传感技术-第9章-光纤传感器课件

1、第9章 光纤传感器第9章 光纤传感器第9章 光纤传感器光纤传感器实例9.34.4光调制与解调技术1.2光纤传感器基础9.19.2第9章 光纤传感器光纤传感器实例9.34.4光调制与解调技术 光纤传感技术是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术。它是随着光导纤维实用化与光通信技术的发展而形成的。在实际光通信过程中发现, 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、颇率、偏振态等变化。因此，科技人员推测：如果能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。 9.1 光纤传感器基础 光纤

2、传感技术是20世纪70年代中期发展起来的一9.1 光纤传感器基础光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器（FOS）与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能力强、高灵敏度 、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。9.1 光纤传感器基础光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器一、光纤的结构 光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。光纤的结构如图所示，它由折射率n1较大(光密介

3、质)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。光纤的基本结构与波导 9.1 光纤传感器基础一、光纤的结构光纤的基本结构与波导 9.1 光纤传感器基础二、传光原理 光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。根据几何光学原理，当光线以较小的入射角1由光密介质1射向光疏介质2(即n1n2)时(见图)，则一部分入射光将以折射角2折射入介质2，其余部分仍以1反射回介质1。光在两介质界面上的折射和反射9.1 光纤传感器基础二、传光原理 光在两介质界面上的折射和反射9.1 光纤传感器 根据折射定律(斯涅尔定律)，光折射和反射之间的关系为： 当光线的入射角 增大到某一角度 时，透射入光疏

4、物质的折射光则沿界面传播，即 90，称此时的入射角 为临界角。那么，由斯涅尔定律得:临界角仅与介质的折射率的比值有关 9.1 光纤传感器基础 根据折射定律(斯涅尔定律)，光折射和反射之间的关系为当入射角 时，光线不会透过其界面，而全部反射到光密物质内部，也就是说光被全反射。根据这个原理，只要使光线射入光纤端面的光与光轴的夹角 小于一定值，则入射到光纤纤芯和包层界面的 角就满足小于临界角 的条件，光线就射不出光纤的纤芯。光线在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播，光就能从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是光纤传光的基本原理。9.1 光纤传感器基础当入射角 时，光线不会透过其界面，而全部

5、反射到光密光纤的传光原理9.1 光纤传感器基础光纤的传光原理9.1 光纤传感器基础 光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为 (9-3) 式中NA定义为“数值孔径”。它是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有2 张角内的光，才能被光纤接收、传播(全反射)；NA愈大，光纤的集光能力愈强。产品光纤通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的NA=0.20.4。9.1 光纤传感器基础 光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯三、光纤的种类 光纤按纤芯和包层材料性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两类；按折射率分有阶跃型和

6、梯度型二种。阶跃型光纤纤芯的折射率不随半径而变；但在纤芯与包层界面处折射率有突变。梯度型光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致。光纤的折射率断面：(a)阶跃型；(b)梯度型9.1 光纤传感器基础三、光纤的种类光纤的折射率断面：(a)阶跃型；(b)梯度型9 梯度型光纤有聚焦作用；光线传播的轨迹近似于正弦波，如图所示。光在梯度型光纤的传输9.1 光纤传感器基础 梯度型光纤有聚焦作用；光线传播的轨迹近似于正弦波，如 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二类。 光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。后者

7、纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在横切向往返一次的相位变化为2的整数倍时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为模；它是离散存在的，亦即某种光纤只能传输特定模数的光。通常纤芯直径较粗时，能传播几百个以上的模，而纤芯很细时，只能传播一个模。前者称为多模光纤，多用于非功能型(NF)光纤传感器；后者是单模光纤，多用于功能型(FF)光纤传感器。9.1 光纤传感器基础 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 单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光，常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性度；但因芯小，难以制造和耦

8、合。9.1 光纤传感器基础 单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均 多模光纤允许多个模数的光在光纤中同时传播，通常纤芯直径较大，达几十微米以上。由于每一个“模”光进入光纤的角度不同，它们在光纤中走的路径不同，因此它们到达另一端点的时间也不同，这种特征称为模分散。阶跃折射率多模光纤模分散最严重。这限制了多模光纤的带宽和传输距离。9.1 光纤传感器基础 多模光纤允许多个模数的光在光纤中同时传播，通常纤芯直 渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线形成递减，中心轴折射率最大，因此，光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类

9、似正弦波形，具有光自聚焦效果，故渐变折射率多模光纤又称为自聚焦光纤。因此渐变折射率多模光纤的模分散比阶跃型小得多。9.1 光纤传感器基础 渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心四、光纤传感器基本结构 光纤传感器是把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。 9.1 光纤传感器基础四、光纤传感器基本结构 光纤传感器是把被测量的状态转变 构成光纤传感器除光导纤维之外，还必须有光源和光探测器，另外还有一些光无源器件。 光无源器件是一种不必借助外部的任何光或电的能量，由自身能够完成某种光学功能的光学

10、元器件，光无源器件按其功能可分为光连接器件、光衰减器件、光功率分配器件、光波长分配器件、光隔离器件、光开关器件、光调制器件等。示例：遮光式光纤温度计 9.1 光纤传感器基础 构成光纤传感器除光导纤维之外，还必须有光源和光探测器发光二极管激光二极管 光源9.1 光纤传感器基础发光二极管激光二极管 光源9.1 光纤传感器基础专用的光纤连接头及光纤插座 光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。 9.1 光纤传感器基础专用的光纤连接头及光纤插座 光纤与电光转换元件耦合时，光电转换器件采用光电二极管9.1 光纤传感器基础光电转换器件采用光电二极管9.1

11、 光纤传感器基础光纤传感器与电类传感器的对比 分类内容 光纤传感器电类传感器调制参量光的振幅、相位、频率、偏振态电阻、电容、电感等敏感材料温-光敏、力-光敏、磁-光敏 温-电敏、力-电敏、磁-电敏传输信号光电传输介质光纤、光缆电线、电缆9.1 光纤传感器基础光纤传感器与电类传感器的对比 分类内容 光纤传感器电类传感器五、光纤传感器分类 光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器。前者是利用光纤本身的特性，

12、把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。表9.1列出了常用的光纤传感器分类及简要工作原理。9.1 光纤传感器基础五、光纤传感器分类 9.1 光纤传感器基础传感原理功能型光纤传感器：利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件。非功能型光纤传感器：利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远外或难以接近场所的光信号，被测对象光纤温度传感器光纤位移传感器光纤浓度传感器光纤电流传感器光纤流速传感器等9.1 光纤传感器基础传感原理功能型光纤传感器：利用光

13、纤本身的特性把光纤作为敏感元被调制的光波参数强度调制光纤传感器相位调制光纤传感器频率调制光纤传感器偏振调制光纤传感器波长调制(颜色)光纤传感器在光纤中传输的光波：E=E0cos(t+)上式包含五个参数，即强度E02、频率、波长0=2c/、相位(t+)和偏振态9.1 光纤传感器基础被调制的光波参数强度调制光纤传感器相位调制光纤传感器频率调制表9.1光纤传感器分类 9.1 光纤传感器基础表9.1光纤传感器分类 9.1 光纤传感器基础9.1 光纤传感器基础9.1 光纤传感器基础9.1 光纤传感器基础9.1 光纤传感器基础六、光纤传感器的发展趋势 光纤传感器具有很多的优点，是对以电为基础的传统传感器的

14、革命性变革，发展前景是极其光明的。但是，目前光纤传感器的成本较高,在这方面仍面临着传统传感器的挑战，存在着与传统传感器和其它新型传感器的竞争问题。光纤传感器的可能发展趋势： 当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象。 集成化光纤传感器。 多功能全光纤控制系统。 充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系统。 开辟新领域。9.1 光纤传感器基础六、光纤传感器的发展趋势9.1 光纤传感器基础9.2 光调制与解调技术光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频率和波长等方式。光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。在光纤传感器中，光的解

15、调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行检测。9.2 光调制与解调技术光的调制和解调可分为：强度、相位、偏9.2 光调制与解调技术一、强度调制与解调 强度调制光纤传感器的基本原理是待测物理量引起光纤中的传输光光强变化。通过检测光强的变化实现对待测量的测量。PiPiP0P09.2 光调制与解调技术一、强度调制与解调 PiPiP0P0 强度调制方式很多，大致可分为以下几种:光模式强度调制反射式强度调制透射式强度调制折射率强度调制吸收系数强度调制 一般透射式、反射式强度调制称为外调制式。9.2 光调制与解调技术 强度调制方式很多，大致可分为以下几种:9.29.2 光调制

16、与解调技术1.光模式强度调制-微弯效应 利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹在两块具周期性波纹的微弯板组成的变形器中构成调制器。从波导理论的观点来看，当光纤发生弯曲时，传输光会有一部分泄漏到包层中去，这种泄漏是光纤内发生模式耦合的结果，这些耦合模变为辐射模，造成传播光能量的损耗。 若采取适当的方式探测光强的变化，则可知道位移变化量，据此可以制作出温度、压力、振动、位移、应变等光纤传感器。9.2 光调制与解调技术1.光模式强度调制-微弯效应 9.2 光调制与解调技术 外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤本身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常用的调制器是反射

17、器和遮光屏。2.光强度的外调制反射式反射器9.2 光调制与解调技术 外调制技术的调制环节通常在光示例：膜片反射式光纤压力传感器 在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。 光源接收Y形光纤束壳体P弹性膜片9.2 光调制与解调技术示例：膜片反射式光纤压力传感器 在Y形光纤束前端放置一 发送光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光板上，或直接移动接收光纤，使接收光纤只能收到发射光纤发出的部分光，从而实现光强调制。3.光强度的外调制透射式9.2 光调制与解调技术 发送光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在移动9.2 光调制与解调技术

18、9.2 光调制与解调技术9.2 光调制与解调技术利用折射不同进行光强度调制的原理包括：利用被测物理量引起传感材料折射率的变化；利用渐逝场耦合；利用折射率不同的介质之间的折射与反射。4.折射率光强度调制9.2 光调制与解调技术利用折射不同进行光强度调制的原理包括 一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同。在温度恒定时，包层折射率n2与纤芯折射率n1之间的差值是恒定的。当温度变化时， n2、 n1之间的差发生变化，从而改变传输损耗。因此，以某一温度时接收到的光强为基准,根据传输功率的变化可确定温度的变化。(1)光纤折射率变化型9.2 光调制与解调技术 一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同。在温

19、 通常，渐逝波在光疏媒质中深入距离有几个波长时，能量就可以忽略不计了。如果采用一种办法使渐逝场能以较大的振幅穿过光疏媒质，并伸展到附近的折射率高的光密媒质材料中，能量就能穿过间隙，这一过程称为受抑全反射。(2)渐逝波耦合型（P207）9.2 光调制与解调技术 d，L或n2稍有变化，光探测器收到的光强就有明显变化。 通常，渐逝波在光疏媒质中深入距离有几个波长时(3)反射系数型 由反射系数的菲涅尔公式知道，当光波以大于临界面(c=sin-1n)的角入射到n1、n3介质的界面上时，若n3介质由于压力或温度的变化引起n3的微小改变，相应会引起反射系数的变化，从而导致反射光强的改变，利用这一原理可以设计

20、出压力或温度传感器。9.2 光调制与解调技术(3)反射系数型 由反射系数的菲涅尔公式知道，5.吸收系数强度调制 X射线、射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而构成强度调制辐射量传感器。9.2 光调制与解调技术5.吸收系数强度调制 X射线、射线等辐射线会9.2 光调制与解调技术若采用硅PIN二极管光电探测器，则可略去暗电流噪声效应；进一步假设调制频率远离1f 噪声效应区域，则可略去探测器噪声，上式可简化为： 强度调制型光纤传感器的关键是信号功率与噪声功率之比要足够大，其功率信噪比RSN可用下列公式计算： 6.强度调制的解调9.2 光调制与解调技术若采用硅PIN二极管光

21、电探测器，则可利用上式计算的信噪比，对大部分信号处理和传感器应用已绰绰有余。但是，光源与光纤、光纤和转换器之间的机械部分引起的光耦合随外界影响的变化；调制器本身随温度和时间老化出现的漂移；光源老化引起的强度变化以及探测器的响应随温度的变化等，比信号噪声和热噪声对测量精度的影响要大得多。应在传感器结构设计中和制造工艺中设法减小这些影响。 9.2 光调制与解调技术利用上式计算的信噪比，对大部分信号处理和传感器应用已绰绰有余HsE9.2 光调制与解调技术偏振调制就是利用光偏振态的变化来传递被测对象的信息。光波是横波。光振动的电场矢量E和磁场矢量H和光线传播方向s正交。按照光的振动矢量E、H在垂直于光

22、线平面内矢端轨迹的不同，又可分为线偏振光（又称平面偏振光）、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光。利用光波的这种偏振性质可以制成光纤的偏振调制传感器。 二、偏振调制与解调HsE9.2 光调制与解调技术偏振调制就是利用光偏振态的变化9.2 光调制与解调技术 如图所示，当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高电压，晶体将呈现双折射现象普克耳效应。在晶体中，两正交的偏振光的相位变化：1.普克耳（Pockels）效应U：加在晶体上的横向电压9.2 光调制与解调技术 如图所示，当压电晶体受光照射 光的双折射是指一束光射向石英、方解石等各向异性晶体介质时，分解为两束折射光的现象。9.2 光调制与解调技术 光的

23、双折射是指一束光射向石英、方解石等各向异性晶9.9.2 光调制与解调技术 平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面发生偏转，这种现象称为法拉第磁光效应，光矢量旋转角：2.法拉第磁光效应光纤式中，V是物质的费尔德常数，l是物质中的光程，H是磁场强度。 9.2 光调制与解调技术 平面偏振光通过带磁性的物体时9.2 光调制与解调技术 在垂直于光波传播方向施加应力，材料将产生双折射现象，其强弱正比于应力。这种现象称为光弹效应。偏振光的相位变化：3.光弹效应9.2 光调制与解调技术 在垂直于光波传播方向施加应力9.2 光调制与解调技术三、相位调制与解调 相位调制光纤传感器的基本传感原理:通过被测能量场的

24、作用，使敏感单模光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。 光纤中光的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定。一般说，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。9.2 光调制与解调技术三、相位调制与解调 相位调制9.2 光调制与解调技术 光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，将产生三个主要的物理效应，导致光纤中光相位的变化： 光纤的长度变化应变效应 光纤芯的直径变化泊松效应 光纤芯的折射率变化光弹效应 1.应力应变效应9.2 光调制与解调技术 光纤受到纵向（轴向）的机

25、械应9.2 光调制与解调技术 实现纵向、径向应变最简便的方法是采用一个空心的压电陶瓷圆柱筒(PZT)，在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号，由于PZT筒的直径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光纤承受到应力，光波相位随之变化。9.2 光调制与解调技术 实现纵向、径向应变最简便的方 在所有干涉型光纤传感器中，光纤中传播光的相位响应都是与待测场中光纤的长度L成正比。这个待测场可以是变化的温度T。 由于干涉型光纤传感器中的信号臂光纤可以足够长，因此信号光纤对温度变化有很高的灵敏度。 9.2 光调制与解调技术2.热胀冷缩效应 在所有干涉型光纤传感器中，光纤中传播光

26、的相位响应都9.2 光调制与解调技术3.相位解调原理 两束相干光（信号光束和参考光束）同时照射在一光电探测器上，光电流的幅值将与两光束的相位差成函数关系。9.2 光调制与解调技术3.相位解调原理 9.2 光调制与解调技术 上式表明,探测器输出电流的变化取决于两光束的初始相位和相位变化。可见，通过干涉现象能将两光束之间的相位差转化为电流变化。如果 ，即干涉光束初相位正交，相差 , 那可较容易地把这种相位变化提取出来，这种探测方式称为零差检测。9.2 光调制与解调技术 上式表明,探测器输出电9.2 光调制与解调技术由激光器输出的单色光由分束器（把光束分成两个独立光束的光学元件）分成为光强相等的两束

27、光。光束1射向固定反射镜然后反射回分束器，再被分束器分解：透射部分那束光由光探测器接收，反射的那部分光又返回到激光器。干涉测量仪与光纤干涉传感器原理 1）迈克尔逊干涉仪9.2 光调制与解调技术由激光器输出的单色光由分束器（把光束9.2 光调制与解调技术 由激光器输出，经分束器透射的另一束光2入射到可移动反射镜上，也反射回分束器上，经分束器反射的一部分光传至光探测器上，而另一部分光则经由分束器透射，也返回到激光器。当两反射镜到分束器间的光程差小于激光的相干长度时，射到光探测器上的两相干光束即产生干涉。两相干光的相位差为： 式中 K0光在空气中的传播常数 2l 两相干光的光程差9.2 光调制与解调

28、技术 由激光器输出，经分束器9.2 光调制与解调技术与迈克尔逊干涉仪不同的是，它没有或很少有光返回到激光器。返回到激光器的光会造成激光器的不稳定噪声，对干涉测量不利。2）马赫泽德尔（Mach-Zehnder）干涉仪9.2 光调制与解调技术与迈克尔逊干涉仪不同的是，它没有或很9.2 光调制与解调技术利用塞格纳克效应构成的。激光经分束器分为反射和透射两部分。这两束光均由反射镜反射形成传播方向相反的闭合光路，并在分束器上会合，送入光探测器，同时也有一部分返回到激光器。在这种干涉仪中，两光束的光程长度相等。根据双束光干涉原理，在光电探测器上探测不到干涉光强的变化。 3）塞格纳克（Sagnac）干涉仪9

29、.2 光调制与解调技术利用塞格纳克效应构成的。激光经分束器 但当把这种干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上时，两束传播方向相反的光束到达光电探测器就有不同的延迟。若平台以角速度顺时针旋转，则在顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光延迟大。这个相位延迟量可表示为：式中为旋转率；A为光路围成的面积；c为真空中光速；0为真空中的光波长。通过检测干涉光强的变化，就能知道旋转速度。9.2 光调制与解调技术 但当把这种干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转9.2 光调制与解调技术 由部分反射、部分透射、平行放置的两块反射镜组成。两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率常达95以上。激光入射到干涉

30、仪，在两个相对反射面作多次反射，透射出来的平行光束由光电探测器接收。 4）法布里帕罗（Fabry-Perot）干涉仪9.2 光调制与解调技术 由部分反射、部分透射、平行放9.2 光调制与解调技术 与前几种双光束干涉仪不同，这种干涉仪是多光束干涉。根据多光束干涉原理，探测器探测到干涉光强度的变化为式中 R反射镜的反射率； 相邻光束间的相位差。9.2 光调制与解调技术 与前几种双光束干涉仪不同，9.2 光调制与解调技术四种类型光纤干涉仪结构9.2 光调制与解调技术四种类型光纤干涉仪结构9.2 光调制与解调技术四、频率调制与解调 主要是利用运动物体反射或散射光的多普勒频移效应来检测其运动速度。 多普

31、勒效应是指当光源和观察者作相对运动时，观察者按收到的光频率和光源发射的频率不同的现象。 频率调制时光纤往往只起传输光信号的作用，而不作为敏感元件。9.2 光调制与解调技术四、频率调制与解调 主要是利用9.2 光调制与解调技术 S为光源，P为运动物体，Q是观察者所处的位置。若物体 P的运动速度为v，方向与PS及PQ的夹角分别为1和2，则从S发出的频率为f1的光经过运动物体P散射，观察者在Q处观察到的频率为f2。9.2 光调制与解调技术 S为光源，P为运动物体，Q是 激光通过偏振分束器和输入光学装置射入多模光纤，光纤的另一端插入流体中以便测量流体或其中粒子运动速度。光在流体中散射，其中一部分散射光被光纤收集，与光纤端面的反射光（参考光）一起沿光纤返回。散射光是随机偏振光，因此返回光有一部分被偏振分束器反射到光探测器。通过频谱分析处理，求出两种光频率的变化，即可推知速度。9.2 光调