4.4 光纤传感器.ppt

4 4光纤传感器 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 光纤传感器 FOSFiberOpticalSensor 是光纤和光通信技术迅速发展的产物 用光作为敏感信息的载体 光纤作为传递敏感信息的媒质 同时具有光纤及光学测量的特点 可根据实际需要做成各种形状 高温 高压 强电磁干扰 腐蚀等恶劣环境 频带宽动态范围大 高灵敏度 便于与计算机和光纤传输系统相连 实现对被测信号的远距离监控 4 4光纤传感器 4 4 1光导纤维的结构和导光原理4 4 2光导纤维的主要参数4 4 3光纤传感器结构原理4 4 4光纤传感器的分类4 4 5光纤传感器的特点4 4 6光纤传感器的应用 4 4 1光导纤维的结构和导光原理 纤芯由某种类型的玻璃或塑料制成 环绕纤芯的包层由特性与纤芯略有不同的玻璃或塑料制成 纤芯的折射率略大于包层的折射率 最外面通常由一层护套包覆 光纤的导光能力取决于纤芯和包层的光学性能 而纤芯的强度则由护套来维持 护套通常由塑料制成 光的反射 折射 当一束光线以一定的入射角 1从介质1射到介质2的分界面上时 一部分能量反射回原介质 另一部分能量则透过分界面 在另一介质内继续传播 光的全反射 当减小入射角时 进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小 将导致折射波只能在介质分界面上传播 对这个极限值时的入射角 定义为临界角 c 当入射角小于 c时 入射光线将发生全反射 斯乃尔定理 Snell sLaw 可见 入射角 i增大时 折射角 r也增大 且始终 r i 当光由光密物质 折射率大 入射至光疏物质时发生折射 如图 a 其折射角大于入射角 即n1 n2时 r i n1 n2 r i之间的数学关系为 n1sin i n2sin r 当 r 90 时 i 90 出射光线沿界面传播如图 b 称为临界状态 这时有式中 i0 临界角 当 i i0并继续增大时 r 90 便发生全反射现象 如图 c 其出射光不再折射而全部反射回来 光在光纤中的全反射 光的全反射实验 4 4 2光导纤维的主要参数 1 数值孔径 NA 2 光纤类型3 传播损耗 n0sin i n1sin j n1sin k n2sin r 又 j 90 k n0为入射光线AB所在空间的折射率 一般为空气 故n 1 nl为纤芯折射率 n2为包层折射率 当n 1时 当 r 90 的临界状态时 i i0 1 数值孔径 NA 1 数值孔径 NA 1 反映纤芯接收光量的多少 标志光纤接收性能 2 数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大 只有2 i张角之内的光功率被光纤接受传播 一般希望光纤有大的数值孔径 这有利于耦合效率的提高 但数值孔径大 光信号将产生大的 模色散 入射光能分布在许多个模式中 各模式的速度不同 导致各个能量分量到达光纤远端的时间不同 信号将发生严重畸变 所以要适当选择 典型的光纤 i 10 2 光纤的种类 光纤按纤芯和包层材料的性质分类 有玻璃光纤和塑料光纤两类 按折射率分有阶跃型和梯度型二种 光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来分 可分为多模光纤和单模光纤两类 多模光纤多用于非功能型 NF 光纤传感器 单模光纤多用于功能型 FF 光纤传感器 2 光纤类型 阶跃折射率光纤 图 a 表示阶跃折射率光纤的折射率从纤芯中央到包层外侧随距离而变化的曲线 在纤芯内折射率不随半径变化而变化 有一恒定值n1 在纤芯 包层界面折射率突然从n1减小到n2 而在整个包层中折射率保持恒定 渐变折射率光纤 图 b 表示渐变折射率光纤的折射率从纤芯中央到包层外侧随距离的分布 这种类型光纤的折射率从纤芯中央开始向外随径向距离增加而逐渐减小 而在包层中折射率保持不变 1 按折射率变化类型分类 阶跃型 光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致 称为多模光纤 梯度型 折射率呈聚焦型 即在轴线上折射率最大 离开轴线则逐步降低 至纤芯区的边沿时 降低到与包层区一样 单模光纤 通常是指阶跃型光纤中的纤芯尺寸很小 通常仅几微米 光纤传播的模式很少 原则上只能传送一种模式的光纤 通常是芯径很小的低损耗光纤 这类光纤传输性能好 常用于干涉型传感器 制成的传感器较多模传感器有更好的线性 更高的灵敏度和动态测量范围 但单模光纤由于纤芯太小 制造 连接和耦合都很困难 多模光纤 通常是指阶跃光纤中纤芯尺寸较大 大部分为几十微米 传播模式很多的光纤 这类光纤性能较差 带宽较窄 但由于芯子的截面大 容易制造 连接耦合也比较方便 这种光纤常用于强度型传感器 2 按传播模式的多少分类 单孔型光纤 单孔型光纤的纤芯直径较小 数微米 接近于被传输光波的波长 光以电磁场 模 的原理在纤芯中传导 能量损失很小 适宜于远距离传输 3 传播损耗 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 l 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 与光纤耦合的电光与光电转换器件 实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极管 激光二极管的与发光二极管的带宽及效率的比较 单模光纤必须采用能发射单一光谱的激光二极管 它在传导过程中的发散损耗较小 稳定性较高 光纤的损耗 光纤在传输信号的过程中损耗应尽量小且稳定 在某些波长上 光纤的损耗非常小 可选择适当波长的电光转换元件与之匹配 4 4 3光纤传感器结构原理 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 光的强度 偏振态 矢量B的方向 频率和相位 4 4 4光纤传感器的分类 注 MM 多模光纤 SM 单模光纤 PM 偏振保持光纤 a 功能型 全光纤型 光纤传感器 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 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 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 无需特殊光纤及特殊技术 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 利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息应用 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 被测对象引起的光频率的变化来进行监测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 4 4 6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 故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 一 温度的检测光纤温度传感器有功能型和传光型两种 1 遮光式光纤温度计下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关 可用于对设定温度的控制 温度设定值灵活可变 1 2 3 4 水银柱式光纤温度开关 1浸液2自聚焦透镜3光纤4水银 下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计 当温度升高时 双金属片的变形量增大 带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化 这种形式的光纤温度计能测量10 50 的温度 检测精度约为0 5 它的缺点是输出光强受壳体振动的影响 且响应时间较长 一般需几分钟 光源 接收 热双金属式光纤温度开关 1 2 1遮光板2双金属片 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 在Y形光纤束前端放置一感压膜片 当膜片受压变形时 使光纤束与膜片间的距离发生变化 从而使输出光强受到调制 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 这种传感器结构简单 体积小 使用方便 但如果光源不稳定或长期使用后膜片的反射率下降 影响其精度 1Y形光纤2壳体3膜片 二 压力的检测 差动式膜片反射型光纤压力传感器 改进型的膜片反射式光纤压力传感器的结构如图 a 这里采用了特殊结构的光纤束 光纤束的一端分成三束 其中一束为输入光纤 两束为输出光纤 三束光纤在另一端结合成一束 并且在端面成同心环排列分布 如图 b 其中最里面一圈为输出光纤束1 中间一圈为输入光纤束 外面一圈为输出光纤束2 当压差为零时 膜片不变形 反射到两束输出光纤的光强相等 即I1 I2 当膜片受压变形后 使得处于里面一圈的光纤束 接收到的反射光强减小 而处于外面一圈的光纤束2接到的反射光强增大 形成差动输出 b 光弹性式光纤压力传感器 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 91 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 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 光纤被夹在一对锯齿板中间 当光纤不受力时 光线从光纤中穿过 没有能量损失 当锯齿板受外力作用而产生位移时 光纤则发生许多微弯 这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中 C 微弯光纤压力传感器 微弯光纤压力传感器 原来光束以大于临界角 C的角度 1在纤芯内传输为全反射 但在微弯处 2 1 一部分光将逸出 散射入包层中 当受力增加时 光纤微弯的程度也增大 泄漏到包层的散射光随之增加 纤芯输出的光强度相应减小 因此 通过检测纤芯或包层的光功率 就能测得引起微弯的压力 声压 或检测由压力引起的位移等物理量 三 反射式光纤位移传感器 根据被测目标表面光反射至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化 由于光纤有一定的数值孔径 当光纤探头端部紧贴被测件时 发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去 接收光纤中无光信号 当被测表面逐渐远离光纤探头时 发射光纤照亮被测表面面积越来越大 于是相应的发射光锥和接收光锥重合面积B1越来越大 因而接收光纤端面上被照亮的B2区也越来越大 有一个线性增长的输出信号 位移 输出信号曲线 当整个接收光纤被全部照亮时 输出信号就达到了位移 输出信号曲线上的 光峰点 光峰点以前的这段曲线叫前坡区 当被测表面继续远离时 由于被反射光照亮的B2面积大于C 即有部分反射光没有反射进接收光纤 还由于接收光纤更加远离被测表面 接收到的光强逐渐减小 光敏输出器的输出信号逐渐减弱 进入曲线的后坡区 如图所示 在位移 输出曲线的前坡区 输出信号的强度增加得非常快 这一区域可以用来进行微米级的位移测量 在后坡区 信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比 可用于距离较远而灵敏度 线性度和精度要求不高的测量 在光峰区 信号达到最大值 其大小取决于被测表面的状态 所以这个区域可用于对表面状态进行光学测量 四 液位 流量 流速的检测1 液位的检测技术 1 球面光纤液位传感器 a 探头结构 光由光纤的一端导入 在球状对折端部一部分光透射出去 而另一部分光反射回来 由光纤的另一端导向探测器 反射光强的大小取决于被测介质的折射率 被测介质的折射率与光纤折射率越接近 反射光强度越小 显然 传感器处于空气中时比处于液体中时的反射光强要大 因此 该传感器可用于液位报警 若以探头在空气中时的反射光强度为基准 则当接触水时反射光强变化 6dB 7dB 接触油时变化 25dB 30dB 2 斜端面光纤液位传感器下图为反射式斜端面光纤液位传感器的两种结构 同样 当传感器接触液面时 将引起反射回另一根光纤的光强减小 这种形式的探头在空气中和水中时 反射光强度差约在20dB以上 3 单光纤液位传感器单光纤液位传感器的结构如图 将光纤的端部抛光成45 的圆锥面 当光纤处于空气中时 入射光大部分能在端部满足全反射条件而返回光纤 当传感器接触液体时 由于液体的折射率比空气大 使一部分光不能满足全反射条件而折射入液体中 返回光纤的光强就减小 利用X形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感器 同样 若在不同的高度安装多个探头 则能连续监视液位的变化 光纤液位传感器 保护管内为高温光纤 低温光纤 光纤温度传感器 2 流量 流速的检测 1 光纤涡街流量计当一个非流线体置于流体中时 在某些条件下会在液流的下游产生有规律的旋涡 这种旋涡将会在该非流线体的两边交替地离开 当每个旋涡产生并泻下时 会在物体壁上产生一侧向力 这样 周期产生的旋涡将使物体受到一个周期的压力 若物体具有弹性 它便会产生振动 振动频率近似地与流速成正比 即式中 v 流体的流速 d 物体相对于液流方向的横向尺寸 s 与流体有