第5章光纤传感器2014

1、光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器本章目的： 掌握光纤传感器工作原理 掌握光纤陀螺的工作原理本章重点：本章重点：v光纤陀螺工作原理光纤陀螺工作原理光纤传感器光纤传感器各种装饰性光导纤各种装饰性光导纤光纤传感器光纤传感器发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。基础知识基础知识 1 光纤结构光纤结构图光纤结构图介质光波导裸光纤1-1-聚乙烯层聚乙烯层 2 2- -聚酯树酯或沥青层聚酯树酯或沥青层 3 3- -钢绞钢绞线层线层 4 4- -铝制防水层铝制防水层 5 5- -聚碳酸酯层聚碳酸酯层6-6-铜管或铝管铜管或铝管 7 7- -

2、石蜡烷烃层石蜡烷烃层 8 8- -光纤束光纤束光缆结构图光缆结构图2.光纤传光原理 斯乃尔定理（斯乃尔定理（Snells LawSnells Law）n1n2ri i(a)(a)光的折射示意图光的折射示意图 rinnsinsin21基础知识基础知识n1n2r ri i (b)(b)临界状态示意图临界状态示意图 1221arcsin90sinsinnnnncii基础知识基础知识基础知识基础知识n1n2r ri i (c)(c)光全反射示意图光全反射示意图12arcsinnnci临界入射角基础知识基础知识 光纤导光原理2201201arcsin()cnnn实现全反射的临界入射角为：实现全反射的临界

3、入射角为：基础知识基础知识 : :定义为光纤的定义为光纤的数值孔径数值孔径，用，用NANA表示，反映纤芯接收光表示，反映纤芯接收光量的多少，是光纤的一个重要参数。量的多少，是光纤的一个重要参数。sinc数值孔径数值孔径NANAnnnccarcsinsin02221有关数值孔径几个重要结论有关数值孔径几个重要结论基础知识基础知识是指光波沿光纤传播的是指光波沿光纤传播的途径和方式途径和方式，不同入射角度光线在界，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同，同，模式值模式值定义为：定义为：光纤模式光纤模式NAa2Va

4、a纤芯半径；纤芯半径； 入射光波长入射光波长基础知识基础知识3.3.光纤分类光纤分类按折射率变化：基础知识基础知识按传播模式分：按传播模式分：单模光纤和多模光纤单模光纤和多模光纤基础知识基础知识单模光纤单模光纤多模光纤多模光纤纤芯直径小纤芯直径小只能传送一种模式只能传送一种模式性能好、畸变小、线性好性能好、畸变小、线性好制造、连接、耦合困难制造、连接、耦合困难需要激光源需要激光源纤芯直径较大纤芯直径较大传播模式较多传播模式较多性能较差，带宽较窄性能较差，带宽较窄制造容易，耦合容易制造容易，耦合容易LEDLED光源光源多模渐变光纤多模渐变光纤多模阶跃光纤多模阶跃光纤基础知识基础知识原因：原因：材

5、料吸收、散射和弯曲处的辐射损耗等。材料吸收、散射和弯曲处的辐射损耗等。定义：定义：每公里光纤对光功率信号的衰减值；每公里光纤对光功率信号的衰减值；表示：表示：(dB/km)(dB/km)式中式中光线损耗光线损耗 ；P Pi i、P Po o分别为光纤输入输出功率分别为光纤输入输出功率长为长为L L的光纤衰耗：的光纤衰耗：10logioPP 衰耗系数衰耗系数 4 4. .光纤特性参数光纤特性参数LA基础知识基础知识定义为：一公里长的光纤，其输出光功率信号下降到其最大值定义为：一公里长的光纤，其输出光功率信号下降到其最大值 的一半时，对应的入射光信号的频率。的一半时，对应的入射光信号的频率。由于光

6、信号是以光功率来度量的，所以其带宽又称为由于光信号是以光功率来度量的，所以其带宽又称为3dB3dB光带宽光带宽。即光功率信号衰减即光功率信号衰减3dB3dB时时, ,输出光功率信号减少一半。输出光功率信号减少一半。 带宽带宽当一个光脉冲从光纤输入，经过一段长度的光纤传输之后，其当一个光脉冲从光纤输入，经过一段长度的光纤传输之后，其输出端的光脉冲会变宽，甚至有了明显的失真，这说明输出端的光脉冲会变宽，甚至有了明显的失真，这说明光纤对光纤对光脉冲有展宽作用光脉冲有展宽作用，即光纤存在着色散。，即光纤存在着色散。 单模光纤：单模光纤：材料色散材料色散、波导色散；、波导色散；多模光纤：多模光纤：模式色

7、散模式色散一般来说，光纤三种色散的大小顺序是：一般来说，光纤三种色散的大小顺序是： 模式色散模式色散 材料色散材料色散 波导色散波导色散 色散色散光纤传感器结构及类型光纤传感器结构及类型1.1.光纤传感器结构光纤传感器结构 光是一种电磁波，其光是一种电磁波，其物理作用物理作用和和生物化学作用生物化学作用主要因其中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量E E 的振动，即的振动，即tsinA AE EA A：电场：电场E E的振幅；的振幅； ：光波的振动频率：光波的振动频率：光相位；：光相位； t t：光的传播时间：光

8、的传播时间被测量调制：被测量调制：光的强度、偏振态（矢量光的强度、偏振态（矢量A A的方向）、频率和相位的方向）、频率和相位解调：解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制光纤传感器结构及类型光纤传感器结构及类型光纤光纤信号处理信号处理光接收器光接收器敏感元件敏感元件光发送器光发送器（b b）光纤传感器）光纤传感器信号处理信号处理电电 源源信号接收信号接收敏感元件敏感元件（a a）传统传感器）传统传感器 导线导线光纤传感器结构及类型光纤传感器结构及类型2.2.光纤传感器类型光纤传感器类型 根据光纤在传感器中的作用根据光纤在传感器中的作用：非功能型

9、、功能型非功能型、功能型和和拾光型拾光型。（1 1）非功能型（或称传光型）光纤传感器：光纤仅起导光作）非功能型（或称传光型）光纤传感器：光纤仅起导光作用，用，只只“传传”不不“感感”。优点：优点：无需特殊光纤及技术，易实现，成本低。无需特殊光纤及技术，易实现，成本低。缺点：缺点：灵敏度较低。灵敏度较低。信号处理信号处理光受信器光受信器敏感元件敏感元件光发送器光发送器光纤光纤光纤传感器结构及类型光纤传感器结构及类型（2 2）功能型（全光纤型）光纤传感器：利用光纤在外界因素）功能型（全光纤型）光纤传感器：利用光纤在外界因素作用下，其光学特性的变化来实现作用下，其光学特性的变化来实现“传传”和和“感

10、感”的功能的功能。 优点：优点：结构紧凑、灵敏度高。结构紧凑、灵敏度高。 缺点：缺点：须用特殊光纤，成本高，须用特殊光纤，成本高， 例子：例子：光纤陀螺、光纤水听器等。光纤陀螺、光纤水听器等。信号处理信号处理光受信器光受信器光纤敏感元件光纤敏感元件光发送器光发送器光纤传感器结构及类型光纤传感器结构及类型（3 3）拾光型光纤传感器：用光纤作为）拾光型光纤传感器：用光纤作为探头探头，接收由被测对象辐，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。射的光或被其反射、散射的光。 典型例子：典型例子：光纤激光多普勒速度计光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器辐射式光纤温度传感器信号信号处理处理光受光受信

11、器信器光发送器光发送器光纤光纤耦合器耦合器被测对象被测对象光纤传感器结构及类型光纤传感器结构及类型 根据光受被测对象的调制形式：根据光受被测对象的调制形式：强度调制型强度调制型、偏振调制型偏振调制型、频频率调制型率调制型和和相位调制型相位调制型。（1 1）强度调制型：）强度调制型：利用被测对象的变化引起敏感元件的利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率折射率、吸收吸收或或反射反射等参数的变化，而导致等参数的变化，而导致光强度变化光强度变化来实现敏感测量。来实现敏感测量。v 应用：应用： 光纤力传感器光纤力传感器：利用微弯损耗利用微弯损耗 分布式辐射传感器：分布式辐射传感器：利用光损耗利用光损耗

12、分布式化学传感器：分布式化学传感器：利用化学染料对光的吸收利用化学染料对光的吸收光纤传感器结构及类型光纤传感器结构及类型（2 2）偏振调制型偏振调制型：采用采用单模光纤单模光纤，利用外界因素改变单模光纤，利用外界因素改变单模光纤中中偏振光的偏振状态偏振光的偏振状态。 v 应用：应用： 电流电流、磁场传感器：、磁场传感器：法拉第效应法拉第效应； 电场、电压传感器：电场、电压传感器：电光效应电光效应； 温度、压力、振动传感器：温度、压力、振动传感器：双折射性双折射性v 优点：优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。光纤传感器结构及类型光纤传感器结构及类型（3

13、3）频率调制光纤传感器：）频率调制光纤传感器：利用由被测对象引起的光利用由被测对象引起的光频率的变化来进行检测的传感器。频率的变化来进行检测的传感器。 手段：手段：通过光学通过光学多普勒效应多普勒效应（声学声学）实现。实现。 光学多普勒效应：光学多普勒效应：当当光源和光探测器都不动光源和光探测器都不动时，光时，光源发出的频率为源发出的频率为fofo的光波，经过运动体散射或反射后，的光波，经过运动体散射或反射后，由探测器接收到的光波频率由探测器接收到的光波频率fsfs发生变化。发生变化。 应用：应用：光纤多普勒测速仪光纤多普勒测速仪光纤传感器结构及类型光纤传感器结构及类型探测器接收运动体反射探测

14、器接收运动体反射的光波频率为：的光波频率为： 1221(coscos)()(coscos)sosovffvfff 由于光源的波长由于光源的波长很短，很短，即使运动体的速度即使运动体的速度v v很很低，仍可以获得较明显低，仍可以获得较明显的多普勒频移的多普勒频移f f。光源光源观测者观测者被测量移动速被测量移动速度度v v被测量被测量21180 光学多普勒效应光学多普勒效应光纤传感器结构及类型光纤传感器结构及类型（4）相位调制型：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。 光波的相位光波的相位 由光波长由光波长o(o(真空真空) )、介质折射率、介质

15、折射率n n及介质及介质长度长度L L决定。决定。 LL2光在光纤的传播常数:/2光在真空中的传播波长:光纤中光纤的传播波长:/00n光纤传感器结构及类型光纤传感器结构及类型v 应用：应用： 测力、测温度、测力、测温度、光干涉仪。光干涉仪。当光纤受到当光纤受到机械力机械力的作用，会使的作用，会使光纤长度、芯径、折射率光纤长度、芯径、折射率等发等发生变化，引起相位的变化。生变化，引起相位的变化。 LLLLLnLrLnr 应变效应应变效应 弹光效应弹光效应 泊松效应泊松效应光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺1. 1. 陀螺仪（陀螺仪（gyroscopegyroscope）原理：原理

16、：一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。受外力影响时，是不会改变的。结构：结构：旋转轴、转旋转轴、转子、支架、子、支架、内环架、外内环架、外环架，三轴环架，三轴作自由运动。作自由运动。机械陀螺（机械陀螺（Mechanical Gyro）光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺特性：定轴性和进动性。定轴性：定轴性：高速旋转，无任何外力矩时，高速旋转，无任何外力矩时，陀螺仪的自转陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固，即指向一个固定的方向；同时反抗任何改变转子轴向的力量。定的方向

17、；同时反抗任何改变转子轴向的力量。进动性：进动性：转子高速旋转，若外力矩作用于外环轴，陀转子高速旋转，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。方向互相垂直。光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺产品：产品：陀螺方向仪、陀螺罗盘、陀螺垂直仪、陀螺垂直仪、速陀螺方向仪、陀螺罗盘、陀螺垂直仪、陀螺垂直仪、速率陀螺仪、陀螺稳定平台、陀螺仪传感器等。率陀螺仪、陀螺稳定平台、陀螺仪传感器等。分类：分类：机械陀螺仪、

18、激光陀螺仪、光纤陀螺仪、机械陀螺仪、激光陀螺仪、光纤陀螺仪、MEMSMEMS陀螺仪陀螺仪应用：应用：飞行器、航空、航海导航，稳定船体，惯性导航，移动飞行器、航空、航海导航，稳定船体，惯性导航，移动便携设备定位。便携设备定位。光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺光纤陀螺光纤陀螺(FOG)(FOG)是一种是一种基于基于SagnacSagnac原理原理的的相位调制型相位调制型光纤角速度传感器光纤角速度传感器，与传统的陀螺相比，它内部没，与传统的陀螺相比，它内部没有机械旋转元件，工作启动时间短，稳定性好，寿有机械旋转元件，工作启动时间短，稳定性好，寿命长，动态范围宽，质量轻，易于微型化，

19、保持着命长，动态范围宽，质量轻，易于微型化，保持着较高的性价比。较高的性价比。2.2.光纤陀螺仪光纤陀螺仪光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺（1 1） SagnacSagnac效应效应萨格纳克效应：萨格纳克效应：在在同一闭合光路同一闭合光路中，中，从从同一光源同一光源发出的两束发出的两束特征相同特征相同的的光，以光，以相反的方向相反的方向进行传播，最后进行传播，最后汇合到同一探测点。汇合到同一探测点。系统静止系统静止无旋转条件下，两束光传输时间无旋转条件下，两束光传输时间相等：相等：光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺旋转条件下旋转条件下: :传输相位差：传输相位

20、差：系统旋转系统旋转系统静止系统静止22RctRR ttcR24()42RLc ttcLRlc 22RctRR ttcR顺时针传输的光线：顺时针传输的光线：逆时针传输的光线：逆时针传输的光线：光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺 SagnacSagnac效应是一种与介质无关的纯空间延迟，光纤折射率对效应是一种与介质无关的纯空间延迟，光纤折射率对SagnacSagnac效应相移没有影响；效应相移没有影响； SagnacSagnac相移仅与闭合光路的面积或者光纤线圈的长度直径乘相移仅与闭合光路的面积或者光纤线圈的长度直径乘积成正比，与

21、闭合光路的形状、旋转轴的位置无关积成正比，与闭合光路的形状、旋转轴的位置无关; ; SagnacSagnac效应产生的相移，由于光速效应产生的相移，由于光速c c(3(310108 8 m/s)m/s)出现在分母出现在分母中，通常其相移很小。中，通常其相移很小。光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺（2)2)光纤陀螺实现原理光纤陀螺实现原理 光纤陀螺本质上是光纤陀螺本质上是一个一个环形干涉仪环形干涉仪，通过采用通过采用多匝光纤多匝光纤线圈线圈来增强相对惯来增强相对惯性空间的旋转引起性空间的旋转引起的的SagnacSagnac效应。效应。光纤陀螺实现原理图光纤陀螺实现原理图 4 Rl

22、Nc IIo(cos()1光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺相位调制与解调技术相位调制与解调技术IIo(cos()1必须使用信号调制解调技术！必须使用信号调制解调技术！光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺按工作原理分：按工作原理分：干涉型光纤陀螺仪干涉型光纤陀螺仪(I(I- -FOG)FOG)，即第一代，应用最广泛。采用，即第一代，应用最广泛。采用多匝光纤圈来增强多匝光纤圈来增强SAGNACSAGNAC效应，整体结构更加复杂；效应，整体结构更加复杂；谐振式光纤陀螺仪谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)(R-FOG)，是第二代，采用环形谐振腔增，是第二代，采用环形谐振腔增

23、强强SAGNACSAGNAC效应，利用循环传播提高精度，可采用较短光纤。效应，利用循环传播提高精度，可采用较短光纤。受激布里渊散射光纤陀螺仪受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)(B-FOG)，第三代光纤陀螺仪比，第三代光纤陀螺仪比前两代又有改进，目前还处于理论研究阶段。前两代又有改进，目前还处于理论研究阶段。( (3 3) )光纤陀螺仪的分类：光纤陀螺仪的分类：光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺按回路类型分：按回路类型分： 开环光纤陀螺开环光纤陀螺和和闭环光纤陀螺闭环光纤陀螺v 开环光纤陀螺开环光纤陀螺: :不带反馈，直不带反馈，直接检测光输出，省去复杂的光接检测光输出，省去

24、复杂的光学和电路结构学和电路结构. .缺点是靠增加缺点是靠增加单模光纤的长度来提高陀螺的单模光纤的长度来提高陀螺的灵敏度，输入一输出线性度差、灵敏度，输入一输出线性度差、动态范围小，主要用作角度传动态范围小，主要用作角度传感器感器 。开环的干涉型光纤陀。开环的干涉型光纤陀螺螺(IOFG)(IOFG)的基本结构是一个环的基本结构是一个环形双光束干涉仪。形双光束干涉仪。光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺系统采用系统采用偏置调制偏置调制提提高信号检测灵敏度；高信号检测灵敏度；采用采用闭环控制闭环控制降低光降低光电检测器工作范围，电检测器工作范围，提高检测精度。提高检测精度。数字闭环光

25、纤陀螺数字闭环光纤陀螺 光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺第一台闭环光纤陀螺（第一台闭环光纤陀螺（First Closed Loop Fiber Optic Gyro）光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺FOGFOG关键技术关键技术FOGFOG微弱信号检测技术微弱信号检测技术光源稳定技术光源稳定技术信号调制解调技术信号调制解调技术传感器的封装与固化技术传感器的封装与固化技术信号处理技术信号处理技术温度抗干扰技术温度抗干扰技术探测器量子噪声极限探测器量子噪声极限1010100ppm100ppm大于动态范围大于动态范围140dB140dB；稳定性稳定性100ppm10

26、0ppm。工作温度工作温度-40-40120120直径直径10cm3cm10cm3cm、抗振动、抗振动、寿命寿命1010年以上。年以上。实时实时DSPDSP；自适应滤波自适应滤波光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺FOGFOG的性能的性能光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺FOGFOG的应用的应用光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺温度瞬态的影响。温度瞬态的影响。理论上，环形干涉仪中的两个反向传播光路是理论上，环形干涉仪中的两个反向传播光路是等长的，但是这仅在系统不随时间变化时才严格成立。实验证明，等长

27、的，但是这仅在系统不随时间变化时才严格成立。实验证明，相位误差以及旋转速率测量值的漂移与相位误差以及旋转速率测量值的漂移与温度的时间导数温度的时间导数成正成正比这是十分有害的，特别是在预热期间。比这是十分有害的，特别是在预热期间。振动的影响。振动的影响。振动也会对测量产生影响，必须采用适当的封装以振动也会对测量产生影响，必须采用适当的封装以确保线圈良好的坚固性，内部机械设计必须十分合理，防止产生确保线圈良好的坚固性，内部机械设计必须十分合理，防止产生共振现象。共振现象。偏振的影响。偏振的影响。现在应用比较多的单模光纤是一种双偏振模式的光现在应用比较多的单模光纤是一种双偏振模式的光纤，纤，光纤的

28、双折射会产生一个寄生相位差光纤的双折射会产生一个寄生相位差，因此需要偏振滤波。，因此需要偏振滤波。消偏光纤可以抑制偏振，但是却会导致成本的增加。消偏光纤可以抑制偏振，但是却会导致成本的增加。(4)光纤陀螺仪存在的技术问题：光纤传感器应用光纤传感器应用- -光纤陀螺光纤陀螺 目前一些发达国家如美、日、德、法、意、俄等在光纤陀螺目前一些发达国家如美、日、德、法、意、俄等在光纤陀螺的研究方面取得较大进步，一些的研究方面取得较大进步，一些中低精度的陀螺中低精度的陀螺实现产品化，少实现产品化，少数高精度产品开始在军方进行装备调试。数高精度产品开始在军方进行装备调试。 美国美国在光纤陀螺的研究方面一直保持领先地位。以在光纤陀螺的研究方面一直保持领先地位。以斯坦福大斯坦福大学和麻省理工大学学和麻省理工大学为代表的科研机构在研究领域中不断取得突破。为代表的科研机构在研究领域中不断取得