吸收损耗：由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生。散射损耗：由材料微观密度不均

16、匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。1550 nm : 0.2 0.3dB/Km1310 nm : 0.35 0.5 dB/Km850 nm : 2.3 3.4 dB/Km光纤熔接点损耗：0.2dB/点 模间色散：只发生在多模光纤，因为不同模式的光沿着不同的路径传输。 材料色散：不同波长的光行进速度不同。 波导色散：发生原因是光能量在纤芯及包层中传输时，会以稍有不同的速度行进。在单模光纤中，通过改变光纤内部结构来改变光纤的色散非常重要。光纤的传输特性 由于光线的基本结构不完美，引起的光能量损失，此时光的传输不再具有很好的方向性。光线光线缺陷缺陷光纤的传输特性光源光源光源

17、的分类 非相干光源 包括白光源与发光二极管 相干光源 包括各种激光器：半导体激光器、氦氖激光器、固体激光器相干光源 原理能级的跃迁：原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发生量子（能级）跃迁，对于大量原子组成的体系来说，同时存在光的受激吸收、自发辐射和受激辐射三个状态。受激吸收和自发辐射受激吸收和自发辐射受激吸收过程：受激吸收过程：12EEh自发辐射过程自发辐射过程12EEh激发态激发态 E2E3E4hh基态基态 E1自发幅射的光是非相干光自发幅射的光是非相干光受激辐射（受激辐射（1917年爱因斯坦提出）年爱因斯坦提出）h E1 E2hh12EEh与外来光子频率与外来光子频率相同、相位相同、

18、相同、相位相同、偏振方向和传播偏振方向和传播方向相同。方向相同。特点：特点：受激幅射中，光子成倍增长，产生了光放大。受激幅射中，光子成倍增长，产生了光放大。受激幅射产生的光子与入射光子是完全相干的；受激幅射产生的光子与入射光子是完全相干的；1. 粒子数反转粒子数反转kTEkkenE1E221NN 粒子数反转粒子数反转产生激光的必要条件：产生激光的必要条件：1.实现粒子数反转实现粒子数反转 2.具有谐振腔结构具有谐振腔结构2. 光学谐振腔光学谐振腔工作物质工作物质全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜工作物质工作物质工作物质工作物质工作物质工作物质全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜谐振腔长度：谐

19、振腔长度：), 3 , 2 , 1(2nnL光纤传感常用激光器 半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、功耗低、驱动电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、使用安全、其应用领域非常广泛。 半导体激光器工作原理 半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，并利用光学谐振腔的正反馈实现光放大而产生激光。 FP谐振腔型（DH-LD） 分布反馈型（DFB） 超辐射发光二极管（SLD） 发光二极管（LED）2 n反射镜光的振幅反射镜L(a)初始位置光光强输出OXL(b)限制层GayAl1-yAs有源层GaAs限制层GaXAl1-XAsGaAs衬底光辐射金属接触限制

20、层GayAl1-yAs有源层GaAs限制层GaXAl1-XAsGaAs衬底光辐射金属接触PGa1xAlxAsPGaAsNGa1yAlyAs复合空穴异质势垒E能量(a)(b)(c)n折射率5%(d)P光电子FP谐振腔型LDDFB激光器由有源层发射的光，从一个方向向另一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)， 另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。如果光线a和b匹配，相互叠加，则产生更强的反馈，而其他波长的光将相互抵消。只有符合反射条件的光会得到强烈反射经历放大过程DFB激光器与FP激光器相比， 具有以下优点： 1. 单纵模激光器 FP激光器谐振腔的长度较长，频率间隔

21、小选频困难；DFB激光器的光栅周期相当于微型谐振腔，长度很小，因此频率间隔大，易于选频，形成单频振荡。2. 波长稳定性好由于光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上，因而波长的稳定性得以改善DFB激光器照片发光二极管(LED) 发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)有所不同， LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔， 没有阈值。 激光器相比，发光二极管输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出光功率线性范围宽， 而且制

22、造工艺简单，价格低廉。1300波长 / nm70 nm相对光强超辐射发光二极管(SLD) SLD光源是在激光二极管(LD)的基础上改造而成，通过对SLD施加较大的驱动电流，在双异质结处产生较强的粒子数反转，从而提高自发辐射光子的单程增益，因此,即便由于抑制激光效应而减少了光子在腔内的反馈次数,但SLD仍然具有相对较高的输出功率。 主要应用于光纤陀螺 光纤陀螺是一种轻便的由固体元件组成的全固态器件，作为新一代角速度敏感器件。 萨纳克效应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点。 若绕

23、垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差及与之相应的相位差的信息，即可得到旋转角速度。 系统静止系统静止 系统旋转系统旋转 如何检测相位差？如何检测相位差？ 利用光的干涉：振动频利用光的干涉：振动频 率相同、方向相同、相率相同、方向相同、相位差恒定位差恒定 )cos1 (0sII 通过检测光强来检测相位差，通过检测光强来检测相位差，进而检测转动角速率。进而检测转动角速率。光纤陀螺的优点与机电陀螺或激光陀螺相比，光纤陀螺具有如下特点：(1) 较强的抗冲击和抗加速运动的能力;(

24、2) 检测灵敏度和分辨率高精度;(3) 较长的使用寿命；(4) 可以实现不同的精度，并具有较宽的动态范围;(5) 瞬间启动，无需预热;(6) 结构简单、价格低，体积小、重量轻 光纤陀螺的发展现状光纤陀螺的发展现状美国在光纤陀螺的研究方面一直保持领先地位。目前美国国内已经有多种型号的光纤陀螺投入使用。日本紧随美国之后，在中低精度陀螺实用化方面走在了世界前列。许多公司都开始批量生产多种中低精度的光纤陀螺。 我国光纤陀螺的研究相对起步较晚，但是在广大科研工作者的努力下，已经逐步拉近了与发达国家间的差距。光纤陀螺的发展现状光纤陀螺的发展现状级别零偏稳定性(度/小时)标度因数稳定性速率级1010000.

25、11%战术级0.110101000 ppm惯性级0.015 ppm战略级0.0011 ppm光纤陀螺应用级别划分光纤陀螺应用级别划分战术级战术导弹 近程/中程导弹装甲车和坦克制导鱼雷惯性级、战略级光纤陀螺主要是用于空间定位和潜艇导航，其开发和研制正逐步走向成熟，美国有关公司和研究机构是研制、生产该级别光纤陀螺的佼佼者，如Honeywell、Northrop等公司。激光器的应用 激光，作为一种新类型的光登上舞台，带来光学应用技术的革命，已在生产、生活、国防的各个方面都有着应用，几乎成为所有现代技术依赖的手段。在此不可能加以详述，仅就一些常见的应用作简要介绍。气态原子、分子处在永不停息的运动中（速

26、度接近340m/s），且不断与其它原子、分子碰撞，要“捕获”操纵它们十分不易。1997年华裔科学家、美国斯坦福大学朱棣文等人，首次采用激光束将原子束冷却到极低温度，使其速度比通常作热运动时降低，达到“捕获”操纵的目的。 具体作法是，用六路两两成对的正交激光束，沿三个相互垂直的方向射向同一点，光束始终将原子推向这点，于是约106个原子形成的小区，其温度在240K以下。这样使原子的速度减至10m/s量级。后来又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在约1s内从控制区坠落后被捕获。 利用激光的高亮度和极好的方向性，做成激光测距仪、激光雷达和激光准直仪。 激光制导的导弹，头部有四个排成十字形的激光接收器（四象

27、限探测仪）。如果四个接收器收到的激光一样多，就按原来方向飞行，如果有一个接收器接收的激光少了，它就自动调整方向。另一类可用激光束照射要打击的目标，经目标反射的激光被导弹上的接收器收到，引导导弹击中目标。 3. 全息技术是1948年英国科学家盖伯提出的一种新的成像原理，“全息”一词引处希腊语，是“完全”的意思。但由于当时没有好的相干光源，因而无法获得好的相干像片。激光的出现，使全息术飞速发展成为一个新领域，盖伯因此获1971年诺贝尔物理学奖。 普通照像是把从物体表面发出的光经过透镜，在感光底片上记录下物体的光强分布，再翻印到相纸上，呈现出物体的平面图像。普通照像只记录了物体表面的光强分布，没有记

28、录到物体各部分到观察者的远近和角度，即没记录下物体发出光线的相位分布，这样的像没有立体感。 全息照像是用相干光照射物体，从物体反射或漫射的光不是用透镜成像而是直接照射到全息底片上，用干涉现象把那些光的光强分布和相位记录下来。底片上没有被拍物体的形象，在显微镜下可看到的是一幅长短不一、间距不等、走向不同的复杂干涉条纹，称为全息图。 4. 光刻技术：如光刻集成电路、光盘。光盘的外形光刻技术：如光刻集成电路、光盘。光盘的外形有点像唱片，写入读出的原理也和机械唱片差不多，有点像唱片，写入读出的原理也和机械唱片差不多，只是用激光束来代替唱针，因为激光的相干性很好，只是用激光束来代替唱针，因为激光的相干性

29、很好，用聚光系统可以把激光聚焦成比针头还细小的光束，用聚光系统可以把激光聚焦成比针头还细小的光束，所以它在介质上写入信息所占空间尺寸可以非常小所以它在介质上写入信息所占空间尺寸可以非常小（小于（小于1nm）因而信息存储密度很大。）因而信息存储密度很大。CD唱片是用唱片是用声音调制了的激光束刻制光盘，由于在读写光盘时光声音调制了的激光束刻制光盘，由于在读写光盘时光点与光盘无机械接触，就不存在由摩擦引起的杂音，点与光盘无机械接触，就不存在由摩擦引起的杂音，同时也无磨损，因而光盘音质佳、寿命长。同时也无磨损，因而光盘音质佳、寿命长。 5.生物应用：生物育种上可以采用“诱发育种”方法培育良种，诱发育种也有化学诱变、核辐射诱变、光诱变等，激光照射属光诱变。生物组织吸收激光能量后，将会使生物体发生光