光纤传感调制技术

第9章光纤传感调制技术,光纤传感的理论基础,光光效应：多普勒效应萨格纳克效应拉曼和布里渊效应光电效应：外光电效应内光电效应电光效应鲍格鲁斯效应电光克尔效应古亭-鲍鲁底歇效应磁光效应法拉第效应磁光克尔效应科顿-蒙顿效应,(1)光纤的传感器中的作用,功能型非功能型拾光型,(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：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，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,第9章光纤传感调制技术,从光信号调制方式的角度分类，光纤传感器可分为光强调制型、频率调制型、相位调制型及偏振调制型。其中，光强调制型光纤传感器在一般工程测量中因结构简单、测量范围大而应用较多，而在对测量精度要求较高的场所，则采用相位型和偏振型调制光纤传感器。随着科学技术的高速发展，对传感器的精度、稳定性及小型化的要求越来越高。因此，相位调制型及偏振调制型光纤传感器是目前研究和开发的主要对象。,9.1光强调制型光纤传感器,光强调制型光纤传感器是用被测信号调制光强，使探测器接收到的光强随被测信号的变化而变化，这类光纤传感器称为光强调制型光纤传感器。光强调制型光纤传感器具有结构简单，易于实现等优点。常用的类型有：微弯型、蚀刻型、遮光型和缠绕型。,微弯型、,蚀刻型,遮光型,缠绕型,9.1.1,9.1.2,9.1.3,9.1.4,9.1光强调制型光纤传感器,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。其原理如图所示。当一恒定光源的光波IIN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。,9.1.1微弯型,光纤的弯曲能够使光从纤芯射入包层而产生损耗，微弯型光纤传感器就是根据光纤弯曲时纤芯中的光注入包层的原理研制成的，微弯型光纤传感器如图9.1所示。在无外力作用时，光纤输出端光强为一常量；当被测面受外力作用时，将产生变形，光纤的弯曲状况发生变化，光在光纤中传输所经过的路程和入射角发生变化，则光传输时的损耗也发生变化。,图9.1微弯型光纤传感器,微弯效应造成的损耗可写成如下形式：(9.1)式中，K为比例系数；l为齿距；m为齿数目；x为变形幅度；a为纤心半径；b为光纤外半径；为内、外层折射率的差值。在实际问题中，变形器及光纤参数全部固定时，则可以认为(9.2),9.1.2蚀刻型,蚀刻型光纤传感器如图9.2所示。当外力作用在蚀刻后的多模光纤上时，光纤长度的变化将引起折射率和模量系数的变化，进而将引起功耗的变化，此变化大于未蚀刻光纤的功耗的变化，且蚀刻得越深，功耗越多。,图9.2蚀刻型光纤传感器,实验结果表明，光纤长度变化与功耗成正比，光纤长度变化的灵敏度与蚀刻深度成正比。,9.1.3遮光型,遮光型光纤传感器如图9.3所示。遮光型光纤传感器是将发射光纤和输出光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光板上使接收光纤只能接收到发送光纤发出的部分光，从而实现光调制。,图9.3遮光型光纤传感器,9.1.4缠绕型,缠绕型光纤传感器是将传感光纤缠绕在被测物体上或者由两根或多根多模光纤相互缠绕绞合而成的，如图9.4所示。随着被测物体的变形，光纤的曲率、节距都在随之变化，光纤的输出光强随之变化，以此来计算被测量的变化。,图9.4缠绕型光纤传感器,9.1.5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。,9.1.6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。,9.2相位调制型光纤传感器,相位调制型光纤传感器主要是利用光干涉原理来完成信号的检测。由于测试装置的结构和原理不同，相位调制型光纤传感器又有麦克尔逊(Michelson)干涉型、马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉型、塞格纳克(Sagnac)型及法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉型光纤传感器。此外还有相位关系检测的布拉格光栅(Bragg-Grating)型、模间干涉型等光纤传感器。,9.2.1麦克尔逊干涉型光纤传感器,麦克尔逊(Michelson)干涉型光纤传感器的原理图如图9.5所示。,图9.5麦克尔逊干涉型光纤传感器原理图,麦克尔逊(Michelson)干涉型光纤传感器的工作原理：光源(激光器)发出的光经耦合器后分成两路，一路经参考臂（光纤）到达反射镜M1，经M1反射后的光反向传输再经光纤耦合器到达光探测器，这束光称为参考光；另一路经传感臂到反射镜M2，被M2反射的光沿传感臂反向传输经耦合器传输至光探测器，这束光称为信号光。,传感臂放置在被测场，被测量的变化将引起传感光纤的长度发生变化，则光在光纤内部传输时的相位随之变化。当参考光与信号光相遇时将发生干涉，干涉光的相位是被测量的函数，即干涉后光束的相位受被测量的调制。通过光探测器输出的信号经解调可得到被测量。,麦克尔逊干涉型光纤传感器中的干涉光属于两光束干涉，若两束反射光的幅度分别为A1,A2，这两束反射光的相位差为，则光电探测器接收到的光强的数学表达式为(9.3)由于，则(9.4)因此，如果L随被测量变化，则光电探测器输出的电信号随被测量的变化而变化。,这种传感器有两个特点：其一是信号光纤与参考光纤在同一环境中，受环境的影响小；其二是光的发出与接收在同一侧，属单端操作。使用时可放在被测体的内部形成智能结构，也可放在被测体的外部，长期预留。,9.2.2马赫-曾德尔干涉型光纤传感器,马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉型光纤传感器与麦克尔逊干涉型光纤传感器的结构相似，都是由两根光纤(双臂)信号光纤和参考光纤组成，如图9.6所示。,图9.6马赫-曾德尔干涉型光纤传感器原理图,光源发出光后经过光纤耦合器1分两路至参考光纤和信号光纤中。信号光纤中的光信号在传输过程中受被测信号调制成为信号光；参考光纤的光不经过调制直接作为参考光。两束光再次相遇时发生干涉形成干涉光，此干涉光经光电转换变为与被测信号成比例的电信号。,马赫-曾德尔干涉型与麦克尔逊干涉型光纤传感器中的干涉光均属于双光束干涉，由麦克尔逊干涉型光纤传感器得到的干涉光计算公式(9.3)与公式(9.4)可用于马赫-曾德尔干涉型光纤传感器。马赫-曾德尔干涉型与麦克尔逊干涉型光纤传感器的不同点在于：(1)信号光纤可在被测环境中，而参考光纤可在其他环境中；(2)光的发射与接收在传感器的两端，属双端操作。,这种传感器于20世纪80年代被广泛研究。研究结果表明，这种传感器的优点是灵敏度高，且由于它提供了两个输出信号，从而能避免向激光腔的光反馈。但它也具有两个缺点：一是它所用的光纤较多，使用及安装都比较麻烦；二是它需要一个参考光纤，而一般情况下它不和测量光纤安在同一位置，这就使得输入臂与输出臂不对称，从而导致测量的不稳定，环境对其影响较大，限制了这种传感器的应用。,随着研究的不断深入，20世纪90年代涌现出了多种衍生方案，如利用光在双折射单模光纤的快、慢轴上传输速度不同的原理构成传感器，其典型结构如图9.7所示。,图9.7双折射单模光纤马赫-曾德尔传感器,双折射单模光纤马赫-曾德尔传感器的工作原理：它使用了一对双折射单模光纤，当一束正交线性偏振的频率子波被分为两路射入信号光纤和参考光纤，信号臂中1和2子波相位被测量调制。调制后沿信号光纤快轴输出的2子波在光电检测器D1处与参考臂中沿快轴传输的1子波进行光学差拍，同时信号臂中沿慢轴传输的1子波与参考臂中沿慢轴传输的2子波在另一光电检测器D2处差拍，两差拍电流又被送入相位解调器，进而得到被测量的变化规律。其灵敏度较单个的MachZehnder干涉型光纤传感器的灵敏度提高了6倍。缺点是系统复杂，造价高。,9.2.3塞格纳克干涉型光纤传感器,塞格纳克(Sagnac)干涉型光纤传感器的原理图如图9.8所示。激光器输出的光经耦合器后分为两部分，这两束光分别从两端耦合进入一个多匝（多环）单模光纤环，在光纤中相向传播再回到耦合器会合相干，干涉条纹经耦合器的另一臂输出至光探测器检测，即可解调出环路的角速度。,图9.8塞格纳克干涉型光纤传感器原理图,9.2.4法布里-珀罗干涉型光纤传感器,法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉型光纤传感器的特点：采用单根光纤利用多束光干涉来检测被测量。避免了前两种传感器所需双根光纤配对的问题，且比Michelson型光纤传感器更适合于低频率变化信号的测量。因此，这种传感器从20世纪80年代诞生至今一直为主要开发和研究的对象。Fabry-Perot(F-P)型光纤传感器可分为本征、非本征两种。,1本征F-P型光纤传感器如图9.9所示为本征F-P型光纤传感器。,图9.9本征F-P型光纤传感器,这种传感器的传感头的特点为：(1)光纤F-P腔是由一段光纤和两个端面上的反射镜构成的。若两个反射镜的反射率不同，则称为非对称本征F-P干涉腔；若两个反射镜的反射率相同，则称为对称本征F-P干涉腔；(2)构成F-P腔的一段光纤与传光光纤为同一种光纤，便于光纤F-P腔与传光光纤的连接。(3)所设计的F-P腔的性价比高，入射光与诸束出射干涉光在F-P腔的同侧，便于安装使用；,(4)使用一条光纤完成信号光与参考光的传输，使传感器结构简单、体积小、成本低，特别适用于恶劣的监测环境，它的前景十分乐观。,光纤F-P干涉腔是由一段光纤的两个端面上所镀的反射面形成的。这里以非对称本征F-P干涉结构为例，介绍其工作原理，并推导其数学表达式。,光射入光纤F-P干涉腔后反射与折射的示意图如图9.11所示。图中，入射光的振幅为E；频率为；初相为；干涉腔的反射面M1在介质1侧的反射比为，在介质2侧的反射比为r1，r1=；反射面M2在介质2侧的反射比为r2，在介质3侧的反射比为，r2=；由介质1到介质2的透射比为t1，由介质2到介质1的透射比为，由介质2到介质3的透射比为t2。,图9.11光射入F-P腔后的折射与反射,由图9.11可知，反射光（或透射光）中任何两束光的光程差或相位差是相同的，设第一次反射光的初相为，第一束透射光的初相为，任两束光间的相位差为，则反射光合成振幅的复数形式为,(9.5),透射光合成振幅的复数形式为,(9.6),反射光的光强为,(9.7),透射光的光强为(9.8),由于，则式(9.7)和式(9.8)可写为(9.9)(9.10),令，透射光的干涉结果为(9.11)(9.12),式(9.11)与式(9.12)为F-P腔两反射面反射率为任意值时反射光和透射光的数学模型。当时，可近似为两束光干涉，其表达式为(9.13)同理,由于=knL其表达式为,(9.14),2非本征F-P型光纤传感器非本征F-P型光纤传感器如图9.10(a)所示,图9.10非本征F-P型光纤传感器,这种传感器的传感头的特点为：光纤F-P腔是由两段光纤的两个端或一根光纤的一个端面和另一个被测面构成。若两个反射面要平等放置，且一般情况下在两个面上镀上反射率相同反射镜面。由于两个反射面间是空气，故称为非本征F-P干涉(EFPI)。其他特点与本征F-P结构相同。其数学表达式与本征的数学表达式类似，这里不再累述。,随着研究的不断深入，近年来又出现了双F-P腔传感器，其结构如图9.12所示。它可以方便地探测加载方向，具有实用价值。,图9.12双F-P腔传感器结构,这类传感器的缺点是制作工艺难度较大，如光纤端面镀反射镜的加工、传感头中带有反射镜的光纤与光纤的连接等问题目前还无文献详述。尽管如此，它们仍是最有希望被广泛应用的光纤传感器。,在麦克尔逊(Michelson)干涉型、马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉型、塞格纳克(Sagnac)型及法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉型传感器四种干涉结构中，以F-P干涉结构最为简单。,F-P干涉结构的主要优点是：(1)F-P干涉结构只用一根光纤就可以实现传感与传光两种功能，因而光路体积小，调整较为简单；(2)光纤F-P干涉腔是由两个平行反射端面构成的，当入射光进入F-P腔后发生多次反射形成多束反射光与透射光。由于任何两束反射光(或透射光)都满足干涉条件，因此相遇时会发生干涉，且F-P结构的干涉光光强相对于相位差的灵敏度I/比其他干涉结构都高；,(3)F-P结构只有短短的腔体感受外界环境的变化，因此若对腔体合理设计，它的抗干扰能力就会比其他干涉结构高得多；(4)由于F-P结构测量时的灵敏度高，简单的信号处理电路就可满足测试要求，所以整个系统调整简单、价格相对较低。这些特点使F-P干涉型光纤传感器成为当今国际上研究的重点之一。,9.2.5布拉格光栅型光纤传感器,Bragg光栅是应用特殊的技术制作成的纤心折射率周期变化的一段光纤。当光通过光栅时，由于纤心折射率的周期性变化而产生反射。一般说来，除满足Bragg波长条件的入射光外的其他光波均被滤掉。光栅的Bragg波长为(9.15)式中，为折射率变化的周期；ne为纤心的有效折射率。,当和ne中的任一个发生变化时都将引起光栅波长的移动，即(9.16),由式(9.16)可知，当光纤长度产生变化时，则将产生和ne的变化，通过测量的变化就可以得到待测量。,利用Bragg光栅测量应变的结构框图如图9.13所示，它在低频应变扰动下的应变的分辨率为0.006。,图9.13利用Bragg光栅测量应变的结构框图,9.2.6模间干涉型光纤传感器,模间干涉型光纤传感器是近几年出现的新型传感器，它利用光纤中不同模式的光信号的传播速度不同而产生相位差的原理来实现被测信号的检测。设两个不同的传播常数分别为和，传播常数之差为，则光通过长为L的光纤后，模间的相位差为(9.17)模间相位差的变化为(9.18),模间干涉型光纤传感器的典型结构图如图9.14所示。它的特点是仅需要一根光纤，光路简单，对光源的要求不高；但这种传感器需要的电信号处理电路比较复杂，要求在多种信号中选出所需的信号。,图9.14模间干涉型光纤传感器的典型结构图,9.3偏振调制型光纤传感器,光波是横波。光振动的电场矢量E和磁场矢量H和光线传播方向s正交。按照光的振动矢量E、H在垂直于光线平面内矢端轨迹的不同，又可分为线偏振光（又称平面偏振光）、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光。利用光波的这种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利用电光、磁光、光弹等物理效应。在解调过程中应用检偏器。,9.3偏振调制型光纤传感器,偏振调制型传感器能较好地克服马赫-曾德尔干涉型光纤传感器的缺点。偏振调制型传感器中的偏振调制主要是采用光弹效应和光纤的双折射，根据关系式实现被测量的传感。这里，是偏振光的相位，是给定模在光纤中的传播常数，L是光纤测量部分的长度。,(9.19),如图所示，当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高电压，晶体将呈现双折射现象普克耳效应。在晶体中，两正交的偏振光的相位变化：,调制原理,9.3.1普克耳（Pockels）效应,平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面发生偏转，这种现象称为法拉第磁光效应，光矢量旋转角：,9.3.2.法拉第磁光效应光纤,在垂直于光波传播方向施加应力，材料将产生双折射现象，其强弱正比于应力。这种现象称为光弹效应。偏振光的相位变化：,9.3.3.光弹效应,图9.15为偏振调制型光纤传感器的原理图。图中，激光器发出的线偏振光经光学准直器、1/4波片成为圆偏振光，再经透镜聚光后进入光纤。光纤的测量部分与被测面相连（一般采用粘贴或埋入结构）。,图9.15偏振调制型光纤传感器的原理图,由光波导理论可知，作用在光纤上的应变将改变光纤心的折射率，从而改变在光纤输出的圆偏振光的偏振方向。这样，被测对象的应变将使检偏器处光波偏振方向变化，而且可以推得和为线性关系。而检偏器的输出为。I0为光纤输出光强的最大值。显然，光电检测器的输出与结构应变的关系为余弦关系。这种结构的特点也是仅需要一根光纤，但光路相对复杂，它需要起偏器和检偏器。,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fl相对于原频率f0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f0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fl，根据多普勒效应，它们之问有如下关系：(式中c为光速）,9.4频率调制型光纤传感器,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f0，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f0+f或f0-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f0与向后散射光f0+f或f0-f的差拍的拍频f，由此可知流体的的流速。,强度型(振幅型)光纤传感器,反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器结构简单、设计灵活、性能稳定、造价低廉、能适应恶劣环境,在实际工作中得到了广泛应用。反射式光纤位移传感器结构示意图如图6.7(a)所示。由光源发出的光经发射光纤束传输入射到被测目标表面,目标表面的反射光由与发射光纤束扎在一起的接收光纤束传输至光敏元件。,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。其工作原理如图6.7(b)所示:由于