光纤传感器课件_9

传感器技术 第七章光纤传感器 7 1纤维光学基础理论 7 2光纤传感器的光源和光电检测器 7 3常用的光纤传感器 7 1纤维光学基础理论 光是一种电磁波 光学理论中 在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间 可用 光线 几何光学 的方法来分析光波的传播现象 一 斯乃尔定理 Snell sLaw 当光由光密物质出射至光疏物质时 发生折射 其折射角大于入射角 即n1 n2时 r i a 数学关系式 b 临界状态 c 全反射 1 光纤的结构 圆柱形纤芯和包层组成 而且内芯的折射率略大于包层的折射率 二 光纤的结构和种类 纤芯位于光纤的中心部位 光主要在这里传输 纤芯和包层之间形成良好的光学界面 光线在这个界面上反射传播 光的全反射实验 2 光纤的种类 光纤按纤芯材料可分为 玻璃光纤 塑料光纤 混合光纤按折射率分布分为 阶跃型光纤 梯度型光纤按传输模式可分为 单模光纤 多模光纤 1 阶跃型光纤和梯度型光纤 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 模 的概念 3 单模光纤和多模光纤a 单模光纤单模光纤纤芯直径仅有几微米 接近光的波长 单模光纤通常是指阶跃光纤中 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 b 多模光纤多模光纤纤芯直径约为50 m 纤芯直径远大于光的波长 通常是指阶跃光纤中 纤芯尺寸较大 传输模数很多的光纤 这类光纤性能较差 带宽较窄 但由于纤芯的截面积大 容易制造 连接耦合比较方便 也得到了广泛应用 2 光纤的种类 1 光纤导光原理及数值孔径NA n0sin i n1sin jn1sin k n2sin rsin i n1 n0 sin jsin k n2 n1 sin r因 j 90 k所以 j i k r A B C D E F G K O O n0 n2 n1 光纤导光示意图 n0为入射光线AB所在空间的折射率 一般为空气 故n0 1 nl为纤芯折射率 n2为包层折射率 当n0 1时 三 光纤的基本指标 入射光线AB与纤维轴线OO相交角为 i 入射后折射 折射角为 j 至纤芯与包层界面C点 与C点界面法线DE成 k角 并由界面折射至包层 CK与DE夹角为 r 则 上式sin i0为 数值孔径 NA NumericalAperture 由于n1与n2相差较小 即n1 n2 2n1 故又可因式分解为 n1 n2 n1称为相对折射率差 当 r 90 的临界状态时 i i0 当 rNA i arcsinNA 光线消失 结论 arcsinNA是一临界角 凡入射角 i arcsinNA的光线进入光纤都不能传播而在包层消失 相反 只有入射角 i arcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播 当 r 90 时 当 r 90 时 光线发生全反射 则 sin i0 NA i0 arcsinNA i i0 arcsinNA 数值孔径是衡量光纤集光性能的一个主要参数 它决定了能被传播的光束的半径孔角的最大值 NA数值越大 光纤的集光能力越强 意义 无论光源发射功率有多大 只有2 i0张角之内的光功率能被光纤接收传播 光纤产品一般不给折射率 只给出NA的值 石英光纤的NA 0 2 0 4大的数值孔径 有利于耦合效率的提高 但数值孔径太大 光信号畸变也越严重 光纤的一大优点 可弯曲性 2 损耗设光纤入射端和出射端的光功率分别为Pi和Po 光纤长度为L Km 则损耗a dB Km 为 1 吸收损耗 光能转变为热能 2 散射损耗 不均匀 尺寸缺陷 3 色散表征光纤传输特性的一个重要参数 在光纤通讯中反映传输带宽 影响通讯信息的容量和质量 多模色散 材料色散和波导结构色散 7 2光纤传感器的光源和光电检测器见课本P251 把被测量的状态转变为可测的光信号的装置 7 3常用的光纤传感器 一 光纤传感器结构原理及分类1 光纤传感器结构原理以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置 见图 a 光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置 见图 b 传统传感器是以机 电测量为基础 而光纤传感器则以光学测量为基础 光纤传感器的基本原理 被测量对光纤传输的光进行调制 使传输光的强度 相位 频率或偏振态随被测量变化而变化 再通过对被调制过的光信号进行检测和解调 从而获得被测参数值 2 光纤传感器的分类按光纤在传感器中的作用 可分为功能型 传感型或物性型 和非功能型 传光型或结构型 两类 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 特点 由于光纤本身是敏感元件 因此加长光纤长度可得很高灵敏度 但技术难度大 结构复杂 调整困难 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 非敏感元件 光照在敏感元件上受被测量调制 优点 无需特殊光纤及其他特殊技术 比较容易实现 成本低 缺点 灵敏度较低 测量精度差 实用化的大都是非功能型的光纤传感器 二 光纤传感器的应用1 光纤位移传感器 光纤位移传感器可分为外调制式和内调制式两类 1 1外调制式位移传感器 透射式位移传感器 采用两根同样芯径的光纤 并将两根光纤的端面靠近装配到一起 光从一根光纤输出 通过两根光纤间微小空隙 进入另一根光纤 1 2内调制式位移传感器 利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式光纤传感器 微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移 从而使光纤发生微弯变形 改变模式锅台 纤芯中的光部分透人包层 造成传输损耗 微弯程度不同 泄漏光波的强度也不同 从而实现了光强度的调制 由于光强与位移之间有一定的函数关系 所以利用微弯效应可以制成光纤位移传感器 理论和实验都已证明 使光纤沿轴向产生周期性微弯时 传播常数为和的模之间就会产生光功率的耦合 波纹板周期的长度 与传播常数间满足下式 He Ne激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤的一端 此光纤没有被复层 数值孔径等于0 22 在变形器前5cm长的光纤上除上黑色涂料 以便消除包层模中的光 变形器由两块有机玻璃波纹板组成 每块波纹板共有5个波纹 每个波纹的长度为3M 变形器的一块波纹板可通过千分表用手动调节的方法使它相对另一块产生位移 另一块板可用压电式变换器产生动态位移 用体积为1cm3的灌满甘油的检测器检测包层模中的光信号 该检测器的6个内表面安装着6个太阳能电池 检测器的直流输出用数字式毫伏表读数 而交流输出用锁相放大器检测 并由记录仪记录放大器的输出 传感器的技术指标 1 灵敏度2 线性度3 噪声4 信噪比 1 3相位干涉式位移传感器 Mach Zehnder光纤干涉仪是应用较为广泛的一种干涉仪 可以用于测量位移 其工作原理如图5 22 外施力可以直接产生传感臂光纤长度L和直径d变化以及折射率n变化 为了改善光纤对压力的传感灵敏度 通常在包层外再涂复一层特殊材料 传感臂上涂复材料具有 增敏 特性 而参考光纤涂复材料对传感量具有 去敏 特性 这样可以有效提高检测信噪比 当光纤表面涂复对其它物理量敏感的材料时 例如磁致伸缩材料 铝导电膜和压电材料等 则可以实现对其它物理量 如磁场 电流 电压等的检测 2 光纤压力和水声传感器 测量压力和水声 通常可以采用反射式或微弯型光强调制光纤传感器 也可以采用相位调制光纤传感器和偏振调制光纤传感器 2 1全内反射光纤压力传惑器 2 2微弯曲光纤水声传感器 2 3动态压力传感器 这种压力传感器的灵敏度极高 有很大的实用价值 尤其适用于微声压的测量 对测量空间尺寸受限场合应用更是优越 它的工作带宽从直流可到20MHz 2 4偏振调制光纤压力和水声传感器 3 光纤应变传感器 采用脉冲传输时间法可以测量自由空间光路的长度 这种方法通过测量光信号到达靶体又反射回来所占用的时间来确定光经过的距离 用光纤做测量光路 传输时间法可适用于任意弯曲光路及其变化的测量 系统的振荡周期为 式中L是光纤长度 Ng c Vg是光纤群速度折射率 el是放大器 鉴别器和导线产生的电延迟时间 如果忽略材料色散 即Ng N 由弹性光学理论可以求得 式中Pij是平均应变光弹系数 是材料的泊松比 4 光纤表面粗糙度传感器 用光纤测量表面粗糙度 主要是利用它对光信导的传输特性 5 光纤加速度传感器 加速度有各种形式 如直线加速度 曲线加速度及振动加速度等 光纤加速度传感器最适合测量微小振动加速度 5 1振动加速度传感器原理 当低频振动时 x与惯性力成比例 即与物体的振动加速度成比例 当振动频率提高到振动子的固有振动频率时 产生共振 这时距离x与加速度不存在比例关系 如果振动频率再进一步提高 重物就停止振动 呈现相对静止状态 只有位移 5 2相位调制光纤加速度传感器 让加速度计的外壳以加速度a垂直向上运动 那么在