光纤传感技术 (2)讲稿

1、关于光纤传感技术 (2)第一张，PPT共六十四页，创作于2022年6月7.1 概述7.1.1 背景介绍光导纤维光纤通信：通信质量受干扰的原因光纤对外部因素十分敏感。外界环境 温度 压力 电场 磁场光波参量 强度 相位 频率 偏振态光纤传感 第二张，PPT共六十四页，创作于2022年6月光纤结构图第三张，PPT共六十四页，创作于2022年6月光纤的优点长距离低损耗易弯曲体积小、重量轻、成本低防水、防火、耐腐蚀抗电磁干扰光纤传感技术应用航天：飞机及航天器各部位压力、温度传感航海石油化工电力工业核工业医疗器械：血液流速、血压及心音测量第四张，PPT共六十四页，创作于2022年6月7.1.2 光纤传感

2、器分类 光纤传感器原理：利用光纤将待测量对光纤内传输的光波参量进行调制，并对调制过的光波信号进行解调检测，从而获得待测量值。 功能型（传感型、全光纤）传感器：光纤中传输的光波受到被测对象的调制，空载波变为调制波，携带了被测对象信息。光纤直接作为敏感元件，既感且传第五张，PPT共六十四页，创作于2022年6月非功能型（传光型、混合型）传感器：光纤送来光波通过光转换元件时光波参量发生相应变化，空载波变成了调制波，携带了带测量信息。其他敏感元件感知待测量的变化，只传不感第六张，PPT共六十四页，创作于2022年6月提问：光纤传感器利用什么物理效应来感知待测量？它能检测哪些物理量？ 功能型光纤传感器

3、光纤自身的结构参量（尺寸和形状）发生变化，光纤中的光波参量受到相应控制 光纤中传输的光波自身发生了某种变化 非功能型（传光型、混合型）传感器 光转换元件自身的性能发生了变化 由光纤的几何位置排布实现光转换功能第七张，PPT共六十四页，创作于2022年6月第八张，PPT共六十四页，创作于2022年6月光波调制技术：利用光波参量的调制实现待测信息提取。 强度调制 位相调制 频率调制 偏振调制 颜色调制（光纤传感头的光频谱特性随待测物理量变化）第九张，PPT共六十四页，创作于2022年6月7.2 光纤的传输特性 阶跃光纤（包层光纤）渐变光纤（自聚焦光纤）纤芯包层第十张，PPT共六十四页，创作于202

4、2年6月7.2.1 包层光纤中的传输光线传输条件：满足全反射定律1. 子午光线：传播时在同一平面内，且与光纤轴线相交。子午光线的传输第十一张，PPT共六十四页，创作于2022年6月入射角满足的条件：表征光纤收光能力的重要参数光纤的数值孔径第十二张，PPT共六十四页，创作于2022年6月2. 斜光线：传播时不在同一平面内，且不与光纤轴线相交。斜光线的传输入射角满足的条件：第十三张，PPT共六十四页，创作于2022年6月7.2.2 梯度折射率光纤与自聚焦透镜 只讨论子午光线的传播规律：即子午光线的传播方向与入射角的关系光线沿着一弯曲的路径传播，而且弯向折射率大的一方第十四张，PPT共六十四页，创作

5、于2022年6月第十五张，PPT共六十四页，创作于2022年6月当梯度折射率分布呈抛物线型分布时，梯度折射率光纤中的子午光线路径是正弦曲线。说明：入射角不同时，各曲线的振幅不同，但周期相同。各入射角的光线自动会聚到一点，故折射率梯度型光纤又称为自聚焦光纤。第十六张，PPT共六十四页，创作于2022年6月透镜和自聚焦透镜靠球面的折射来弯曲曲线靠折射率的梯度变化来弯曲曲线第十七张，PPT共六十四页，创作于2022年6月7.2.3 单模光纤和多模光纤 由现象到本质 送入光纤的光信号是一个完整的圆形光斑的激光束，光纤输出端面上观察到的光信号却可能是分裂开的几个小光斑。为什么会出现光斑分裂现象？（导波光

6、学、模式） 光波是光频电磁波，光纤是介质波导，上述现象可用电磁波导理论解释。 光纤波导中的麦克斯韦方程有许多独立的特解，每一特解代表能独立存在于波导中的一种模式或波型。光波导中总的电磁场分布可由这些可能存在的模式线性叠加来表示。第十八张，PPT共六十四页，创作于2022年6月光纤波导中的光波模式 横模和纵模 横电模（TE）和横磁模(TH) EH模和HE模单模光纤：只允许一种模式在光纤中传输；多模光纤：允许多个模式在光纤中传输。单模光纤和多模光纤的区分 归一化频率参量 阶跃光纤第十九张，PPT共六十四页，创作于2022年6月每根曲线对应于麦氏方程组的一个特解；解得允许值在kn1和kn2之间（纤芯

7、和包层中的波数）；随V增大，不同模式的速度/由高（小）到低（大）变化；随V增大，允许存在的模式数目增多。基模单模光纤条件：V2.405第二十张，PPT共六十四页，创作于2022年6月当V值很大时，允许存在的模式总数： 折射率：光纤纤芯与包层的折射率差越大，光纤中允许存在的模式数目越多； 引申：光纤端面的接收角越大，光纤中被激励的模式数目越多；高阶模式对应大的入射角。 波长：短波长光激励的模式多，存在截止工作波长； 光纤半径：半径越大允许存在的模式越多。第二十一张，PPT共六十四页，创作于2022年6月7.2.4 光纤中的模式耦合 光纤中的三类模式 传导模：场能量集中在光纤纤芯中沿光纤传播，在包

8、层中迅速衰减； 泄漏模：场能量一部分泄漏到包层中，包层中的场是恒定值； 辐射模：能量从光纤包层向外辐射（不满足全反射条件） 存在条件第二十二张，PPT共六十四页，创作于2022年6月模式耦合：不同模式间能量交换理想光纤 V确定后，光纤中存在一定数目的传导模式，这些导模都是麦氏方程组的特解，彼此独立传播，相互之间没有能量交换，即没有模式耦合。实际光纤 存在缺陷（纤芯折射率不均、纤芯包层界面畸变等）破坏独立传播，导致各模式间能量交换，使模式幅度发生起伏变化。第二十三张，PPT共六十四页，创作于2022年6月7.2.5 光纤的传输损耗 产生衰减的因素材料吸收（杂质离子）和散射（气泡等缺陷）光纤弯曲时

9、造成损耗： 改变传播路径，能量外泄光波导散射： 粗细不均、截面变形，能量辐射出去光在光纤中传输时会衰减，产生损耗。I(Z)=I0e -Z第二十四张，PPT共六十四页，创作于2022年6月包层损失损耗最低第二十五张，PPT共六十四页，创作于2022年6月引起的结果：限制光纤传输光信号的光频带宽，从而限制光纤的传输信息容量；种类：模式色散（各模式传输速度不同） 材料色散（不同波长的光传播速度不同） 波导色散（不同波长的光波使光纤V参数发 生变化，相速变化）光纤的色散：脉冲展宽现象第二十六张，PPT共六十四页，创作于2022年6月7.3 单模光纤的偏振与双折射 引言相位干涉调制型光纤传感器：信号臂和

10、参考臂中的光波必须同偏振；偏振调制型光纤传感器：为了使光的偏振态随待检测信号线性变化，要求光波的原始偏振态保持不变。因此，为减小光纤本身相位和偏振态的有害扰动，需采用单模光纤。第二十七张，PPT共六十四页，创作于2022年6月1 实际单模光纤的偏振特性 理想情况（圆截面、笔直、无缺陷）：两个偏振分量传播常数相等，相位差保持不变，始终合成为原来的偏振状态。第二十八张，PPT共六十四页，创作于2022年6月实际光纤（这里研究呈椭圆形界面的均匀笔直光纤）：两个模传播常数不同，传播过程中不再保持同相，合成偏振态变化。第二十九张，PPT共六十四页，创作于2022年6月产生双折射偏振演变周期性重复偏振方向

11、上辐射最小垂直于偏振方向泄漏最多第三十张，PPT共六十四页，创作于2022年6月2 单模光纤的双折射 光的偏振效应与光的双折射同是介质光学各向异性的两种表现形式。单模光纤双折射：两个本来简并的模式的传播常数出现差异。产生双折射的原因：截面椭圆、光纤弯曲或扭曲、光纤电致或磁致效应第三十一张，PPT共六十四页，创作于2022年6月3 偏振型单模光纤 低双折射单模光纤：理想圆对称光纤、自旋光纤。高双折射单模光纤（偏振保持光纤，保偏光纤）绝对单模光纤：使一个模式截止或提高两模式的消光比第三十二张，PPT共六十四页，创作于2022年6月7.4 光纤的光波调制技术 引言敏感头或传感臂的作用：通过与待测对象

12、相互作用，将待测信息传递到光纤内的导光波中，或将信息加载于光波之上。上述过程成为光波调制。强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制、光谱（颜色）调制第三十三张，PPT共六十四页，创作于2022年6月7.4.1 光强度调制 1 透射机制光强度调制器组成：固定光纤+移动光纤，隔开一小段距离。第三十四张，PPT共六十四页，创作于2022年6月原理：光纤移动导致透射到接收光纤中的光强发生规律变化。作用：测量能造成光纤移动的物理量。第三十五张，PPT共六十四页，创作于2022年6月受抑全反射透射光强调制X较大：光纤内部光全反射X较小（光波长量级）：全反射受到抑制，大部分光功率耦合到另一光纤中去第三十六张，

13、PPT共六十四页，创作于2022年6月2 反射机制光强度调制器组成：发送光纤+接收光纤+反射体。作用：探测反射体位置的变化。第三十七张，PPT共六十四页，创作于2022年6月3 周期微弯机制原理：将纤芯中的传输导模耦合入辐射模，光纤中的透射光强和逸出光纤的辐射光强发生变化。作用：探测位移。有效光强调制第三十八张，PPT共六十四页，创作于2022年6月4 光纤功能机制特点：无需借助外界变化；原理：利用光纤纤芯材料的化学性质变化实现光强调制；主要机制：吸收、散射、荧光、折射率变化和偏振。例如吸收机制，在光纤中掺入产生吸收光谱的材料，一些吸收峰对温度敏感，另一些吸收峰对温度不敏感，两种波长处的光强之

14、比可作为温度的传感函数。第三十九张，PPT共六十四页，创作于2022年6月7.4.2 光相位调制及干涉测量法 特点：灵敏度高相位调制机制 物理因素：应力应变效应和由温度变化引起的热胀冷缩效应。第四十张，PPT共六十四页，创作于2022年6月1 应力应变效应 施加于光纤纵向（轴向）的应力产生三方面的相位调制效应：光纤长度变化产生纵向应变，直接导致光波相位变化；光纤直径变化产生横向泊松应变，进而导致波数变化，最终导致相位变化；光纤纵、横向应变产生二次效应光弹效应，导致折射率变化，从而导致相位变化。2 热胀冷缩机制 第四十一张，PPT共六十四页，创作于2022年6月干涉测量原理光波干涉条纹记录了相位

15、，相位变化时干涉条纹会运动，记录干涉条纹的移动数目，就测得了相位变化量，也就测得了导致相位变化物理量。干涉仪由两臂组成：参考臂：提供相位基准；传感臂：敏感待测物理量（声、力、电磁、温度等）的变化，进行光相位调制第四十二张，PPT共六十四页，创作于2022年6月几种干涉仪及其光纤结构第四十三张，PPT共六十四页，创作于2022年6月7.4.3 偏振调制 调制机制：电光效应、磁光效应、光弹效应作用：用于快速电场、电压的传感测量普克尔效应线性电光效应克尔效应平方电光效应法拉第效应磁致旋光效应光弹效应：光纤在正交方向上受到压力差作用 第四十四张，PPT共六十四页，创作于2022年6月7.4.4 频率调

16、制 调制机制：光学多普勒效应：光源和探测器都不动，但探测器探测从运动体散射或反射来的光波频率同样也是变化的。光频率的变化量称为多普勒频移。作用：感知流体速度第四十五张，PPT共六十四页，创作于2022年6月原理：测得多普勒频移，即可求得流体速度;典型应用：医学上对血液流动的测量。第四十六张，PPT共六十四页，创作于2022年6月7.4.5 颜色（光谱）调制 颜色调制：传感头的光谱特性随外界物理量变化的效应。调制机制：热色效应：某些物质的光吸收谱强烈地随温度而变化，温度传感元件；黑体辐射效应：光纤中热点本身的黑体热辐射随温度变化而变化，在高温传感中广泛应用；荧光效应：荧光特性与温度相关，测量荧光

17、特性的变化可检测温度；透明度效应：某些化学指示剂的透明度在红光区对溶液的pH值敏感。第四十七张，PPT共六十四页，创作于2022年6月7.5 光纤传感器 7.5.1 光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器（传光型）第四十八张，PPT共六十四页，创作于2022年6月热色效应光纤温度传感器（传光型） 热色效应：许多无机溶液的颜色随温度而变化，因而溶液的光吸收谱线也随温度而变化。敏感信号655nm光透过率几乎与温度成线性关系参考信号800nm几乎与温度无关第四十九张，PPT共六十四页，创作于2022年6月第五十张，PPT共六十四页，创作于2022年6月光纤温度开关传感器（功能型）原理：若光纤纤芯

18、和包层材料折射率随温度变化，且在某一温度下出现交叉，光能进入包层。温度再升高，纤芯中光能量传输中断，传感器报警。优点：传感器电绝缘，不怕强电磁干扰，可用于大型发电机、电动机及变压器中进行温度控制。第五十一张，PPT共六十四页，创作于2022年6月掺杂光纤温度传感器（功能型）原理：掺杂稀土元素的玻璃光纤，产生温度敏感的吸收光谱。840860第五十二张，PPT共六十四页，创作于2022年6月 7.5.2 光纤压力传感器微弯式光纤压力传感器（功能型）剥模器作用：吸收进入光纤包层的光，以免干扰测量结果。例如在几厘米长的光纤外面涂上黑炭。第五十三张，PPT共六十四页，创作于2022年6月 7.5.3 光纤流量流速传感器压差流量传感器利用光纤压力传感器实现流量测量。原理：减小流体流过的横截面积将对流体产生流阻，当流体通过时，产生压力差；压力差的变化正比于流量大小。第五十四张，PPT共六十四页，创作于2022年6月光纤激光多普勒测速计典型应用：光纤血流计红血球作为运动体散射回光纤，产生多普勒频移，通过检测频移量，可求出血流速度。第五十五张，PPT共六十四页，创作于2022年6月7.5.4 光纤位移传感器通过对位移的测量，可知物体表面粗糙度、曲率半径、倾斜度、转动、振