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第11章光纤与光纤传感器 一 基础知识光纤传感器光纤传感器 FOSFiberOpticalSensor 是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器 它是光纤和光通信技术迅速发展的产物 它与以电为基础的传感器有本质区别 光纤传感器用光作为敏感信息的载体 用光纤作为传递敏感信息的媒质 因此 它同时具有光纤及光学测量的特点 电绝缘性能好 抗电磁干扰能力强 非侵入性 高灵敏度 容易实现对被测信号的远距离监控 光纤传感器可测量位移 速度 加速度 液位 应变 压力 流量 振动 温度 电流 电压 磁场等物理量 1 结构 两个同轴区 内区称为纤芯 外区称为包层而且内芯的折射率略大于包层的折射率 通常 在包层外面还有一层起支撑保护作用的套层 2 光纤的种类及传输模式根据折射率的变化规律 光纤分为阶跃型和梯度型 传输模式分为单模和多模 光纤的传光原理 返回 3 传光原理 斯乃尔定理 当光由光密物质出射至光疏物质时 发生折射 a 折射角大于入射角 b 临界状态 c 全反射 光纤导光 n0为入射光线AB所在空间的折射率 一般皆为空气 故n0 1 当 r 90 的临界状态时 Sin i定义为 数值孔径 NA NumericalAperture arcsinNA是一个临界角 i arcsinNA 光线进入光纤后都不能传播而在包层消失 i arcsinNA 光线才可以进入光纤被全反射传播 4 光纤的传输特性光纤的衰减 或损耗 和色散 或带宽 是描述光纤传输特性的两个重要参量 衰减的概念由于损耗的存在 在光纤中传输的光信号 不管是模拟信号还是数字脉冲 其幅度都要减小 光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离 1 传输损耗 在光纤内传输的光功率P随距离z的变化 可以用下式表示 式中 是损耗 衰减 系数 设长度为L km 的光纤 输入光功率为Pi 输出光功率应为Po Piexp L 习惯上 的单位用dB km 损耗 衰减 系数 吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的 由材料电子跃迁引起的吸收带发生在紫外 UV 区 7 m 由于SiO2是非晶状材料 两种吸收带从不同方向伸展到可见光区 固有吸收很小 在0 8 1 6 m波段 小于0 1dB km 在1 3 1 6 m波段 小于0 03dB km 光纤中的杂质主要有过渡金属 例如Fe2 Co2 Cu2 和氢氧根 OH 离子 这些杂质是早期实现低损耗光纤的障碍 氢氧根离子 OH 吸收峰在0 95 m 1 24 m和1 39 m波长 其中以1 39 m的吸收峰影响最为严重 散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷 如气泡 引起的散射产生的 结构缺陷散射产生的损耗与波长无关 瑞利散射损耗 R与波长 四次方成反比 可用经验公式表示为 R A 4 瑞利散射系数A取决于纤芯与包层折射率差 当 分别为0 2 和0 5 时 A分别为0 86和1 02 瑞利散射损耗是光纤的固有损耗 它决定着光纤损耗的最低理论极限 如果 0 2 在1 55 m波长 光纤最低理论极限为0 149dB km 2 色散色散 Dispersion 是在光纤中传输的光信号 由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应 色散一般包括模式色散 材料色散和波导色散 模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生的 它取决于光纤的折射率分布 并和光纤材料折射率的波长特性有关 材料色散 是由于光纤的折射率随波长而改变 以及模式内部不同波长成分的光 实际光源不是纯单色光 其时间延迟不同而产生的 这种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 是由于波导结构参数与波长有关而产生的 它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差 单模光纤与多摸光纤的色散 1 单模光纤的色散由于单模光纤只传输一种模式 因而它不存在模间色散 只有模内色散 即材料色散和波导色散 它们分别用色散系数 c和 表示 总色散 c 通常 材料色散比波导色散大两个量级 但是 在零色散区 材料色散与波导色散值大致相当 只是两者符号相反 2 多模光纤的色散对于多模光纤 模间色散通常占主导地位 如果把模间色散平衡掉 则剩下的是材料色散和波导色散 此时 情况与单模传输类似 不同的是这里的波导色散是多模波导色散 在多模光纤中 波导色散与材料色散相比 常常可以忽略 材料色散是材料的折射率随频率变化引起的色散 因此材料色散引起的脉冲展宽与光源谱宽成正比 对于多模渐变型光纤 如果采用激光器 LD 作光源 其谱宽一般为1 2nm 故可忽略材料色散 此时 脉冲展宽主要由模间色散决定 但是 当光源为发光二级管 LED 时 由于其谱宽大约为30 50nm 故增加了材料色散的影响 这时 材料色散和模问色散相比不可忽略 3 光纤色散与带宽的关系光纤色散使输入信号的各波长分量到达终端的群延时不同 因此输出信号或脉冲将发生畸变或展宽 脉冲展宽将限制传输容量或决定最大中继距离 展宽程度可以有延迟时间来表示 反映纤芯接收光量的多少 标志光纤接收性能 意义 无论光源发射功率有多大 只有2 i张角之内的光功率能被光纤接受传播 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 4 抗拉强度5 集光能力 三 光纤传感器的分类及构成光纤传感器分为功能型 非功能型及拾光型 功能型光纤传感器 这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能 光纤不仅起到传光作用 而且在被测对象作用下 如光强 相位 偏振态等光学特性得到调制 调制后的信号携带了被测信息 非功能型光纤传感器 传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介 待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的 光纤的状态是不连续的 光纤只起传光作用 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 其典型例子如光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器等 四 光纤传感器光学测量的基本原理 光就是一种电磁波 光的电矢量E 被测量调制 光的强度 偏振态 矢量B的方向 频率和相位光的强度调制 偏振调制 频率调制或相位调制 1 强度调制型光纤传感器是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 有利用光纤的微弯损耗 各物质的吸收特性 振动膜或液晶的反射光强度的变化 物质因各种粒子射线或化学 机械的激励而发光的现象 以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力 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 输出ID 入射光 强度调制 t 光源 出射光 光探测器 强度调制原理 强度调制 2 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 泡克尔斯效应 3 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 频率调制 主要利用光学多普勒效应实现频率调制 如图 观察者在O处观察到的频率为fs 根据多普勒原理可得 4 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 光信号相位的变化 与温度变化 T的关系为 线膨胀系数 l 光纤的长度 n T 折射率温度系数 n 纤芯平均折射率 0 自由空间光波长 传播常数与纤芯半径的变化率 5 波长调制 波长调制是利用被测量改变光纤中光的波长 再通过检测光波长的变化来测量各种被测量 波长调制的优点是它对引起光纤或连接器的某些器件的稳定性不敏感 因此被广泛应用于液体浓度的化学分析 磷光和荧光现象分析 黑体辐射分析及法布里 珀罗等光学滤波器上 其缺点是解调技术较复杂 但采用光学滤波或双波长检测技术后 可使解调技术简化 透射型半导体光纤温度传感器 半导体的吸收光谱与材料的Eg有关 而Eg却随温度的不同而不同 Eg与温度t的关系可表示为 半导体材料的Eg随温度的上升而减小 亦即其本征吸收波长 g随温度的上升而增大 这个性质反映在半导体的透光性上则表现为 当温度升高时 其透射率曲线将向长波方向移动 若采用发射光谱与半导体的 g t 相匹配的发光二极管作为光源 则透射光强度将随着温度的升高而减小 即通过检测透射光的强度或透射率 即可检测温度变化 半导体透射测量原理 利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式探头结构如图 光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返回 在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收 则出射光强将随温度的变化而变化 膜片反射式光纤压力传感器 Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图 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 1 输出光纤2 输入光纤3 输出光纤4 胶5 膜片 两束输出光的光强之比 A 常数 p 待测量压力 输出光强比I2 I1与膜片的反射率 光源强度等因素均无关 将上式两边取对数 在满足 Ap 2 1时 得到 表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系 若将I1 I2检出后分别经对数放大后 再通过减法器即可得到线性的输出 采用不同的尺寸 材料的膜片 可获得不同的测量范围 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 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 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 球面光纤液位传感器 球面光纤液位传感器 a 探头结构 将光纤用高温火焰烧软后对折 并将端部烧结成球形 光由光纤的一端导入 在球状对折端部一部分光透射出去 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 斜端面光纤液位传感器 斜面反射式光纤液位传感器