第8章光纤传感器2

第8章

光纤传感器2《传感器原理》北京化工大学信息科学与技术学院测控系第8章光纤传感器2

光钎光纤传感器的应用一、马赫-琴特相位干涉型温度传感器二、光偏振态调制型光纤电流传感器三、光频率调制型光纤传感器四、荧光-光纤传感器五、光纤传感液位监控仪原理六、光弹性式光纤压力传感器传感器原理一、马赫-泽特相位干涉型温度传感器马赫-泽特相位干涉型温度传感器所用的光纤单模光纤，芯径小，包层的折射率小。当光沿着单模光纤传播时，表征光特性的某些参数，如：振幅、相位、偏振等，会因外界温度、压力、加速度、振动和电磁场等改变而变化。用两根同样材质，且长度基本相同的单模光纤，入端射入同一光源，出射端两束光平行交汇，它们出射光就会产生干涉条纹-光的干涉现象。一根光纤为测量用光纤，直接感受被测温度的变化，另一根光纤为参考用光纤，使它置于恒定的温度场内；当被测温度变化时，测量光纤出射光的相位将发生变化，从而导致光干涉条纹的移动（相位变化2π，干涉条纹移动一条）,通过计算干涉条纹移动的数目，得出被测温度的变化。马赫-泽特相位干涉温度传感器是根据此原理工作的。一束经参考臂用布拉格调制器产生频移或用光纤延伸器和集成光学相移器来调制相位；图为马赫-泽特相位干涉型温度传感器原理图光源采用（He-Ne）氦氖激光器波长：λ=0.6328μm的单色光另一束经暴露于被测场合中的测量光纤来传输；测量光纤感受被测量（环境温度）；两束光在分光镜2处重新汇合，为光电器件接收。分光镜1把激光束一分为二，光电器件用以检测干涉条纹的移动。分光镜1光源马赫-泽特相位干涉型温度传感器原理图调制器光接收器光电器件PIN透镜4透镜6透镜5分光镜2透镜1透镜3透镜2测量光纤参考光纤当测量光纤周围的温度发生变化时，测量光纤中的光会产生一定的相移Δφ，相移的大小与测量光纤的长度L光纤的折射率n光纤的横截面积S的变化有关（这些量均是温度的函数），式中：ΔL=(L/T)ΔTΔn=(n/n)ΔTeeee对于玻璃光纤ΔL=5×10-7/℃，Δn=10-5/℃，可见在此Δn起主要作用。在测量其它参数时，可能ΔL较大，如果是这样可增加光纤的长度。光电器件PIN分光镜1光源马赫-泽特相位干涉型温度传感器原理图调制器光接收器透镜4透镜6透镜5分光镜2透镜1透镜3透镜2测量光纤参考光纤由于光纤直径受温度变化影响很小，可忽略，相移可表示为：在实际应用中，测量光纤通过一个浸入热水中的铜管，当水温改变时，从铜套中心通过的光纤的长度、折射率发生改变，两者的共同作用，从监视器中可观测到干涉条纹的移动。测量光纤和参考光纤中光的位相差有如下关系：式中：L为接受温度场作用的光纤的长度n为光纤的折射率λ为光波长单位温度变化ΔT引起单位长度光纤中的相位变化如果感温的光纤长度为L，温度变化ΔT，干涉条纹移动了N条，则温度分辨率为：灵敏度为：对石英光纤来说温度灵敏度的理论值约17条/℃.mN/ΔTN/LΔT偏振光（Polarizedlight）-光的偏振性偏振是指波的振动方向相对于波的传播方向的一种空间取向作用。光波的电磁振动相对于转播方向具有不对称性的光称为偏振光。光波是电磁波麦克斯韦从理论上证明了光波的电矢量E和磁矢量H都垂直于光波的传播方向，即光是横波。光在与传播方向垂直的二维空间里电矢量E有各种各样的振动状态，这些状态称为光的偏振状态。常见的偏振状态有5种：自然光平面偏振光部分偏振光圆偏振光椭圆偏振光偏振面：偏振光的振动方向与传播方向组成的面二、光偏振态调制型光纤电流传感器光波是原子或分子内部能量状态发生改变时辐射出来的电磁波。原子自发辐射具有独立性、间歇性和随机性，原子发光的特点：发光的持续时间一般为10-8秒左右，只有在该时间内发出的光波是电矢量E和磁矢量H具有确定振动方向的平面偏振光发光是间歇式的，在停止发光后，经历一段时间间隔，它又能重新发光，但每次发出的平面偏振光的电矢量E

和磁矢量H

具有不同的振动方向。光源是由大量发光的原子和分子组成的，它们在同一时间发出的光波各自具有不同的初位相和不同的振动方向，它们的振动方向可分布在一切可能的方位。yz光的传播方向与光传播方向垂直的平面x由于自然光中各个方向的振动对称分布，它们沿任何方向的分量产生的透射强度相同，等于入射光强度的一半。分量表示自然光（naturallight）定义：光的电矢量E在与光线垂直的平面内，电矢量振动各个方向机会均等，振幅相等。电振动对传播方向具有对称性的光波。从光源发出的光是具有与传播方向相互垂直的一切可能的振动，这些振动方向同时存在，而且在迅速地、无规则地改变着，它们的总和，从统计学角度看，以光的传播方向为对称轴，这种光称为自然光。平面偏振光（线偏振光）（Planepolarizedlight）定义：光在传播过程中，若其电矢量E的振动始终保持在一个确定的平面内，这样的光称为平面偏振光。由于平面偏振光的电矢量E在与传播方向垂直的平面上的投影为一直线，故又称为直线偏振光。平面偏振光的获得方法：自然光通过起偏器用检偏器检验平面偏振光时，检偏器透光方向每旋转90°，透射光的强度出现一次极大和一次极小（产生消光）。这表明，当检偏器的透振方向与平面偏振光的振动方向平行时，透射光的强度是极大值；当检偏器的透振方向与平面偏振光的振动方向垂直时，透射光的强度为零。yxz马吕实验马吕实验证实光波是横波的重要实验之一。马吕在1808年应用如图的实验装置发现，使一束自然光以57°左右的入射角射在普通玻璃板G1上，反射光线以同样的入射角射在玻璃G2上，当玻璃板G2绕此反射光线旋转时，从G2产生的反射光线的强度会发生变化。马吕实验揭示：G1产生的反射光是平面偏振光，它的振动方向与入射面相互垂直，即玻璃板G1对振动方向与入射方向相互垂直的光有强烈的反射，对振动方向与入射面相平行的光不反射。G1G2在G1和G2的入射面相互平行时，从G2产生的反射光最强。在G1和G2的入射面相互垂直时，从G2产生的反射光的强度几乎为零。光偏振态调制型光纤电流传感器工作原理典型应用的例是根据磁旋效应做成的用于测量高压传输线路中电流的光纤电流传感器。计算机输出IV1IV2沃拉斯特棱镜磁场激光器输电导体光纤电流传感器工作原理图偏振方向偏振方向起偏器光纤外界因素使光纤中的光发生偏振态变化，并能加以检测的光纤传感器属于光偏振态调制型。从激光器发出的光通过起偏器产生偏振光，偏振光进入单模光纤中，单模光纤绕大电流I导体N圈，在电流产生的磁场作用下，处在磁场（磁场强度为H）中的光纤会使其中传播的光发生偏振面的旋转，其旋转的角度θ与磁场沿N

圈光纤的线积分成正比，即式中:KV光纤材料的磁光常数H磁场强度N光纤的圈数l

光路长度根据安培环路定律安培环路定律：磁感应场强度矢量沿任意闭合路径一周的线积分等于真空磁导率乘以穿过闭合路径所包围面积的电流代数和（∮Hdl=μ∑I）。计算机输出IV1IV2沃拉斯特棱镜磁场激光器输电导体光纤电流传感器工作原理图偏振方向偏振方向起偏器光纤式中:KV光纤材料的磁光常数H

磁场强度N光纤的圈数l

光路长度根据安培环路定律因此可见，当N确定后，偏振面的旋转角度θ只与导体中的电流I

成正比，而与光纤绕圈的大小、形状无关、导体在光纤圈中的位置无关。计算机输出IV1IV2沃拉斯特棱镜磁场激光器输电导体光纤电流传感器工作原理图偏振方向偏振方向起偏器光纤经过光纤输出的偏振面旋转光，经沃拉斯特棱镜将光束分成振动方向互相垂直的两束偏振光，将它们分别送入两个光电接收器，接收光信号的强度分别为IV1、IV2，将IV1、IV2之差和它们的和进行标准化，得到一个与偏振面的旋转角度θ成正比的参数式中:K与光纤本身特性有关的参数根据上两式可求出流过导线的电流I，由于进行了标准化处理，测量结果不受绝对光强、激光漂移、光纤衰减的影响。计算机输出IV1IV2沃拉斯特棱镜磁场激光器输电导体光纤电流传感器工作原理图偏振方向偏振方向起偏器光纤如果采用硅光纤，则其材料的磁光常数KV=3.3×10-4（°）/（安.匝）沃拉斯特棱镜有0.1°的分辨力则传感器的分辨力为300安/匝可测电流达10kA可见这种测量方法量程大、灵敏度高，且无接触测量计算机输出IV1IV2沃拉斯特棱镜磁场激光器输电导体光纤电流传感器工作原理图偏振方向偏振方向起偏器光纤用光纤测量电流（东京电力展示试制测量仪）东京电力与横川电机联合开发成功了使用光纤的电流测量仪（光纤电流传感器），并在“TECHNO-FRONTIER2005”（2005年日本电子工业博览会，2005年4月20～22日，东京幕张Messe国际会展中心）上展出了试制品。所谓的法拉第效应就是通过磁场中的透明物质的光的偏振面发生旋转的现象（偏振旋转）。旋转角与磁场强度成正比、磁场强度与电流成正比。因此，测出通过磁场的光的偏振面的旋转角，就可以计算出电流强度。比如，测量线圈的电流时，只需在线圈内部穿过一条光纤即可。

利用的是强磁场可使光的偏振面发生旋转的法拉第效应。其优点：体积小、便于在现有设备中安装、抗电磁噪音能力强以及可实现长距离信号传输等等。

磁光效应光和处在外磁场中的媒质发生相互作用所产生的光学现象。通常所说的磁光效应有：法拉第效应塞曼效应佛克脱效应克顿-穆顿效应克尔磁光效应法拉第旋转器（Faradayrotator）又称磁光旋转器基于法拉第效应使线偏振（平面偏振）光振动面旋转的一种光学仪器。结构通常用含铅量很大的燧石玻璃作法拉第介质，外面绕以能产生轴向磁场的电流线圈。光磁光旋转器结构原理图θ初始偏振通过旋转器后偏振线圈燧石玻璃燧石玻璃磁场法拉第旋转器（Faradayrotator）沿场强方向传播的线偏振光的振动面转过的角度θ与光路长度l及磁感应强度B成正比（θ∝lB），比例系数称为费尔德常数。法拉第旋转器具有累加作用，旋转方向只取决于磁感应强度的方向，与入射光的传播方向无关，故旋转角度和通过器件的次数成正比。大多数介质使光波振动面沿磁体线圈缠绕方向旋转，称为正旋体。光磁光旋转器结构原理图θ初始偏振通过旋转器后偏振线圈燧石玻璃燧石玻璃磁场原理光纤电流传感器的实用化方面，一直存在两大课题。一是光纤承受的应力会造成偏振旋转（光弹性效应）。这样一来，测量到的偏转角中，就很难确定到底有多大程度是因为法拉第效应或者光弹性效应。再一个就是光纤本身的三维曲线形状（曲率变化）也会导致偏振旋转的发生。即光纤在某个位置的曲率的线积分值会成为旋转角。

对于第一个问题，通过将光纤材料由普通的石英玻璃改为铅玻璃得到了解决。铅玻璃的光弹性系数相当小，只有0.45×10-9cm2/kg，大约仅为石英玻璃（350×10-9cm2/kg）的1/770。这样，就将光弹性效应引起的偏振旋转降低到了实用水平。

后一个问题，通过将偏振角的测量由透过型改为反射型得到了解决。在光纤的末端装上镜子，以此来测量反射光。由于曲线形状引起的偏振旋转是曲率的线积分，所以在反射的情形下，去路的旋转部分就会被来回路所抵消。由于法拉第效应引起的偏振旋转只有在光线通过磁场方向时才产生，因此在反射型中没有变化。

从传输用的光纤射入测量用光纤中的光通过镜子反射、再次回到传输用的光纤中

光纤穿过线圈。所需空间不大。如图，穿过2根光纤时，偏振旋转也增至2倍，这样就可以测出相当于原来2倍的测量值

测量线圈的电流（320A）结果显示在红色圈内部分

三、光频率调制型光纤传感器光频率调制是基于物体的入射光频率与其反射光的多普勒效应。若频率f0

的光照射在相对速度为v

的运动物体上，则从该物体反射光频率f1

变为：根据这种原理可构成光纤多普勒测速仪、测振仪。例如用He-Ne激光器做光源1m/s速度的频移可达1.6MHz测量范围为：1-100m/s图中：S

光源N运动物体M观察者所处的位置υ

若物体N的运动速度φ1

物体N运动方向与光源S的夹角φ2

观察者M与物体N运动方向的夹角f0

光源S发出的光频率fl

观察者在M处观察到的运动物体反射光的频率c

光速根据多普勒效应，它们之问有如下关系：φ1φ2S光源N运动物体υ物体的运动速度M观察者多普勒效应示意图频率调制，利用外界作用改变光纤中光的波长或频率，通过检测光纤中光的波长或频率的变化来测量各种物理量，这两种调制方式分别称为波长调制和频率调制。波长调制技术比强度调制技术用得少，其原因是解调技术比较复杂频率调制技术目前主要利用多普勒效应来实现。光纤常采用传光型光纤。光学多普勒效应告诉我们：当光源S发射出的光，经运动的物体散射后，观察者所见到的光波频率f

l相对于原频率f0发生了变化，如图所示φ1φ2S光源N运动物体υ物体的运动速度M观察者多普勒效应示意图公式的推导M点观测到从运动物体N上发出的光波频率：证明：设在运动的物体N上观测到的光波频率为f’，则与机械波不同，光波（电磁波）存在横向多普勒效应。将上两式代入，有由于c>>υ，所以可以忽略式中的平方项，有光纤多普勒流量计原理-方法一v从激光器发出光以频率f0

，经透镜4、光纤1、分光镜3、分光镜2、透镜1，照射到被测物体；从被测物体反射光以频率f1，经透镜1、分光镜1、透镜3、光纤2，传送到探测器，最后由频谱仪接收。由频谱分析仪处理，得到发出光频率f0和反射光频率f1的频率差。该频率差与被测物体的流速度有关Δf∝（v）光纤多普勒流量计原理图光纤2探测器频谱分析仪透镜3分光镜1f1激光器分光镜2分光镜3透镜1透镜2透镜4f0光纤1根据上述的近似公式，可以设计出激光多普勒光纤流速测量系统，如下图所示。下图为光纤多普勒流量计原理图。光纤多普勒流量计原理-方法二v起偏器激光器检偏器探测器分析器平面镜透镜透镜光纤光纤多普勒流量计原理图设激光光源频率为f0，经半反射镜和聚焦透镜进入光纤射入到被测物流体，当流体以速度υ运动时，根据多普勒效应，其向后散射光的频率为f0+Δf或f0-Δf（视流向而定），向后散射光与光纤端面反射光（参考光）经聚焦透镜和半反射镜，由检偏器检出相同振动方向的光，探测器检测出端面反射光f0与向后散射光f0+Δf或f0-Δf的差拍的拍频Δf，由此可知流体的的流速。四、荧光-光纤传感器某些荧光物质在紫外光激励作用下，其原子产生能级跃迁，处于受激状态；受激状态原子不稳定，会产生自发地跃迁到能级较低的状态，当受激原子恢复到初始状态时，发出可见光（荧光）。其强度与入射光子的能量成正比。这一现象称为光致发光效应。利用这一原理可制成荧光光纤温度传感器荧光光纤液位传感器1、荧光光纤温度传感器荧光物质在紫外光激励下能发出可见光，其发射光谱与温度有关。某些波长的荧光光强对温度有明显的依存关系，某些波长的荧光光强不受温度变化的影响。通过检测特定波长荧光强度，可测出温度的变化。光纤掺有荧光物质的玻璃球光纤包层荧光光纤温度传感器结构图图为利用上述原理制成的荧光光纤温度传感器的结构图。光纤探头的端部装有荧光物质（镉Cd0.99铕Eu0.01）2O2S，紫外光由光纤导向荧光物质，受激发射的荧光（可见光）也由该光纤导出。激励光源的光谱激发光源的光谱激励光源的光谱激发光源的光谱因此，若用干涉滤光片分别检测出这两条谱线的荧光强度，取其比值（曲线c）作为输出，则可以有效地消除激励光源强度不稳定及光纤耦合、传输损耗变化等因素的影响。传感器中使用的光纤应具有较大的紫外光透过率，最好使用紫外光纤。下图为磷光物质受激发射光谱。其中波长510nm的谱线强度随着温度的升高而急剧下降（曲线b）波长630nm的谱线强度几乎不受温度变化的影响（曲线a）荧光谱线强度与温度的关系曲线波长510nm波长630nm荧光光纤温度传感器原理从光源L发出紫外光，经滤光镜F1（或多个分色镜）除去激励光中的可见光。经透镜L2聚集射入光纤，再经过光纤投射到荧光物质P（感温元件）上，荧光物质发出荧光。LP感温元件光纤光脉冲电源L1

透镜L2

透镜F1

滤光镜光源S分光镜放大处理电路L3

透镜F2

滤光镜Φ光电探测器计算机荧光光纤温度传感器原理图从光纤返回的荧光（荧光的强度与被测的温度有关），经透镜L2变成平行光，再经过分光镜S（半透明半反光镜）照射到滤光镜F2上，通过滤光镜F2分出荧光光束中特定波长的谱线该普线光的强度与被测的温度有关例如：滤出630nm、510nm的光。荧光光纤温度传感器原理该特定波长的光通过透镜L3聚集到固体光探测器φ上。由光探测器把光强转换成电信号，电信号经放大处理电路后，送入计算机进行计算处理，得到被测温度值。LP感温元件光纤光脉冲电源L1

透镜L2

透镜F1

滤光镜光源S分光镜放大处理电路L3

透镜F2

滤光镜Φ光电探测器计算机荧光光纤温度传感器原理图五、光纤传感液位监控仪原理-槽车灌装高位报警实施方案根据现场罐装平台实际情况采用“光纤传感液位监控仪”作为罐装高位报警，该产品采用红外光检测，以光纤作为光的传输载体。光纤敏感头可以在<0.1mm液位变化条件下触发信号输出，精度很高。由于检测传感部分采用无电检测技术，仪器具有本质防爆及抗电磁、气相物质干扰的特性，在易燃易爆、强腐蚀等各种恶劣环境中使用，其物理性能稳定，工作安全可靠。光纤传感液位监控仪在受到人为或意外损坏时自动断开控制电路，杜绝溢罐现象的发生，从而使生产真正达到“安全、环保”的目的。光纤传感液位监控仪原理传感器工作原理●当光纤敏感头处在气态环境中时，来自光纤A的光在光敏头内进行两次全反射（光纤的折射率大于气体的折射率），将光折射到光纤B。●当光纤敏感头处在液体环境中时，光纤A送来的光到光纤敏感头时，因其光传播媒质发生变化（光纤敏感头的折射率等于或小于液体的折射率），折射角发生了变化而射入液体中，光纤B则无法接收来自光纤A送来的光。●光纤B将接收到的不同信号输送到光接收系统进行光电转换，并将转换后的电信号输送给电路处理系统，经电路处理后，输出根据用户所需要的控制、显示和报警信号。

液体红外光发射器红外光接受器光纤A光纤B光纤敏感头红外光发射器红外光接受器光纤A光纤B气体气体液体光纤敏感头如所示。光纤敏感头与两根光纤相连，红外光持续供给光纤A，B红外光接受光纤。光纤传感液位监控仪均采用A、B双路控制（现场、控制室）A路控制系统安装在罐装点现场B路控制系统集中安装在仪表控制室内的防爆总控制柜内操作人员可选用A、B任何一路进行操作控制（手动优先）总控制柜内另配有大功率直流开关电源（DC24V/6A～8A），具有自动断路（保护）和自动快速恢复功能

当罐装到设定值时，传感器发出停止罐装信号使执行系统自动停止罐装，同时指示灯亮。如果没有执行系统时，信号指示声光报警器工作，提示操作人员关闭阀门，停止罐装。每个罐装点均安装一套液位监控系统根据实际要求和条件可选择罐装高位报警或灌装高位报警控制。

控制系统示意图

现场监控现场监控现场监控仪表总监控罐A罐B罐N光纤液位传感器光纤液位传感器光纤液位传感器光的双折射（birefringence）当自然光投射在各向异性媒质（如石英）上时，除了反射光线以外，一般还存在两条折射光线，这种现象称为双折射。实验发现有一条折射光线始终在入射面内，且满足折射定律。这条光线称为寻常光线，简称o光；另一条折射光线，除了入射面与主截面相重合的情况以外，不位于入射面内，不满足折射定律，这条光线称为非寻常光线，简称e光。o光电矢量E的振动方向垂直于o光的主平面，e光电矢量E的振动方向在e光的主平面内。六、光弹性式光纤压力传感器双折射现象一束光在各向同性介质（如玻璃）的表面所产生的折射光只有一束，这是一般的常识。然而，对于光学性质随方向而异的一些晶体（各向异性介质），一束入射光常有被分解为两束的现象，这就是双折射现象。这种现象不是因为不同频率的光在介质中的折射率不同而产生的，而是由于各向异性介质的折射率对不同入射角的光不是常数而产生的。通过各向异性介质折射的光，若对于任意的入射角，其入射角的正弦与折射角的正弦值比为一常数（即通常所说的折射率）时，这种光称为寻常光，简称为o光；若其入射角的正弦与折射角的正弦值比随入射角的不同而变化时，这种光称为非寻常光，简称为e光。双折射晶体o光和e光示意图e

光o

光双折射现象e

光o

光双折射晶体o光和e光示意图在光弹性效应和普克尔效应中所说的相位变化，实际上是指这