光纤传感器调研报告

1、光纤传感器调研报告胡昆仑 5080309785摘要：本文将就光纤传感器作一份较为详细的调研报告，主要介绍光纤传感器 的基本知识，以及一些典型光纤传感器（包含已经投入生产以及研究中）基本 原理，为本学期毕业设计作好准备工作。关键词：光纤，振动，传感器，原理一、光纤传感器现况：近20年来，世界范围内用于光纤通讯和光纤传感器的资金正在不断增长。与 传统传感器相比，光纤传感器有一些列独特的优点：它可以在强电磁干扰、高温 高压、原子辐射、易爆、化学腐蚀等恶劣条件下使用，高灵敏度及低损耗的优点 使其用途广泛，例如能够组成空间分布列阵及网络，应用于人体医学、城建监控、 环境监测等方面。科学家已提出了四十多种

2、测量对象的几百种光纤传感器，同时 也指出了乐观的市场前景。二、光纤传感器基础：光纤传感器其基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使 待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度 、 波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过 光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。与传统的各类传感器相比，光纤传感器具有以下特点：1、灵敏度较高；2、几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意 形状的光纤传感器；3、可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；4、可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境。光纤传感器可分为2大类：一类是

3、功能型（传感型）传感器；另一类是 非功能型（传 光型）传感器。功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤 内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。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， 多采用多模光纤。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息 的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术；比

4、较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。光纤传感器从信号变换上也可以分成强度调制型、相位调制型、波长调制型、 偏振态调制型和模式调制型等等。三、典型光纤传感器及其基本原理：1、首先介绍一种激光位移传感器，严格来说，该传感器仅仅是利用光学手 段制作的传感器。ZLDS10X可定制激光位移传感器是英国真尚有（ZSY）公司生产的一种激 光传感器，具有数字化集成一体化结构，0.01%高分辨率，0.1%高线性度，9.4KHz 高响应、IP67高防护等级和可同步等高性能。工作温度范围宽，特别适用于工 业环境高精度应用。主要有以下型号：各型号特点：ZLDS100： 0.01%

5、高分辨率，0.1%高线性度，9.4KHz高响应，可订制各种 尺寸，适应恶劣环境。ZLDS101： 0.03%高分辨率，0.1%高线性度,2M大量程，可进行远距离测量。ZLDS102： 0.02%高分辨率,0.1%高线性度，低成本。提供了在计算机上运行附带的传感器软件。该软件提供简单的数据读取、显 示以及传感器参数设置功能。提供了一个传感器开发库（目前仅支持Windows），以DLL形式提供，封装底 层串口通讯协议细节，提供简单易用的编程接口，便于开发人员快速进行应用软 件的开发。应用领域：广泛用于火车轮轮缘轮廓测量，公路车辙、平整度测量。也可用 于非接触测量位移、三维尺寸、厚度、物体形变、振动

6、、分拣及玻璃表面测量等。主要特点如下：ZLDS100R-4-39传感器可用于镜面和玻璃的表面测量；量程最小2mm，最大1250mm（其他量程可订制）；量程起始距离最小10mm，最大260mm（其他距离可订制）；频率响应：2K、5K、8K、9.4K；分辨率最高0.01%,线性度最高0.1%；支持多个传感器同步采集（确保工业在线高精度差动测厚）；支持特殊量程（如远距离起始700mm小量程300mm等）；特殊应用（如路面平整度，高温被测体，管道内径，石油钻杆内外螺纹测量等均可定制）；针对串口，提供了运行应用的DLL开发库，方便用户开发应用软件；非接触位移精密测量；工作原理较为简单，图示如下：半导体激

7、光器被镜片聚焦到被测物体。反射光被镜片收集，投射到 CMOS阵列上;信号处理器通过三角函数计算阵列上的光点位置得到距物 体的距离。该传感器通过简单的光学原理，达到对距离位移、三围尺寸、厚度、物体形 变、振动、玻璃表面的测量，与微机结合，能够将结果形象的体现出来，网上即 有 该 传 感 器 对 玻 璃 检 查 的 应 用（ HYPERLINK /v_show/id_XMjUzMTAxODc2.html /v show/id XMjUzMTAxODc2.html）系列各种产品具体型号参数不再一一赘述，仅提供ZLDS102的具体参数：垦程mm501002:50500分辨率%F.S满垦程的0.02%统

8、性度%F.S满垦程的0.1 %:曰:ffi- iimT 示满量程的0.02% i C来祥频率KHn2激光器类型红色半导,体激光器,波660nm输出功率册女 0.95激光安全等缀20EC6Q825-1)数字输出RS232最大 460.8kbit40V供电电压T936(DC)功率W162保护等缀IP67抗振2Dg/1Ck-1DDDHz,时蜃置三个方向均如此）抗冲击SlJg/Bms工作温度览-10+60允许干扰光强度IX7000空气相对湿度3585储存温度富-20+70外壳材料铝重星。60用户可按照自己需求定制。（官方网站为 HYPERLINK / /）2、下面阐述一种应用较为广泛的光纤传感器一一光

9、纤光栅传感器（FBG）光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating Sensor）属于光纤传感器的一种，基于 光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来 获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。光纤布拉格光栅是通过全息干 涉法或者相位掩膜法来将一小段光敏感的光纤暴露在一个光强周期分布的光波下面。这样光纤的光折射率就会根据其被照射的光波强度而永久改变。这种方法造成的光折射率的周期性变化就叫做 光纤布拉格光栅。分类：光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、位移传感器、 压力传感器等。其中应用最广泛的是光纤光栅应变传感器，该技术也较为成熟。应变 直接

10、影响光纤光栅的波长漂移，在工作环境较好或是待测结构要求精小传 感器的情况下，人们将裸光纤光栅作为应变传感器直接粘贴在待测结构的 表面或者是埋设在结构的内部。由于光纤光栅比较脆弱，在恶劣工作环境 中非常容易破坏，因而需要对其进行封装后才能使用。目前常用的封装方 式主要有基片式、管式和基于管式的两端夹持 式。其他传感器的原理类似。由于光纤其本身特点以及布拉格光栅的特点，该类光纤传感器具有以 下特点：抗电磁干扰:一般电磁辐射的频率比光波低许多，所以在光纤中传输的光 信号不受电磁干扰的影响。电绝缘性能好，安全可靠:光纤本身是由电介质构成的，而且无需电源驱 动，因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使

11、用。耐腐蚀，化学性能稳定:由于制作光纤的材料一石英具有极高的化学稳定 性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。体积小、重量轻，几何形状可塑。传输损耗小:可实现远距离遥控监测。传输容量大:可实现多点分布式测量。测量范围广:可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、电压、 液位、液体浓度、成分等。基本原理：在下图所示的光纤光栅传感器结构中，光源为宽谱光源且有足够大的功率， 以保证光栅反射信号良好的信噪比。一般选用侧面发光二极管LED的原因是其 耦合进单模光纤的光功率至少为50100四W。而当被测温度或压力加在光纤光 栅上时。由光纤光栅反射回的光信号可通过3 dB光纤定向耦合器送到波长鉴别

12、 器或波长分析器，然后通过光探测器进行光电转换，最后由计算机进行分析、储 存，并按用户规定的格式在计算机上显示出被测量的大小。光纤光栅除了具备光纤传感器的全部优点外.还具有在一根光纤内集成多个 传感器复用的特点，并可实现多点测量功能。光纤布拉格光栅通常满足布拉格条件式中，XB为Bragg波长，n为有效折射率，A为光栅周期。当作用于光纤光栅的被测物理量(如温度、应力等)发生变化时，会引起n和 A的相应改变，从而导致XB的漂移；反过来，通过检测XB的漂移。也可得知 被测物理量的信息。Bragg光纤光栅传感器的研究主要集中在温度和应力的准分 布式测量上。温度和应力的变化所引起的AB漂移可表示为：俄寺

13、(1/n) (dn/dT) AT(2)式中，e为应力，Pi，j为光压系数，v为横向变型系数(泊松比)，a为热胀 系数，AT为温度变化量。一般情况下，(2)式中的n2P12-v(P11+P12)/2因子 的典型值为0. 22，可以推导出常温和常应力条件下的FBG温度和应力相应条 件值为：3Ab/(Ab*57) =6,7x10/X：(3)利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化的不同，可实现对磁场的直接测 量。如通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），可实现对电场等物理量 的间接测量。分布式光纤传感系统也是一个重要的研究重点。分布式FBG传感系统是在 一根光纤中串接多个FBG传感器，每个光栅的

14、工作波长相互分开，在经过3 dB 耦合器取出反射后，再用波长探测解调系统同时对多个光栅的波长偏移进行测 量，从而检测出相应被测量的大小和空间分布。分布式光纤传感系统是一种传感器网络，它可以从整体上对被测对象的有关 物理量的变化时间、位置进行监控。通过对分布式光纤传感器、执行结构、信号 处理系统、传输系统和控制系统的结合，可形成一个智能结构。目前，分布式光 纤传感系统通常有拉曼型、布里渊型和FBG型三种类型。下面参数是Micron Optics公司生产的型号为os1100的光纤布拉格光栅传 感器的，该传感器即是基于上述原理制成，可测量土木结构、公路铁路路况、能 源等。基本参数如下：nvironm

15、ental & MechanicalNumber of Sensors1 (one)Sensor DistributionN/AGage TypeBare FBGGage Factor 1.2 pm/供 or 10 pm/CPigtail LengthmFiber TypeSMF28-CFiber CoatingPolyimideFiber Re-Coating Diameter145 - 165 pmBuffer TubeNoneConnectorizationNone (FC/APC available)Proof Strength5,000 pcFiber Bend Radius 25

16、mmOpticalCenter Wavelength (1 nm)From 1462nm to 1618nmPeak Reflectivity (Rmax)70%FWHM (-3 dB point)0.25 nm ( .05 nm; apodized grating)Isolation 12 dB ( 0.4 nm around center wavelength; Refer to Diagram A)OpticalCenter Wavelength (1 nm)From 1462nm to 1618nmPeak Reflectivity (Rmax)70%FWHM (-3 dB point

17、)0.25 nm ( .05 nm; apodized grating)Isolation 12 dB ( 0 4 nm around center wavelength; Refer to Diagram A)Sensor Positioning (see Diagram B)Total Fiber Length (LT)2 meters ( 200 mm)Sensor 1 (L)1 meter ( 100 mm) distance from fiber end to SEnd Fiber Length (LE)1 meter ( 100 mm) distance from to fiber

18、 end08D429svConnectorization OptionsOption 1: Fusion-Spliced FC/APCIncludes metal splice sleeve and loose buffer (adds 0.5m to pigtail length)Option 2: Splice-Free FC/APCIncludes loose buffer (adds no length to pigtail)Option 3: Fusion-Spliced E2000Includes metal splice sleeve and loose buffer (adds

19、 1m to pigtail length)Option 4: OtherContact MOI3、迈克尔逊光纤干涉仪传感器是曾经在去年某次周会中提到的一种典型光 纤传感器，此处对其原理作一详细介绍：迈克尔逊干涉仪的原理图如下图所示：图中L为光源，C为3dB耦合器，PD为光电探测器，M1、M2均为反射镜， 他们所在的光路分别称为信号臂和参考臂。从光源L发出的激光经过3dB耦合 器，分成信号光和参考光。信号光经M1反射，参考光经M2反射，当信号臂光 纤受到外界扰动场作用时传输光相位发生变化。而参考光未受到外界扰动场作 用，其光的相位保持不变，因为信号光参考光产生相位差，经探测系统处理后即 可调制

20、出与被测量有关的相位移。两束反射光发生干涉，干涉光经光电探测器接 受到的光强为：/ =领+海的)其中I0-激光器发出的光强1， 使被测体的振幅得到放大，从而达到精确测量的目的。下面介绍传感头的三角反射原理如下图所示由图2知，在三角ABC中：，2V-2dy+d!tg0整理得到：苗I叩I /由积分得交叠部分的面积，从而得到比值:(13)输入光功率P1由光纤F1耦合到自聚焦透镜L1,由它发出的平行光束照射 到弹片上，被弹片反射回的光波自聚焦透镜L2耦合到光纤F2中，弹片振动时， 从F2输出的光功率P0随之变化，设由L1出射的光束为平行光束，光斑内光强 均匀分布，两自聚焦透镜孔径相同，则输出光强P0与反射光斑与L2的交叠面 积成正比，如下图所示，交叠部分面积由L2的中心与反射光斑的中心之间的距 离H决定，所以，P0由H决定式中r为两自聚焦棒的半径。