光纤传感(教案)

PAGEPAGE5第一章光纤传感器1.1概论1.1.1光纤传感器技术的形成及其特点来源上世纪70年代发展起来的一门崭新的技术，是传感器技术的新成就。最早用于光通信技术中。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、频率、偏振态等变化。（2）特点灵敏度高、结构简单、体积小、耗电量少、耐腐蚀、绝缘性好、光路可弯曲，以及便于实现遥测等。1.1.1光纤传感器的组成与分类（1）组成光纤、光源、探测器（2）分类：一般分为两大类功能型传感器：利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器。只能用单模光纤构成。传光型传感器：光纤仅仅起传输光波的作用，必须在光纤端面或中间加装其它敏感元件才能构成传感器。主要由多模光纤构成。（a）功能型（b）传光型图1-1光纤类型根据对光调制的手段不同，光纤传感器分为：强度调制型、相位调制型、频率调制型、偏振调制型和波长调制型等。根据被测参量的不同，光纤传感器又可分为位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动、应变、电压、电流、磁场、化学量、生物量等各种光纤传感器。举例：功能型：测温等传光型：光纤血流计1.2光导纤维以及光在其中的传输1.2.1光导纤维及其传光原理(1)芯子：直径只有几十个微米；芯子的外面有一圈包层，其外径约为：(2)数值孔径：(3)光纤（或激光）的模：包括横模和纵模激光的横模：光束在谐振腔的两个反射镜之间来回反射将形成各种光程差的光波存在，这些光波的相互干涉可能使振动加强或减弱。但是只有那些加强的光波才有可能产生振荡。显而易见，这些光波的位相差必须是的整数倍，即—光波在谐振腔中经过一个来回时的位相差。同时又知道：L—谐振腔的长度；n—腔内介质的折射率；—激光波长。根据上面两个式子得出符合谐振条件的光波波长为或谐振频率为激光的纵模：原则上谐振腔内可以有无限多个谐振频率，每一种谐振频率代表一种振荡方式，成为一个模式。对轴向稳定的光场分布模式通常称为轴模或纵模。光纤的纵模：沿着芯子传输的光，可以分解为沿轴向与沿界面传输的两种平面波成分。因为沿截面传输的平面波是在芯子与包层的界面处全反射的，所以，每一往复传输的相位变化是整数倍时，就可以在界面内形成驻波。像这样的驻波光线组又称为“模”。“模”只能离散地存在。就是说，光导纤维内只能存在特定数目的“模”传输光波。如果用归一化频率表达这些传输模的总数，其值一般在之间。归一化频率能够传输较大值的光纤成为多模光纤；仅能传输小于2.41的光纤称为单模光纤。二者都称为普通光纤。越小，越容易实现单模。1.3光纤传感器对光源的要求1.3.1对光源的要求（1）由于光纤传感器结构有限，要求光源的体积小，便于与光纤耦合；（2）光源要有足够的亮度；（3）光波长适合，以减少传输损耗；（4）光源工作时稳定性好、噪声小，能在室温下连续长期工作； （5）便于维修，使用方便。1.3.2光源的种类光纤传感器使用的光源分为相干光源和非相干光源两大类。常用的相干光源有：半导体激光器、氦氖激光器和固体激光器等。常用的非相干光源有：白炽光源、发光二极管。1.4光纤传感器用光探测器1.4.1光纤传感器对光探测器的要求一般要求如下：线性好，按比例地将光信号转换为电信号；灵敏度高，能敏感微小的输入光信号，并输出较大的电信号；响应频带宽、响应速度快，动态特性好；性能稳定，噪声小等。1.4.2光纤传感器常用的光探测器在光纤传感器中常用的光探测器大多是光电式传感器（也称光电器件）。光电式传感器所应用的效应分为内光电效应与外光电效应。内光电效应又分为光电导效应、光生伏特效应和光磁电效应。光纤传感器常用的光探测器有：（1）光敏二极管、光电倍增管。它们的特点是响应速度较快，一般只需要几个纳秒。一般只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用。（2）光敏电阻它是利用光电导效应：即当光照射在某些半导体材料表面上时，透入内部的光子能量足够大，半导体材料中一些电子吸收了光子的能量，从原来束缚状态变成为能导电的自由状态，这时半导体的电导率增加，也就是电阻值下降。（3）光电池利用光生伏特效应，直接将光能转换为电能的光电器件，它是一个大面积的pn结。1.5光调制技术光纤传感器也利用光调制技术。按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等。所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到光在波上。而能完成这一过程的器件称为调制器。1.5.1相位调制与干涉测量相位调制常与干涉测量技术并用，构成相位调制的干涉型光纤传感器。其基本原理是通过被测物理量的作用，使某段单模光纤内传播的光波发生相位变化。实现干涉测量的常用干涉仪主要有四种：迈克耳逊干涉仪、马赫—泽德干涉仪、赛格纳克干涉仪和法布里—珀罗干涉仪。光学干涉仪的共同特点是它们的相干光在空气中传播，由于空气受环境温度变化的影响，引起空气的折射扰动及声波干扰。这种影响就会导致空气光程的变化，从而引起测量工作不稳定，以致准确度降低。利用单模光纤作干涉仪的光路，就可以排除上述影响，并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制，从而可以制造出千米量级光路长度的干涉仪。图1-23db耦合器当一真空中波长为的光入射到长度为L的光纤时，若以其入射端面为基准，则出射光的相位为式中，为光在真空中的传播常数；n为纤芯折射率。由此可见，纤芯折射率的变化和光纤长度L的变化都会导致光相位的变化，即3dB耦合器：如图所示，圆圈内的两股光纤是融合到一起的，所以输入为1，输出就为0.5，故称为3dB耦合器。1.5.2频率调制光纤传感中的相位调制（或强度调制、偏振调制）是通过改变光纤本身的内部性能来达到调制的目的，通常称为内调制。而频率（或波长调制），基本上不是以改变光纤的特性来实现调制。因此，在这种调制中光纤往往只起着传输光信号的作用，而不是作为敏感元件。光学多普勒频移原理（1）相对论多普勒频移基本公式光学中的多普勒现象是指由于观察者和目标的相对运动，使观察者接受的光波频率产生变化的现象。式中，c为真空中的光速；为物体至光源方向与物体运动方向的夹角。上述公式是相对论多普勒频移的基本公式。但是，一般最关心的还是物体所散射的光的频移，而光源与观察者是相对静止的。对于这种情况，可以作为双重多普勒来考虑。图1-3多普勒频移当物体相对于光源以速度v运动时，在P点所观察到的光频率为上面公式：在Q处观察到的光频率为由于v＜＜c，所以上式写成二、光纤多普勒技术利用光纤多普勒频移原理，利用光纤传光功能组成测量系统，可用于普通光学多普勒测量装置不能安装的一些特殊场合，如密封容器中流速的测量和生物体中液体的测量。1.6光纤位移传感器一、简单的光纤开关、定位装置最简单的位移测量时采用各种光开光装置进行的，即利用光纤中光强度的跳变来测出各种移动物体的极端位置，如定位、技术，或者是判断某种情况。测量精度最低，它只反映极限位置的变化，其输出是跳变的信号。图1-4简单的光纤开关、定位装置（a）计数装置；（b）编码器装置；（3）定位装置；（4）液位控制装置二、移动球镜光学开关传感器图1-5所示为一种移动球镜位移传感器原理图，这是一种高灵敏度面位移检测装置。当球透镜在平衡位置时，从两个接收光纤得到的光强和