传感器原理与应用(下)

1、吕辰刚光纤传感的调制特性 光的调制就是将携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。 非干涉型： 强度调制光纤传感器 偏振调制光纤传感器 频率调制光纤传感器 干涉型： 相位调制光纤传感器 传感器光学现象被测量光纤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非干涉型强度调制光纤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

2、度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMM偏振调制光纤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频率调制光纤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非干涉型光纤传感系统 强度调制传感 偏振调制传感 频率调制传感强度调制传感强度调制传感 光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检测。 解调过程主要考虑的是信噪比是否能满足测量精度的要求。1.微弯效应 微弯损耗强度调制器的原理如图。当垂

3、直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，传输光有一部分会泄漏到包层中去。几种常用的光强调制技术几种常用的光强调制技术2.光强度的外调制 外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤本外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤本身只起传光作用。身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和这里光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常用的调制器是反射器和遮光屏。接收光纤。两种常用的调制器是反射器和遮光屏。强度调制传感 强度调制型光纤传感器的关键是信号功率与噪声功率之比要足够大。 光源与光纤、光纤和转换器之间的机械部分引起的光耦合随外界影响的变化；调制器本身随温度和时间老化出现的漂移；光源老化引起的

4、强度变化以及探测器的响应随温度的变化。受激散射受激散射距离 z = TV / 2 T : 两倍定点距离光传播时间V : 光纤中光速传输光信号入射光脉冲散射光后向散射光纤芯距离：z光学系统耦合器件光学系统光学系统信号处理放大器示波器数据处理系统被测光纤光源光检测器OTDR系统的系统的基本结基本结构构 Rayleigh 散射（散射（它是半径比光或其他電磁輻射的波长小很多的微小颗粒它是半径比光或其他電磁輻射的波长小很多的微小颗粒对入射光束的散射对入射光束的散射） 脉冲信号在光纤中传送，由于光纤本身的散射特性，很弱的脉冲信号在光纤中传送，由于光纤本身的散射特性，很弱的后向散射信号会返回后向散射信号会返

5、回OTDR，OTDR收到散射信号后会根据收到散射信号后会根据散射信号的强弱计算出光纤的衰减特性。这是散射信号的强弱计算出光纤的衰减特性。这是OTDR测量衰测量衰减的原理。减的原理。 OTDR利用瑞利散射进行光纤衰减测试利用瑞利散射进行光纤衰减测试 (dB/Km)SourceRay of lightSilica particlesOTDR基本原理：散射与反射基本原理：散射与反射Fresnel Fresnel 背向反射背向反射 起源于折射率的突变例如：起源于折射率的突变例如： (玻璃玻璃/空气空气)如：光纤断裂如：光纤断裂, 机械连接等机械连接等 在在OTDR曲线上可以看到曲线上可以看到“刺状刺状

6、”峰峰 OTDR收到回波信号后会根据回波时间计算出断点与接头的收到回波信号后会根据回波时间计算出断点与接头的距离，这是距离，这是OTDR测距原理。测距原理。 UPC 反射的典型值反射的典型值 -55dB ， APC -65dB ( ITU标准标准) OTDR曲线示例：曲线示例：入射光波长Rayleigh散射Brillouin 散射Raman 散射(Anti-stokes)Raman 散射(stokes)波长光强波长漂移量光强差OTDR的种类BOTDR：用于应变传感的分布式测量：用于应变传感的分布式测量BOTDR : Brillouin中心波长漂移量和应变有关 B() = B(0)(1+C)BO

7、TDR的应用：的应用：ROTDR：分布式温度检测：分布式温度检测ROTDR : Raman光强差和温度有关 Ia/Isexp(-hckT)ROTDR的应用：的应用：偏振调制传感偏振调制传感v0HE只有横波才有偏振现象只有横波才有偏振现象振动面振动面：光矢量：光矢量E E与传播方向组成的平面。与传播方向组成的平面。偏振态偏振态: : 光矢量在与光传播方向垂直平面内的光矢量在与光传播方向垂直平面内的 振动状态。振动状态。线偏振光E播播传传方方向向振振动动面面面对光的传播方向看面对光的传播方向看线偏振光圆偏振光椭圆偏振光部分偏振光 A2OExyA1xyOEAAExyOAA自然光自然光没有优势方向没有

8、优势方向自然光的分解自然光的分解一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。等幅的、不相干的线偏振光。 光纤偏振传感主要有三部分： 起偏器：将非偏振光变成偏振光 偏振调制器：常利用电光、磁光、光弹等物 理效应改变偏振状态（传感部分） 检偏器：检测偏振态的改变 从自然光（非偏振光）产生偏振光的途径1. 反射和折射2. 二向色性（偏振片）3. 晶体的双折射1n2ni r 自然光自然光部分部分偏振光偏振光部分部分偏振光偏振光反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化 反射光的偏振化程度

9、和入射角有关，当入射反射光的偏振化程度和入射角有关，当入射角等于某一角等于某一特定值特定值i0且满足且满足120nni tg这时反射光成为线偏振光这时反射光成为线偏振光0ir1n2n自然光自然光线偏振光线偏振光部分偏振光部分偏振光0i起偏振角起偏振角布儒斯特角布儒斯特角布儒斯特定律布儒斯特定律20 ri 反射光强度较小，通常不被利用；透射光的光强较大，但又不是完全线偏振光，实际采用玻璃堆的方法可以解决该问题。i0(接近线偏振光接近线偏振光)玻璃片堆玻璃片堆 某些物质能吸收某一方向的光振动 , 而只让与这个方向垂直的光振动通过, 这种性质称二向色性。（在微观领域，分子的光吸收率不是一个标量，而是

10、具有一定的方向性。宏观上吸收的二向色性表现为吸收系数具有方向性。） 偏振片偏振片 ：涂有二向色性材料的透明薄片。 （它是利用聚乙烯醇塑胶膜制成，它具有梳状长链形结构分子，这些分子平行排列在同一方向上，此时胶膜只允许垂直于排列方向的光振动通过，因而产生线偏振光） 起起 偏偏021I偏振化方向偏振化方向0I起偏器起偏器0I自然光入射自然光入射偏振片偏振片021II 偏振片偏振片20cosII 0I线偏振光入射线偏振光入射I0I3. 晶体双折射起偏晶体双折射起偏一一. . 双折射现象双折射现象 对于各向异性晶体，一束对于各向异性晶体，一束光射入晶体后，可以观察光射入晶体后，可以观察到有两束折射光（到

11、有两束折射光（o光和光和e光）的现象。光）的现象。n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光和e光是振动方向垂直的线偏振光线偏振光AB光轴光轴102晶体的光轴晶体的光轴-晶体中的一个方向，沿该方向传播时，o光和e光不分开，传播速度相等。“光轴光轴”是一是一特殊的特殊的“方向方向”, ,不是指一条直线。不是指一条直线。单轴晶体单轴晶体：只有一个光轴的晶体：只有一个光轴的晶体光轴光轴AEeBEOFF平行光垂直入射平行光垂直入射,光轴在入射光轴在入射面内面内,光轴垂直于晶体表面光轴垂直于晶体表面光轴光轴AEOeBFEF平行光垂直入射，光轴平行光垂直入射，光轴在入射面内在入射面内,

12、光轴与晶体光轴与晶体表面斜交表面斜交.光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体平行光垂直入射，光轴在入平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴平行晶体表面射面内，光轴平行晶体表面光轴光轴AEeBFEFO00()eeLn dn dnn d dnneo)(dnneo)(21P2P eoddnneo)(2cos1AAe1P2P1AeAoAsin1AAo1P2PeAoA1AoA2eA2dnneo)(2光纤传感器中的偏振调制器常利用电光、磁光、光弹等物理效应。 克尔效应（电光）：电

13、场强度 光弹效应（弹光）：应力变化 法拉利效应（磁光）：磁场强度l2P1Peo2oennkE检偏器检偏器2P起偏器起偏器1PFFeokpnneo检偏器检偏器2P起偏器起偏器1PBB能产生旋光现象的物质：如石英晶体、糖溶液等能产生旋光现象的物质：如石英晶体、糖溶液等LABlll（溶液）（溶液）（固体）（固体）外加磁感强度为外加磁感强度为B的磁场的磁场,使某些不具旋光性的使某些不具旋光性的物质产生旋光现象物质产生旋光现象.VlBV叫韦尔代常量叫韦尔代常量线偏振光通过带磁性的线偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面发物体时，其偏振光面发生偏转，这种现象称为生偏转，这种现象称为法拉第磁光效应法拉第磁光效

14、应频率调制光纤（学）传感 光纤光栅传感 光纤DBR激光传感 多普勒效应传感光纤光纤折射率变化部分折射率变化部分1978年，K.O.Hill等人首先发现搀锗(Ge)光纤的折射率能够在某些波长的光照射下发生周期性的永久性改变，人们很快意识到可以利用这种特性在光纤中制作光纤光栅，这成为光纤光栅研究的起点。1989年，G.Meltz等人首次采用全息干涉法，制出第一支布拉格谐振波长位于通信波段的光纤光栅，从此推动了光纤光栅的巨大发展。目前光纤光栅在光纤通信和光纤传感领域内均引起了革命性的变化。凭其诸多优点，使许多复杂的全光通信和传感网络成为可能，也就越发显示出它在信息领域的重要地位。effn20Wave

15、lengthIntensity入射光反射光传输光信号WavelengthReflectionWavelengthTransmission折射率的周期性调制纤芯工作原理vFiber Bragg Gratings（FBG ）包括某一长度的特殊光纤，这些光纤以微米级的精确度经过蚀刻，使某一种波长的光通过光纤时产生独特的反射。在一根单模光纤上放置多个FBG，可实现分布式光纤传感效应AQ4315AQ4315ASE ASE 宽带光源宽带光源FBGFBG传感器传感器光环行器光环行器FB200FB200波长监控器波长监控器2 23 31 1FBGFBG传感器传感器波长波长1 1波长波长2 2FB200Meas

16、urandfieldM(z,t)M(zj,t)zM(t)FiberSensitizedregions1） 内部写入法内部写入法内部写入法又称驻波法。内部写入法又称驻波法。Hill早在早在1978年，用图年，用图1所示的实验装置制作了所示的实验装置制作了历史上第一个布拉格光纤光栅。历史上第一个布拉格光纤光栅。 将波长将波长488nm的单模氩离子激光从一个的单模氩离子激光从一个端面耦合输入到锗掺杂光纤中。从光纤中返回的光经过分光器，由光电探端面耦合输入到锗掺杂光纤中。从光纤中返回的光经过分光器，由光电探测器测器1监测监测,而透射光则由光电探测器而透射光则由光电探测器2接收。经过光纤另一端面反射镜的

17、接收。经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯材料具有光反射，使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期性变化，于是形成了与干涉周期一样的立敏性，其折射率发生相应的周期性变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅。已测得其反射率可达体折射率光栅。已测得其反射率可达90以上，反射带宽小于以上，反射带宽小于200MHz。此方法是早期使用的。由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含此方法是早期使用的。由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，芯径很小，因此，其实用性受到限制。量很高，芯径很小，因此，其

18、实用性受到限制。 光光 电电 探探 测测 器器 1 单单 模模 氩氩 离离 子子 激激 光光 光光 电电 探探 测测 器器 2 光光 纤纤 光光 栅栅 吸吸 收收 材材 料料 2） 全息干涉法全息干涉法全息干涉法又称外侧写入法，如图全息干涉法又称外侧写入法，如图2示，用准分子激光干涉的方法，示，用准分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了横向侧面曝光的光纤光栅。用两束相干紫外光束在等人首次制作了横向侧面曝光的光纤光栅。用两束相干紫外光束在掺锗光纤的侧面相互干涉，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。可见，掺锗光纤的侧面相互干涉，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。可见，通过改变入射光波长或两相干

19、光束之间的夹角，可以改变光栅常数，获通过改变入射光波长或两相干光束之间的夹角，可以改变光栅常数，获得所需的光纤光栅。这种光栅制造方法采用多脉冲重复曝光技术，光栅得所需的光纤光栅。这种光栅制造方法采用多脉冲重复曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受机械震动和温度漂移的影响，并且不易性质可以精确控制，但是容易受机械震动和温度漂移的影响，并且不易制作具有复杂截面的光纤光栅。制作具有复杂截面的光纤光栅。柱柱 状状 透透 镜镜 柱柱 状状 透透 镜镜 反反 射射 镜镜 反反 射射 镜镜 分分 光光 镜镜 U V 光光 光光 源源 光光 谱谱 分分 析析 仪仪 3） 相位掩模法相位掩模法相位掩模板（相

20、位掩模板（Phase Mask）是衍射光学元件，用以将入射光束一分为）是衍射光学元件，用以将入射光束一分为二二+1级和级和-1级衍射光束，它们的光功率电平相等，两束激光相干涉并级衍射光束，它们的光功率电平相等，两束激光相干涉并形成明暗相间条纹，在相应的光强作用下纤芯折射率受到调制。相位形成明暗相间条纹，在相应的光强作用下纤芯折射率受到调制。相位掩模板是一个在石英衬底上刻制的相位光栅，它可以用全息曝光或电掩模板是一个在石英衬底上刻制的相位光栅，它可以用全息曝光或电子束蚀刻结合反应离子束蚀刻技术制作。它具有抑制零级，增强一级子束蚀刻结合反应离子束蚀刻技术制作。它具有抑制零级，增强一级衍射的功能。因

21、此，对光源的相干性要求不高，简化了光纤光栅的制衍射的功能。因此，对光源的相干性要求不高，简化了光纤光栅的制造系统，其主要缺点是不同造系统，其主要缺点是不同Bragg波长要求不同的相位掩模板，并且，波长要求不同的相位掩模板，并且，相位掩模板的价钱较贵。该方法大大简化了光纤光栅的制作过程，是相位掩模板的价钱较贵。该方法大大简化了光纤光栅的制作过程，是目前写入光栅常用的一种方法。目前写入光栅常用的一种方法。U V光光 P Mh P h a s e M a s k 光光 纤纤 0 级级 光光 束束 - 1 级级 + 1 级级 光纤光栅信号解调光纤光栅信号解调1、利用光谱仪进行反射波长的扫描；2、通过匹

22、配光栅法检测光纤光栅反射波长；3、利用“可调谐法布里-珀罗腔”方法扫描检测 光纤光栅的反射波长；4、利用衍射光栅和线阵CCD来同时探测多个光纤光栅反射波长的移动利用光谱仪进行反射波长的扫描利用光谱仪进行反射波长的扫描3dB CouplerBBSOPMFBG2FBG1（a） （b）（c） （d）匹配光栅法检测光纤光栅反射波长可调谐法-珀腔法检测光纤光栅反射波长CirculatorFBG 1FBG nPCLightsourceF-PfilterPhotodetector D/AconverterA/DconverterClockCounter衍射光栅和CCD检测光纤光栅反射波长采用 VPG（透射式

23、相位光栅）将注入光衍射，采用CCD探测器阵列进行探测；探测器阵列同时测量，无需扫描，可以确保高速采样，并确保信号的同时性应用范围 火警监测结构应变监测欧盟欧盟Corinth RiftCorinth Rift实验室实验室3F-corinth 3F-corinth 项目项目希腊希腊TrizoniaTrizonia岛岛300m300m深井深井50m50m范围连续测量范围连续测量静态应变测量静态应变测量地震监测地震监测 桥跨布置：桥跨布置：63m+257m+648m+257m+63m63m+257m+648m+257m+63m 2003 200320042004年年 布设了布设了397397个光纤光栅

24、应变和温度传感器（温度测量个光纤光栅应变和温度传感器（温度测量225225，吊杆，吊杆1414， 主墩护筒主墩护筒8787，试验桩，试验桩1111，基桩钢筋笼，基桩钢筋笼6060）南京长江第三大桥南京长江第三大桥01211(1)()2xyxynnnppE,2x yx yn200()()xyxyxyxyCnnvvvn 00 xyxyxyCnnn()Kfcossin()bbiiiE Et Mt范例：多普勒效应传感 多普勒（Christian Doppler） 多普勒是奥地利物理学家和数学家.他于1842年首先发现了这种效应.为了理解这一现象，就需要考察火车以恒定速度驶近时，汽笛发出的声波在传播时的

25、规律.其结果是声波的波长缩短，好象波被压缩了.因此，在一定时间间隔内传播的波数就增加了，这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因；相反，当火车驶向远方时，声波的波长变大，好象波被拉伸了. 因此，声音听起来就显得低沉. 假定波源、接收端在同一直线上运动 1. 波源相对于介质的运动速度为vs 2. 接收端相对于介质的运动速度为vR 3. 波在介质中传播的速度为u 4. 波源的频率fs (单位时间内波源振动的次数或发出的完整波数) 5. 接收端接收到的频率fR (是接收端在单位时间内接受到的振动数或完整波数) 相对于媒质、波源和观察者都不动的情况波长0 是波源相对于媒质静止时，单位时间波在媒质中传播

26、距离。Rfsf 0 u波源不动,观察者以速度 相对于介质运动0svvRvRvRRRvufsfusRRRfuvuvufsRRfuvufsRRfuvufRv观察者不动,波源以速度 相对于介质运动svufRsssssfvuTvuTSsvssTvvR=00suTSssTvsvssRfvuuufssRfvuufssRfvuuf观察者相对于介质运动:sRRfuvufssRfvuuf波源相对于介质运动:ssRRfuvuf观察者和波源同时相对于介质运动0svvR如果波源和观察者是沿着它们连线的垂直方向运动,则s = R,即没有多普勒效应发生如果波源和观察者的运动是任意方向的,那只要将速度在连线上的分量代入公式

27、即可.ssxRxRfvuvuf 电磁波的多普勒效应 电磁波（光波）可以在真空中传播，真空中不存在介质，只需要考察光源与观测者之间的相对运动，需要根据相对论确定其多普勒效应的频率变化关系。sRfcucuf)cos1/(122多普勒效应的应用交通警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波，通常是红外线，同时测量反射波的频率，根据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度装有多普勒测速仪的警车有时就停在公路旁，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印在照片上医生向人体内发射频率已知的超声波，超声波被血管中的血流反射后又被仪器接收，测出反射波的频率变化，就能知道血流的速度这种方法俗称“彩超”，可以

28、检查心脏、大脑和眼底血管的病变。多普勒效应的应用激光多普勒流速仪（简称LDA），是研究流体流动的强有力的手段。 多普勒效应的应用1 在空气动力学方面，用于研究风洞里速度分布；2 湍流的研究；3 燃烧的研究，火焰速度分布的实用技术；4 生物学显微测量，研究生物系统狭窄流道内的流动分布；5 固体表面的速度测量 2 1激 光 器光 电 探 测 器分 光 板反 射 板 干涉型光纤传感系统 相位调制：相位调制：通过被测能量场的作用，使能量场中的一段敏感单模光纤内传播的光波发生相位变化，利用干涉测量技术把相位变化变换为振幅变化，再通过光电探测器进行检测。 实现相位调制的物理效应 1. 应力应变效应 光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，将产生三个主要的物理效应，导致光纤中光相位的变化： 光纤的长度变化光纤的长度变化应变效应应变效应 光纤芯的直径变化光纤芯的直径变化泊松效应泊松效应 光纤芯的折射率变化光纤芯的折射率变化光弹效应光弹效应实现相位调制的物理效应2. 热胀冷缩效应 在所有干涉型光纤传感器中，光纤中传播 光的相位响应都是与待测场中光纤的长度L成正比。这个待测场可以是变化的温度T。 由于干涉型光纤传感器中的信号臂光纤可以足够长，因此信号光纤对温度变化有很高的灵敏度。