《光纤技术及应用》ppt课件

1、第6章 光纤传感器根本原理 光纤传感技术是伴随着光通信技术的开展而逐步形成的。在光通信系统中，光纤被用作远间隔 传输光波信号的媒质。显然，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界干扰越小越好。但是，在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变化。因此，人们发现假如能测出光波参数的变化，就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。 光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点，如灵敏度高，抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防爆、光路有可挠曲性、便于与计算机联接、构造简单、体积小

2、、重量轻、耗电少等。 光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以也称传感型光纤传感器，或全光纤传感器。非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远外或难以接近场所的光信号，所以也称为传光型传感器，或混合型传感器。 光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器偏振调制光纤传感器和波长颜色调制光纤传感器波长颜色调制光纤传感器。 在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描绘 E

3、=E0cost+ 式中，E0为光波的振幅， 为频率， 为初相角。上式包含五个参数，即强度E02、频率、波长2c/ 、相位t+和偏振态，被测量在敏感头内与光发生互相作用，假如作用的结果是改变了光的强度，就叫强度调制光纤传感器，其它依次类推。因此就得到了五种调制类型的光纤传感器。 光纤传感器按被测对象的不同、又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。 光纤传感器可以探测的物理量很多，已实现的光纤传感器物理量测量达70余种。然而，无论是探测哪种物理量、其工作原理无非都是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进展检测，

4、从而得到被测量。 因此，光调制技术是光纤传感器的核心技术光调制技术是光纤传感器的核心技术。 6.1强度调制机理 强度调制光纤传感器的根本原理是待测物理量引起光纤中的传输光光强变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量，其原理如以下图所示。 一恒定光源发出的强度为Pi的光注入传感头，在传感头内，光在被测信号的作用下其强度发生变化，即受到了外场的调制，使得输出光强P0的包络线与被测信号的形状一样，光电探测器测出的输出电流I0也作同样的调制，信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号。强度调制的特点是简单、可靠、经济。强度调制方式很多、大致可分为以下几种：反射式强度调制、透射式强度调制、光形式强

5、度调制以及折射率和吸收系数强度调制等等。一般透射式、反射式和折射率强度调制称为外调制式，光形式称为内调制式。 强度调制的关键是实现对调制信号的强度检测，强度检测方法包括直接检测、双光路检测、双波长检测。 上图即为直接检测的原理图，光源发出的光注入光纤，光在强度调制区内受到外界被测信号的调制，探测器接收被调制后的光信号，并将其转换成电信号。直接检测方法的优点是系统构造简单，但是容易受到光源强度波动、光纤损耗波动、光纤耦合波动、形式噪声等影响使得输出信号的强度不仅随被测信号变化，而且随上述影响因素而变化，这样就会给被测信号的测量带来误差。 双光路检测的原理是光源发出的光信号被光纤分路器分成两路，一

6、路光信号通过强度调制区到达探测器，称为测量光路；另一路光信号不通过强度调制区而直接到达探测器，称为参考光路。两路信号送入除法器进展除法运算，由于系统中设计了参考光路，光源强度波动、光纤损耗波动、光纤耦合波动、形式噪声等都可以通过除法电路通过除法运算来消除，从而大大减小测量误差，进步系统的测量精度。 双波长检测的原理是光源1和光源2分别发出两种不同波长的光信号，经过波长复用器耦合后注入到入射光纤中，在强度调制区内，外界被测信号只对波长为的光信号进展强度调制，波长称为信号波长。但是在强度调制区内，外界被测信号对波长为的光信号不产生作用，波长称为参考波长。波长为和的光信号通过强度调制区后，经出射光纤

7、送到波长解复用器把两种波长分开，经探测器后送入除法器进展除法运算，从而到达消除系统干扰的作用，减少测量误差。 6.1.1反射式强度调制 这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用。这里光纤分为两部分，即输入光纤和输出光纤，亦可称为发送光纤和接收光纤。这种传感器的调制机理是输入光纤将光源的光射向被测物体外表，再从被测面反射到另一根输出光纤中，其光强的大小随被测外表与光纤间的间隔 而变化。如以下图所示。 挪动反射器式传感器中两根光纤间的光耦合图l在距光纤端面d的位置为反光物体被测工件外表，它垂直于输人和输出光纤轴挪动，故在平面反射镜之后相距d处形成一个输人光纤的虚像。因此，确定调制器的响应等

8、效于计算虚光纤与输出光纤之间的耦合。设输出光纤与输人光纤其间的间距为a，且都具有阶跃型折射率分布，芯径为2r，数值孔径为NA，当d2dT dT为发射光锥的底面积半径，且时，耦合进输出光纤的光功率为零；当da+2r/2T时，输出光纤与输人光纤的像发出的光锥底端相交，其相交的截面积恒为，光纤输出的光强不变。 在a/2T =d =a+2r/2T时，耦合到输出光纤的光通量由输人光纤的像发出的光锥底面与输出光纤相重叠部分的面积所决定，重叠部分如图b所示。利用线性近似法来进展计算，即光锥底面与出射光纤端面相交的边缘用直线来进展近似。图c为重叠部分的直边模型图形。 在这种近似的前提下，设光纤轴线与被测外表垂

9、直，被测外表的反射系数为1，输出光强与输入光强的关系为 20)2)(rdTrrPPFiadT 2)1 (sincos)1 ()1 (cos111rrr F与d的关系曲线如下图。图中采用的光纤为芯径为200，数值孔径为0.5的阶跃光纤，光纤间隔为100mm，从图中可以看出，线性度好，而且A点的耦合效率随d的变化速率较大，即灵敏度高，为了进步耦合效率，可以选择数值孔径大、芯径大的光纤或光纤束。 反射式强度调制具有非接触、系统构造简单、体积小。频响高、线性度好、灵敏度高等特点。 反射式强度调制，除上图所示的构造外，还有很多形式，如以下图所示。 6.1.2透射式强度调制 光强度调制除反射式之外，还可以

10、采用以下图所示的遮光式。发射光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在挪动的遮光板上，或直接挪动接收光纤，使接收光纤只能收到发射光纤发出的部分光，从而实现光强调制。 上图所示为动光纤式光强调制模型，用来测量位移、压力、温度等物理量。这些物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段间隔 x。光强按图b所示的曲线减弱。图中D是纤芯直径。由图中曲线可知光强度调制器的线性度和灵敏度都很好。 光栅透射式调制方式如下图，入射光经过透镜准直变为平行光，平行光通过光栅后再通过透镜把光聚焦到出射光纤的端面上，其中光栅上具有等宽度、交替地排列着的透明区和不透明区，两个光栅一个固定，另一个随外界参数而挪动，当两个光

11、栅作相对运动时，通过两个光栅之间的光强就会发生变化，当两个光栅完全重叠即两个光栅的透光部分与透光部分完全重叠，不透光部分与不透光部分完全重叠时，透过率为最大值50%，当一个光栅的不透光部分与另一个光栅的透光部分完全重叠时，透过率为最小0。 6.1.3折射率强度调制 许多物理量如温度、压力、应变等可以引起物质折射率的变化实现光强调制。 一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同。在温度恒定时，包层折射率n2与纤芯折射率n1之间的差值是恒定的。当温度变化时，n2、n1之间的差发生变化，从而改变传输损耗。因此，以某一温度时接收到的光强为基准。根据传输功率的变化可确定温度的变化。 利用这一原理可以构成温

12、度报警装置。选择具有不同折射率温度系数的材料做纤芯和包层，如以下图所示。 当T n2，光在光纤中传输；当TT1时, nl n2 ，光传输条件被破坏、于是产生报警信号。这类传感器具有电绝缘性好、防爆性强、抗电磁干扰等特点。因此，适用于大型电机、液化天然气罐及火警等报警系统。 6.1.4光吸收系数强度调制 1利用光纤的吸收特性进展强度调制 x射线、射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而构成强度调制辐射量传感器，其原理如以下图所示。 改变光纤材料成分可对不同的射线进展测量。如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、 射线、中子射线最敏感，图 b是这种材料的吸收特性与射线剂量的关系

13、曲线用这种方法做成的传感器既可用于卫星外层空间剂量的监测，也可用于核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监测。 2利用半导体的吸收特性进展强度调制 大多数半导体的禁带宽度度都随着温度T的升高而几乎线性地减小。因此，它们的光吸收边带的波长将随着的升高而变化。假如选用辐射谱与相适应的发光二极管，那么通过半导体的光强将随着的升高而下降，测量透过的光强，即可确定温度。 6.2频率调制机理 采用频率调制技术可以对有限的几个物理量进展测量。它主要是利用运动物体反射或散射光的多普勒频移效应来检测其运动速度。当然，频率调制还有一些其它方法，如某些材料的吸收和荧光现象随外界参量也发生频率变化，以及量子互相作用产生的布里渊和拉曼散射也是一种频率调制现象。这里主要讨论光纤多普勒传感器的频率调制机理。 当光源和观察者作相对运动时观察者接收到的光频率和光源发射的频率不同，这种现象称为多普勒效应。 设光源和观察者处于同一位置。假如频率为f的光照射在相对光速度为v的运动物体上，那么观察者接收的运动物体反射光频率f1为 式中，c是真空中的光速，是光源至观察者方向与运动方向的夹角。 当光源和观察者处于相对静止的两个位置时，可当作双重多普勒效应来考虑。先考虑从光源到运动