光电检测系统：7- 光纤传感检测

第七章光纤传感检测技术光纤传感器基础光纤的光波调制技术光纤传感器实例1光纤传感器一般可分为两大类：功能型传感器（FunctionFiberOpticSensor），又称FF型光纤传感器；利用光纤本身感受被测量变化，并改变传输光波特性—光纤既是传光元件，又是敏感元件。非功能型传感器（Non-FunctionFiberOpticSensor），又称NF型光纤传感器。利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光信号的传输介质。

光纤传感器分类7.1光纤传感器基础2功能型光纤传感器光纤本身具有敏感能力和检测功能，光纤不仅有传光作用，而且在被测对象作用下光波参量：光强、相位、偏振态等得到调制，被调制信号携带了被测信息。非功能型光纤传感器光纤只当作传光介质，被测量感知功能由其它光电转换元件实现，光纤只起传光作用，光纤是不连续的。37.2光纤的光波调制技术强度调制相位调制偏振调制频率调制波长调制41、强度调制：IDttIS信号入射光强度调制光源出射光输出ID光探测器强度调制原理IOtIit5强度调制是利用被测对象的变化引起敏感元件的某一特征参数变化，而导致光强度发生变化，实现被测量的测量。调制原理：6光波的电场矢量E和磁场矢量H与光传播方向正交。按照光振动矢量E、H在垂直于光线平面内矢量轨迹的不同，分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光。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。2、偏振调制调制原理：普克尔Pockels效应(电光效应)法拉第磁光效应光弹效应解调原理：检偏器7普克尔效应（电光效应）当压电晶体受光照射，且与光照正交的方向上加以高压电场时，晶体呈现双折射现象，这种现象被称为Pockels效应。双折射正比于所加电场的一次方，在晶体中，两正交偏振光的相位变化为：其中：n0—正常折射率；re—电光系数；U—加在晶体片上的横向电压；λ—光波长；L—光传播方向晶体长度；d—电场方向晶体厚度。Pockels效应及应用8法拉第效应（磁光效应）某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振动面会发生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量E旋转角θ与光在物质中通过的距离L和磁场强度H成正比，即式中V为物质的韦尔德常数。利用法拉第效应可以测量磁场，电流。9光弹效应在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力的材料将会产生双折射现象，其折射率的变化与应力材关，这被称为光弹效应。由光弹效应产生的偏振光的相位变化为：式中：K—物质光弹性常数；P—施加在物体上的压强；L—光波通过材料的长度。此时出射光强为：光弹效应示意图10相位调制是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。3、相位调制应力应变效应：光纤长度变化光弹效应:光纤芯折射率变化磁致伸缩效应：光纤长度变化声光效应：光频率变化光热效应：光纤长度变化萨格纳克(Sagnac)效应检测原理相位解调原理：光零差检测原理频率解调原理：光外差检测原理11典型干涉测量仪与光纤干涉传感器：马赫-泽德尔(Mach-Zender)干涉仪法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉仪迈克尔逊(Michelson)干涉仪萨格纳克(Sagnac)干涉仪常用干涉仪常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤干涉仪实现干涉测量的光纤传感器。121.迈克尔逊干涉仪干涉原理：当激光束分得的两光束的光程差小于激光的相干长度时，射到光检测器上的两相干光束即产生干涉，且相位差为：传感器13传感器2.马赫－泽德尔干涉仪由移动平面镜的位移获得两相干光束的相位差，在光检测器是产生干涉。优点：没有激光返回激光器，噪声小，稳定性好。对干涉影响小。143.萨格纳克干涉仪激光器输出的两束光沿着一条由一个分束器和三个平面镜构成的闭合光路反方向传输,它们重新合路后再入射到光检测器,同时一部分光又返回到激光器。当平台沿垂直于光束平面旋转时，两方向相反的光束到达检测器的延迟不同，从而产生相位变化。若平台以角速度Ω顺时针旋转时，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：通过检测干涉条纹的变化，就知道旋转速度，它是目前许多惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光纤陀螺的设计基础。15164.法布里-珀罗干涉仪传感器它由两块平行的部分透射平面镜组成的。这两块平面镜的反射率(反射系数)通常是大于95%。假定反射率为95%,那么在任何情况下,激光器输出光的95%将朝着激光器反射回来,余下的5%的光将透过平面镜而进入干涉仪的谐振腔内。其干涉原理是多光束干涉，其干涉光强度的变化为：175.光纤干涉仪传感器A:迈克尔逊干涉仪；b：马赫-泽德干涉仪；c:塞格纳克干涉仪；d：法布里-珀罗干涉仪敏感器敏感器敏感器敏感器部分透射反射镜18电流互感器或电流传感器-CT光纤电流互感器-OCT光纤电流传感器优点：绝缘性能好、抗电磁干扰强、测量精度高、动态范围大、体积小、易于组网。1.光纤电流传感器-光学互感器7.3光纤传感器实例19光的偏振特性通光方向腰横别扁担进不了城门光纤电流传感器的基本原理20光学电流传感器

磁光玻璃21块状玻璃型OCT传感头结构块状玻璃型OCT22根据法拉第效应和安培环路定律，有理论关系式：θ为法拉第旋转角，V为磁光材料的维尔德常数，H为光传播方向上的磁场强度，L为光路长度，I为被测电流。块状玻璃型OCT传感原理23

设起偏器、检偏器偏振轴之间的夹角为45度，根据Malus定律，通过检偏器的光功率为：由于是利用光功率进行电流的测量，因此光源的波动会对测量精度产生非常大的影响。24信号检测的光路结构利用模拟电路把直流与交流信号分开，并实现除法运算，得到25双光路结构26一种块状玻璃电流传感系统27实验用传感头光路结构磁光材料直角棱镜直角棱镜起偏器检偏器自聚焦透镜自聚焦透镜传感头28监测电流工作方式：脉冲、连续最大检测电流：30kA；测量精度：3%；响应时间：≤10us；隔离电压：≥60kA；数据输出接口：RS232C；供电方式：AC220V/50Hz；电源功耗：50W；光纤电流传感器参数29光纤电流传感器的应用30光纤电流传感器的应用31光纤光栅工作原理l1

l2

…

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…

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光纤光栅是放置在不同掩膜板下用紫外光曝光的光敏光纤，使其纤芯中形成周期折射率扰动。刻有光栅的光纤会对入射的宽带光进行选择性反射，其反射的中心波长将满足布喇格条件：2.光纤光栅传感器321.00.80.60.40.20.0R1549.51550.01550.5(nm)

Bragg光纤光栅的反射谱

33光纤光栅的传感原理：布拉格光栅的布拉格反射波长受温度和应力的影响会发生偏移:

为有效弹光系数

为热膨胀系数

为热光系数(应变量)34在温度不变的情况下，如果光纤光栅的拉伸是各向同性且均匀的，则光纤光栅的布拉格波长变化和光纤的单位伸长量的关系：K为材料的拉伸系数，G为所加应力。

在不加应力时，如果温度变化，光纤光栅的布拉格波长也会发生偏移，波长偏移量和温度的变化的关系：

布拉格波长的变化量与温度变化量或所加应力成线性关系。光纤光栅的传感原理：35布拉格光栅传感器的一阶应变灵敏度为：

布拉格光栅传感器的二阶应变灵敏度为：

由于应变引起的布拉格波长变化量为

应变灵敏度：36温度灵敏度为：

为光纤的热膨胀系数

为光纤的热光系数式中表明温度灵敏度与材料的热膨胀系数有关。如果布拉格光栅牢固地粘接在或埋置于另一种材料中，则这种材料的热膨胀系数会引起光栅周期的改变，利用这种特性可以提高布拉格光栅的温度灵敏度。

37光纤光栅传感系统的组成38光纤光栅传感系统的解调方法：

参考光栅匹配法可调谐波长激光器

M-Z干涉仪法

F-P滤波器法39参考光栅匹配法40可调谐波长激光器法BroadbandsourceBragggratingsatdifferentwavelengthsSawtoothdrivevoltagegiveslinearfrequencyscan

DriveOpticalfilterDetectorComputer41M-Z干涉仪法42F-P滤波器法BroadbandsourceBragggratingsatdifferentwavelengthsSawtoothdrivevoltagegiveslinearfrequencyscan

DriveFabryPerotDetectorComputer43FBG传感系统结构FasttuneableopticalsourceDetectorFBGBroadbandsourceFabryPerot44FBG传感系统结构

45光纤光栅传感系统的应用目前光纤光栅能监测的量：应力、应变温度压力、位移振动、加速度湿度46

应力、应变测量封装结构点焊式光纤光栅钢板应变计混凝土表面式光纤光栅应变计埋入式应变计钢筋计应变计47

温度测量封装结构表面粘贴式温度传感器浸入式温度传感器埋入式温度传感器光栅温度传感器48

压力、位移测量封装结构49

振动、加速度测量封装结构50

湿度测量封装结构513.分布式光纤传感器

分布式光纤传感器能对沿光纤轴向分布物理量的空间与时间分布进行连续测量，即可以把被测量作为光纤长度位置的函数，理论上可实现连续分布的测量。远距离定位测量。实现方法：后向散射型透射型

52主要利用激光在光纤中激发的瑞利、布里渊、拉曼散射等的后向散射光谱信号进行传感。瑞利散射—强度探测—光纤损耗-应变、应力拉曼散射—强度探测—温度布里渊散射—频率或强度—应变、应力、温度

后向散射型分布式光纤传感器53光时域探测法：OTDR、POTDR、ROTDR、BOTDR光频域探测法：OFDR、POFDR、ROFDR光时域相干探测法：COTDR、ø-OTDR后向散射型分布式光纤传感器为了实现远距离的定位测量，通常要采用光时域反射探测技术或光频域反射探测技术，为进一步提高探测灵敏度，往往还结合光相干检测技术。54SystemcanbeoperatedfromoneendOpticalPulsedTZ∆lOscilloscopeDetectorPulselaunchIt光时域反射探测技术—时间反映距离55令后向散射光时域反射探测原理

到此得到了光纤中后向散射功率方程与时间或是与距离有关的两种表达式。

56如果能够测得z1、z2处的后向散射光回传入射端的光功率，就可求得z1和z2间的平均衰减系数：

因此OTDR可以测量损耗。在测量中，距离的确定是通过时间来得到的，即测量出脉冲注入与接收到某点后向散射光所经历的时间，就能得到距离：

后向散射光时域反射探测原理57动态范围：始端的后向散射功率与噪声的峰值功率或接收灵敏度间的dB差。

空间分辨率：是指仪器能分辨的两相邻事件点间的最短距离。它和测量脉冲宽度、折射率参数有关。

光时域反射探测主要的技术指标58脉冲光源光电探测信号处理OscilloscopePulsel