第6章光纤传感器

1、第六章 光纤传感器 光纤陀螺光纤陀螺p 传统方法进行多点监测N N 个传感单元个传感单元N N 条信号传输线条信号传输线, ,N N 次校准次校准分布式光纤传感器分布式光纤传感器光纤光栅传感器光纤光栅传感器6.1 技术基础 光纤传感器（Optical Fiber Sensor）是利用光纤技术和有关光学原理，将被测量变化转换成可用输出信号的传感器。p光纤传感技术内涵光纤传感技术内涵n 光为信息载体、光纤为传感或传输手段n 探测光波一种或多种属性的变化： 强度、波长、相位、偏振等n 多学科融合的新一代传感技术p光纤传感的核心技术光纤传感的核心技术n 新型光敏材料是研发新一代光纤传感技术的基础n 新

2、型器件加工制备是推动光纤传感技术发展的关键n 多种技术集成是实现光纤传感技术产业化的要求光纤传感技术特点光纤传感技术特点6.1.1 光纤结构和类型1.光纤结构 光纤（Optical Fiber）由纤芯、包层和护套三部分组成。 包层n2纤芯n1 单模光纤单模光纤 多模光纤多模光纤 稀土掺杂光纤稀土掺杂光纤 保偏光纤保偏光纤 双包层光纤双包层光纤 双芯光纤双芯光纤 光子晶体光纤光子晶体光纤 光敏光纤光敏光纤 塑料光纤塑料光纤 。光纤历史光纤历史2.光纤类型横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a)输入脉冲光线传播路径输出脉冲50 m125mrnAitAot(b)10 m125mrnAi

3、tAot(c)突变型多模光纤（Step-Index Fiber，SIF）渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber，GIF）单模光纤（Single-Mode Fiber，SMF）6.1.2 光纤传输原理光纤传输原理 一、几何光学方法当 c时01111sinsincosnnn数值孔径 NA:临界角c的正弦值 。0112sincos,sinsin90cccNAnnnn221212NAnnn斜射光线的传播 二、波动光学理论 1.光波表述方程2.波动方程和电磁场表达式 xryz包层n2纤芯n120EE2n（）c20HH2n（）c 将上式在圆柱坐标中展开，得到电场的z分量的波动方程为： 222

4、2222211()0zzzzzEEEEnErrrrzc3.模式求解方程的数值计算结果如图所示 横坐标的V称为归一化频率，图中每一条曲线表示一个传输模式的随V的变化。 22122 aVnn低阶模式和相应的V值范围见表所示。V 值范围 低阶模式 02.405 LP01 HE11 2.4053.832 LP11 HE21 TM01 TE01 3.8325.520 LP02 HE12 5.5207.016 LP12 HE22 TM02 TE02 7.0168.654 LP03 HE13 8.65410.173 LP13 HE23 TM03 TE03 HE11HE21TE01TM01电场磁场1）导模）导

5、模导模的结构有三种形式：横电模 电场强度矢量集中在光纤横截面上，在纵轴方向上无电场强度分量，只有磁场强度分量。横磁模 磁场强度矢量集中在光纤横截面上，在纵轴方向上无磁场强度分量，只有电场强度分量。混合模mnTE、mnTM、mnEH、mnHE、2）漏模）漏模 漏模的场分布特点是：在纤芯内为传播场的光波，其场功率可透过一定厚度的“隧道”泄漏到包层之中。3）辐射模）辐射模 辐射模在纤芯和包层之中均为传播场，光纤失去了对光波场功率的限制作用。6.1.3 光纤的传输特性光纤的传输特性1.光纤色散l模式色散l材料色散l波导色散2.光纤损耗吸收损耗散射损耗光纤辐射损耗损耗曲线 0.010.050.10.51

6、510501000.81.01.21.41.6实验波导缺陷紫外吸收瑞利散射红外吸收波长 / m损耗 / (dBkm1) 大曲率半径弯曲：是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲（如在敷设时）。大曲率半径的弯曲光纤比直光纤中传输的模数量要少，有一部分模辐射到光纤外引起损耗。 微弯曲：光纤微弯曲将使光纤中产生模式耦合，耦合模不能在纤芯中传播，而将泄漏到包层中去，从而造成能量的辐射损耗。6.1.4 光纤传感器的结构与分类一、光纤传感器的结构 光纤传感器由光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。 光的电矢量E的振动特性： 式中：A为电场E的振幅矢量；为光波的振动频率；为光波的相位；t为光的传播

7、时间。sinEAt二、光纤传感器的光纤传感器的分类1.根据光纤在传感器中的作用分类功能型（全光纤型）光纤传感器非功能型(或称传光型)光纤传感器拾光型光纤传感器2.根据光受被测对象的调制形式分类 传感器光学现象被测量光纤强度调制光纤传感器遮光板遮断光路温度、振动、压力、加速度、位移多模半导体透射率的变化温度多模荧光辐射、黑体辐射温度多模光纤微弯损耗振动、压力、加速度、位移多模振动膜或液晶的反射振动、压力、位移多模气体分子吸收气体浓度多模光纤泄漏膜液位多模相位调制光纤传感器干涉（磁致伸缩）电流、磁场单模、偏振保持干涉（电致伸缩）电场、电压单模、偏振保持Sagnac效应角速度单模、偏振保持光弹效应振

8、动、压力、加速度、位移单模、偏振保持干涉温度单模、偏振保持偏振调制光纤传感器法拉第效应电流、磁场单模泡克尔斯效应电场、电压多模双折射变化温度单模光弹效应振动、压力、加速度、位移多模频率调制光纤传感器多普勒效应速度、流速、振动、加速度多模受激喇曼散射气体浓度多模光致发光温度多模6.2 强度调制型光纤传感器定义： 强度调制型光纤传感器是利用外界因素改变光纤中光的强度，通过测量光强的变化来测量外界物理量。类型： 内调制：光膜式外调制：反射式、透射式、折射率和吸收系数 内调制型：也称为光模式强度调制，利用的是光纤的微弯损耗。 微弯损耗：当光纤之间的状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模

9、变成了辐射模，从而引起损耗。6.2.1.内调制型光纤传感器光纤微弯压力传感器原理图 光纤的微弯变型函数：式中：D(t)为为外界信号导致的弯曲幅度 ；z为变形点到光纤入射端的距离；f为与波纹周期间隔对应的空间频率。 )sin()()(fztDzF 微弯损耗系数的一阶近似表达式式中：K为比例系数；L为光纤产生微弯变形部位的长度；为光纤中光波传播常数差。222241/)(/)sin()(LfLfLtKD与光纤波状弯曲幅度D(t)的平方成正比，即光纤微弯幅度越大，模式耦合越严重，光能辐射越强，损耗越大。与光纤微弯部位长度L成正比，发生微弯的部位越长，耦合越严重，但不如微弯幅度影响显著。随光纤微弯周期(

10、或空间频率)而变化，当f=时产生谐振，微弯损耗最大，即调制最灵敏。 相位匹配条件为：/|.2光纤的最佳微弯周期为：对于阶跃折射率分布光纤，g=，有 21210212ggmMag).(.)(/mMa.0对于渐变折射率分布光纤，g=2，有：a206.2.2 外调制型光纤传感器外调制型光纤传感器 反射式强度调制 透射式强度调制 折射率强度调制 光吸收系数强度调制一、反射式强度调制反射式强度调制型光纤传感器的特点：结构简单、应用范围广。RIM-FOS光强调制系数不但与光纤到反射面的距离、反射面的斜度有关，而且与光纤的数值孔径(NA)、芯径、光纤的数目及端面排列方式等密切相关，其光强调制特性的数学建模比

11、较复杂。抗干扰能力差。环境光干扰、光源的功率波动、光纤的特性变化、被测面的反射率变化等是影响传感器精度和稳定性的主要因素。双光路强度检测系统 二、透射式强度调制动光纤式光强度调制结构 遮光屏截断光路法。 三、折射率强度调制 利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变化； 利用折射率的变化引起渐逝波耦合度变化； 利用折射率变化引起光纤光强反射系数改变。 1.光纤折射率变化型2.渐逝场型 光在某一界面发生全反射时，在光疏介质中仍存在电磁场，其强度按指数规律迅速衰减，透射深度一般约为几个波长，这种现象称为渐逝场。受抑全反射光纤传感器衰减全反射光纤传感器功能型渐逝场光纤传感器 3.反射系数型 当被测量引起介

12、质折射率发生化时，光纤或其它光学元件(如棱镜)的反射端面的反射系数随被测参数而变化，反射光强发生相应变化。 四、光吸收系数强度调制1.利用光纤的吸收特性进行强度调制2.利用半导体的吸收特性进行强度调制6.2.3 强度调制型光纤传感器的信号检测微弯传感器的系统构成(亮场)微弯传感器的系统构成(暗场)应用一：微弯光纤高压传感器 微弯传感器阵列(暗场)6.3 相位调制型光纤传感器 应力应变效应 温度应变效应 Sagnac效应等1.应力应变效应10 110110 112()()Lk Lk nLnLknLLnk nLLn6.3.2 光纤相位调制光纤相位调制机理1.应力应变效应LL2aaLnnLLLLLL

13、 式中：321333231232221131211321PppPppPPPBBB231/,2/iiiiiBnBnn 对于石英材料制成的，可视为均匀、各向同性的介质。3个基本轴方向的折射率ni 都可近似为n 有：iinnB32 )(23121121131PPPnn)(23121121132PPPnn2231111233PPnn纵向应变引起的相位变化径向应变引起的相位变化弹光效应引起的相位变化nLknLk03011211200)(21)(PPndadnkaLnk21)(21312211211230PnPPnLnk一般形式的相位变化对于单模光纤，m=1；单模石英光纤由泊松效应引起的相位变化约为总量的

14、0.026% 32/122111220.21.)4(11.)4()1(211aamamPPnLnk031112202)1(211LnPPnLnk其中：)1(21111122PPn2.温度效应)(0dTdLndTdnLkT3121121123)(211.1.1PPPnTTnndTdLLndTdnnT3.萨古纳克（Sagnac）效应 环形光路的情况 根据相对论式中：C为真空中的光速；V为介质运动的速度21(1)CvVnn8 ANC相位调制方法6.3.2 基于光纤相位调制的干涉基于光纤相位调制的干涉测量光纤迈克尔逊干涉仪 马赫泽德干涉仪 萨古纳克干涉仪 法布里泊罗干涉仪 应用二：温度检测)(0dTd

15、LndTdnLkT3121121123)(211.1.1PPPnTTnndTdLLndTdnnT应用：荧光光纤温度传感器 应用三、悬臂梁测试装置 6.4 偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器 法拉第效应原理 直线方向辐射的极化光射入置于磁场中的光敏感器，此磁场的磁场强度 H 的方向与极化光相并行。当极化光在光敏感器行径一段距离 L 后到达光敏感器出口时，会偏转一角度。此偏转角的大小与磁场强度 H 成正比 2VLV HdlVHLIR 应用：光纤电流传感器 利用电磁感应原理测量电流利用电磁感应原理测量电流 构成：包括高压侧部分，光纤传输部分构成：包括高压侧部分，光纤传输部分和低压侧部分和低压侧

16、部分 利用磁致伸缩效应测量电流利用磁致伸缩效应测量电流 原理：原理：利用法拉第效应（利用法拉第效应（Faraday Effect）测量）测量电流电流ABB公司：光纤电流传感器 测量高达500KA电流，精度为0.1%基于泡克耳斯效应的偏振调制光纤传感器 VVVdln302 系统图 6.5 光纤传感器的应用一、分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术 利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度方向连续利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度方向连续的传感被测量（如温度、压力、应力和应变等）的传感被测量（如温度、压力、应力和应变等） 光纤既是传感介质，又是被测量的传输介质。光纤既是传感介质，又是被测量的传

17、输介质。 优点：优点：可在很大的空间范围内连续的进行传感，是其突出可在很大的空间范围内连续的进行传感，是其突出优点。优点。传感和传光为同一根光纤，传感部分结构简单，使传感和传光为同一根光纤，传感部分结构简单，使用方便。用方便。与点式传感器相比，单位长度内信息获取成本大大与点式传感器相比，单位长度内信息获取成本大大降低，性价比高。降低，性价比高。分布式光纤传感器的特征参量分布式光纤传感器的特征参量 空间分辨率空间分辨率指分布式光纤传感器对沿光纤长度分布的被测量进指分布式光纤传感器对沿光纤长度分布的被测量进行测量时所能分辨的最小空间距离。行测量时所能分辨的最小空间距离。 时间分辨率时间分辨率指分布

18、式光纤传感器对被测量监测时，达到被测量指分布式光纤传感器对被测量监测时，达到被测量的分辨率所需的时间。的分辨率所需的时间。 被测量分辨率被测量分辨率指分布式光纤传感器对被测量能正确测量的程度。指分布式光纤传感器对被测量能正确测量的程度。 以上三个分辨率之间有相互制约的关系。以上三个分辨率之间有相互制约的关系。102102典型的分布式光纤传感器典型的分布式光纤传感器 相位调制型传感器相位调制型传感器Mach-ZehnderMach-Zehnder干涉式传感器干涉式传感器SagnacSagnac干涉式传感器干涉式传感器 散射型传感器散射型传感器布里渊散射型光纤传感器布里渊散射型光纤传感器拉曼散射型

19、光纤传感器拉曼散射型光纤传感器103103(1)M-Z干涉型光纤传感器用作分布式振动传感干涉型光纤传感器用作分布式振动传感212cross()cos2LLT随机干扰随机干扰干涉臂相位的随机变化干涉臂相位的随机变化干涉仪输出功率的随机变化干涉仪输出功率的随机变化以以M-ZM-Z干涉仪作为周界监干涉仪作为周界监控系统时，入侵事件出控系统时，入侵事件出现将导致接收信号功率现将导致接收信号功率的变化的变化105105M-Z干涉型光纤传感器的信号处理干涉型光纤传感器的信号处理 信号处理的目标信号处理的目标1).1).对干扰事件进行定性对干扰事件进行定性 通过解调获得干扰臂的相位变化，进而根据相通过解调获

20、得干扰臂的相位变化，进而根据相位变化情况分析干扰产生原因。位变化情况分析干扰产生原因。107107利用利用3 3* *3 3耦合器解调原理图耦合器解调原理图通过顺时针和逆时针传输的相位受干扰光通过顺时针和逆时针传输的相位受干扰光信号到达信号到达A A点和点和B B点的时延差可计算出产点的时延差可计算出产生干扰的位置。生干扰的位置。A A点和点和B B点分别对应点分别对应M-ZM-Z干干涉仪两个耦合器的位置。涉仪两个耦合器的位置。P P点是干扰发生的位置点是干扰发生的位置使用时使干涉仪使用时使干涉仪两臂中同时存在两臂中同时存在顺时针和逆时针顺时针和逆时针传输的光传输的光(2 )/TLZ V 10

21、8108信号处理的目标信号处理的目标2).2).对干扰事件进行定位对干扰事件进行定位（适用于周界监控及管道监控等应用）（适用于周界监控及管道监控等应用）耦合器耦合器C2C2和和C3C3构成构成M-ZM-Z干涉仪干涉仪在计算机中对在计算机中对PD1PD1和和PD2PD2接接收到的光信号进行互相关计收到的光信号进行互相关计算，就可以获得干扰出现的算，就可以获得干扰出现的时延差，继而实现干扰定位时延差，继而实现干扰定位利用M-Z干涉仪进行分布式传感的系统结构图109109(2) (2) 光纤光纤SAGNAC干涉型分布式传感器干涉型分布式传感器 激光器发出的光经耦合器分为两束分别耦合进由同一光激光器发

22、出的光经耦合器分为两束分别耦合进由同一光纤构成的光纤环中，沿相反方向传输，并于耦合器处再纤构成的光纤环中，沿相反方向传输，并于耦合器处再次发生干涉。次发生干涉。 当传感光纤没有受到干扰时，干涉现象趋于稳定；受到当传感光纤没有受到干扰时，干涉现象趋于稳定；受到外界干扰时，正反向两光束会产生不同的相移，并于耦外界干扰时，正反向两光束会产生不同的相移，并于耦合器处发生干涉，干涉信号的光强与干扰发生位置具有合器处发生干涉，干涉信号的光强与干扰发生位置具有一定关系。一定关系。R1 R2 SagnacSagnac干涉仪的另一个典型应用是干涉仪的另一个典型应用是光纤陀螺，即当环形光路有转动时，光纤陀螺，即当

23、环形光路有转动时，顺逆时针的光会有非互易性的光程顺逆时针的光会有非互易性的光程差，可用于转动传感差，可用于转动传感111111光纤光纤SAGNAC干涉型分布式传感器定位原理干涉型分布式传感器定位原理 当干扰源信号是正弦信号（或形如正弦信号）时，当干扰源信号是正弦信号（或形如正弦信号）时，接收信号的功率幅值为接收信号的功率幅值为00sin()2ssPP零点频率发生在零点频率发生在 0, ,.2sN ,12(2)s nulls nullNcfn LR干扰源位置干扰源位置R1R1与第与第N N个零频之间的关系为个零频之间的关系为通过分析接收光通过分析接收光信号的零频点位信号的零频点位置即可获得干扰置

24、即可获得干扰源的位置源的位置2112()/n RRc （上）有干扰时光强信号的理论计算值（下）实验值（上）有干扰时光强信号的理论计算值（下）实验值113113BOTDRBOTDR定位原理定位原理对一定频谱范围连续不断的进行循环扫描，对一定频谱范围连续不断的进行循环扫描，获得各个时间段上的光谱，并将时间与位获得各个时间段上的光谱，并将时间与位置相对应，即可获得沿光纤各位置处的布置相对应，即可获得沿光纤各位置处的布里渊频谱图，并获得异常的布里渊频移量里渊频谱图，并获得异常的布里渊频移量和散射光功率。和散射光功率。114114BOTDRBOTDR优缺点优缺点 优点：优点：1. 1. 连续分布式测量温

25、度和应变连续分布式测量温度和应变2. 2. 高温度和应变分辨率高温度和应变分辨率4. 4. 高空间分辨率高空间分辨率5. 5. 超长传感范围超长传感范围( (超过超过8080公里公里) )6. 6. 同一根光纤既可用于传感，也可用于通信同一根光纤既可用于传感，也可用于通信 缺点：缺点：需要激光器的输出稳定、线宽窄，对光源和控制系统需要激光器的输出稳定、线宽窄，对光源和控制系统的要求很高；的要求很高；由于自发布里渊散射相当微弱（比瑞利散射约小两个由于自发布里渊散射相当微弱（比瑞利散射约小两个数量级），检测比较困难，要求信号处理系统具有较数量级），检测比较困难，要求信号处理系统具有较高的信噪比高的

26、信噪比; ;由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描等处理的扫描等处理, ,因而实现一次完整的测量需较长的时间因而实现一次完整的测量需较长的时间, ,实时性不够好。实时性不够好。115115 检测检测30km 30km 光纤沿线的应变，光纤沿线的应变，空间分辨力可达空间分辨力可达1m1m。应变精度应变精度: 20 e (0.002%): 20 e (0.002%)温度精度温度精度 : 1: 1C C取样时间取样时间 : 20 s : 20 s 至至 5 min (5 min (典型值：典型值：2 min) 2 min) 116116（3

27、）ROTDR光时域拉曼散射光纤传感器光时域拉曼散射光纤传感器 拉曼散射产生机理：拉曼散射产生机理：在任何分子介质中，在任何分子介质中，光通过介质时由于入射光与分子光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用会引起的频率发生变化的散射运动相互作用会引起的频率发生变化的散射，此过程为，此过程为拉曼散射拉曼散射量子力学描述：分子吸收频率为量子力学描述：分子吸收频率为 V V0 0的光子，发射的光子，发射V V0 0-V-Vi i的光子，同时分子从低能态跃迁到高能态（对应斯托克的光子，同时分子从低能态跃迁到高能态（对应斯托克斯光）；分子吸收频率为斯光）；分子吸收频率为V V0 0的光子，发射的光子，发射V

28、 V0 0+V+Vi i的光子，的光子，同时分子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯光）。同时分子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯光）。118118ROTDRROTDR传感原理传感原理 拉曼散射由分子热运动引起，所以拉曼散射光拉曼散射由分子热运动引起，所以拉曼散射光可以携带散射点的温度信息。可以携带散射点的温度信息。 反斯托克斯光的幅度强烈依赖于温度，而斯托反斯托克斯光的幅度强烈依赖于温度，而斯托克斯光则不是。克斯光则不是。则通过测量斯托克斯光与反斯则通过测量斯托克斯光与反斯托克斯光的功率比，可以探测到温度的变化。托克斯光的功率比，可以探测到温度的变化。 由于自发拉曼散射光一般很弱，比自发布里渊由

29、于自发拉曼散射光一般很弱，比自发布里渊散射光还弱散射光还弱10dB10dB，所以必须采用高输入功率，所以必须采用高输入功率，且需对探测到的后向散射光信号取较长时间内且需对探测到的后向散射光信号取较长时间内的平均值。的平均值。 此方法上世纪此方法上世纪8080年代就已被提出，并商用化。年代就已被提出，并商用化。119119ROTDRROTDR传感原理传感原理基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感器原理光纤中自发拉曼散射的反斯托克斯光与温度紧密光纤中自发拉曼散射的反斯托克斯光与温度紧密相关。常温下相关。常温下(T=300K)(T=300K)其温敏系数为其温敏系数为8/8/。 采用反斯托采用反斯托克斯

30、与斯托克斯比值的分布式光纤温度测量，其结果消除克斯与斯托克斯比值的分布式光纤温度测量，其结果消除了光源波动、光纤弯曲等因素的影响，只与沿光纤的温度了光源波动、光纤弯曲等因素的影响，只与沿光纤的温度场有关，因此可长时间保证测温精度。场有关，因此可长时间保证测温精度。120120几种散射式传感技术的比较几种散射式传感技术的比较应用场合应用场合优点优点缺点缺点OTDROTDR断点、损断点、损伤检测伤检测连续显示衰减情连续显示衰减情况况有盲区有盲区BOTDRBOTDR应力、温应力、温度度测量精度和分辨测量精度和分辨率高率高要求极窄线宽、可调线要求极窄线宽、可调线宽激光器；交叉干扰；宽激光器；交叉干扰；功率