第十二章 光导纤维传感器.ppt

第十二章光导纤维传感器,Fiberopticsensors,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。,12.1概论,一、光纤传感器的特点,二、常用光纤类型及参数,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,常用光纤类型及参数,单模光纤:Mono-modefiber;多模光纤:Poly-modefiber,三、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。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。,光纤,信号处理,光接收器,敏感元件,光发送器,（b）光纤传感器,信号处理,电源,信号接收,敏感元件,（a）传统传感器,导线,由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。,可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。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。光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即A电场E的振幅矢量；光波的振动频率；光相位；t光的传播时间。可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。,传感器,光学现象,被测量,光纤,分类,干涉型,相位调制光纤传感器,干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干涉,电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度,SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PM,aaaaa,非干涉型,强度调制光纤温度传感器,遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜,温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位,MMMMMMSMMMMMMM,bbbbbbb,偏振调制光纤温度传感器,法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应,电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移,SMMMSMMM,b,abbb,频率调制光纤温度传感器,多普勒效应受激喇曼散射光致发光,速度、流速、振动、加速度气体浓度温度,MMMMMM,cbb,注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型,2、光纤传感器的分类,1）功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。,信号处理,光受信器,光纤敏感元件,光发送器,（1）根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。,2）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。,3）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。,信号处理,光受信器,光发送器,光纤,耦合器,被测对象,（2）根据光受被测对象的调制形式形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、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。,2）偏振调制光纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。3）频率调制光纤传感器是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有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；以及利用光致发光的温度传感器等。,4）相位调制传感器其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。通常有利用光弹效应的声、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、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。,光的全反射实验,12.2光纤传感器的基本知识,光的反射、折射,当一束光线以一定的入射角1从介质1射到介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。,光的全反射,当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角c。当入射角小于c时，入射光线将发生全反射。,12.2.1光线理论一、均匀纤芯光纤传光的光线理论,1、子午光线的传播,光纤数值孔径NA:,2、斜光线的传播,最大端面入射角斜子午；,斜光线在纤芯内呈螺旋状全反射折线向前传播；,斜光线与=0的光线时差很大，即斜光线的色散很大，所以斜光线的传输带宽很窄；,二、非均匀纤芯光纤传光的光线理论,包层,非均匀纤芯光纤的折射率分布表示为：n(r)=n(0)f(r)当n(r)满足双曲正割分布时，即：n(r)=n(0)sech(r)不同入射角的子午光线将同周期传播，传播波长为：=2/且光纤内光线的传播轨迹为正弦波，称之为自聚焦光纤,12.2.2波动理论,一、传播模式的定义,光在光纤中传播时电磁场的不同分布形式称为模式。,采用圆柱坐标，各模式的定义如下：,磁场分量:HZ0（轴向）；H=0；Hr=0；电场分量:E0；Er0；EZ=0；m、n分别表示、r方向的波节数，均为整数；,1、TEmn模：,当在轴向即有电场分量又有磁场分量时，称为混合模；电场分量占优势而磁场分量较弱时，记为EHmn模，反之，为HEmn模；,2、TMmn模：,磁场分量:HZ=0；H0；Hr0；电场分量:E=0；Er=0；EZ0（轴向）；,3、HEmn模和EHmn模：,二、特征方程的解,指在一定边界条件下，麦克斯韦方程的解，它是一系列离散值，其大小取决于光纤参数：a,n1,n2,0;,则值为归一化频率的函数。,定义归一化频率：,截止条件：当减小归一化频率值，使得某个模式的值等于2n2/0时，该模式就不能在光纤中传输了，称该模截止了。截止时的值称为该模式的截止频率。,三、截止条件和单模传输,HE11模的截止频率最小，为零；其次为TE01、TM01模的截止频率=2.405;,单模传输:当2.405时，光纤中传输的电磁波只有一个HE11模式，称为单模传输；,当值在2.4053.8范围，特征方程有四个解，既有四个模式在光纤中传播，它们是：HE11、TE01、TM01、HE21,单模光纤：能实现单模传输的光纤；条件为：2.405,单模光纤的直径很小，一般为：510m；多模光纤的直径一般为：50150m；,12.3光纤传感器,一、强度调制型光纤传感器,光源,光探测器,z,光源,光探测器,与光纤耦合的电光与光电转换器件,实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极管。,激光二极管的外形,专用的光纤连接头及光纤插座,光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。,机械应变引起光纤的机械尺寸变化；某些物体内部存在应力时，会产生折射率在不同方向有不同变化的现象；,二、相位调制型光纤传感器（干涉型）,相位变化干涉光强变化检测灵敏度极高，一般可测10-6rad的相位变化,例：1100rad的相位变化（1米光纤），测温分辨率可达10-8；,常见相位调制方法：1、机械应变及光弹性效应,反射镜1光源分光镜反射镜2激光器光探测器,分光镜反射镜1,反射镜2,分光镜,保护管内为高温光纤,低温光纤,光纤温度传感器,氦氖激光器扩束器,单模光纤,2、温度效应温度变化引起光纤的尺寸及折射率变化：,3、磁致伸缩、电致伸缩效应将单模光纤表面镀上磁致伸缩、电致伸缩材料，则当磁场、电场作用于光纤时，使光纤长度变化，从而相位变化；,光探测器,被测温度场,I待测电流信号光纤磁致伸缩管,待测磁场,耦合器,参考光纤,磁敏感臂,信号光纤,激光器,耦合器,光探测器,信号光纤,待测电压U,压电陶瓷PZT,偏振方向转动角度：=VHL式中：V韦德耳系数；H外加磁场强度；L物体的长度；,三、偏振调制型光纤传感器,常见偏振调制方法：,1、法拉第旋光效应,线偏光,磁场,nx=n0+n0E/2ny=n0-n0E/2式中：n0没有外电场时的折射率；系数；相位差：=2n0EL/,2、电光效应,物体在外电场的作用下，其各方向的折射率发生不同的变化,且变化的大小与外加电场成正比；,椭圆偏振光,线偏振光,Z（电场方向）,X,Y,3、光弹性效应指某些物体内部存在应力时，会产生折射率在