第十一章-光纤传感器PPT课件

1、第十一章第十一章 光纤式传感器光纤式传感器 当光纤受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等条件变化时，光纤的传输特性将随之改变，且二者之间存在一定的对应关系，由此便研制出光纤传感器。20世纪70年代初研制出第一根实用光纤后，20世纪80年代已发展了60多种不同的光纤传感器。目前，已研发出测量位移、速度、加速度、压力、温度、流量、电场、磁场等各种物理量的数百种光纤传感器。第1页/共157页第十一章第十一章 光纤式传感器光纤式传感器 光纤传感器的优点如下 ( (1) )具有很高的灵敏度。 ( (2) )频带宽、动态范围大。 ( (3) )可根据实际需要做成各种形状。 ( (4) )可以用

2、很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器，这些物理量包括声场、磁场、压力、温度、加速度、转动( (陀螺) )、位移、液位、流量、电流、辐射等。第2页/共157页第十一章第十一章 光纤式传感器光纤式传感器 ( (5) )便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和控制。 ( (6) )可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。 ( (7) )结构简单、体积小、重量轻、耗能少。第3页/共157页第十一章第十一章 光纤式传感器光纤式传感器11.1 光纤及其传光原理光纤及其传光原理11.2 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的组成及分类11.3 光调制方式光调制方式11.4 光纤式传感

3、器应用举例光纤式传感器应用举例第4页/共157页8.1 光纤及其传光原理光纤及其传光原理 光纤的结构 光纤的传光原理 光纤的主要参数第5页/共157页 光纤的结构光纤的结构 如图所示，中心圆柱体称为纤芯，由某种玻璃或塑料制成。纤芯外围的圆筒形外壳称为包层，通常也是由玻璃或塑料制成。包层外面有涂敷层，之外是一层塑料保护外套。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质，机械强度取决于塑料保护外套。100200 m包层纤芯 涂敷层尼龙外层外层直径1mm第6页/共157页11.1 光纤及其传光原理光纤及其传光原理 光纤的结构 光纤的传光原理 光纤的主要参数第7页/共157页 光纤的传光原理光纤的传光原理 当

4、光线由光密媒质( (折射率n1) )射入光疏媒质( (折射率n2，n1n2) )时，若入射角大于等于临界角f fsin1( (n2/ /n1) )，在媒质界面上会发生全反射现象。 第8页/共157页 光纤的传光原理光纤的传光原理 光在光纤中传播的基本原理可用光线或光波的概念来描述。光线的概念是一个简便、近似方法，可用来导出一些重要概念，如全反射的概念、光线截留的概念等。然而，要进一步研究光的传播理论，将光看作射线就不够了，必须借助波动理论。即需要考虑到光是电磁波动现象以及光纤是圆柱形介质波导等，才能研究光在圆柱形波导中允许存在的传播模式，并导出经常要提到的波导参数( (V值) )等概念。第9页

5、/共157页 光纤的传光原理光纤的传光原理 以阶跃型多模光纤为例，在子午面内光线从空气( (折射率n0) )射入光纤端面，与轴线的夹角为q q0，若入射角小于某一值q qC，光线在纤芯和包层的界面上将发生全反射，光线射不出纤芯，从而能够从光纤的一端传播到另一端，这就是光纤传光的基本原理。第10页/共157页 光纤的传光原理光纤的传光原理由Snell定律得) 1 . 8(sinsin1001nnqq则 )2 . 8(cossinsin111100fqqnnn即即12011010sin1cossinffqnnnn第11页/共157页 光纤的传光原理光纤的传光原理 若要使入射光线在纤芯和包层的界面上

6、发生全反射，由临界角定义，应满足)3 . 8(/sin121nnf代入代入12011010sin1cossinffqnnnn第12页/共157页 光纤的传光原理光纤的传光原理)5 . 8 (11sin222102122010nnnnnnnq 能使光线在光纤内全反射的最大入射角q qC可由上式求得，即 得得第13页/共157页 光纤的传光原理光纤的传光原理)6 . 8(1sin22210CNAnnnq式中，NA称为光纤的数值孔径，它表示当入射光从外部介质射入光纤时，只有入射角小于q qC的光才能在光纤中传播。第14页/共157页11.1 光纤及其传光原理光纤及其传光原理 光纤的结构 光纤的传光原

7、理 光纤的主要参数第15页/共157页 光纤的主要参数光纤的主要参数 1. .数值孔径 定义：光从空气入射到光纤输入端面时，处在某一角锥内的光线一旦进入光纤，就将被截留在纤芯中，此光锥半角( (q qC) )的正弦称为数值孔径。 数值孔径NA是光纤的一个基本参数，反映了光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率，只有入射光处于2q qC的光锥内, 光纤才能导光。一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但数值孔径过大，会造成光信号畸变。第16页/共157页 光纤的主要参数光纤的主要参数 可知，NA与光纤的几何尺寸无关，仅与纤芯和包层的折射率有关，纤芯和包层的折射率差别越大，数值孔径就越大，

8、光纤的集光能力就越强。石英光纤的NA0.20.4。)6 . 8 (1sin22210CNAnnnq由由第17页/共157页 光纤的主要参数光纤的主要参数 2. .光纤的传输模式 根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程，考虑到光纤圆柱形波导和纤芯包层界面处的几何边界条件时，则只存在波动方程的特定( (离散) )解。允许存在的不同的解代表许多离散的沿波导轴传播的波。每一个允许传播的波称为一个模。第18页/共157页 光纤的主要参数光纤的主要参数 光纤传输的光波，可分解为沿轴向和沿横截面传输的两种平面波。因为沿横截面传输的平面波是在纤芯和包层的界面处全反射的，所以，当每一次往返相位变化是2p p的整数倍时

9、，将在截面内形成驻波。能形成驻波的光线称为“模”，“模”是离散存在的，某种光纤只能传输特定模数的光。第19页/共157页 光纤的主要参数光纤的主要参数 实际中常用由麦克斯韦方程导出的归一化频率n n作为确定光纤传输模数的参数。n n的值可以由纤芯半径r、传输光波波长l l及光纤的数值孔径NA确定，即)7 . 8 (2lnNAr第20页/共157页 光纤的主要参数光纤的主要参数当N比较大时，光纤传输的模的总数N近似为)8 . 8()(4/)(2/22梯度型阶跃型nnNn n值小于2.41的光纤，纤芯很细( (5 m mm10 m mm) )，仅能传输基模( (截止波长最长的模式) )，故称为单模

10、光纤。n n值大的光纤传输的模数多，称为多模光纤，通常纤芯直径较粗( (几十m mm以上) )，能传输几百个以上的模。第21页/共157页 光纤的主要参数光纤的主要参数 ( (1) )单模光纤 这类光纤传输性能好，常用于功能型光纤传感器，制成的传感器比多模传感器有更好的线性、更高的灵敏度和动态测量范围。但由于纤芯太小，制造、连接和耦合都很困难。 ( (2) )多模光纤 这类光纤性能较差。但纤芯截面大，容易制造，连接耦合也比较方便。这种光纤常用于非功能型光纤传感器。第22页/共157页 光纤的主要参数光纤的主要参数 3. .传输损耗 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，光功率逐渐下降，这就是光

11、纤的传输损耗。形成光纤损耗的原因很多，光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗，光纤与光源的耦合损耗，光纤之间的连接损耗等，都会造成光信号在光纤中的传播有一定程度的损耗。通常用衰减率A表示传播损耗)dB/km()/lg(1001LIIA第23页/共157页 光纤的主要参数光纤的主要参数 4. .色散 光纤的色散是由于光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度不同而使得传播时间不同，从而产生波形畸变的现象。 当输入光束是光脉冲时，随着光的传输，光脉冲的宽度可被展宽，如果光脉冲变得太宽以致发生重叠或完全吻合，施加在光束上的信息就会丧失。这种光纤中产生的脉冲展宽现象称为色散。

12、第24页/共157页 光纤的主要参数光纤的主要参数常用光纤类型及参数如表所示。类 型折射率分布纤芯直径/ /m mm包层直径/ /mm数值孔径单 模28801250.100.15多模阶跃光纤( (玻璃) )802001002500.10.3多模阶跃光纤( (玻璃/ /塑料) )200100023012500.180.50多模梯度光纤501001251500.10.2第25页/共157页11.1 光纤及其传光原理光纤及其传光原理 光纤的结构 光纤的传光原理 光纤的主要参数第26页/共157页第十一章第十一章 光纤式传感器光纤式传感器11.1 光纤及其传光原理光纤及其传光原理11.2 光纤传感器的

13、组成及分类光纤传感器的组成及分类11.3 光调制方式光调制方式11.4 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例第27页/共157页11.2 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的组成及分类 光纤传感器的基本组成光纤传感器的基本组成 光纤传感器的分类光纤传感器的分类第28页/共157页 光纤传感器的基本组成光纤传感器的基本组成 光纤传感器主要包括光导纤维、光源、光探测器三个重要部件。 光源 分为相干光源( (各种激光器) )和非相干光源( (白炽光、发光二极管) )。实际中，一般要求光源的尺寸小、发光面积大、波长合适、足够亮、稳定性好、噪声小、寿命长、安装方便等。第29页/共157页 光纤传感器的

14、基本组成光纤传感器的基本组成 光探测器 包括光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管、光电池等。光探测器在光纤传感器中有着十分重要的地位，它的灵敏度、带宽等参数将直接影响传感器的总体性能。第30页/共157页8.2 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的组成及分类 光纤传感器的基本组成光纤传感器的基本组成 光纤传感器的分类光纤传感器的分类第31页/共157页 光纤传感器的分类光纤传感器的分类 光纤传感器一般可分为功能型和非功能型两大类。光纤敏感元件光源光源光纤光电元件光电元件测量对象测量对象1. .功能型光纤传感器功能型光纤传感器 功能型光纤传感器又称功能型光纤传感器又称传感型光纤传感器传感型光纤传感器

15、，主要主要使用单模光纤使用单模光纤，基本结构原理如图所示。光纤在这类，基本结构原理如图所示。光纤在这类传感器中传感器中不仅是传光元件不仅是传光元件，而且利用光纤本身的某些而且利用光纤本身的某些特性来感知外界因素的变化特性来感知外界因素的变化，所以它所以它又是敏感元件又是敏感元件。第32页/共157页 光纤传感器的分类光纤传感器的分类 在功能型光纤传感器中，由于光纤本身是敏感元件，因此改变几何尺寸和材料性质可以改善灵敏度。功能型光纤传感器中光纤是连续的，结构比较简单，但为了能够灵敏地感受外界因素的变化，往往需要用特种光纤作探头，使得制造比较困难。第33页/共157页 光纤传感器的分类光纤传感器的

16、分类 2. .非功能型光纤传感器 非功能型光纤传感器又称传光型光纤传感器。它是利用在两根光纤中间或光纤端面放置敏感元件，来感受被测量的变化，光纤仅起传光作用，如图所示。光纤敏感元件光源光源光纤光电元件光电元件测量对象测量对象光纤光纤敏感元件光源光电元件光电元件测量对象测量对象第34页/共157页 光纤传感器的分类光纤传感器的分类 这类光纤传感器可以充分利用现有的性能优良的敏感元件来提高灵敏度。为了获得较大的受光量和传输光的功率，这类传感器使用的光纤主要是数值孔径和芯径较大的阶跃型多模光纤。第35页/共157页 光纤传感器的分类光纤传感器的分类 在非功能型光纤传感器中，也有并不需要外加敏感元件的

17、情况。比如，光纤把测量对象辐射或反射、散射的光信号传播到光电元件。这种光纤传感器也称为探针型光纤传感器，使用单模光纤或多模光纤。典型的例子有光纤激光多普勒速度传感器和光纤辐射温度传感器等。光纤光纤敏感元件光源光电元件光电元件测量对象测量对象第36页/共157页8.2 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的组成及分类 光纤传感器的基本组成光纤传感器的基本组成 光纤传感器的分类光纤传感器的分类第37页/共157页第第8章章 光纤式传感器光纤式传感器8.1 光纤及其传光原理光纤及其传光原理8.2 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的组成及分类8.3 光调制方式光调制方式8.4 光纤式传感器应用举例光纤式传

18、感器应用举例第38页/共157页8.3 光调制方式光调制方式 光纤传感器的工作原理是，通过被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输光的振幅、波长、相位、频率或偏振态等发生变化，再对被调制的光信号进行检测，从而得出相应的被测量。所谓光调制可归结为将一个携带信息的信号叠加到载波光波上的过程。这个过程称为光波的调制，简称光调制。第39页/共157页8.3 光调制方式光调制方式 光调制技术是光纤传感器的基础和关键技术。按调制方式可分为：强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等。而且，同一种光调制方式可以实现多种物理量的检测，同一物理量也可利用多种光调制方式来实现测量。第40页/共157页8.3

19、 光调制方式光调制方式 强度调制强度调制 波长调制波长调制 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 频率调制频率调制 偏振调制偏振调制第41页/共157页 强度调制强度调制 利用被测量直接或间接地改变光纤中传输光的强度，再通过测量光强的变化检测出被测量的方法，称为强度调制，如图所示。Is为外力场强。第42页/共157页 强度调制强度调制 同理，可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

20、白炽灯等非相干光源，探测器一般用光敏二极管、光敏三极管和光电池。第43页/共157页 强度调制强度调制 1. .微弯损耗光强调制 根据模态理论，当光纤受力微弯时，一部分纤芯模式能量会转化为包层模式能量，通过测量包层模式能量或纤芯模式能量的变化就能测出被测量。第44页/共157页 强度调制强度调制 当把多模光纤夹在一个空间周期为L的梳状结构变形器中时，只要适当选择空间周期L和光纤传输模式间的传输常数差，使其相匹配，则变形器位移产生的光纤微弯就会引起各传输模式间的耦合，光能在光纤纤芯中的模式就会转变成耦合模被送进包层中，形成模辐射。第45页/共157页 强度调制强度调制 模态理论表明，当模态理论表

21、明，当纤芯传输模纤芯传输模b b1和和包层传输模包层传输模b b2的传输常数之差为的传输常数之差为)9 . 8(/221Lbbb)10. 8(/2rb时，纤芯传输模与包层传输模之间的耦合最强。在时，纤芯传输模与包层传输模之间的耦合最强。在梯度光纤中梯度光纤中第46页/共157页 强度调制强度调制在阶跃光纤中)11. 8(/2rb)0(2)()0(222nrnnn( (0) )、n( (r) )为距离光纤轴为为距离光纤轴为0和和r处的折射率；处的折射率；r为纤为纤芯半径。芯半径。上面两式中上面两式中第47页/共157页 强度调制强度调制 2. .利用小的线位移和角位移进行光强调制 采用端面为平面

22、的两根光纤，一根为入射光纤，一根为出射光纤，光纤间距约23 m mm。出射光纤相对于入射光纤横向或纵向微小移动或微小转动时，出射光强随之发生变化。SSDDSSDDDD第48页/共157页 强度调制强度调制 3. .利用折射率的变化进行光强调制 当某些物理量( (如温度或压力等) )作用于光纤时，引起光纤的纤芯和包层的折射率发生变化，若包层的折射率变得大于或等于纤芯的折射率，则光在纤芯和包层界面上的全反射遭到破坏，产生输出光强的变化即实现强度调制。第49页/共157页 强度调制强度调制 4. .利用光纤的吸收特性进行光强调制 X射线、g g射线等辐射会使光纤材料的吸收损耗增加，光纤的输出功率降低

23、，从而形成强度调制。由于不同材料对不同的射线敏感，因此改变光纤材料的成分可对不同的射线进行测量。图示是根据这种原理制成的测量辐射量的传感器。光源光纤辐射计射线探测器第50页/共157页8.3 光调制方式光调制方式 强度调制强度调制 波长调制波长调制 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 频率调制频率调制 偏振调制偏振调制第51页/共157页 波长调制 利用外界因素改变光纤中光的波长，通过检测波长的变化来检测各种物理量，称为波长调制。波长调制的解调技术比较复杂，与强度调制技术相比应用较少。常用的波长调制方法有：利用热色物质的颜色变化、利用磷光和荧光光谱的变化、利用黑体辐射、利用滤光器参数的变化和

24、利用位移进行波长调制。第52页/共157页 波长调制 如图所示，是利用位移进行波长调制的原理。光纤线性位移、光栅旋转或衍射板位移都能进行波长调制。由此可以设计出光纤位移传感器。入射光棱镜红光蓝光SDSD衍射板入射光棱镜红光蓝光SD第53页/共157页8.3 光调制方式光调制方式 强度调制强度调制 波长调制波长调制 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 频率调制频率调制 偏振调制偏振调制第54页/共157页 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 1. .相位调制 利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过检测相位变化来测量被测量的方法，称为相位调制。这是光纤传感器中最基本的调制技术，以灵敏度高著称。

25、例如，若信号监测系统可以检测1 m mrad的相移，则每米光纤的检测灵敏度对温度为108 、对压力为107 Pa、对应变为107( (即0.1 meme) )，动态范围可达1010。第55页/共157页 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 理论表明，当真空中波长为l l0的光入射到长度为L的光纤时，若以其入射端面为基准，则出射光的相位为)12. 8(/2/200nLKLnLll)13. 8()(0LnnLK式中式中，K0为光在真空中的传播常数，为光在真空中的传播常数，n为折射率。为折射率。 由此，纤芯折射率由此，纤芯折射率n变化和光纤长度变化和光纤长度L变化导变化导致的光相位变化为致的光相位

26、变化为第56页/共157页 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 当光纤受到纵向( (轴向) )的机械应力作用时，由于应力应变效应，光纤的长度( (应变效应) )、光纤的直径( (泊松效应) )、纤芯折射率( (光弹性效应) )都将变化，这些变化将导致光纤中光波相位的变化。若将光纤放在变化的温度场中，由于温度应变效应，引起光纤的折射率和几何长度的变化也会引起相位变化。第57页/共157页 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 最常用的相位调制方法是在PZT圆管上绕若干圈光纤，并且稍稍拉紧。对单模光纤，当l l633 nm，圆管工作频率远低于机械共振频率时，通过施加70100 V的反转电压可产生

27、2p p弧度的相移。若工作在机械共振频率，相移的调制幅度可增加几个数量级。第58页/共157页 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 图示为带有共轴压电换能器的光纤相位调制器。光纤置于PZT圆管的轴线上，圆管与光纤间充以声学材料( (环氧树脂) )。PZT圆管工作于厚度模式，由圆管薄壁产生的声波会聚于圆管中心，对纤芯施加压力，通过光弹效应使光纤的折射率受到调制。第59页/共157页 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 图示为被覆压电外套的光纤相位调制器。在光纤上被覆一层压电塑料外套，如聚偏二氟乙烯( (PVDF) )，外套的内外表面被覆金属膜作电极。第60页/共157页 相位调制及干涉测量相

28、位调制及干涉测量 2. .干涉测量 目前光探测器对光的相位变化都不敏感，须采用干涉技术将相位变化转化为强度变化，才能够实现对物理量的测量。相位变化将引起干涉条纹的运动，记录干涉条纹移动的数目，就可测得相位的变化，从而测得导致相位变化的物理量，这就是干涉测量的原理。第61页/共157页 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量光纤干涉仪的一般系统结构如图所示。测量光路参考光路输出P1P2LDL激光器；激光器；P1分束器；分束器；P2耦合器；耦合器；D检测器检测器第62页/共157页 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 ( ( 1 ) ) 迈 克 尔 逊 干 涉 仪 基本原理如左图所示。激光波长为6

29、32.8 nm时，可检测平面镜6.31014 m的位移。下图为实际应用。激光器光检测器换能器分束器固定平面镜移动平面镜激光器光探测器激光器信号处理器3 dB耦合器反射的光纤端面换能器(a)(b)第63页/共157页 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量激光器分束器移动平面镜换能器光检测器分束器固定平面镜 ( (2) )马赫曾特尔干涉仪 结构如右图所示。与迈克尔逊干涉仪相比，优点是只有少量或者没有光直接返回激光器，避免了反馈光使激光器不稳定和产生噪声。下图为实际应用。第64页/共157页 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 ( (3) )萨格奈克干涉仪 结构如右图所示。平面镜移动时，两束光的光

30、程不会出现差别。但如果使固定该干涉仪的台子绕着垂直于光束平面的轴旋转，则出现差别。下图为实际应用。第65页/共157页 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量可以求得顺、反时针两光束之间的光程差为4ALc式中，式中，A为光路系统围成的面积，为光路系统围成的面积，c为光速，为光速， 为光路为光路系统旋转的角速度。系统旋转的角速度。 由此可测干涉仪的台子相对于惯性空间的转动角由此可测干涉仪的台子相对于惯性空间的转动角速度。从原理上讲，它是目前许多惯性导航系统所用速度。从原理上讲，它是目前许多惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。第66页/共157页

31、相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 ( (4) )法布里珀罗干涉仪 原理如右图所示。两平行平面镜的反射率通常非常大，一般大于或等于95 %。下图为实际应用。激光器光检测器换能器固定平面镜移动平面镜激光器光探测器激光器光探测器(c)(d)部分透射反射镜第67页/共157页 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 光检测器接收到的电场有一系列电场矢量，在原理上它们的数量是无限的，每一个后续电场矢量都按系数R2递减，这里R是反射系数。设相邻两出射光束间的相位差为q q，可得RTRRFFRTII1)1 (42sin11122220,其中,q第68页/共157页 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 当

32、q q0, ,2p p, ,4p p,时，干涉光强有最大值。当q qp p, ,3p p, ,5p p,时干涉光强有最小值。注意到2minmax11RRII反射率越大，干涉光强变化越明显，分辨率越高。它是能用于现代科学的最灵敏的位移测量装置之一。RTRRFFRTII1)1 (42sin11122220,其中,q第69页/共157页8.3 光调制方式光调制方式 强度调制强度调制 波长调制波长调制 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 频率调制频率调制 偏振调制偏振调制第70页/共157页 频率调制频率调制 利用外界因素改变光纤中光波的频率，通过检测光频率的变化来测量被测量，这种方法称为频率调制。

33、这里光纤本身只作为传光元件，而频率调制多是利用光学多普勒效应来实现的。第71页/共157页 频率调制频率调制 如图所示，S为单色光源，P为运动物体，Q是观察者所处的位置。设物体P的运动速度为u u，运动方向与PS和PQ的夹角分别为q q1和q q2。根据多普勒效应，对于从光源S发出的频率为f的光，在P点观察到的频率f1可表示为)14. 8(cos1)/(1121quuccffSPQuq1q2第72页/共157页 频率调制频率调制 频率为f1的光通过物体P产生散射，在Q处所观察到的频率f2可表示为)158(coscos)cos(cos1)/(1cos1cos1)/(1cos1)/(1212212

34、1222212qquqquuququuquucccfcccfccff第73页/共157页 频率调制频率调制考虑到u u c，则可把双重多普勒频移方程表示为)16. 8()cos(cos11212qqucff第74页/共157页 频率调制频率调制 如图所示，设激光频率为f0，流体流速为u u。根据多普勒效应，光纤接收到的散射光的频率为f0 f或f0 f( (视流向而定) )，由检偏器检出散射光与光纤端面反射光( (参考光) )中振动方向相同的光，探测器检测出二者的差频 f，可知流体的流速。第75页/共157页8.3 光调制方式光调制方式 强度调制强度调制 波长调制波长调制 相位调制及干涉测量相位

35、调制及干涉测量 频率调制频率调制 偏振调制偏振调制第76页/共157页 偏振调制偏振调制 利用外界因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏振态变化( (即偏振面的旋转) )来测量被测量的方法，称为偏振调制。在光纤传感器中，偏振调制主要基于人为旋光现象和人为双折射现象，如法拉第磁光效应、克尔电光效应和光弹效应等。第77页/共157页 偏振调制偏振调制 根据电磁场理论，光波是一种横波；光振动的电场矢量和磁场矢量始终与传播方向垂直。若光波电场矢量的方向在传播过程中保持不变，称为线偏振光。线偏振光电场矢量方向与传播方向组成的面称为线偏振光的振动面。若电场矢量的大小不变，振动方向绕传播轴转动，矢量端点轨迹为

36、圆，称为圆偏振光；如果矢量轨迹为一个椭圆，称为椭圆偏振光。第78页/共157页 偏振调制偏振调制 若自然光在传播过程中受到外界的作用而使各个振动方向上强度不等，使某一方向的振动比其他方向占优势，称为部分偏振光。若外界作用使自然光的振动方向只有一个，称为起偏。利用光波的偏振性质，可以制成偏振调制传感器。注意，关于光的振动方向通常是指电场矢量的方向。第79页/共157页 偏振调制偏振调制 1. .法拉第磁光效应 法拉第磁光效应表明，在磁场作用下，偏振光的振动面发生旋转，旋转的角度q q与光在物质中通过的距离L及磁场强度H成正比，即)17. 8(dLHVq式中，Vd为物质的费尔德常数。第80页/共1

37、57页 偏振调制偏振调制 应用法拉第磁光效应可测量高压大电流。通过高压输电线的电流为I，在高压输电线上绕有N圈光纤。光纤中传输的线偏振光在高压输电线形成的磁场作用下，偏振面旋转的角度为q q。利用q qVdLH可得)18. 8(dNVIq 光纤材料的光纤材料的Vd非常小非常小( (00.0161/ /A) )，用此法测量的电流，用此法测量的电流值可达几十到几值可达几十到几十万安十万安。第81页/共157页 偏振调制偏振调制 2. .克尔电光效应 在与入射光垂直的方向上加高电压，各向同性体便可呈现双折射现象，这种现象即为克尔电光效应。一束入射光变成两束出射光，两束出射光的相位差为)19. 8(

38、22dVLKf入射光压电晶体电极正常光异常光VP电极式中，式中，K为克尔常数。为克尔常数。L为光程，为光程，d为电极间距。为电极间距。第82页/共157页 偏振调制偏振调制 3. .光弹效应 在垂直于光波传播方向上施加应力，材料将会使光产生双折射现象，其折射率的变化与应力有关，这种现象称为光弹效应。利用物质的光弹效应可以构成压力、振动、位移等光纤传感器。第83页/共157页8.3 光调制方式光调制方式 强度调制强度调制 波长调制波长调制 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 频率调制频率调制 偏振调制偏振调制第84页/共157页第第8章章 光纤式传感器光纤式传感器8.1 光纤及其传光原理光纤及

39、其传光原理8.2 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的组成及分类8.3 光调制方式光调制方式8.4 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例第85页/共157页8.4 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例 光纤温度传感器 光纤位移传感器 光纤流量、流速传感器 光纤磁传感器 医用光纤传感器 分布式光纤传感器第86页/共157页8.4 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例 工业用内窥镜 光纤加速度传感器 光纤光栅传感器 光纤层析成像分析技术及应用 光纤纳米生物传感器 光纤传感领域的发展第87页/共157页 光纤温度传感器光纤温度传感器 光纤测温技术是一种新技术，光纤温度传感器是工业中应用最多

40、的光纤传感器之一。按调制原理分为相干型和非相干型两类。在相干型中有偏振干涉、相位干涉以及分布式温度传感器等；在非相干型中有辐射温度计、半导体吸收式温度计、荧光温度计等。第88页/共157页 光纤温度传感器光纤温度传感器 1. .半导体吸收式温度传感器 半导体材料的光吸收和温度的关系曲线如图所示。半导体材料的吸收边波长l lg( (T) )随温度增加而向较长波长方向位移。第89页/共157页 光纤温度传感器光纤温度传感器 若能适当选择发光二极管，使其光谱范围正好若能适当选择发光二极管，使其光谱范围正好落在吸收边的区域，即可做成透射式光纤温度传感落在吸收边的区域，即可做成透射式光纤温度传感器。透过

41、半导体的光强随温度升高而减少。器。透过半导体的光强随温度升高而减少。第90页/共157页 光纤温度传感器光纤温度传感器 图示为双光纤参 考 基 准 通 道 法 半导 体 吸 收 式 光 纤 温度 传 感 器 的 结 构 框图。 光源为光源为GaAlAs发光二极管，测温介质为测量光纤发光二极管，测温介质为测量光纤上的半导体材料上的半导体材料CdTe。参考光纤上面没有敏感材料。参考光纤上面没有敏感材料。采用除法器消除外界干扰，提高测量精度。测温范围采用除法器消除外界干扰，提高测量精度。测温范围在在40 120 之间，精度为之间，精度为1 。第91页/共157页 光纤温度传感器光纤温度传感器 2.

42、.干涉型光纤温度传感器 温度变化能引起光纤中传输的光的相位变化，利用光纤干涉仪检测相位变化即可测得温度。图示是利用马赫曾特尔干涉仪测温的原理图。光通过信号臂产生的相位变化为)20. 8(2nLlf式中，式中，L为感受温度变化的为感受温度变化的光纤段的长度。光纤段的长度。氦氖激光器扩束器分束器显微物镜单模光纤被测温度场光探测器第92页/共157页 光纤温度传感器光纤温度传感器 例8.1 若已知光源波长l l0.6328 m mm，对n1.456的单模石英玻璃光纤，有C/1010ddC/105dd67TnTLL,试计算在试计算在1 m的光纤上，温度每变化的光纤上，温度每变化1 时，将有时，将有几根

43、条纹移动。几根条纹移动。第93页/共157页8.4 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例 光纤温度传感器 光纤位移传感器 光纤流量、流速传感器 光纤磁传感器 医用光纤传感器 分布式光纤传感器第94页/共157页 光纤位移传感器光纤位移传感器 1. .反射强度调制型位移传感器 通过改变反射面与光纤端面之间的距离来调制反射光的强度。Y形光纤束由几百根至几千根直径为几十m mm的阶跃型多模光纤集束而成。它被分成纤维数目大致相等，长度相同的两束。第95页/共157页 光纤位移传感器光纤位移传感器 发送光纤束和接收光纤束在汇集处端面的分布有多种，如随机分布、对半分布、同轴分布( (分为接收光纤在外层

44、和接收光纤在内层两类) )，如图所示。位移MABCD1234XM1随机分布2对半分布3同轴分布4同轴分布发送光纤接收光纤反射光强第96页/共157页 光纤位移传感器光纤位移传感器 反射光强与位移的关系如图所示。可以看出，随机分布时传感器的灵敏度和线性都较好。还可以看出，AB段的灵敏度和线性好，但测量范围小，CD段的斜率小即灵敏度低，但线性范围宽。1随机分布；随机分布；2对半分布；对半分布；3同轴分布；同轴分布；4同轴分布同轴分布位移MABCD1234XM1随机分布2对半分布3同轴分布4同轴分布发送光纤接收光纤反射光强AMB CDM第97页/共157页 光纤位移传感器光纤位移传感器 假设传感器工

45、作在AB段，偏置工作点在M，被测物体的反射面与光纤端面之间的初始距离是M点所对应的距离XM。由曲线可知，随位移增加光强增加，反之则光强减少，故由此可确定位移方向。光纤位移传感器一般用来测量小位移。最小能检测零点几m mm的位移量。这种传感器已在镀层不平度、零件椭圆度、锥度、偏斜度等测量中得到应用，它还可以用来测量微弱振动，而且是非接触测量。第98页/共157页 光纤位移传感器光纤位移传感器 2. .干涉型光纤位移传感器 干涉型光纤位移传感器和反射光强调制型位移传感器相比，测量范围大，测量精度高。 测量位移的迈克尔逊干涉仪如图所示。1234567889101氦氖激光器；2分束器；3扩束镜；4反射

46、镜；5可移动四面体棱镜；6全息照片；7光纤参考臂；8光探测器；9可逆计数器；10光阑第99页/共157页 物光和参考光干涉，在全息干板上形成干涉条纹。如因被测物体位移变化引起四面体移动时，由于光程差变化而使干涉条纹移动，从干涉条纹的移动量可以确定位移的大小。 光纤位移传感器1234567889101氦氖激光器；2分束器；3扩束镜；4反射镜；5可移动四面体棱镜；6全息照片；7光纤参考臂；8光探测器；9可逆计数器；10光阑第100页/共157页8.4 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例 光纤温度传感器 光纤位移传感器 光纤流量、流速传感器 光纤磁传感器 医用光纤传感器 分布式光纤传感器第10

47、1页/共157页 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 1. .光纤涡流流量计 原理如图所示。采用一根横贯液流管的大数值孔径的多模光纤作为传感元件。光纤受到液体涡流的作用而振动，这种振动与液体的流速有关。入射光水管重物斑图dlh第102页/共157页 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 根据流体力学原理，由于光纤不是流线体，在一定条件下，在其下游会产生涡流。这种涡流是在光纤下游两侧产生的有规律的漩涡，称为卡门“涡街”，由于漩涡列之间的相互作用，涡列一般不稳定，但是实验证明，当满足h/ /l0.281时，涡列是稳定的。入射光水管重物斑图dlh第103页/共157页 光纤流量、流速传感器

48、光纤流量、流速传感器 当每个漩涡产生并泻下时，它会在光纤上产生一种侧向力，这样就有一个周期力作用在光纤上，使其振动。野外的电线等在风吹动下会嗡嗡作响，就是这种现象。实验证明，光纤振动的频率由下式得出)23. 8(/dsfu式中，u u为流速；d为光纤直径；s为斯特罗哈数( (无量纲) )，当雷诺数在Re500150000范围内时，对圆柱体s0.2。第104页/共157页 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 当光通过未受扰动的光纤时，如果光纤直径为200 m mm300 m mm，在距离光纤端面约1520 cm的地方可以观察到清晰而稳定的斑图，但它的分布是无规则的。当光纤振动时，这些斑图就

49、会不断地振动，如用光探测器接收斑图的一个小区域，即可通过频谱仪读出光纤振动的频率。由式( (8.23) )算出流速，在管子尺寸一定的条件下，就可得出流量。第105页/共157页 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 这种流量计结构简单而且安全可靠，可用于易燃、易爆及有腐蚀性的液体测量。因为光纤直径很细，对流体的流阻小，对流场几乎没有影响。不足之处是对低速流体不敏感。第106页/共157页 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 2. .光纤多普勒血流传感器 利用多普勒效应可构成光纤速度传感器。由于光纤很细( (外径约几十m mm) )，能装在注射器针头内，插入血管中。又由于光纤速度传感器

50、没有触电的危险，所以用于测量心脏内的血流十分安全。第107页/共157页 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 图示为光纤多普勒血流传感器的原理图。测量光束通过光纤探针进到被测血流中，经直径约7 m mm的红血球散射，一部分光按原路返回，得到多普勒频移信号f f，频移 f为)24. 8(cos2lqunf 式中，式中，u u为血流速度；为血流速度；n为血液的折射率；为血液的折射率；q q为为光纤轴线与血管轴线的光纤轴线与血管轴线的夹角；夹角；l l为激光波长。为激光波长。第108页/共157页光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 另一束进入驱动频率为f140 MHz的布喇格盒( (频移

51、器) )，得到频率为ff1的参考光信号。f1+fff1 将参考光信号与将参考光信号与多普勒频移信号进行多普勒频移信号进行混频，就得到要探测混频，就得到要探测的信号。这种方法称的信号。这种方法称为为光学外差法光学外差法。ff第109页/共157页 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 经光电二极管将混频信号变换成光电流送入频谱分析仪，得出对应于血流速度的多普勒频移谱( (速度谱) )，如右图所示。f1+fff1ff第110页/共157页 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 典型的光纤血流传感器可在01000 cm/ /s速度范围内使用，空间分辨率为100 m mm，时间分辨率为8 ms

52、。光纤血流传感器的缺点是光纤插入血管中会干扰血液流动，另外背向散射光非常微弱，在设计信号检测电路时必须考虑。第111页/共157页8.4 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例 光纤温度传感器 光纤位移传感器 光纤流量、流速传感器 光纤磁传感器 医用光纤传感器 分布式光纤传感器第112页/共157页 光纤磁传感器光纤磁传感器 按工作原理可分为：根据法拉第磁光效应直接实现磁光转换，根据磁致伸缩效应，利用力或其他物理量间接实现磁光转换。 1. .利用法拉第磁光效应的光纤传感器 利用法拉第磁光效应测量磁场的方法很多，如强度调制方式，偏振光度测量方式和外差方式等，这里仅介绍偏振光度测量方式。第113

53、页/共157页 光纤磁传感器光纤磁传感器 偏振光经保偏光纤、自聚焦透镜进入法拉第磁光盒，经多次反射后进入渥拉斯登棱镜，把偏振光变成振动方向相互垂直的两束光。光源保偏光纤法拉第盒PHD1D2- -+ +渥拉斯渥拉斯登棱镜登棱镜第114页/共157页 光纤磁传感器光纤磁传感器 设无磁场时出射光的偏振轴与棱镜的偏振轴夹角为45 ，这样D1和D2光电管接收的光强为)26. 8()45(sin)25. 8()45(cos202201qqIIII式中，q q为偏振面的旋转角度；I0为入射光强；I1、I2为两偏振光的强度。第115页/共157页 光纤磁传感器光纤磁传感器 采用图中的“加”、“减”和“除”法运

54、算后，其输出)27. 8(2sin2121qIIIIP通过测量通过测量P就能确定就能确定q q，利用式，利用式( (8.17) )即可确定即可确定B。第116页/共157页 光纤磁传感器光纤磁传感器 2. .利用磁致伸缩效应的光纤传感器 在磁场作用下，磁性物体的尺寸会发生改变，这种现象即为磁致伸缩效应。光纤磁致伸缩效应传感器是在光纤上涂覆磁致伸缩性能良好的材料薄膜，或者将光纤紧绕在磁致伸缩材料芯棒上。在外磁场作用下，由于磁致伸缩效应，纤芯长度变化及纤芯折射率变化，都会导致光程的相应变化。第117页/共157页 光纤磁传感器光纤磁传感器 图示为结构原理图。其灵敏度与磁性体磁致伸缩效应的强弱、膜厚

55、度和膜长度有关，主要取决于材料的磁致伸缩常数。磁场光源磁性膜光纤参考光纤光检测器电输出第118页/共157页8.4 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例 光纤温度传感器 光纤位移传感器 光纤流量、流速传感器 光纤磁传感器 医用光纤传感器 分布式光纤传感器第119页/共157页 医用光纤传感器医用光纤传感器 在医用领域，用来测量人体和生物体内部医学参量的光纤传感器越来越引起有关方面的关注和兴趣。医用光纤传感器体积小、电绝缘和抗电磁性能好，特别适于身体的内部检测。可以用来测量体温、体压、血流量、pH值等医学参量。光纤多普勒血流传感器已用于薄壁血管、小直径血管、蛙的蛛网状组织，老鼠的视网膜皮层的

56、血流测量等。第120页/共157页 医用光纤传感器医用光纤传感器 1. .医用内窥镜 由于光纤柔软、自由度大、传输图像失真小，引入医用内窥镜后，可以方便的检查人体的许多部位。上图为腹腔镜的剖视图。图像导管直径约3.4 mm。下图为观察部位的照片。第121页/共157页 医用光纤传感器医用光纤传感器 2. .光纤体压计 可用来检测人体各部位的体压，如膀胱、直肠、颅内和心血管等，测量范围通常为040 kPa。 图所为一种医用体压计探针的结构示意图，在探针端部的开孔上安装有对压力敏感的防水薄膜。膜片通过悬臂梁与反射镜相连。 导管光纤束反射镜防水薄膜悬臂梁Pp防水薄膜第122页/共157页8.4 光纤

57、式传感器应用举例光纤式传感器应用举例 光纤温度传感器 光纤位移传感器 光纤流量、流速传感器 光纤磁传感器 医用光纤传感器 分布式光纤传感器第123页/共157页 分布式光纤传感器分布式光纤传感器 分布式传感器是指能同时测量空间多个点甚至空间连续分布的环境参数的传感器。 利用光纤本身特征的功能型光纤可构成性能优良的分布式光纤传感器，特别适于需要同时监测在光纤通过的路途上大量位置处连续变化的物理量，如建筑物、桥梁、水坝、储油罐等大型结构中应力的检测，石油钻井平台、飞机、航天器、电力变压器、发电机组、反应堆等场合应力和温度分布的实时监测等。第124页/共157页 分布式光纤传感器分布式光纤传感器 根

58、据不同的原理，可构成不同的分布式光纤传感器，如利用后向瑞利散射的、利用喇曼效应的、利用布里渊效应的和利用前向传输模耦合的分布式光纤传感技术等。 分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力，其基本特征为第125页/共157页 分布式光纤传感器分布式光纤传感器 分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤； 一次测量就可获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况； 系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值；第126页/共157页 分布式光纤传感器分布式光纤传感器 系统的测量

59、精度与空间分辨力一般存在相互制约关系； 检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比； 由于在检测过程中需要进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间。第127页/共157页 分布式光纤传感器分布式光纤传感器 瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同。光脉冲在光纤中传播时，由于瑞利散射而发生能量损耗，通过检测后向散射光的强度，就可获得衰减程度沿光纤的分布状况，这是一种最简单的分布式传感器，也是光纤通信中查找光缆故障和缺陷定位的一种诊断技术。第128页/共157页 分布式光纤传感器分布式光纤传

60、感器 在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射( (OTDR) )结构来实现被测量的空间定位。依据瑞利散射光在光纤中受到的调制作用，该传感技术可分为强度调制型和偏振态调制型。第129页/共157页 分布式光纤传感器分布式光纤传感器 OTDR原理如图所示。根据后向散射功率的对数斜率a ai是否变化，可知道光纤内是否存在故障点。观测后向散射脉冲的到达时间t，便可测得故障点的位置z。脉冲激光器电子处理系统输入脉冲耦合器探测器输出局部微扰（损耗）连续传感光纤zl n(Ps)斜率i斜率i光纤端面反射t= 2nz/ci第130页/共157页 分布式光纤传感器分布式光纤传感器 式中，c为真空中