光纤传感技术

1、关于光纤传感技术第一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月 光导纤维传感器（简称光纤传感器）是20世纪七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。 与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点： 1.不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火； 2.可根据需要做成各种形状，可以弯曲； 3.可以用于高温、高压,绝缘性好,耐腐蚀。第二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月基本采用石英玻璃， 主要由三部分组成 中心纤芯； 外层包层； 护套尼龙料。 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n1略大于包层折射率n2（ n1 n2 ）

2、。第一节 光纤的结构与传光原理（一）光纤的结构单模：8 10m多模：大于50m包层玻璃纤维尼龙外层涂敷层纤芯外层直径1mm一、结构和种类第三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月阶跃折射率光纤阶跃 剖面 n(r)a n2n1 r 纤 芯（二） 光纤的种类 光纤按纤芯和包层材料的性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两类；按折射率分有阶跃型和梯度型二种 。 右图所示为阶跃型光纤，纤芯的折射率n1分布均匀，不随半径变化。包层内的折射率n2分布也大体均匀。可是纤芯与包层之间折射率的变化呈阶梯状。在纤芯内，中心光线沿光纤轴线传播。通过轴线平面的不同方向入射的光线（子午光线）呈锯齿形轨迹传播。第四张，PPT

3、共八十八页，创作于2022年6月8/20/20224渐变 剖面n(r)梯度折射率光纤 a n2 n1 r纤 芯右图所示为梯度型光纤，纤芯的折射率n1不是常数，从中心轴线开始沿径向大致按抛物线规律逐渐减小。因此光在传播中会自动地从折射率小的界面处向中心会聚。光线偏离中心轴线越远，则传播路程越长。传播的轨迹类似正弦波曲线。这种光纤又称自聚焦光纤。右下图所示为经过轴线的子午光线传播的轨迹。第五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/20225名词解释：子午光线 当入射光线通过光纤轴线，且入射角1大于界面临界角 时，光线将在柱体界面上不断发生全反射，形成曲折回路，而且传导光线的轨迹始终在光

4、纤的主截面内。这种光线称为子午光线，包含子午光线的平面称为子午面。 第六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/20226子午平面第七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/20227 光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来分，可分为多模光纤和单模光纤两类。多模光纤多用于非功能型（NF）光纤传感器；单模光纤多用于功能型（FF）光纤传感器。下面介绍模的概念第八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月模的概念在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的平面波和沿垂直方向（剖面方向）传播的平面波。沿剖面方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上将产生反射。如果此波在一个往复（入射

5、和反射）中相位变化为2的整数倍，就会形成驻波。只有能形成驻波的那些特定角度射入光纤的光才能在光纤内传播，这些光波就称为模。在光纤内只能传输一定数量的模。通常纤芯直径较粗（几十微米以上）时，能传播几百个以上的模，而纤芯很细（510微米），只能传播一个模。前者称为多模光纤，后者为单模光纤。第九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月光进入光学纤维后,多次在内壁上发生全内反射,光从纤维的一端传向另一端.光学纤维:中央折射率大,表层折射率小的透明细玻璃丝.二、 光纤的传光原理第十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202210图7-3 （a） 光线入射角小于临界角1折射率 n2折射率

6、 n121 c入射光全反射光当继续加大入射角1，（即1c)， 光不再产生折射，只有反射，形成光的全反射现象，如右图所示。第十三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月外反射：第十四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202214入射角大于临界角的光线发生全反射内反射，全内反射：第十五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202215图7-4 光纤导光示意图101ABCn0n2n1dD20阶跃型多模光纤的传光原理第十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月光纤的传播基于光的全反射。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； 光线在光纤端面入射

7、角减小到某一角度 c时，光线全部反射。 只要c，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。第十七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月101ABCn0n2n1dD20由斯奈尔（Snell）定律：若满足即就能产生全反射。可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（n1、n2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。第十八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月入射角的最大值 为：将sinc定义为光导纤维的数值孔径,用NA表示,则 第十九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月NA意义讨论： 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2c张角之内的入射光才能被光

8、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。第二十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月2008-10-17第二十一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月三、传光损耗在实际上，光纤传光中，存在费涅耳反射损耗、光吸收损耗、全反射损耗以及弯曲损耗等。下面简要分析阶跃型多模光纤的损耗。第二十二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202222当n0 n1入射角小于临界角时，在界面上将产生反射和折射光束。1折射率 n1折射率 n021

9、c），则光线在界面上产生全反射。当光线射入微弯曲段的界面上时，入射角将小于临界角（1c）。此时，一部分光在纤芯和包层的界面上反射；另一部分光则透射进入包层，从而导致光能的损耗。基于这一原理，研制成光纤微弯曲传感器。第三十九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202239光纤微弯曲位移（压力）传感器由两块波形板（变形器）构成。其中一块是活动板；另一块是固定板。一根阶跃多模光纤（或渐变型多模光纤）从一对波形板之间通过。当活动板受到微扰（位移或压力作用）时，光纤就会发生周期性微弯曲，引起传播光的散射损耗，使光在芯模中再分配：一部分光从芯模（传播模）耦合导包层模（辐射模）；另一部分光反

10、射回芯模。当活动板的位移或所加的压力增加时，泄漏到包层的散射光随之增大；相反，光纤芯模的输出光强就减少。光纤芯透射光强度与外力的关系如下图所示。第四十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202240这样光强受到了调制。通过检测泄漏出包层的散射光强度或光纤芯透射光强度，就能测出位移（或压力）信号。光纤微弯曲传感器，灵敏度高，结构简单，动态范围宽，线性度较好，性能稳定。第四十一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202241（二）临界角光纤压力传感器临界角光纤压力传感器也是光强调制型传感器。如右图所示，在一根单模光纤的段部切割一个反射面。切割角刚小于临界角。 临界角

11、c由纤芯折射率n1和光纤端部介质的折射率n3决定： 如果临界角部接近45，那么就需要在端面再切割一个反射面。第四十二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202242入射光线在界面上的入射角是一定的。由于入射角小于临界角，一部分光折射入周围介质；另一部分则返回光纤。返回的反射光被分束器偏转到光电探测器输出。当被测介质的压力（或温度）变化时，将使纤芯的折射率n1和介质的折射率n3发生不同程度的变化，引起临界角发生改变，返回纤芯的反射光强度也就变化。基于这一原理，有可能设计出一种微小探针压力传感器。这种传感器的缺点是灵敏度较低。然而频率响应高、尺寸小却是它的独特优点。第四十三张，PP

12、T共八十八页，创作于2022年6月8/20/202243三、偏振态调制型光纤传感器平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转，这种现象称为法拉第磁光效应。 光矢量旋转角 :式中 V正常光折射率； L物质中的光程； H磁场强度。(7-16)第四十四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月法拉第磁光效应磁场偏振光片磁光材料L检偏片光源第四十五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月 光纤的磁光效应最典型的应用就是高压传输线用的电流传感器，其结构如图所示。将光纤绕在被测导线上，设圈数为N，导线中通过的电流为I，由安培环路定律，距导线轴心为R处的磁场为 P2 WP 探测器1探测器2I1I2

13、光源光纤I P1第四十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202246 由前面二式可知，电流强度I与线偏振光的偏振面旋转角度成正比。该解调方法的特点是可以有效消除光源强度波动对测量结果的不利影响。 P2 WP 探测器1探测器2I1I2光源光纤I P1可得偏转角和第四十七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202247由于探测器不能直接检测光的偏振态，需要将光偏振态的变化转换为光强度信号。一种检测方法采用Wollaston棱镜WP，由光源发射的激光经起偏器P1变为线偏振光进入传感光纤，在输出端将检偏器P2输出的正交偏振分量在空间上分成两路输出，分别被探测器1与探

14、测器2接收。探测器1与探测器2接收的光强信号分别为经信号处理可得到偏振面的偏转角 P2 WP 探测器1探测器2I1I2光源光纤I P1第四十八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202248 该解调方法的特点是可以有效消除光源强度波动对测量结果的不利影响。 P2 WP 探测器1探测器2I1I2光源光纤I P1设：则：得：当线偏振光旋转角度很小时，有第四十九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202249第三节 非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器中主要是光强调制型。可分为传输光强调制型和反射光强调制型。一、传输光强调制型光纤传感器一般在两根光纤（输入光纤和输出光

15、纤）之间配置机械式或光学式的敏感元件。敏感元件调制传输光强的方式有：改变输入光纤和输出光纤之间的相对位置、遮断光路和吸收光能等。第五十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202250图713受抑全内反射光纤压力传感器的光纤输出光纤（固定）垂直位移输入光纤n=1.48n=1.48x90（一）改变光纤相对位置的光强调制型光纤传感器原理 受抑全内反射光纤压力传感器，是利用改变光纤轴相对位置对光强进行调制的。 传感器有两根多模光纤：一根固定；另一根在压力作用下可以垂直位移。如右图所示。第五十一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月图713受抑全内反射光纤压力传感器的光纤输出光纤（固

16、定）垂直位移输入光纤n=1.48n=1.48x90 两根光纤相对的端面被抛光，并与光纤轴线成一足够大的角度，以便使光纤中传播的所有模式的光产生全内反射。 当两根光纤充分靠近（中间约有几个波长距离的薄层空气），一部分光将透射入空气层，并进入输出光纤。这种现象称为受抑全内反射现象。它类似于量子力学中的“隧道效应”或“势垒穿透”。第五十二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月输出光纤（固定）垂直位移 当一根光纤相对另一根固定光纤垂直位移距离x时，则两根光纤端面之间的距离变化xsin。如左下图所示。透射光强随距离发生变化如右下图所示。由曲线可知，光强变化与间隙距离的变化呈非线性关系。 x90 x输

17、入光纤图714 透射光强与光纤间隙距离的关系第五十三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月因此在实际使用中，应限制光纤的位置距离，使传感器在变化距离较小的一段线性范围内，从曲线还可以看出，角越大，曲线的线性段斜率越大。所以为了使传感器获得较高的灵敏度，光纤端面的倾斜面（90）要切割得较小。第五十四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/2022542008-10-24第五十五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202255（二）遮断光路的光强调制型光纤传感器原理在两根大芯径多模光纤之间放置一对线光栅。当两光栅相对平行移动时，透射光强度发生变化。图717 光栅调制

18、光强的原理图第五十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202256当两光栅所处的位置正好是全透过部分和不透过部分重合，这时将没有光透过光栅，输出光强为零。 当两光栅所处的位置正好是全透过和全透过部分重合，这时输出光强为最大。 可见输出光强将随两光栅的相对位移成周期性变化。假设两个光栅的间距为5m、格子宽5m的栅元组成，则透射光强如下右图所示。图717 光栅调制光强的原理图图719 透射光相对强度与光栅相对位移的关系第五十七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202257二、反射光强调制型光纤传感器 反射式位移传感器 ，其基本原理如图所示。光源发出的光通过光纤射

19、向被测物体，其反射光由接收光纤收集，送到探测器，接收光强将随着反射物体表面与光纤探头端面的距离变化。通过信号处理得到光纤端面与被测面之间距离的变化（位移）。 探测器光源被测面传输光纤接收光纤反射式位移传感器第五十八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202258Ra交叠面R= r+2dT接收光纤被测面传输光纤传输光纤像da2r 为了定量的说明接收光强变化与位移之间的关系，参考下图。反射镜面即被测物的移动是与光纤探头端面垂直的。反射镜面在其背面距离d处形成输入光纤的虚象。因此光强调制作用是与虚光纤和接收光纤的耦合是等效的。0第五十九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/2

20、0/202259Ra交叠面R= r+2dT假设两根光纤均为阶跃折射率光纤，芯径为2r，数值孔径为NA，两光纤间隔为a，并定义第六十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202260Ra交叠面R= r+2dT接收光纤被测面传输光纤传输光纤像da2r 当距离 时，两光纤的光耦合为零，即没有反射光进入接受光纤； 当距离 时，两光纤的光耦合随距离的增大而加强； 当 时，两光纤的耦合最强，接收光强达到最大值。此时输入光纤的像发出的光锥完全覆盖接收光纤端面。 当 时，两光纤的耦合反而减少。0第六十一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202261 反射光强与位移的关系如右图所

21、示。 当位移d相对光纤直径r较小时（dr）时，则按x-2的规律变化。曲线在峰顶的两侧有两段近似线性的工作区域（AB段和CD段）。AB段的斜率比CD段的大，线性也较好。因此位移和压力传感器的工作范围选择在AB段，偏置工作点则设在AB段的中点M点。AB段的灵敏度和线性度较好，但测量范围较小。CD段可以测量较大的范围，偏置工作点设置在N点，但灵敏度较低。第六十二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202262 光纤传感器由于它的独特的性能而受到广泛的重视, 它的应用正在迅速地发展。下面我们介绍几种主要的光纤传感器。第四节 光纤传感器的应用举例第六十三张，PPT共八十八页，创作于202

22、2年6月8/20/202263 光纤加速度传感器的组成结构如下图所示。 它是一种简谐振子的结构形式。激光束通过分光板后分为两束光, 透射光作为参考光束, 反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时, 由于质量块M对光纤的作用, 从而使光纤被拉伸, 引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号, 经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值。 一、 光纤加速度传感器第六十四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202264利用马赫一泽德干涉仪的光纤加速度计第六十五张，PPT共八十八页，创作于2022年

23、6月8/20/202265如右图所示，在两根光纤之间悬挂一块质量块，光纤1牢固地固定在壳体上端盖和质量块上；光纤2牢固地固定在质量块和传感器底座上。安装时光纤稍微绷紧。这两根光纤分别被熔接在干涉仪的每一条臂上。光纤加速度传感器工作原理的具体分析第六十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202266当传感器受到垂直向上的加速度时，惯性力的作用将使光纤1的轴向应变增强，长度伸长L而光纤2的轴向应变减弱，长度缩短L。这样质量块加速所受力F为F2ST=ma式中 S为光纤的截面积； T为每根光纤上单位面积张力的变化量； m质量块质量 a加速度式中的因子2是指两根光纤。第六十七张，PPT

24、共八十八页，创作于2022年6月8/20/202267张应力变化引起的光纤应变由下式给出式中 E光纤材料的弹性模数。 当光纤受应变后，光速经过长度为L光纤的传播，光的相位将发生变化。其变化为：式724第六十八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202268 当折射率n1所引起的作用很小时，可以忽略。这样光纤中传播光的相位移为 将代入上式，且因则得第六十九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202269由上式可知，光相位的变化（两根光纤则变化量加倍）与加速度成正比。利用光学干涉技术就可测出加速度。第七十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/20227

25、0在光纤加速度传感器中，光纤起着支承质量块的弹簧的作用，因而质量块将会振动，可以计算出其的振动频率。当质量块沿光纤轴向位移距离x所需的弹簧力F为由此可得式中 k光纤的弹性常数； E光纤材料的弹性模量； S光纤的截面积； L光纤的长度第七十一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202271由此可得质量块连在弹性常数为k的光纤上时，其谐振频率为将代入上式，且因则可得第七十二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202272左上图为典型的光纤加速度传感器的频响特性。可以看出，光纤加速度传感器的频率响应并不高，一般只能响应几百赫兹频率的振动。右上图为光纤加速度传感器对加速

26、度的响应特性。可见具有良好的线性响应。第七十三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202273二、光纤磁场传感器镍、铁、钴等金属结晶材料和铁基非晶态金属玻璃（FeSiB）具有很强的磁致伸缩效应。将单模光纤和磁致伸缩材料粘合在一起，沿磁场轴向放置。由于磁致伸缩材料的磁致伸缩效应，光纤被迫产生纵向应变，使光纤的长度合折射率发生变化，从而引起光纤中的传播光产生相移。第七十四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202274光纤磁场传感器由三种结构形式如上图所示。a、在磁致伸缩材料的圆柱上卷绕光纤；b、在光纤表面上包上一层镍护套或用电镀方法镀上一层约10m后的镍或镍合金金

27、属层。c、用环氧树脂将光纤粘贴在具有高磁致伸缩效应的金属玻璃带上。第七十五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202275 相位调制光纤磁场传感器的灵敏度极高，一种包镍护套的光纤传感器，当光纤长1米时，可检测到1.410-3A/m的磁场强度。如采用更强的磁致伸缩效应的金属玻璃材料左护套，当光纤长度为1千米时，预计可检测小至410-9A/m的磁场。 光纤磁场传感器的线性度也很好，如右图所示为包镍的光纤传感器对于频率为10kHz的交流磁场的响应曲线。第七十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202276三、光纤流量传感器在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤，

28、当流体流动时,光纤就发生振动,其振动频率近似与流速成正比。由于使用的是多模光纤,故当光源采用相干光源(如激光器)时,其输出光斑是模式间干涉的结果。这种流量传感器结构示意图如右图所示。 光源频谱分析记录探测器123451 夹具2 密封胶3 液体流管4 光纤5 张力载荷第七十七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202277 当流体流动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时, 根据流体力学原理，在某些条件下，在非流线体的下游两侧产生有规则的旋涡，其旋涡的频率f近似与流体的流速成正比，即 式中: v流速; d流体中物体的横向尺寸大小; S斯特罗哈（Strouhal）数, 它是一个无量

29、纲的常数, 仅与雷诺数有关。 上式是旋涡流体流量计测量流量的基本理论依据。由此可见，流体流速与涡流频率呈线性关系。 第七十八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202278光纤的振动频率与流体的流速和光纤的直径有关。在光纤直径不变时，近似正比于流速，如右图所示。光纤中的相干光是通过外界扰动（如振动）来进行相位调制的。在多模光纤中，由于众多模式干涉的结果，在光纤射出端可以观察到“亮”、“暗”无规则相间的斑图。第七十九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月8/20/202279 如右图所示，用一个小型光电探测器接受斑图中的亮区，便可接受光纤振动频率的信号，经过频谱仪分析便可检测出振荡频率，由此可计算液体的流速及流量。 光纤流量传感器最突出的优点是能在易爆、易燃的环境中安全可靠地工作。对于透明和不透明液体也能检测。 但对于流速过小的流体，测量受到限制。第八十张，PPT共八十八页，创作于20