光纤传感原理3ppt课件

北京交大光信息所,1,第三讲 光纤传感技术基础（二）,光纤传感原理,光纤传感的物理基础 光纤传感基本器件 本讲小结,北京交大光信息所,2,光纤传感的物理基础,反射原理 折射原理 吸收原理,光信号及光纤与外界作用产生的现象或效应是光纤传感的物理基础,弹光效应 电光效应 磁光效应 声光效应,多普勒效应 Sagnac效应 光声效应,基本,重要,特殊,北京交大光信息所,3,1.基本原理,I.反射,镜面反射,漫反射,北京交大光信息所,4,光纤通常由许多根光纤组成。发射和接收光纤的组合方式有混合式、对半分式、共轴内发射分布等。,反射式光纤位移传感器,北京交大光信息所,5,光纤浓度传感器,入射光束中的一部分光线，由于其入射角小于临界角而折射进人溶液之中，其反射光通量很小，因此在光电接收器件CCD的接收面上形成了“暗区”; 入射光束中的另一部分光线，由于其入射角大于临界角而产生全反射，从而在光电器件CCD的接收面上形成了“亮区”。亮、暗区的交界线位，取决于临界角的大小，亦即与被测溶液的浓度(或者说折射率)相对应。当被测溶液的浓度变化时，亮、暗区交界线在CCD上的位置也发生变化。据此就可以测得溶液浓度。,北京交大光信息所,6,光在空气与液体中具有不同的折射率。 几十根光纤排列成束，每一根光纤在不同的高度具有极小弯曲。如果弯曲部分暴露在空气中，光通过光纤将发生全内反射。如果弯曲部分完全浸入液体中，全内反射条件不满足，光通过光纤后强度将急剧下降。,光纤液位传感器,北京交大光信息所,9,光纤瓦斯传感,基于全光缓存器的光纤甲烷检测系统,北京交大光信息所,10,2.重要效应,I.弹光效应,由机械应力引起的材料折射率分布变化,应变张量,弹性系数,力致双折射,北京交大光信息所,11,介电张量,弹光系数,折射率变化,北京交大光信息所,12,纤芯应力分布（一阶近似）,北京交大光信息所,13,纤芯应力分布 （二阶近似）,北京交大光信息所,14,实验结果,实验原理,光纤压力传感1,北京交大光信息所,15,北京交大光信息所,16,光纤压力传感2,北京交大光信息所,17,光纤应力双折射,: 泊松比,例题,已知：SMF光纤 E=7.01010 Pa, =0.17，p11=0.121, p12=0.270, n=1.5， 求：该SMF在50000Pa的压应力作用下，对1550nm的光信号引起的相移.,其他应用,残余 内应力,n=2.110-7,=48.8/m,北京交大光信息所,18,II.电光效应,由外电场引起的材料折射率分布变化的现象,电致双折射,一阶电光效应，Pockels效应,r：线性电光系数,A：电场感量系数,北京交大光信息所,19,二阶电光效应，Kerr效应,介质感生双折射是外加电场强度的二次函数（克尔效应）。这类介质有晶体（如钽铌酸钾）和液体（如硝基苯、溴化苯等）。,应用,电光调制器,北京交大光信息所,20,双路式光纤电压传感原理,光纤电压传感,锗酸铋 （BGO）,北京交大光信息所,21,III.磁光效应,由外磁场引起的材料折射率分布变化的现象,磁致双折射,材料在外加磁场作用下呈现光学各向异性，从而使通过材料的 光波偏振 性质发生改变。 磁光效应具有独特的光学非互易性，有特殊重要的应用价值,1845年，Faraday磁光旋转效应（光活性） 1876年，Kerr磁光旋转效应 19世纪末，Zeeman效应、 磁致双折射效应（Cotton-Mouton、Voigt）,北京交大光信息所,22,某些物质（如石英、氯酸钠、糖的水溶液、酒石酸溶液、松节油等）具有能使线偏振光的振动面发生旋转的性质，称为旋光性(optical activity)。 振动面旋转角度=VHd，V：Verdet系数，104 105 m-1 T-1,Faraday磁光旋转,应用,量糖计,北京交大光信息所,23,偏振态调制型 光纤回转仪是MOCT（光纤电流互感器）的核心部件，它由光源，探测器，调节器，以及缠绕电流导线的光电探头组成。 （最早由波音公司和霍尼韦尔公司共同研制，主要用于导弹巡航系统，1994年开始在电流测量领域的研发工作，1998年第一此投入商业应用。目前主要的生产厂家有：TRENCH，RITZ，ABB，ALSTOM，GE，SIEMENS，NGK，NXTPHASE等） 属敏感及禁止出口器件,磁光效应的传感应用,光纤回转仪,北京交大光信息所,24,IV.声光效应,由外界声场引起的材料折射率分布变化的现象,声致双折射,超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变, 该应变随时间和空间作周期性变化,使介质出现疏密相间的现象, 如同一个相位光栅.当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象,这种现象称之为声光效应。 衍射光偏转角随超声波频率的变化现象称为声光偏转；衍射光强度随超声波功率而变化的现象称为声光调制。 声光调制器件，声光偏转器件，声光调Q开关，可调谐滤光器，等。,声光调制器通常由电声换能器、声光介质和吸声装置组成。 声光调制具有驱动功率低、光损耗小、消光比高等优点。,北京交大光信息所,25,3.特殊效应,I.光学多普勒效应,光现象里同样存在多普勒效应，当光源向你快速运动时，光的频率也会增加，表现为光的颜色向蓝光方向偏移即光谱蓝移；而当光源快速离你而去时，光的频率会减小，表现为光的颜色会向红光方向偏移，即光谱红移。,双光束流量测量,应用,北京交大光信息所,26,II. Sagnac效应,1913年,萨格纳克发明一种可以旋转的环形干涉仪: 将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉。这就是萨格纳克效应。,Stokes 定理,北京交大光信息所,27,光纤陀螺 原理图,1976年，美国Utah大学的Vali和R.W. Shorthill成功地制作了第一个光纤陀螺(FOG-Fiber Optic Gyroscope)。它标志着第二代光学陀螺、光纤陀螺的诞生(第一代光学陀螺为激光陀螺)。,I-FOG,R-FOG,北京交大光信息所,28,III. 光声效应,物质受到周期性强度调制的光照射时，产生声信号的现象。 A.G.Bell，1880年发现光声效应。 机理: 物质受光照射时吸收的光能全部或部分转变为热，导致其中应力（或压力）的周期性变化，产生声信号。 光声信号的频率与光调制频率相同，其强度和相位则决定于物质的光学、热学、弹性和几何的特性。,光声显微镜装置,北京交大光信息所,29,光谱吸收原理。 弹光、电光、磁光、声光效应原理。 Sagnac效应、光纤陀螺原理。,内容小结,北京交大光信息所,30,Any questions ?,北京交大光信息所,31,光纤传感基本器件,光纤耦合器 偏振控制器 光纤偏振器 光隔离器 光环行器 光纤光栅 WDM,光纤传感器通常是光、机、电一体化的系统,光纤器件,体光学器件,棱镜、透镜、反射镜等 滤光片 波片 光栅,光电器件,光源 电光、磁光、声光调制器 光电探测器 光电耦合器,机械器件,光纤连接器 各种紧固件 外壳等部件,北京交大光信息所,32,光纤耦合器,光纤器件是光纤传感器的核心部件,光纤耦合器（Coupler）：将光信号从一条光纤中分至多条光纤中的元件，或从多条光纤合入一根光纤，或从多条光纤到多条光纤。,北京交大光信息所,33,北京交大光信息所,34,光纤偏振控制器,偏振控制器(PC)是光纤传感与通信系统中一个非常重要的器件。其功能是将输入的任意偏振态,转换成任意所需偏振态输出。,北京交大光信息所,35,*电磁挤压偏振控制器，M. Johnson, 1979, Applied Optics,*Faraday 旋转偏振控制器，T. Yoshino, 2003, Electron. Lett.,*电光光纤偏振控制器， O. Tarasenko, 2006, OFC,*通用光电动态偏振控制器， ,北京交大光信息所,36,光纤偏振态控制方法比较,北京交大光信息所,37,应用举例,光纤圈型手动偏振控制器的制作,原理,光纤弯曲产生弹光效应，形成感生双折射。对于半径为R的光纤圈，折射率差为：,北京交大光信息所,38,计算：对1550nm的光波，若要求光纤圈直径为50mm，问制作1/4、1/2波片需绕SMF多少圈？（SMF：125微米）,北京交大光信息所,39,光纤偏振器,光纤偏振器（Polarizer）：或称起/检偏器，其功能是将任意偏振态的输入光变成线偏振光输出。,由上式可知PDL器件的Mueller 矩阵具有对称特性。当 = 0 时，任意偏振态的光信号经过该器件后只保留S1 分量，而 S3 = S2 = 0，这种PDL器件常称为水平线偏振器。当 = 90时，光信号经过该器件后只保留- S1方向的分量，则称为垂直线偏振器。,北京交大光信息所,40,光纤隔离器,光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应,偏振相关型 光隔离器,偏振无关型 光隔离器,偏振无关型光隔离器由两块双折射晶体（采用楔形，光轴互成45 ）和FR组成。自然光经第一块双折射晶体C1分成两束光为偏振方向垂直的e光和o光进入FR偏振面方向分别旋转45，进入第二块双折射晶体C2，分别为O光和e光合成为一束光而出射。反向传输时，由C2分开的O光和e光经FR旋转后再进入C1，还相当于O光和e光，只会被分得更开而不能被合成一束光，不能被耦合进光路。,北京交大光信息所,41,光纤环行器,3端口光纤器件，端口1的输入光能传输到端口2，端口2的输入光能传送到端口3，反之则光被隔离。,如何利用一只12耦合器与一只隔离器组成环行器？,北京交大光信息所,42,北京交大光信息所,43,光纤光栅,加拿大通信中心的K.O.Hill 等人在1978年首次在掺锗光纤中采用驻波写入法制成光纤Bragg光栅。后来Meltz等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。1989年，第一支Bragg谐振波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。 光纤光栅是目前最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速的光纤无源器件之一。,原理,北京交大光信息所,44,光纤光栅分类,按空间周期和折射率系数分布特性分为： 均匀周期光纤布喇格光栅：应用最广，其折射率调制深度和栅格周期均为常数，光栅波矢方向跟光纤轴向一致。广泛应用于光纤传感、光纤激光器、光纤通信。 啁啾光栅：栅格间距不等的光栅。有线性啁啾和分段啁啾光栅，主要用来做色散补偿和光纤放大器的增益平坦。 闪耀光栅：当光栅制作时，紫外侧写光束与光纤轴不垂直时，造成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，形成闪耀光栅。 长周期光栅：栅格周期远大于一般的光纤光栅，将某个波长的光耦合到包层，主要用于EDFA的增益平坦和光纤传感。 相移光栅：在普通光栅的某些点上，光栅折射率空间分布不连续而得到的。在周期性光栅光谱阻带内打开一个透射窗口，提高选择度，用来构造多通道滤波器件。 此外还有Tapered光纤光栅，取样光纤光栅、Tophat光栅、超结构光栅等。,北京交大光信息所,45,刻光栅,北京交大光信息所,46,北京交大光信息所,47,光纤WDM,波分复用器(WDM：Wavelength Division Demultiplexer ) ：能耦合许多数目的波长在相同光纤中，增加光纤传输容量、提高带宽利用率； 高密度分波多任务器(DWDM：Dense WDM)：是一种比WDM系统能耦合更多波长数目的技术，DWDM网络城为光纤网络发展的主要动力，制造方式：薄膜滤光片TFF (Thin Film Filter)、阵列波导光栅 AWG (Array Wave guide Grating)、光纤光栅 FBG (Fiber Bragg Grating),原理,北京交大光信息所,48,北京交大光信息所,49,其他器件,光源,SLED光源（SL3200） 应用 光纤传感系统 光纤陀螺 国防军事研究 无源器件测试 实验室测试 特点 台式、模块式、1U机架式结构可选 高功率输出：最大功率可达20mW 超宽带工作带宽：最大可达12001700nm 共500nm带宽 在光谱范围内具有极好的平坦度 采用微处理器控制 操作智能化 高稳定性和高可靠性 LCD显示 具有高精度的ATC和APC控制电路,按结构原理不同分: 半导体激光源； He-Ne激光源； 固体激光源；,按波长特点分: 单波长或双波长激光源； 可调