49光纤式传感器课件

1、电气测试技术电气测试技术电子信息与自动化学院贺晓蓉7/26/20221光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最初的研究是用于光通信技术中。用于传感器技术始于1977年，至今光纤传感器已日趋成熟。光纤传感器与传统的传感器相比具有许多优点：灵敏度高、电绝缘性能好、结构简单、体积小、重量轻、不受电磁干扰、光路可弯曲、便于实现遥测、耐腐蚀、耐高温等特点。可广泛用于位移、速度、加速度、压力、温度、液位、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等物理量测量，发展极为迅速，在制造业、军事、航天、航空、航海和其他科学技术研究中有着广泛的应用。4.9 光纤传感器 4.9.1概述 7/26/20222光纤传感器一般由光源、

2、光纤、光电元件等组成。根据光纤传感器的用途和光纤的类型，对光源一般要提出功率和调制的要求。常用的光源有激光二极管和发光二极管。激光二极管具有亮度高，易调制，尺寸小等优点。而发光二极管具有结构简单和温度对发射功率影响小等优点。除此之外，还有采用白炽灯等作光源。7/26/20223光纤检测型光电传感器作业件检测颜色检测7/26/20224光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。光纤的结构如图所示，它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。光纤的基本结构与波导 4.9.2 结构及类型1. 结构7/26/202252. 分类

3、单模光纤的折射率分布是阶跃型的，但光纤的光学尺寸很小，只能传输单模光波，是一种超宽带光纤；多模光纤能传输数百种模式。按照光从纤芯到包层的折射率的变化规律，光纤可分为阶跃型、渐变型和单模型三种。图4-128 光纤的类型7/26/20226物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。 1）物性型（功能型）光纤传感器光纤一方面起传输光的作用，另一方面是敏感元件，是靠被测物理量调制或影响光纤的传输特性，把被测物理量的变化转变为调制的光信号。因此光纤具有“传”和“感”的功能。光纤的输出端采用光电器件，所接受的光信号便是被测量调制后的信号，并使之转变为电信号。此类传感器的

4、优点是结构紧凑、灵敏度高，但是，它需用特殊光纤和先进的检测技术，因此成本高。其典型例子如光纤陀螺、光纤水听器等。按照光的作用分类信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器7/26/20227图所示为施加均衡压力和施加点压力的两种光纤压力传感器形式。图(a)所示为光纤在均衡压力作用下，由于光弹性效应而引起光纤折射率、形状和尺寸的变化，从而导致光纤传播光的相位变化和偏振面旋转;图(b)所示为光纤在点压力作用下，引起光纤局部变形，使光纤由于折射率不连续变化导致传播光散乱而增加损耗，从而引起光振幅变化。在光纤的输出端采用适当的光电检测元件检出光强的变化，就可以制作温度、压力、振动、位移等传感器。 强度调制7

5、/26/20228 结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。2）结构型（非功能型）光纤传感器在非功能型传感器中，光纤不是敏感元件，即只“传”不“感”。它是利用在光纤的端面或在两根光纤中间，放置光学材料及机械式或光学式的敏感元件，感受被测物理量的变化。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低，但灵敏度也较低，应用于对灵敏度要求不太高的场合。目前，已实用化或尚在研制中的光纤传感器，大都是非功能型的。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤7/26/202293）拾光型光纤传感器用光纤

6、作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。 信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象7/26/202210分为：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。1）强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易实

7、现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。根据光受被测对象的调制形式7/26/2022112）偏振调制光纤传感器 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。3）频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应

8、的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器等。 7/26/202212图所示为激光多普勒效应速度传感器测试系统。该系统主要由激光光源、分光器、光接收器、频率检测器及振动物体等部分组成。 当光源和反射体或散射体之间存在相对运动时，接收到的声波频率与入射声波频率存在差别的现象称为光学多普勒效应，是奥地利学者多普勒于1842年发现的。当单色光束人射到运动体上某点时，光波在该点被运动体散射，散射光频率与入射光频率相比，产生了正比于物体运动速度的频率偏移，称为多普勒频移。7/26/202213其工作原理为:由激光光源(氢-氦激光

9、)发出的光(频率为fi)导入光导纤维，经过分光镜后，光线通过光纤射向振动物体，由于振动物体 (被测体)振动，产生散射 (频率为fs)，被测物体的运动速度与多普勒频率之间的关系为 式中，fi为入射光频率，即激光源频率；fs为散射光频率；n为发生散射介质的折射率；为入射光在空气中的波长；为被测物体的运动速度。上式表明，多普勒频率f与被测物体运动速度成比例变化关系，从频率分检器中测得f后，即可得到物体的运动速度。频率调制7/26/202214多普勒测速仪应用：卫星跟踪测轨系统 多普勒测速仪的工作原理是利用相对运动的物体频率的变化。电磁波的传播同样有多普勒特性。当一个发出固定频率的波的物体，相对于观察

10、地点有相对运动时，在观察地点收到的频率随着它们的相对速度而变化。即当物体向着观察点接近时，波长就变短，频率就变高；而远离观察点时，波长就变长，频率就变低,这样通过频率的变化就能计算出卫星的高度、速度和方位。若用此法连续测量，就可得到精确的卫星实际轨道数据。 7/26/2022154）相位调制传感器 其基本原理是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，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的

11、电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。 7/26/202216 由激光器发出的激光经3dB光纤耦合器分为两路:一路构成光纤干涉仪的传感臂,接受声波的调制,另一路则构成参考臂,提供参考相位. 两束波经后端反射膜反射后返回光纤耦合器,发生干涉,干涉的光信号经光电探测器转换为电信号,经过信号处理就可以拾取声波的信息。Michelson光纤干涉仪7/26/202217 激光经3dB 光纤耦合器分为两路,分别经过传感臂与参考臂,由另一个耦合器合束发生干涉,经光电探测器转换后拾取声信

12、号。Mach-Zehnder光纤干涉仪7/26/202218由两个反射镜或一个光纤布拉格光栅等形式构成一个FabryPerot干涉仪，激光经该干涉仪时形成多光束干涉，通过解调干涉的信号得到声信号。Fabry-Perot光纤干涉仪7/26/202219 该型光纤水听器的核心是由一个33 光纤耦合器构成的Sagnac光纤环，顺时针或逆时针传播的激光经信号臂时对称性被破坏,形成相位差,返回耦合器时干涉,解调干涉信号得到声信号。Sagnac光纤干涉仪7/26/202220Sagnac 效应是指在任意几何形状的闭合光路中，从某一点观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的相位（

13、或它们经历的光程）将由于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同，其相位差（光程差）的大小与闭合光路的转速速率成正比。相位调制7/26/202221光纤流速传感器：光纤流速传感器由多模光纤、光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。多模光纤插入顺流而置的铜管中，由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的各模式光的相位发生变化，光纤的发射光强出现强弱变化。其振幅的变化与流速成正比。4.9.3 应用案例1.光纤流速传感器7/26/202222案例2.光纤液位传感器 (a)Y型光纤；(b)U型光纤；(c)棱镜耦合 图所示为基于全内反射原理研制的液位传感器。它由LED光源，光电二极管，多模光纤

14、等组成。它的结构特点是，在光纤测头端有一个圆锥体反射器。当测头置于空气中，没有接触液面时，光线在圆锥体内发生全内反射而返回到光电二极管。当测头接触液面时，由于液体折射率与空气不同，全内反射被破坏，将有部分光线透入液体内，使返回到光电二极管的光强变弱；返回光强是液体折射率的线性函数。返回光强发生突变时，表明测头已接触到液位。 光纤液位计可用于易燃、易爆场合，但不能探测污浊液体以及会粘附在测头表面的粘稠物质。 7/26/202223案例3.测量压力或温度的相位调制型光纤传感器 动画压力：为基于全内反射破坏原理，实现光强度调制的一种高灵敏度光纤压力传感器结构。温度：测量光纤受到温度场作用后，产生相位

15、偏移，引起干涉条纹移动。相位调制。7/26/202224案例4. 光纤水听器 电磁波和光波能在空间有效地传播, 是空中信息传递的有效载体。但它们在水中的传播损耗比声波大3个数量级。因此不能成为水中远距离信息传递的有效载体。迄今为止，声波仍然是水中远距离传输信息的最有效的载体。光纤水听器是通过接收声波对水下目标进行探测、定位和识别的传感器。光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的监测。它既可用于

16、海洋、陆地石油天然气勘探，也可用于海洋、陆地地震波检测以及海洋环境检测，也可以制作成鱼探仪，用于海洋捕捞，它同时又是现代海军反潜作战及水下兵器试验的先进检测手段。 7/26/202225随着核潜艇技术及潜射导弹技术的迅速发展,潜艇的噪声日益降低。常规探测潜艇压电声纳的灵敏度已接近极限值,使电缆连接的海底声纳警戒系统的探潜能力大大降低。鉴于光纤技术为信息传输和信息传感带来了革命性的变革,美国和欧共体各国都对水听器进行了深入研究,获得了很多有价值的研究成果。我国的光纤水听器研究已取得较大进展,在若干技术指标上已达到目前国际水平,但是主要处于理论和实验室的层次,实用化、工程化的水听器还未见报道。代表性的工作有:浙江大学2019年申请了国家自然科学基金研制了马赫- 陈德尔干涉仪型的PGC单元光纤水声传感器,在国家一级测量站检测取得了较好的测试结果,其灵敏度在630Hz时达到了- 134dB(0dB ref 1V/Pa) 。2019年上海交通大学研制的干涉型单元水听器,其水声灵敏度为-160dB (0dB ref 1V /Pa) ,加速度灵敏度为-40dB (0dB ref 1v/g) 。还有中国船舶总公司