《新型传感器2》PPT课件.ppt

新型传感器,光纤传感器 光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地(领域)。光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤在有线通信广播的优势越来越突出，它为人类21世纪的通信基础一信息高速公路奠定了基础，为多媒体(符号、数字、语音、图形和动态图像)通信提供了实现的必需条件。由于光纤有许多新的特性，所以不仅在通信方面，而且在其他方面也提出了许多新的应用方法。例如，把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器。光纤传感器始于1977年，经过20余年的研究，光纤传感器取得了十分重要的进展，目前正进入研究和实用并存的阶段。它对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着十分重要的作用。随着新兴学科的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。,新型传感器光纤传感器,一、光纤结构和传光原理 二、光纤分类 三、光纤传感器基本工作原理及类型 四、光纤传感器的调制器原理 五、偏振调制型光纤传感器的应用举例 六、光纤图像传感器应用举例,一、光纤结构和传光原理 光纤结构十分简单，它是一种多层介质结构的圆柱体，圆柱体由纤芯、包层和护层组成。 纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料，制成很细的圆柱体，其直径在575m内。有时在主体材料中掺人极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高的折射率。围绕纤芯的是一层圆柱形套层(包层)，包层可以是单层，也可以是多层结构，层数取决于光纤的应用场所，但总直径控制在100200m范围内。包层材料一船为SiO2，也有的掺人极微量的三氧化二硼或四氧化硅。与纤芯掺杂的目的不同，包层掺杂的目的是为了降低其对光的折射率。包层外面还更涂一些涂料，其作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。光纤最外层是一层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中各种不同的光纤。,当光在纤芯中传播时候，由于包层的折射率比纤芯的小，所以光从纤芯射向包层的过程中会发生全反射，光线就可以从光纤的一端传到另一端。,二、光纤分类 根据光纤的折射率、光纤材料、传输模式、光纤用途和制造工艺，有如下几种分类方法： 1阶跃型和梯度型光纤 根据光纤的折射率分布函数，普通光纤可分为阶跃型和梯区型两类。 阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是纤芯和包层的折射率不同，在界面上发生突变，如下图 (a)所示。光线的传播，依靠光在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。 梯度光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大,致按抛物线形状递减，中心轴折射率最大。因此，光纤在纤芯中传播时会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形。梯度光纤又称为自聚焦光纤。,2按材料分类 (1) 高纯度石英(SiO2)玻璃纤维。 这种材料的光损耗比较小，在波长1.2m时、最低损耗约为0.47dB/km。 (2) 多组分玻璃光纤 用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长0.84m时，最低损耗为3.4dB/km。 (3) 塑料光纤。 用人工合成导光塑料制成，其损耗较大。当0.63m时，损耗高达100200 dB/km；但重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。 3按传榆模数分类 (1)单模光纤 单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近光的波长。单模光纤通常是指跃变光纤中，内芯尺寸很小，光纤传输模数很少，原则上只能传送一种模数的光纤，常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好、频带很宽，具有较好的线性度；但因内芯尺寸小，难以制造和耦合。 (2)多模光纤。 多模光纤纤芯直径约为50m，纤芯直径远大于光的波长。通常是指跃变光纤中，内芯尺寸较大，传输模数很多的光纤。这类光纤性能较差，带宽较窄；但由于芯子的截面积大，容易制造、连接耦合比较方便，也得到了广泛应用。,4按用途分类 (1)通信光纤。 用于光通信系统，实际使用中大多使用光缆（多根光纤组成的线缆），是光通信的主要传光介质。 (2)非通信光纤。 这类光纤有低双折射光纤、高双折射光纤、涂层光纤、液芯光纤和多模梯度光纤等几类。 三、光纤传感器基本工作原即及类型 1光纤传感器基本工作原理 光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与输入调制区的光相互作用后，导致光的某些特性(如光的强,度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后获得被测参数。,2光纤传感器的类型 光纤传感器按其传感器原理分为两大类：一类是传光型，也称为非功能型光纤传感器；另一类是传感型，或称为功能型光纤传感器。前者多数使用多模光纤，后者常使用单模光纤。 在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的,其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件。调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。光纤在传感器中仅起传光作用。 传光型光纤传感器主要利用已有的其他敏感材料，作为其敏感元件，这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。传,光介质是光纤，所以来用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求。 传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数。,传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，同时利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，使其某些光学特性发生变化，对输入的光产生某种调制作用，使在光纤内传输的光的强度、相位、偏振态等特性发生变化，从而实现传和感的功能。因此，传感器中的光纤是连续的。 传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单，传感型光纤传感器的光纤是连续的，可以少用一些光耦合器件。但是，为了光纤能接受外界物理量的变化，往往需要采用特殊光纤来作探头，这样就增加,了传感器制造的难度。随着对光纤传感器基本原理的深入研究和各种特殊光纤的大量问世，高灵敏度的功能型光纤传感器必将得到更广泛的应用。,3光纤传感器的特点 光纤传感器有以下三大特点，因而得到广泛的应用。 (1)光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗小。 (2)光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。 (3)光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、 非破坏性以及远距离测量。 四、光纤传感器的调制器原理 光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应，实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能。从图12-4和图12-5可知，光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制。研究光纤传感器的调制器，就是研究光在调制区与外界被测参数的相互作用。外界信号可能引起光的某些特性(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态等调制。下面将分别介绍几种常用的调制原理。,1强度调制 利用被测量的作用改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量被测量，称为强度调制。其原理如图12-6所示。 当一恒定光源的光波I IN注入调制区，在外力场强Is的作用下，输出光波的强度被Is所调制，载有外力场信息的出射光 IOUT 的包络线与Is形状相同，光（强度）探测器的输出电流ID(或电压)也反映出了作用力场。同理，可以利用其他各种对光强的调制方式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、辐射等来调制入射光，从而形成相应的调,制器。强度调制是光纤传感器使用最早的调制方法，其特点是技术简单可靠、价格低廉。可采用多模光纤，光纤的连接器和耦合,器均已商品化。光源可采用LED和白炽灯等非相干光源，探测器一般用光电二极管、三极管和光电池等。,(1)微小的线性位移和角位移调制方法 这种调制方法使用两根光纤，一根为光的入射光纤，另一根为光被调制后的出射光纤，如下图所示。两根光纤的间距为23m，端面为平面，两者对置。通常入射光纤固定，外界作用（如压力、张力等）使得出射光纤作横向或纵向位移或转动，于是出射光纤输出的光强被其位移所调制。 若入射和出射光纤均采用相同性能的单模光纤，径向位移 d 与功率耦合系数 T 之间存在下列关系：,式中S0为光纤中的光斑尺寸；T和d的关系为高斯型曲线。这种调制方法可以测量10m以内的位移量。,(2)微弯损耗光强调制 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。,(3)吸收特性的强度调制 x、射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而可以构成强度调制器，用来测量各种辐射量，其原理如下图(a)所示。用不同材料制成的光纤对不同射线的敏感程度是不一样的，由此还可以鉴别不同的射线。例如铅玻璃光纤对x、射线和中子射线特别灵敏，并且这种材料的光纤在小剂量射线照射时，具有较好的线性，可以测量射线的辐射剂量。,2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f 0发生了变化，如图所示。S为光源，N为运动物体，M为观察者所处的位置，若物体N的运动速度为，其运动方向与NS和MN的夹角分别为1和2，则从S发出的光频率f 0经运动物体N散射后，观察者在M处观察到的运动物体反射的频率为f l，根据多普勒效应，它们之问有如下关系： (式中c为光速）,证明：设在运动的物体N上观测到的光波频率为f /，则,M点观测到从运动物体N上发出的光波频率：,由于c，所以可以忽略式中的平方项。,与机械波不同，光波（电磁波）存在横向多普勒效应。,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。设激光光源频率为f 0，经半反射镜和聚焦透镜进入光纤射入到被测物流体，当流体以速度运动时，根据多普勒效应，其向后散射光的频率为f 0+f或f 0-f（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f 0与向后散射光f 0+f或f 0-f的差拍的拍频f，由此可知流体的的流速。,3偏振调制 根据电磁场理论，光波是一种横波；光振动的电场矢量 E 和磁场矢量 H 始终与传播方向垂直。如果光波的电场矢量 E 和磁场矢量 H 方向（与 E 垂直）在传播过程中保持不变，这种光称为线偏振光。线偏振光电场矢量（E）方向与传播方向组成的面称为线偏振光的振动面。包含波的射线并与振动面方向垂直的面称为偏振面。光在传播中，E、H的大小不变，而振动方向绕传播轴均匀地转动，矢量端点轨迹为圆，这种光称为圆偏振光；如果矢量轨迹为一个椭圆，这种光称为椭圆偏振光。如果自然光在传播过程中，受到外界的作用而使各个振动方向上强度不等，使某一方向的振动比其他方向占优势，这种光称为部分偏振光。如果外界作用使自然光的振动方向只有一个，这种现象称为起偏（形成完全偏振光）。利用光波的这些偏振性质，可以制成光纤的偏振调制传感器。光纤传感器中的偏振调制器常用电光、磁光、光弹等物理效应进行调制。（注意，关于光的振动方向通常是指电场矢量 E的方向）, 法拉第效应（磁光效应） 某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振动面会发生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量E旋转角与光在物质中通过的距离L和磁场强度H成正比，即,利用法拉第效应可以测量磁场。其测量原理如右图所示。,式中 V 物质的弗尔德常数。, 普克尔效应（一次电光效应） 当压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电场时，晶体将呈现双折射现象，这种现象被称为Pockels效应，如下图所示。并且，这种双折射正比于所加电场的一次方，所以普克尔效应又称为线性电光效应。 在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为 式中：n0 正常折射率；de 电光系数；U 加在晶体片上的电压； 光波长；L 晶体长度；d 场方向晶体厚度。, 光弹效应 在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力的材料将会使光产生双折射现象，其折射率的变化与应力材料相关，这种现象称为光弹效应。由光弹效应产生的偏振光的相位变化为： 式中：K 物质光弹性常数； P 施加在物体上的压强； L 光波通过材料的长度。 此时出射光强为： 利用物质的光弹效应可以构成压力、振动、位移等光纤传感器。, 关于双折射现象的说明 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。请注意，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,角的不同而变化时，这种光称为非寻常光，简称为e光。o光和e光都是线偏振光，但是，光矢量（电矢量）等振动方向不同。o光的电矢量垂直于自己的主平面，而e光的电矢量则在自己的主平面内振动，如上图所示。在光弹效应和普克尔效应中所说的相位变化，实际上是指这两种光的相位差。,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,五、偏振调制型光纤传感器的应用举例光纤电流传感器 偏振调制型光纤传感器中最典型的例子是高压传输线用光纤电流传感器，其基本原理是前述介绍的法拉第效应（磁光效应）。 当平面偏振光在强度为H的磁场作用下，线偏振光在物质中通过的距离L时电矢量E旋转角为：。如果这个磁场是由长直载流导线产生的，根据安培环路定律： 式中：I 载流导线中的电流强度；r 导线外任一观测点到导线的垂直距离。由此可见，只要根据磁光效应，利用光纤传感器测量出导线,外任一点r的磁场强度H，即可得到导线中的电流I。 为了利用光纤测量导线中的电流，可以将单模光纤绕在载流导线上，形成一个半径为r的螺线管，光纤螺线管的光纤长度为L。在强度为H 的磁场作用下，通过光纤的线偏振光的振动面将会产生的偏转，只要检测出这个偏转角即可知道导线中电流I的大小。,然而，目前直接测量偏振光振动面的偏转角需要借助成套的机电伺服系统，不仅系统繁杂，测量精度也不太高，所以常常采用将偏振光振动面偏转角的信息变换成光的强度后再进行测量。当光纤材料和光纤螺线管确定之后，由激光器出射后经起偏器所形成的线偏振光，经显微目镜耦合通过光纤到达检偏器时的振动面偏转角仅与电流 I 有关（实际上是与电流在半径 r 处所产生的磁场 H 有关）： 设载流导线中的电流 I 为零时，线偏振光振动方向在检偏器处的与 Y轴平行，检偏器P（普通检偏器）的方位为；I 0时的方位为，在 P上的投影（即光探测器的输出信号强度