光电检测(郭培源)第七章.ppt

第七章 光纤传感检测技术 光纤传感器概述 光纤传感器光纤传感器: :用光纤做为功能材料的传感用光纤做为功能材料的传感 器器 以光波为信息载体,以光纤为传输媒质 特点：特点： 电绝缘性能好; 抗电磁干扰能力强； 耐恶劣环境; 容易实现对被测信号的远距离监控; 灵敏度高; 传输容量大; 质轻体小 应用范围:光纤传感器可用于七十多个物理 量的测量 可测量：位移、速度、加速度、浓度、应 变、压力、流量、振动、温度、电流、电 压、磁场等物理量 7、1光纤传感器的基础 光纤就是光导纤维的简称，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，它是一种介质圆柱光波导。 所谓光波导是指将以光的形式出现的电磁 波能量利用全反射的原理约束引导光波在 光纤内部或表面附近沿轴线方向传播。 7、1、1光纤波导原理 光是电磁波 E H x y z 光波导的基本概念 波导:能够导引电磁波传输的装置 光 波 导 的 分 类 薄膜波导（平板波导） 矩形波导（条形波导） 园柱波导（光纤） 对称与非对称波导 光纤(Optical Fiber)就是用来导光的透明 介质纤维 光纤的结构 光 缆 单模：8 10mm 多模：50mm 125mm 纤芯 包层 涂覆层 护套层 强度元件 内护层 光纤 缆芯 外护层 7、1、2光纤的种类 1、按制作材料分 （1）高纯度石英玻璃纤维。 这种材料损耗低 （2）多组分玻璃光纤。用常规玻璃制成，损耗很低 （3）塑料光纤。 它与石英光纤相比具有质量轻、成 本低、柔软性好、加工方便等优点；但损耗要比玻 璃光纤大。 光纤的种类 2、按照光纤传输的模式分类 单模光纤单模光纤(Single Mode Fiber，SMF): 单模光纤只传输一种模式，纤芯直径较细，通常在 810m范围内。 单模光纤只传输主模，也就是说光线只沿光纤的 内芯进行传输。单模光纤携带单个频率的光将数据 从光缆的一端传输到另一端。 单模光纤使用的光波长为1.31m或1.55m。目 前在有线电视和光通信中，是应用最广的一种光纤 。 单模光纤只能传输基模(最低阶模)，不存在模间 时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，信息容量 大，这对于高码速传输是非常重要的。 光纤的种类 多模光纤多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF): 多模光纤可以在单根或多根光纤上同时携带几 种光波。 MMF光纤纤芯直径较粗，通常为50m或 62.5m。由于其模间色散较大，限制了传输数 字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重 。例如：600Mb/s/km的光纤在2km时则只有 300Mb/s的带宽。因此，多模光纤传输的距离就 比较近，一般只有几千米。 3、按光纤折射率的径向分布分 阶跃光纤。其纤芯和包层的折射率的变化 是不连续。 梯度光纤，也称渐变光纤。在中心轴上折 射率最大，中心折射率向外呈抛物线沿 径向逐渐变小，纤芯和包层交界处的折 射率相等。 这种光纤有聚焦作用，光线传播的轨迹 近似于正弦波。 单模光纤多半是阶跃光纤，多模光纤既有 阶跃光纤又有梯度光纤。 图 光纤的折射率分布 阶跃光纤渐变折射率光纤 梯度型光纤 阶跃型光纤 阶跃型多模光纤 梯度型多模光纤 下页上页 4、按用途分 （1）通信光纤 （2）非通信光纤为特殊光纤。有低双折射 率光纤、高双折射率光纤、涂层光纤、液 芯光纤、激光光纤和红外光纤等。 5、按制作方法分 （1）化学气相沉积法或改进化学气相沉积 法。用来制作高纯度石英玻璃光纤。 （2）双坩埚法或三坩埚法。用以制作多组 分玻璃光纤 7、1、3光纤的特性 信号通过光纤时的损耗和色散是光纤的 主要特性。 损耗 色散 光纤损耗系数的概念 为了衡量一根光纤损耗特性的好坏，引入损 耗系数(或称为衰减系数) ，即传输单位长度 (Lkm)光纤所引起的光功率减小的分贝数，一 般用(dB/km)表示损耗系数。数学表达式为 ： 光纤的损耗典型值 1310 nm : 0.35 0.5 dB/km 1550 nm : 0.2 0.3dB/km 850 nm : 2.3 3.4 dB/km 光纤熔接点损耗：0.2dB/点 光纤熔接点 1点/2km 光纤的损耗分类 损耗主要有三种： 吸收损耗 散射损耗 微扰损耗 一、吸收损耗一、吸收损耗 固有吸收损耗是由制造光纤材料本身 对光的吸收而产生的损耗； 非固有吸收损耗是光纤中的过渡金属 离子和氢氧根离子(OH)等杂质对光 的吸收而产生的损耗。 1 1、固有吸收损耗固有吸收损耗 本征吸收损耗有两种基本的吸收方式。 (1) (1) 红外吸收损耗红外吸收损耗 红外吸收损耗是由于光纤中传播的光波与晶 格相互作用时，一部分光波能量传递给晶格 ，使其振动加剧，从而引起的损耗。吸收带 的范围是812mm (2) (2) 紫外吸收损耗紫外吸收损耗 紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子流将光 纤材料中的电子从低能级激发到高能级时， 光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的 损耗。吸收带的范围是3nm0.4mm 2、非固有吸收损耗 这种损耗是由光纤制造工艺引起 的。在拉制光纤过程中会产生铜、铁 、镍、钒、铬、锰和OH等过渡金属 离子。由于这些金属离子的跃迁吸收 ，在可见光到红外区都会带来极大的 吸收损失。 二、散射损耗二、散射损耗 散射损耗主要是由光纤的非结晶材料在 微观空间的颗粒状结构和玻璃中存在的 像气泡这种不均匀结构引起的。 散射损耗分为两种：线性散射损耗和非 线性散射损耗。 1、线性散射损耗 光纤波导材料、尺寸、形状和折射率分布等 的缺陷或不均匀引起光纤传播模式散射性的 损耗，由于这类损耗所引起的损耗功率与传 播模式的功率成线性关系，所以称为线性散 射损耗。 线性散射有两种：瑞利散射和曼散射。其中 ，瑞利散射在所有散射中最为重要。 瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于 固有散射。 对于短波长光纤，损耗主要取决于瑞利散 射损耗。 瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本 征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限 值。 （1 1）瑞利散射）瑞利散射 （2 2）曼散射）曼散射 当非均匀散射元的尺寸同传导波 长可比拟时发生曼散射。 曼散射来源于光纤制造过程中出 现的光纤结构上的缺陷，如光纤 的纤芯和包层的界面不完整、芯 径变化、圆度不均匀、光纤中残 留气泡和裂痕等等。 2、 非线性散射损耗 光纤中存在两种非线性散射：受激喇曼散射和受 激布里渊散射。 瑞利散射耗是一种不可能被消除的损耗，而受 激喇曼散射与受激布里渊散射则仅当光纤中传 输功率大于某一阈值时才可能产生。 三、微扰损耗 微扰损耗是指由光纤的几何不均匀引 起的损耗。其中包括由内部因素和外 部干扰引起的不均匀性，如宏观结构 上折射率和直径的不均匀性、微弯曲 等。 光纤的色散 光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随 传输距离增加，由于不同成分的光传输的 群速度不同引起的脉冲展宽的物理效应。 色散使光脉冲沿着光纤行进一段距离后造 成脉冲变宽。色散主要影响系统的传输容 量和品质，也对中继距离有影响，从而限 制了光纤的传输带宽。 色散的分类 1、材料色散 2、波导色散 3、多模色散 1、材料色散（也称折射率色散） 由于光纤材料的折射率随入射光频 率变化而产生的色散，它使得不同 波长的光行进速度不同。材料色散 系数为： 2、波导色散（也称结构色散） 波导色散是由同一模式的光，其传播常 数b随l变化而引起的色散。即同一模式 下,不同频率光的群速不同而产生的色散 式中归一化传播常数b=/k0 与波导的归一化传播常数b和波导的 归一化频率V有关，而b和V又都是光纤 折射率剖面结构参数的函数，可见波导 色散是由于波导结构参数与波长有关而 产生的色散。取决于波导尺寸和纤芯包 层的相对折射率差，所以称之为波导色 散（亦称为结构色散）。 3、 多模色散 所谓多模色散，在多模光纤中，由于 各个模式在同一角频率下传输常数不 同、群速度不同而产生的色散。 单模光纤不存在模式色散，只有材料色散 和波导色散，由于波导色散比材料色散小 很多，通常可以忽略。 对于多模光纤，主要以多模色散为主。 7、1、4光纤的耦合 光纤的耦合分为强耦合和弱耦合。 光纤的强耦合是光纤纤芯间形成直通，传输 模直接进入耦合臂。 光纤的弱耦合是通过光纤的弯曲，或使其耦 合处成锥状。于是，纤芯中的部分传导模 变为包层模，再由包层进入耦合臂中的纤 芯，形成传导模。 常用的耦合器有以下3种结构 1、把每根光纤埋入玻璃块的弧形槽中，将 其侧面研磨抛光，使光纤耦合处的包层厚 度达到一定的要求，然后将两根光纤拼接 在一起。 2、将两根光纤稍加扭绞，用微火炬对耦合 部位进行加热，在熔融过程中拉伸光纤， 最后拉细成型。此时，在两根光纤的耦合 部位形成双锥区，两根光纤包层合并在一 起，纤芯变细，形成了一个新的合成光波 通路，从而构成弱耦合。 3、将光纤的局部外套去掉，腐蚀掉光纤耦 合部位的大部分包层，并将两根光纤的纤 芯紧紧接触在一起，然后 进行加固。还可 以通过控制扭力或张力，调节光纤间距， 以达到调节光纤耦合强弱的目的。 7、1、5光纤的应用 光导纤维除了应用于光通信、制作传感器 外，还可以应用于导光和传像。 利用光纤柔软可弯曲的特点，可按需要制成 各种导光器。 1、光纤照明器 2、光纤束行扫描器 3、光纤直接导光的其他应用。（激光手术 刀） 光纤制品在传像方面的应用 完成传像功能的光纤制品主要是光纤传像束 和硬性光纤器件（光纤面板、扭像器和光 纤锥等） 1、制成各种内窥镜 利用光纤传像束可弯曲的特点，可制成各种 内窥镜，以实现对用一般光学方法难以观 察到的地方进行窥视。 目前内窥镜在医疗及工业工程中得到了广泛 而又满意的应用。 用医用内窥镜可以检查食道、胃、直肠、支气管 、心脏、血液、骨关节、鼻咽和腹腔等部位。 医用光纤内窥镜主要由光源及传光部分、成像 部分和观察记录部分组成。 高强度光源，如150W的卤素灯或氙灯发出的光 通量，经光纤传光束传至内窥镜的头部，照明 欲测部分，待测物由物镜成像在光纤传像束的 输入面上，经传像束将待测物的像传至体外， 供观察、照相或录像。 7、2、1光纤传感器的分类 光纤传感器是通过被测量对光纤内传输光进行 调制，使传输光的强度（振幅）、 相位、频率 或偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的 光信号进行检测，从而得出相应被测量的传感 器。 光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波 光波上，使载波光波的参数随外加信号变化而 变化，这些参数包括光波的强度、位相、频率 、偏振、波长等。承载信息的调制光波在光纤 中传输，再由光探测器系统检测，然后解调出 所需要的信息。 光纤传感器分类 光纤仅做为传播 光介质，其它功 能元件完成信息 的感觉 光纤具有对外 界信息敏感能 力和检测功能 传 光 型 传 感 型 根据光纤在传 感器中的作用 只“传”不 “感” “传”和“ 感”合一 光纤本身起敏感元件的作用。光纤与被测对象 相互作用时，光纤自身的结构参量(尺寸和形 状)发生变化，光纤的传光特性发生相关变化 ，光纤中的光波参量受到相应控制，即在光纤 中传输的光波受到了被测对象的调制，空载波 变为调制波，携带了被测对象的信息；或者是 光纤与被测对象作用时，光纤自身的结构参量 并不发生变化，而光纤中传输的光波自身发生 了某种变化，携带了待测信息。 传感型 传感型的光纤也叫功能型的光纤，这种类 型主要使用单模光纤。 功能型传感器的优点是，由于光纤本身是 敏感元件，因此加长光纤的长度，可以得 到很高的灵敏度。尤其是利用各种干涉技 术对光的相位变化进行测量的光纤传感器 ，具有极高的灵敏度。 这类传感器的缺点是，技术难度大，结构 复杂，调整较困难。 关键部件是光转换敏感元件。光 转换元件与待测对象相互作用时，光 转换元件自身的性能发生了变化，光 纤送来的光波通过它时，光波参量发 生了相关变化，空载波变成了调制波 ，携带了待测量信息。或者是不采用 任何光转元件，仅由光纤的几何位置 排布实现光转换功能，结构十分简单 。 传光型 传光型光纤传感器也称为非功能型光纤传感器。 这种传感器是在光纤的端面或在两根光纤中间放 置机械式或光学式的敏感元件来感受被测物理量 的变化，从而使透射光或反射光强度随之发生变 化。在这种情况下，光纤只是作为光的传输回路 。 为了得到较大的受光量和传输的光功率。使用的 光纤主要是数值孔径和芯径大的阶跃型多模光纤 。 这类光纤传感器的特点是结构简单、可靠，技术 上容易实现，但灵敏度、测量精度一般低于功能 型光纤传感器。 在非功能型光纤传感器中，也有并不需要 外加敏感元件的情况，光纤把测量对象所 辐射、反射的光信号传输到光电元件。 这种光纤传感器也叫探针型光纤传感器， 典型的例子有光纤激光多普勒速度传感器 、光纤辐射温度传感器和光纤液位传感器 等，其特点是非接触式测量，而且具有较 高的精度。 7、2、2光纤传感器的基本构成 光纤传感器的基本组成除了光纤以外，还有光源 和光电元件。 1、光源 激光二极管LD和发光二极管LED的发射波段分 别是0.80.9um和0.31.1um，在这一波段石英 光纤损耗最小。特别是激光二极管具有亮度高 ，易于进行上吉赫兹的直接调制，尺寸小等优 点，一直受到人们的注意。 除了上述光源外，还可采用白炽灯等作光源。一 般选择光源时，根据系统的用途和所用的光纤 的类型，对光源还要提出功率和调制的要求。 2、光电元件 光纤传感器常用以下四种光电元件作探测 器：普通光电二极管、雪崩光电二极管、 肖特基光电二极管、光电晶体管。 有时也用电荷耦合器件、光电导体和光电 倍增管等。 7、2、3光纤传感器的优点 与其他电量传感器相比较，光纤传感器有很多优点： 1、光纤传感器的电绝缘性能好，表面耐压可达4kV/cm,且 不受周围电磁场的干扰。 2、光纤传感器的几何形状适应性强，由于光纤具有的柔性 ，使用及放置均较为方便。 3、光纤传感器的传输频带宽。带宽与距离之积可达到 30MHzkm10GHzkm之多。 4、光纤传感器无可动部分、无电源、可视为无源系统，因 此使用安全，特别是在易燃易爆的场合跟适用。 5、光纤传感器通常即是信息探测器件，又是信息 传递器件。 6、光纤传感器的材料决定了它有强的耐水性和强 的抗腐蚀性。 7、由于光纤传感器体积小，因此对测量场合的分 布特性影响较小。 8、光纤传感器的最大优点在于它们探测信息的灵 敏度很高。 7、3光纤的光波调制技术 光波的调制：光纤传感器与待测对象的相 互作用，将待测量的信息传递到光纤内的 导光波中，或将信息加载于光波之上，这 个过程称为光纤中的光波调制，简称光调 制。 光的解调：在光纤传感器中，解调的过程 是将载波光携带的信号转换成光的强度变 化，然后由光电检测器进行检测。 强度调制光纤传感器 频率调制光纤传感器 波长（光谱）调制光纤