第二章光纤检测技术ppt课件

n第一节 光导纤维的结构和导光原理 n第二节 光纤传感器及其分类特点 n第三节光纤在温度检测中的应用 n第四节 光纤流速及流量测量 n第五节 光位移及压力测量 n第六节 光纤电压电流测量 n第七节 光纤检测技术在其他方面的应用 第二章 光纤检测技术 光纤传感优点： 灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制 成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同 物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以 用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣 环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。 应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、 液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。 光纤检测技术简介 光纤的全反射 光导纤维简称光纤，它是以特别的工艺拉成的细丝。光纤透明、纤细，虽比头发 丝还细，却具有能把光封闭在其中，并沿轴向进行传播的特征。 为了看清光的全反射，我们取一根无色有机玻璃圆棒，加热后弯曲成约90圆弧 形，将其一头朝向地板，用手电筒照射有机玻璃棒的上端，我们可以看到，光线顺着 弯曲的有机玻璃棒传导，从棒的下端射出，在地板上出现一个圆光斑，这就是光的全 反射实验。 哦！ 第一节 光导纤维的结构和导光原理 n圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略 大于包层的折射率 斯乃尔定理 当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射 （a）折射角大于入射角： （b）临界状态： （c）全反射 ： 当r =90的临界状态时， Sin i定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture） 相对折射率差 arcsinNA是一个临界角， i arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失； i arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。 光导纤维的主要参数 n1. 数值孔径（NA） n2. 光纤模式 n3. 传播损耗 1. 数值孔径（NA） n反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。 n意义：无论光源发射功率有多大，只有2i张角之 内的光功率能被光纤接受传播。 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。 2. 光纤模式 n光波沿光导纤维传播的途径和方式 在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不 利的，导致合成信号的畸变，因此我们希望模 式数量越少越好。 阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为 希望V小：d不能太大，n2与n1之差很小 3. 传播损耗 n损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射， 光纤弯曲处的辐射损耗等的影响 传播损耗（单位为dB） 式中, I 光纤长度； a 单位长度的衰减； I0光导纤维输入端光强； I 光导纤维输出端光强。 光纤传感器结构原理 n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。 光纤传感器光学测量的基本原理 n光就是一种电磁波， 光的电矢量E 被测量调制： 光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位 解调： 光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制 第二节 光纤传感器的分类 传感器光学现象被测量光纤分类 干 涉 型 光纤传感器相位调制干涉（磁致伸缩） 干涉（电致伸缩） Sagnac效应 光弹效应 干涉 电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度 SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM a a a a a 非 干 涉 型 光纤传感器强度调制遮光板断光路 半导体透射率的变化 荧光辐射、黑体辐射 光纤微弯损耗 振动膜或液晶的反射 气体分子吸收 光纤漏泄模 温度、振动、压力、加速度、位移 温度 温度 振动、压力、加速度、位移 振动、压力、位移 气体浓度 液位 MM MM MM SM MM MM MM b b b b b b b 光纤传感器偏振调制法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 光弹效应 电流、磁场 电场、电压 温度 振动、压力、加速度、位移 SM MM SM MM b,a b b b 光纤传感器频率调制多普勒效应 受激喇曼散射 光致发光 速度、流速、振动、加速度 气体浓度 温度 MM MM MM C b b 注：MM多模光纤；SM单模光纤；PM偏振保持光纤 光纤传感器的分类 n光纤在传感器中的作用 n光受被测量调制的形式 n光纤传感器中对光信号的检测方法不同 (1) 光纤的传感器中的作用 功能型 非功能型 拾光型 (a) 功能型（全光纤型）光纤传感器 n光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏 感元件，光在光纤内受被测量调制。 n优点：结构紧凑、灵敏度高。 缺点：须用特殊光纤，成本高， 典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。 (b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器 n光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感 元件上受被测量调制。 优点：无需特殊光纤及其他特殊技术， 比较容易实现，成本低。 缺点：灵敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。 (c) 拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的 光或被其反射、散射的光。 典型例子： 光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器 (2) 根据光受被测对象的调制形式 (a) 强度调制型光纤传感器 (b) 偏振调制光纤传感器 (c) 频率调制光纤传感器 (d) 相位调制传感器 (a)强度调制型光纤传感器 利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化， 而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。 应用：压力、振动、位移、气体 优点: 结构简单、容易实现、成本低。 缺点: 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响 （b）偏振调制光纤传感器 n利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息 n应用： 电流、磁场传感器：法拉第效应； 电场、电压传感器：泡尔效应； 压力、振动或声传感器：光弹效应； 温度、压力、振动传感器：双折射性 n优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。 （c）频率调制光纤传感器 n被测对象引起的光频率的变化来进行监测 n利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光 纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器； 利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气 体浓度或监测大气污染的气体传感器； 利用光致发光的温度传感器等。 （d）相位调制传感器 被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这 种相位变化而得到被测对象的信息。 利用光弹效应的声、压力或振动传感器； 利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器； 利用电致伸缩的电场、电压传感器 利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺） 优点：灵敏度很高， 缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。 光纤传感器的特点 （1）电绝缘。 （2）抗电磁干扰。 （3）非侵入性。 （4）高灵敏度。 （5）容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器的应用 强度调制型： 基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位 移信号来检测，常用于位移的光纤检测技术； 相位调制型： 利用光纤本身作为敏感元件； 偏振调制型： 主要是利用晶体的光弹性效应。 光纤压力传感器 （1）采用弹性元件的光纤压力传感器 膜片反射式光纤压力传感器示意图 膜片的中心挠度 若利用Y形光纤束位移特性的线性区， 则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。 1 Y形光纤 2 壳体 3 膜片 与所加的压力呈线性关系 传感器的固有频率可表示为 式中, 膜片材料的密度； g重力加速度。 结构简单、体积小、使用方便， 光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降， 其精度就要受到影响。 差动式膜片反射型光纤压力传感器 1输出光纤 2输入光纤 3输出光纤 4胶 5膜片 两束输出光的光强之比 A常数； p待测量压力 输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关 将上式两边取对数，在满足(Ap)21时，得到 表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。 若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器 即可得到线性的输出。 采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。 （b）光弹性式光纤压力传感器 n光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化 ，从而呈现双折射现象。 1 光源 2、8 起偏器 3、9 1/4波长板 4、10 光弹性元件 5、11 检偏器 6 光纤 7 自聚焦透镜 光弹性式光纤压力传感器 2 在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度 （c）微弯式光纤压力传感 n基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产 生位移，使光纤弯曲而调制光强度。 1 聚碳酸酯薄膜 2 可动变形板 3 固定变形板 4、5 光纤 微弯式光纤水听器探头 第三节光纤在温度检测中的应用 n温度检测在工业生产中占所需检测量的50左右 。 光纤传感技术在温度测量中的应用，已取得不 少成就。利用不同原理研制的光纤温度传感器的 种类很多，有晶体光纤温度传感器、半导体吸收 光纤温度传感器、双折射光纤温度传感器、光路 遮断式光纤温度传感器、荧光光纤温度传感器、 Fabry-Perot标准器光纤温度传感器、辐射式光纤 温度传感器、分布参数式光纤温度传感器等，其 中有些产品已经商品化了。 n一、辐射式光纤温度计 n工作原理 n辐射光纤温度计是基于全辐射体辐射的原理来工作的：所 有的物质，当它的温度高于绝对零度时，均发出一定量的 热辐射，这种热辐射的量取决于该物质的温度及其材料的 辐射系数。 n理想全辐射体： n真实物体光谱辐射度与温度的关系 n真实物体的辐射出射度与温度的关系 n三种辐射温度计 n（1）单色辐射温度计 n（2）全辐射温度计 n（3）比色高温计 n2.结构：测温探头、传送光纤、显示仪表 n（1）测温探头：耦合效率是重要参数 n数值孔径与距离系数的关系 n测温探头分为两类 n（1）光导棒探头 n（2）透镜测温探头 n光纤传感元件举例 n（2）传送光纤 n一般由多根大芯径、大数值孔径的石英光纤束组成 n（3）信号处理装置 n根据不同的测温范围选用不同的光电元件，见表2-3。 n光纤高温传感器 n由高温探头、高低温光纤耦合器、信号检测和处 理系统等几部分组成。 n3.辐射式光纤温度计的应用 n（1）燃气涡轮发动机中的应用 n（2）电厂锅炉灭火保护装置中的应用 n二、半导体光纤温度计 n半导体光纤温度计是由半导体吸收器、光纤、光 源和包括光探测器的信号处理系统等组成。 n其体积小、灵敏度高、工作可靠、容易制作，且 没有杂散光损耗，可以应用于高压电力装置中的 温度测量。 n1.工作原理 n利用某些半导体材料的光吸收随着温度的变化而 变化的特性进行测温。 n吸收波长随温度的变化曲线 n2.测量装置结构 n应用举例 n三、荧光衰变式光纤温度计 n1.工作原理 n荧光衰变式光纤温度计就是利用荧光物质所发出 的荧光衰变时间随温度变化的特性制成的温度传 感器。 n2.基本结构 n测量时间的两种方法 n(1)振荡系统的频率计量法 n(2)余辉几分亮度法 第四节 光纤流速及流量测量 n一、光纤涡轮流量计 n二、光纤激光多普勒测速计 n三、光纤涡街流量计 n涡街：在流体中放置一个有对称形状的非流线体 时，在某些条件下在非流线体的下游两侧就会交 替出现漩涡，两侧游涡的旋转方向相反，并轮流 地从非流线体上分离出来，在下游侧形成所谓“涡 街” n四、相关型光纤流量传感器 第五节 光纤位移及压力测量 n压力和位移是两个相关的测量参数 压力位移 弹性元件 通过位移测压力 n一、光纤微弯曲位移和压力传感器 根据模态理论，当光纤轴向 受力而发生微小弯曲时，光 纤中的部分光会折射到纤芯 的包层中去，不产生全折射 ，这样将引起纤芯中的光强 发生变化。因此，可以通过 对纤芯或包层中光的能量变 化来测量外界作用，如应力 、重量、加速度等物理量。 微弯光纤压力传感器由两块波形板或其他形状的变形器构成。 其中一块活动，另一块固定。变形器一般采用有机合成材料（如尼 龙、有机玻璃等）制成。 一根光纤从一对变形器之间通过，当变形器的活动部分受到外 力的作用时，光纤将发生周期性微弯曲，引起传播光的散射损耗， 使光在芯模中重新分配一部分从纤芯耦合到包层，另一部分光反射 回纤芯。 当外界力增大时，泄漏到包层的散射光增大，光纤纤芯的输出 光强度减小； 当外界力减小时，光纤纤芯的输出光强度增强。 它们之间呈线性关系，如上图所示。由于光强度受到调制，通 过检测泄漏包层的散射光强或光纤纤芯中透射光强度的变化即可测 出压力或位移的变化。 n光纤微弯传感器分为 n(1)亮场微弯传感器: n测量纤芯中光强的称为亮场微弯传感器，因纤芯中光很强 ，由位移引起的光强相对变化量很小，需采用高灵敏度光 电探测器，但有时光强会使信号饱和，不易检测出相对变 化饺小的信号。 n(2)暗场微弯传感器 n测量包层中泄漏光强的称为暗场微弯传感器。由于暗场中 背景光很弱。位移引起的光强变化相对更明显，因而检测 灵敏度高。 n亮场微弯传感器测量实验装置 n引起微弯板位移的物理量可以是温度、压力、位 移等。 n暗场微弯传感器实验装置 n光纤微弯传感器的优点： n（1）光功率维持在光纤内部，这样可以免除周围 环境污染的影响，适宜在恶劣环境中使用； n（2）光纤微弯传感器的灵敏度很高； n（3）能兼容多模光纤技术； n（4）结构又比较简单，而且具有动态范围宽、线 性度较好、性能稳定。 n二、透射式光纤位移传感器 n工作原理 n两根光纤光轴错开的距离随物体位移的大小而变 化，光纤输出光通量又随光轴错开距离的大小而 变化。 n光闸门和栅格法光纤位移传感器 n三、Y形光纤位移及压力传感器 n基于改变反射面与光纤端面之间距离的反射光强 调制型传感器。 n发送光纤和接收光纤在汇集处端面的分布有：随 机分布、对半分布、同轴分布等几种。 n几种分布形式的性能 nY形光纤压力传感器 n改进型 Y形光 纤压力 传感器 n两束光强之比可表示为： n输出光强比与膜片的反射率、光源强度等因素均 无关，因而可有效地消除这些因素的影响。 n四、球透镜位移及压力传感器 n实验结果 n利用球透镜位移传感器制成的差动式压力 传感器 n五、全内反射光纤位移、压力传感器 n在测量压力时，常压下膜片 n没有变形，膜片与光纤间保 n持着较大的初始间隙，故此 n膜片的照射面积较大，反射 n到接收光纤的光强也大，使 n光电探测器的输出电信号也 n大。膜片受压力作用时要向 n内侧挠曲使光纤与膜片间 n气隙减小，因此发送光纤在 n膜片内表面的光照面积也缩 n小，致使反射到接收光纤的 n光强减小，光电探测器输出 n随之减小。 第六节 光纤电压电流测量 n由于光纤传感器具有绝缘性好、抗电磁场 干扰、灵敏度高等特性，因此在电力系统 测量中具有很大优势。 旋光现象 一、物质的旋光性： 1811年实验物理学家阿喇果发现， 线偏振光通过某些透明物质时， 其偏振面将旋转一定的角度。 d 偏振片2 偏振化方向 单色 自然光 偏振片1 偏振化方向 光轴方向 P2 P2 石英晶片 (不产生双折射) （原消光） （现消光） 这种能使线偏振光的振动面发生旋转的性质， 称为旋光性。 a旋光率 a 取决于入射光 的波长和旋光物质。 旋光物质 d 具有旋光性的物质：如石英、糖的水溶液、 酒石酸溶液、松节油等。 迎着光看，振动面 顺时针转的为右旋物质， 振动面 逆时针转的为左旋物质。 二、菲涅耳的解释： 线偏振光可看作是同频率、 等振幅、有确定相位差的 左(L)、右(R)旋圆偏振光 的合成。 设:入射时L，R 初相为0，旋光物质长d. 即 E ELER o 例如，石英晶体有左旋,右旋两类旋光体, 是因为它的分子的空间排列方式有两类。 在出射面上它们 的位相，分别比 入射面处的位相 落后， 由图示，有： 看旋转矢量图: (a) (b) d ELER E (a)(b) EL ER E R L 同一时刻 令旋光率 所以 由上式看出， 时， ， 即振动面向左旋（对着光看）。 量糖术 对溶液 据此可制成“量糖计”，并发展为“量糖术”。 其他应用：分析化工产品、药剂中的 左、右旋光异构体的成分， 某些液体或溶液有左旋或右旋,是由于 其分子本身具有螺旋状结构引起的。 式中 天然的蔗糖(C12H22O11)分子,不论是从甘蔗 来还是从甜菜来,都是右旋的。 天然氯霉素药能治病,它是左旋的。 而正好人体所需要的葡萄糖, 其分子也是右旋的。 生物体对 左旋,右旋的物质能够识别并能 作出选择。 而人工合成的氯霉素是左旋,右旋各一半, 只有一半有疗效,所以,它的价格只是 天然氯霉素的一半。 磁致旋光 利用人工方法也可产生旋光性，其中最 重要的是磁致旋光，也称为法拉第旋光， 是法拉第1845年发现的。 水、二硫化碳、食盐、乙醇等是磁致旋光物质 。 V：费德尔常量 磁致旋光效应用于测量: 若磁场B是由信号电流i产生(或调制)的, 信号电流i的变化磁场B的变化, 旋转角变化 则可进行电流测量。 d 磁致旋光物质 B 测量磁场原理测量电流 优点：测量范围大，适用于高压大电流测量。 电流测量示意图 n二、金属涂覆光纤电流传感器 n多模光纤电流传感器原理： n在多模光纤表面涂覆上一层较厚的铝金属膜，这 样光纤可起着载流和光传输的双重作用