第7章 光纤传感检测1.ppt

光纤是20世纪后半叶的重要发明之一 与激光器 半导体检测器一起构成新的光学技术 光纤传感器始于1977年 目前已进入研究与应用并重阶段 光纤传感器 用光纤做为功能材料的传感器以光波为信息载体 以光纤为传输媒质 第七章光纤传感检测技术 2 主要优点 灵敏度高 电绝缘性能好 抗电磁干扰 可挠性强 可实现不带电的全光型探头 频带宽 动态范围大 可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器便于与计算机和光纤传输系统相连 易于实现系统的遥测和控制可用高温 高压 强电磁干扰 腐蚀等恶劣环境 结构简单 体积小 重量轻 耗能少 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 光纤就是光波导纤维的简称 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 5 光纤波导的结构 多层介质结构 1 纤芯 石英玻璃 直径5 75um 材料以二氧化硅为主 掺杂微量元素 2 包层 直径100 200um 折射率略低于纤芯 3 涂敷层 硅酮或丙烯酸盐 隔离杂光 保护 4 尼龙或其他有机材料 提高机械强度 保护光纤 6 7 1 1光纤的光波导原理 光纤的临界角 对应光纤的入射角临界值为 7 渐变光纤的导光原理示意图 在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波 为表示光纤的集光能力大小 定义光纤波导孔径角的正弦值为光纤的数值孔径 NA 即 数值孔径 NA NumericalAperture 当光线在纤芯与包层界面上发生全反射时 相应的端面入射角为光纤波导的孔径角 或端面临界角 即只有光纤端面入射角大于的光线才能在光纤中传播 故光纤的受光区域是一个圆锥形区域 圆锥半锥角的最大值就等于孔径角 数值孔径是衡量光纤集光性能的主要参数 产品光纤通常只给出数值孔径 而不给出折射率 光纤中的模式 FiberMode 电磁波的传播遵从麦克斯韦方程 而在光纤中传播的电磁场根据由光纤结构决定的边界条件 可求得满足波动方程的特定的离散的解 而某一个解代表许多允许沿光纤波导传播的波 每个允许传播的解称为光纤的模式 每个波具有不同的振幅和传播速度 把光波在光纤中的传输当作光线在光纤中的行进来处理只是一种近似 光波是电磁波 光纤为介质波导 应该用电磁波理论来处理 10 光纤中可能传播的模式有横电波 横磁波和混合波 1 横电波TEmn 纵轴方向只有磁场分量 横截面上有电场分量的电磁波 中下标m表示电场沿圆周方向的变化周数 n表示电场沿径向方向的变化周数 2 横磁波TMmn 纵轴方向只有电分量 横截面上有磁场分量的电磁波 3 混合波HEmn或EHmn 纵轴方向既有电分量又有磁场分量 是横电波和横磁波的混合 无论哪种模式 当m和n的组合不同 表示的模式也不同 11 光纤的归一化频率V 归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数目多少而引入的一个特征参数 其定义为 其中 r 是光纤的纤芯半径 是光纤的工作波长 n1和n2 分别是光纤的纤芯和包层折射率 k0 真空中的波数 光纤的相对折射率差 归一化频率越大 光纤所允许传播的模式越多 当V 2 405时 光纤中只允许一个模式传播 即基模 12 传播常数 传播常数 是描述光纤中各模式传输特性的一个参数 光纤中各模式的传输或截止都可以由该参数决定 当 k0n2时 包层中的电磁场不再衰减 而成为振荡函数 这时传导模已不能集中于光纤纤芯中传播 此时的模式称为辐射模 即传导模截止 当 k0n2时 传导模处于临界截止状态 光线在纤芯和包层的界面掠射 光纤通信中信息就是由传导模传送的 传导模的传播常数是限制在纤芯到包层之间的 即 归一化传播常数 k0与归一化频率V的关系曲线 光纤纤芯与包层的折射率差越大 则V越大 随着V的增大 允许存在的模式数目也增加 14 模式特性 当0 V 2 405时 光纤中除主模 或基模 HE11模以外 其余模式均截止 此时可实现单模传输 单模传输条件 多模传输的数目 对于阶跃型光纤 光纤中的传输模式数为对于渐变型光纤 光纤中的传输模式数为 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 2 按照光纤传输的模式分类单模光纤 SingleModeFiber SMF 单模光纤只传输一种模式 纤芯直径较细 通常在8 10 m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 31 m或1 55 m 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 多模光纤 Multi ModeFiber 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50 m或62 5 m 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 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 20 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 22 7 1 3光纤的特性 损耗的定义 当光在光纤中传输时 随着传输距离的增加 光功率逐渐减小 这种现象即称为光纤的损耗 损耗一般用损耗系数 表示 单位 dB km 损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择 信号通过光纤时的损耗和色散是光纤的主要特性 23 损耗的种类 吸收损耗 来源于光纤物质和杂质的吸收作用 散射损耗 光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷 如瑞利散射 其他损耗 如光纤弯曲也引起散射损耗 部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性 24 25 1966年 高锟关于通过提纯光纤原材料来降低损耗的重要论文 以及近些年EDFA光纤放大器的发明在光纤损耗的控制上取得重大成就 早期光纤的损耗非常严重 直到上世纪七十年代以后才有所起色 色散和损耗一样都是影响光信号在光纤中传输的主要因素 损耗主要导致光信号幅度的衰减 是早期限制无中继传输距离的主要因素 随着光纤制备技术的进步 特别是近年来掺饵光纤放大器的实用化有效的补偿光功率的损耗 使损耗已经不再是一个主要的限制因素了 所以光纤的色散特性已经成为光纤最重要的特性指标 色散主要特点是导致光纤中传输的光脉冲展宽 引起信号的畸变 色散概述 27 色散的定义 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时延不同引起的脉冲展宽的物理效应 色散主要影响系统的传输容量 也对中继距离有影响 色散的大小常用时延差表示 时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差 28 色散的种类 模式色散 模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同 使传播时延不同而产生的色散 只有多模光纤才存在模式色散 它主要取决于光纤的折射率分布 材料色散 材料色散是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同产生的色散 取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度 波导色散 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 29 波导色散和材料色散都是模式的本身色散 也称模内色散 对于多模光纤 既有模式色散 又有模内色散 但主要以模式色散为主 梯度型光纤中模式色散大为减少 而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 采用激光光源可有效减小材料色散的影响 30 光纤传感器一般可分为两大类 一类是功能型传感器 FunctionFiberOpticSensor 又称FF型光纤传感器 另一类是非功能型传感器 Non FunctionFiberOpticSensor 又称NF型光纤传感器 7 1 4光纤传感器的分类 光纤传感器是通过对被测量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 31 功能型传感器 利用光纤本身感受被测量变化而改变传输光的特性 光纤既是传光元件 又是敏感元件 一层意思 光纤自身结构参量 尺寸和形状 引起光纤传光特性发生变化 光纤中光波参量受到相应控制 即光纤中传输的光波受到了被测对象的调制 空载波变为调制波而携带被测对象的信息 另一层意思 光纤自身结构参量不变 而光纤中传输光波自身发生某种变化 携带了待测信息 功能型的光纤传感器又称传感型的光纤传感器 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 33 非功能型传感器 利用其他敏感元件感受被测量的变化 光纤仅作为光信号的传输介质 光纤仅作为传输介质 核心部件是光转换敏感元件 一层意思 光转换元件性能变化 引起通过它的光波参量变化 空载波变调制波 携带了待测信息 另一层意思 不采用任何光转换元件 仅由光纤的几何位置排布实现光转换功能 非功能型光纤传感器也称为传光型光纤传感器 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 35 光纤传感器的分类列表 7 2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 光纤传感器的关键技术 37 光波调制技术分类 强度调制相位调制偏振调制频率调制波长调制 强度调制光纤传感器频率调制光纤传感器波长 光谱 调制光纤传感器相位调制光纤传感器偏振调制光纤传感器 光纤传感器分类 按光受被测对象的调制形式 1 强度调制型光纤传感器 一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率 吸收或反射等参数的变化 而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器 如利用光纤的微弯损耗 物质的吸收特性 利用这些现象构成压力 振动 温度 位移 气体等各种强度调制型光纤传感器 优点 结构简单 容易实现 成本低 缺点 受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 40 微弯损耗强度调制器原理 当一对模的传播常数差为时 纤芯传输模与包层辐射模间耦合程度最强 41 光是一种横波 光振动的电场矢量E和磁场矢量H和光线的传播方向s正交 按照光的振动矢量E H在垂直于光线平面内矢量轨迹的不同 又可分为线偏振光 圆偏振光 椭圆偏振光和部分偏振光 偏振调制就是利用光偏振态的变化来传递被测对象的信息 调制原理 普克尔Pockels效应 电光效应 法拉第磁光效应光弹效应解调原理 检偏器 2 偏振调制光纤传感器 42 普克尔效应 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在晶体中 两正交的偏振光的相位变化为 其中 n0 正常折射率 re 电光系数 U 加在晶体片上的横向电压 光波长 L 光传播方向晶体长度 d 电场方向晶体厚度 Pockels效应及应用 43 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 式中V为物质的弗尔德常数 利用法拉第效应可以测量磁场 其测量原理如图所示 44 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关 这被称为光弹效应 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 光弹效应示意图 45 偏振调制的解调原理 渥拉斯顿棱镜解调原理 解偏过程 如图为偏振光分束器 方解石组成 两棱镜光轴垂直 光线垂直入射到No 1 光束不分开 但o光1和e光1速度不同 到达No 2时 光轴垂直 o光1和e光1的角色互换 o光2对应的折射率从n0到ne e光2对应的折射率从ne到n0 ne n0 所以两光束分开 偏振角为 46 偏振角与光分量的关系 偏振角 与光源强度和通道能量衰减无关 只与两分光束的光强有关系 由偏振角 值可推知需要传感的物理量 两光分量对应的振幅分别为 47 相位调制的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用 使敏感元件的折射率或传播常数发生变化 而导致光的相位变化 使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化 通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量 从而得到被测对象的信息 相位解调原理 光外差检测原理 3 相位调制传感器 48 典型干涉测量仪与光纤干涉传感器 常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤实现的干涉型光纤传感器 49 1 迈克尔逊干涉仪 干涉原理 当激光束分得的两光束的光程差小于激光的相干长度时 射到光检测器上的两相干光束即产生干涉 且相位差为 传感器 50 传感器 2 马赫 泽德尔干涉仪 由移动平面镜的位移获得两相干光束的相位差 在光检测器是产生干涉 优点 没有激光返回激光器 噪声小 稳定性好 对干涉影响小 51 3 萨格纳克干涉仪 激光器输出的两束光沿着一条由一个分束器和三个平面镜构成的闭合光路反方向传输 它们重新合路后再入射到光检测器 同时一部分光又返回到激光器 当平台沿垂直于光束平面旋转时 两方向相反的光束到达检测器的延迟不同 从而产生相位变化 若平台以角速度 顺时针旋转时 则在顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光延迟大