第6章 光纤传感技术 16 28 51PPT课件

22.05.2020,.,1,引言光纤技术理论的不断完善，光纤制造工艺的日臻成熟，各种类型的光纤元器件逐步商品化，为光纤传感技术的发展奠定了理论基础和物质基础。由于光纤有良好的传输光的特性(衰减系数已达到0.14dB/km)，有比微波高6个数量级的宽频带，再加上光纤本身就是一种敏感元件，光在光纤中传输时振幅、相位、偏振态等将随着检测对象的变化而变化，因此，光纤可以用于制作优良的传感器。而今，光纤传感技术已广泛应用于国防军事、航空航天、工矿农业、能源环保、生物医学、计量测试、自动控制和家用电器等各种领域。,22.05.2020,.,2,6.1.1基本概念光纤是“光导纤维”的简称，是一种介质圆柱光波导.所谓光波导是指把光形式的电磁波能量利用全反射原理约束并引导光波在其内部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质，通常以其截面形状分为平板波导、矩形波导、圆柱波导等。光纤传感器就是利用光纤将待测量对光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行解调检测，从而获得待测量值的一种装置。,6.1光纤技术概述,22.05.2020,.,3,6.1.2光纤的分类光纤的种类很多，从不同的角度出发，有不同的分类，通常有以下四种分类方式：按光纤材料可分为：石英系列光纤；多组分玻璃光纤；氟化物光纤；塑料光纤；液芯光纤；晶体光纤；红外材料光纤等；,22.05.2020,.,4,按传输模式可分为：单模光纤；多模光纤；按工作波长可分为：短波长（0.8-0.9m）光纤；长波长（1.0-1.7m）光纤；超长波长（2m）光纤；按照光纤横截面上折射率的分布可分为：阶跃型（突变型）光纤；渐变型（自聚焦）光纤。,22.05.2020,.,5,6.1.3光纤的结构光纤是由纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝;包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用;纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输;纤芯和包层的相对折射率差=(n1n2)/n1的典型值，一般单模光纤为0.3%0.6%，多模光纤为1%2%。越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。,22.05.2020,.,6,光纤种类繁多，但最重要的也是最基本的有三种：突变型（SI）多模光纤；渐变型（GI）多模光纤；单模（SM）光纤。它们横截面的结构和折射率分布，光线在纤芯传播的路径，以及由于色散引起的输出脉冲相对于输入脉冲的畸变情况比较如下:,22.05.2020,.,7,6.1.4光纤的数值孔径数值孔径是光纤传输光线的重要特征参数，用来计量光纤的受光能力。,22.05.2020,.,8,经过简单的运算，可得：设n0.01，n11.5，得到NA0.21或c12.2NA表示光纤接收和传输光的能力，对于无损耗光纤，在c内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高;纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。,22.05.2020,.,9,6.1.5光纤的连接与耦合1.光纤的连接光纤与光源或探测器耦合时，为了提高耦合效率，光纤端面应该抛光成镜面，且垂直于纤心轴线。进行这种光线端面切割的简便方法是使用光纤切割刀具，切记不可用一般剪钳来切光纤，因为这样会因石英的脆性而断裂成高低不平的断面，无法使用。,22.05.2020,.,10,光纤间的连接分为永久性连接和活动性连接。永久连接一般分为粘接剂连接和热融接两种方式。都需用V型槽或精密套管，将光纤中心对准后加粘结剂使之固化，或者采用二氧化碳激光器或电弧放电等熔融光纤对接，使之连接起来，这种接头损耗可低达0.1dB。,22.05.2020,.,11,2光纤的光耦合光纤的光耦合是指把光源发出的光功率最大限度地输送进光纤中去。这是一个比较复杂的问题，涉及光源发出的光功率的空间分布、光源发光面积、光纤的收光特性和传输特性等等。1）直接耦合所谓直接耦合，就是把一根平端面的光纤直接靠近光源发光面放置。一般耦合效率大约为20%。,22.05.2020,.,12,2）透镜耦合透镜耦合方法可以提高耦合效率，也可能不提高,这里有一个耦合效率准则概念。对于lambet型光源(例如发光二级管)，不管中间加什么样的系统，它的耦合效率不会超过一个极大值:当发光面积Se大于光纤接收面积Sf时，加任何光学系统都没有用，最大耦合效率可以用直接耦合的办法得到。当发光面积小于光纤接收面积时，加上光学系统是有用的，可以提高耦合效率，而且发光面积越小，耦合效率提高越多。,22.05.2020,.,13,光纤端面球透镜耦合柱透镜耦合(最大约50%左右)凸透镜耦合(一般在50%左右)自聚焦光纤(一般在50%左右)圆锥形透镜耦合(数值孔径是平端光纤的an/a1倍。这种耦合效率可高达90%以上。),22.05.2020,.,14,3光纤合光器与分光器,22.05.2020,.,15,6.1.6光纤传感技术光纤在通信技术中用于长距离传递信息，人们很快发现通信质量易受干扰的一个原因是光纤对外界环境因素十分敏感，如强度(振幅)、相位、偏振态、波长(频率)等的变化。这一现象启发人们提出了光纤传感的概念。光纤传感器可以分为传感型与传光型两大类:利用外界物理因素改变光纤中光强度(振幅)、相位、偏振态或波长(频率)，从而对外界因素进行计量和数据传输的，称为传感型(或功能型)光纤传感器。它具有传、感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。传光型(或非功能型)光纤传感器是指利用其它敏感元件测得的物理量，由光纤进行数据传输，关键部件是光转换敏感元件。它的特点是充分利用现有的传感器，便于推广应用。,22.05.2020,.,16,与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点是：抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全；灵敏度高；重量轻、体积小、外形可变；测量对象广泛，如温度、压力、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等；对被测介质影响小；便于复用、便于成网；成本低。,22.05.2020,.,17,6.2.1传光型光纤温度传感器半导体吸收型,6.2光纤温度传感技术,原理：半导体材料的禁带宽度随温度升高几乎线性地变窄，相应的长波限几乎线性地变长，从而使其光吸收场线性地向长波方向平移。显然，其透射光强即随温度升高而线性地减小。,22.05.2020,.,18,传感器原理这种传感器的测量范围是10300，合成标准不确定度可达1。,22.05.2020,.,19,6.2.2传光型光纤温度传感器热色效应型原理：许多无机溶液的颜色随温度而变化，因而溶液的光吸收谱线也随温度而变化，称为热色效应.,22.05.2020,.,20,传感器原理单端反射型该光纤温度传感器的温度测量范围在2550之间，测量不确定度可达0.2，响应时间小于0.5s，特别适用于微波场下的人体温度测量。,22.05.2020,.,21,6.2.3功能型光纤温度传感器光纤温度开关传感器如果光纤纤芯和包层材料折射率随温度变化，且在某一温度下出现交叉时，这种光纤就可用作光纤温度开关传感器。当纤芯折射率大于包层折射率时，光能被集中在纤芯中。当温度升高到两折射率曲线的交叉点时，因纤芯、包层折射率差为0，光能进入包层。温度再升高，纤芯中光能量传输将中断，传感器便发出警报信号。由于传感器是电绝缘的，又不怕强电磁干扰，因此可方便地用于大型发电机、电动机及变压器中进行温度监控。图示是三对这种光纤材料的折射率交叉点情况。,22.05.2020,.,22,6.2.4功能型光纤温度传感器热辐射光纤高温传感器光纤被加热要引起热辐射，热辐射的强度和波长是温度的函数。由于光纤材料的光谱工作范围限制，这类传感器的适用范围在高温区(一般500以上)，因此称为高温传感器。固定黑体腔传感器主要包括三大部分：带黑体腔的高温单晶蓝宝石(-Al2O3)光纤(其熔点温度2050)；传送待测热辐射功率的低温多模光纤；光电数据处理系统.当黑体腔(探头)与待测高温区热平衡时，黑体腔就按照黑体辐射定律发射与待测温度T相对应的电磁辐射.,22.05.2020,.,23,实现光纤高温传感的技术关键是：1)性能稳定的高温光纤及黑体腔的制作;2)适应大动态范围要求的高信噪比电子数据处理系统的精心设计，能够测量极其微弱的7.51012W热辐射信号。该系统在5001800高温范围内，测温精度高达0.1。如果采用光谱校准技术，测温精度可达0.05。,22.05.2020,.,24,6.3光纤压力传感技术,6.3.1传光型光纤压力传感器这种传感器的压力敏感头主要是利用结合膜、波纹管、弹性金属曲管以及双折射光弹盒等元件来实现感知，光纤完成传输光能任务。按照光纤传光方式不同，可分为透射式和反射式两类。,22.05.2020,.,25,1.透射式结构,22.05.2020,.,26,22.05.2020,.,27,6.3.2功能型光纤压力传感器1.微弯式光纤压力传感器微弯光泄漏,22.05.2020,.,28,2.马赫泽德光纤压力传感器为了改善光纤的压力灵敏度：对光纤采取压力增敏和温度去敏措施：一般采用高的杨氏模量及低的体块模量材料(如塑料)，可使其压力灵敏度比裸光纤提高一个数量级以上。同时考虑到对温度去敏，认为聚四氟乙烯是最好的涂覆材料。设计合理的传感头和光纤布线形式。,22.05.2020,.,29,3.偏振型光纤压力传感器,这种传感器采用了高双折射单模保偏光纤，其特点是它的两个正交偏振模式的传播常数相差很大，同时在外界因素影响下相移变化不同。因此，利用这两个模式之间的干涉可以对被测压力进行传感检测。,22.05.2020,.,30,6.4光纤流量流速传感器,流量是一个典型的过程控制参数。6.4.1压差流量传感器这是一种利用光纤压力传感器实现流量测量的传感器。减小流体流过的横截面积，将对流体产生流阻，当流体通过时，产生了压力差，而压力差正比于流量大小.,22.05.2020,.,31,6.4.2光纤激光多普勒速度计,光纤激光多普勒速度计的典型应用是光纤血流计。光学多普勒效应中，运动体散射回光纤中的光学多普勒频移为：,22.05.2020,.,32,位移检测是机械量检测的基础，应用范围非常广泛。从检测机理上讲，与压力传感器是相通的。即只要标定位移与压力间的关系，传感器是可通用的。6.5.1全内反射液位光纤传感器图示是利用全内反射原理而设计的三种液位探测器.其结构特点是：在光纤测头顶端有一个敏感器件。当测头置于空气中，没有接触液面时，光线发生全内反射而返回到探测器。光测头接触液面时，由于液体折射率与空气不同，所以全内反射被破坏，将有部分光透入液体内，使返回探测器的光强变弱。返回光强是液体折射率的线性函数。返回光强突变时，测头已接触到液体.,6.5光纤位移传感器,22.05.2020,.,33,应注意到，光纤液位传感器不能探测污浊液体以及会粘附在测头表面的粘稠物质。,图示是一种改进后的光纤液位测头。因测头表面有倾斜角度，所以不易受油液的污染。这种结构的液位探测器已用于测量卡车油箱的液面高度，并已商品化。,22.05.2020,.,34,6.5.2光纤振动传感器,其基本构型仍是反射式光纤位移传感器。,垂直振动分量测量：,平行振动分量测量：,(其中即使混合有垂直运动也不会引入相位调制),22.05.2020,.,35,6.5.2光纤振动传感器,光纤三维振动传感器系统实例,测量范围：数千Hz到30MHz,22.05.2020,.,36,6.6光纤电磁参量传感器,引言公用电站及一些使用高压电源的场合，电流(磁场)、电压(电场)的监测是极为重要的。在传统的高压电气系统测量中，由于高压绝缘问题而需要付出高昂的代价。激光出现后，人们曾致力于“激光电流互感器”的研究，绝缘问题不再存在，但体积庞大的光学系统使这种互感器至今未能进入实用程度。光纤传感器能解决上述问题，受到广泛重视。,22.05.2020,.,37,6.6.1光纤电压电场传感器1.马赫泽德干涉式光纤电压传感器把一种聚偏二氟乙烯(PvF2)压电材料覆在一根单模光纤上，作为干涉仪测量臂，来敏感电压或电场的变化。PvF2材料在电场作用下产生明显的延伸现象,从而使光纤产生应变，造成光纤模式相位的变化，其相移能力比普通压电陶瓷大10倍以上。同时，这种PvF2材料可直接覆在光纤上，使传感元件在整体结构上形成了一个整体，为实用化提供了可能。,22.05.2020,.,38,2.电光效应光纤传感器常用的电光晶体有铌酸锂(LiNbO3)、硅酸铋(Bi12SiO12)等。线性电光效应(Pokells效应)由下式表示:,待测电压,半波电压,该仪器对275kV架空输电线下方的静电感应电压进行了满意的测量。,22.05.2020,.,39,6.6.2光纤电流传感器1.法拉第(磁致旋光效应)光纤电流传感器,Vd为维尔德常数,因为单模光纤的维尔德常数Vd很小，所以这种传感器适宜于高压大电流的测量，测量范围在0-1000A。,22.05.2020,.,40,2.干涉型光纤电流传感器利用磁致伸缩效应:,22.05.2020,.,41,6.6.3光纤磁场传感器磁场测量与电流测量在原理上是完全一样的，也是利用法拉弟旋转效应和磁致伸缩效应。,22.05.2020,.,42,6.7光纤陀螺(FiberOpticGyroscope),所谓陀螺即旋转速率传感器，光纤陀螺仪是以光导纤维线圈作为敏感元件。光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，具有全固态、无旋转部件和摩擦部件、寿命长、动态范围大、瞬时启动、结构简单、尺寸小、重量轻等优点。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块上精密加工出光路，成本低。,22.05.2020,.,43,发展概况1976年美国UtahStateUniversity首先研制出光纤陀螺仪试验装置，随后，世界各发达国家的科研机构和著名大学都投入了很大人力、物力研究这一有发展前途的新型光纤旋转速率传感器。随着光纤通信技术和光纤传感技术的发展，光纤陀螺仪已经实现了惯性器件的突破性进展。在国外，精度为l/h至0.01/h的工程样机已用于飞行器惯性测量组合装置。美国利顿公司已将0.1/h的光纤陀螺仪用于战术导弹惯性制导系统。新型导航系统FNA2012采用了l/h的光纤陀螺仪和卫星导航GPS美国国防部决定光纤陀螺仪的精度2006年达到0.0001/h，有取代传统的机械陀螺仪的趋势。,22.05.2020,.,44,设一半径为R的环形光路，以角速度绕垂直于光路所在平面并通过环心的轴旋转。环路中的两列光波同时从位置A开始分别沿顺时针(CW)方向和逆时针(CCW)方向相向传播。,6.7.1Sagnac效应,Sagnac效应的基本内容是：当一环光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光路内相向传播的两列光波之间将因光波的惯性运动而产生光程差，从而导致光的干涉，其原理如图所示。,22.05.2020,.,45,设光波在静止环路中传播一周所需时间为t，则t=2R/c，c为环路中的光速。根据惯性运动原理，与环路本身旋转同向的顺时针方向(CW)波列在t时间内超前到达A，经历的光程为：与环路旋转反向的逆时针方向(CCW)波列在t时间内滞后到达A，经历的光程为：顺、逆两波列在环路中传播一周产生的光程差为:,22.05.2020,.,46,令SR2，为环形光路的面积，则：此式说明，在环形光路中相向传播的CW、CCW两光束之间的光程差与环路本身旋转的角速度成正比，比例系数仅与环路面积及光速有关，而与环路中介质无关。如果采用单模光纤构成长度为L的环形光路，则光波渡越环路产生的相位移为:,式中，为光波频率，n为光纤纤芯折射率，co为真空中光速。,22.05.2020,.,47,将上式对L微分，并将L=4S/c代入，可求出与光程差L相应的相位差:外界信号可通过旋转光纤环对光纤中的光束进行相位调制，产生相应的CW、CCW两列光波的相位差。或者也可以说，通过测得两光束形成的相位差而得到旋转体的角速度(旋转速率传感器)。,22.05.2020,.,48,6.7.2光纤陀螺原理光线陀螺实质上就是Sagnac环形光纤干涉仪。其原理如图示。光源L发出的相干光经3dB耦合器(或分束镜)分成光强为1:1的两束光分别从光纤环的两端射入光纤中，在光纤中相向传播回到3dB耦合器汇合相干，干涉条纹经耦合器的另一臂输出至光探测器D检测，即可解调出环路的角速度。为了提高探测灵敏度，可在环路中增绕光纤。设绕N匝光纤，则有:,22.05.2020,.,49,6.7.3光纤陀螺优势,性能稳定，抗干扰能力强，不受载体运动加速度的影响；测量动态范围（比机械陀螺仪）宽；标定因数线性度和稳定性高；输出信号数字化，与计算机结合方便；无高速转动部件，可直接附着于运动载体上。,22.05.2020,.,50,前面所述各种类型光纤传感器的测量对象都是单个被测点。但有一些被测对象往往不是一点，而是呈一定空间分布的场，如温度场、应力场等，为了获得这一类被测对象的比较完整的信息，需要采用分布调制的光纤传感系统。所谓分布调制，就是外界信号场(被测场)以一定的空间分布方式对光纤中的光波进行调制，在一定的测量域中形成调制信号谱带，通过检测(解调)调制信号谱带即可测量出外界信号场的大小及空间分布。,6.8分布式光纤传感器,22.05.2020,.,51,分布式光纤传感器，特别适合于需要同时监测大量位置点甚至是沿着光纤通过的路途连续变化的物理量，譬如建筑物、桥梁、水坝、储油罐等大型结构中应力的监测；再譬如石油钻井平台、飞机、航天器、电力变压器、发电机组、核反应堆等场合应力和温度分布情况的实时监测等。目前，分布式光纤传感系统既是研究的热点领域，同时在许多领域获得了不同程度的应用。根据光纤总线的功能可将分布调制分为本征型和非本征型两类。非本征型分布又称准分布式，实际上是多个分布式光纤传感器的复用技术。,22.05.2020,.,52,6.8.1准分布式光纤传感器准分布式光纤传感的基本原理：将呈一定空间分布的相同调制类型的光纤传感器耦合到一根或多根光纤总线上，通过寻址、解调，检测出被测量的大小即空间分布，光纤总线仅起传光作用。准分布式光纤传感系统实质上是多个分立式光纤传感器的复用系统。根据寻址(定点)方式的不同，可以分为时分复用(TDM)、波分复用(WDM)、频分复用(FDM)、偏分复用(PDM)、空分复用(SDM)等几类，其中时分复用、波分复用和空分复用技术较成熟，复用的点数较多。多种不同类型的复用系统还可组成混合复用网络系统。,22.05.2020,.,53,1.时分复用(TDM)时分复用靠耦合于同一根光纤上的传感器之间的光程差，即光纤对光波的延迟效应来寻址。当一脉宽小于光纤总线上相邻传感器间传输时间的光脉冲自光纤总线的输入端注入时，由于光纤总线上各传感器距光脉冲发射端的距离不同，在光纤总线的终端将会接收到许多个光脉冲，其中每一个光脉冲对应光纤总线上的一个传感器，光脉冲的延时即反应传感器在光纤总线上的地址，光脉冲幅度或波长的变化即反应该点被测量的大小。注入的光脉冲越窄，传感器在光纤总线上的允许间距越小，可耦合的传感器数目越多，对解调系统的要求也越苛刻。,22.05.2020,.,54,2.波分复用(WDM)波分复用通过光纤总线上各传感器的调制信号的特征波长来寻址。由于光波长编码/解编码方式很多，波分复用的结构也多种多样，一种比较典型的波分复用系统如图所示。当宽带光束注入光纤总线时，由于各传感器的特征波长不同，通过滤波/解码系统即可求出被测信号的大小和位置。但由于一些实际部件的限制，总线上允许的传感器数目不多，一般为812个。,22.05.2020,.,55,3.频分复用(FDM)频分复用是将多个光源调制在不同的频率上，经过各分立的传感器汇集在一根或多根光纤总线上，每个传感器的信息即包含在总线信号中的对应频率分量上。图示为频分复用的一种典型结构。采用光源强度调制的频分复用技术可用于光强调制型传感器，采用光源光频调制的频分复用技术可用于光相位调制型传感器。,22.05.2020,.,56,4.空分复用(SDM)空分复用是将各传感器的接收光纤的终端按空间位置编码，通过扫描机构控制选通光开关选址，如图所示。开关网络应合理布置，信道间隔应选择合适，以保证在某一时刻单光源仅与一个传感器的通道相连。空分复用的优点是能够准确地进行空间选址，实际复用的传感器不能太多，以少于10个为佳。,22.05.2020,.,57,6.8.2分布式光纤传感器原理分布式光纤传感器是一种本征型的光纤传感系统，所有敏感点均分布于一根传感光纤上。目前发展比较快的分布方式有两类：1）以光纤的后向散射光或前向散射