第7章-光纤传感器8

第七章光纤传感器第七章光纤传感器强度调制相位调制偏振调制频率调制波长调制概述优点分类原理结构调制原理传感应用法珀传感白光干涉光纤光栅光纤陀螺传感器技术:感知获取信息的窗口智能信息系统的“五官”光纤传感器:以光波为信息载体,以光纤为传输媒质安全可靠;传输容量大概述光纤传感器始于1977年，经过30多年，目前已进入研究与应用并重阶段光纤传感测量范围十分广泛，可用于热工参数、电工参数、机械参数、化学参数的测量，还可以医用内窥镜、工业内窥镜等领域，进行图像扫描和图像传输。优点1.频带宽、动态范围大、灵敏度高；2.电绝缘性好、抗电磁干扰，可用于电气噪声、强电磁干扰环境；3.可桡性好：几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；4.不带电全光型探头；5.可用于高温、高压、腐蚀等恶劣环境结构；6.简单、体积小、重量轻、耗能少；7.相近技术基础课构成传感不同物理量传感器8.便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统遥测遥控；9.应用范围广泛，可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；光纤传感器的主要应用领域应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等七十多个物理量的测量物理量的测量。光纤制导武器陀螺水听器加速度计压力传感器灵巧蒙皮战地化学传感军事传感器：光纤传感器的主要应用领域光纤机器人智能制造柔性加工电力继电保护火灾报警发动机内部故障诊断智能大厦应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等七十多个物理量的测量物理量的测量。智能系统光纤传感器的主要应用领域胃镜、神经修复、外科手术监测医用传感器应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等七十多个物理量的测量物理量的测量。4S+R技术：Sensitivity；Selectivity；Stability；Standardization；Reliability光源功率稳定技术电流控制；功率控制；温度控制；噪声控制信号检测技术强度检测；波长检测；相位检测；偏振态检测；弱信号放大系统智能化技术光纤传感器的主要关键技术4S+R关键技术

以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。光纤传感器结构原理信号处理电源信号接收导线敏感元件

光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。光纤信号处理光接收器光发射器敏感元件结构A——电场E的振幅矢量;ω——光波振动频率φ——光初相位；t——光的传播时间。可见，只要使光的强度、偏振态(振幅矢量的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用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量E的振动，即光纤传感器结构原理原理

光的强度

偏振态波长

频率

相位光纤传感器光学测量的基本原理解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制把被测量的状态转变为可测的光信号的装置

光受到被测量的调制,已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。被测量调制光纤传感器的分类分类方式：1.光纤在传感器中的作用;2.光受被测量调制的形式;3.光纤传感器中对光信号的检测方法1.光纤作用

功能型

非功能型

拾光型光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：结构紧凑、灵敏度高。

缺点：须用特殊光纤，成本高，

典型例子：光纤陀螺光纤水听器等空芯光纤气体传感器

(a)功能型（全光纤型）光纤传感器功能型光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。

优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。

缺点：灵敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。(b)非功能型（或称传光型）非功能型

用光纤作探头，接收由被测对象辐射、反射、散射的光。(c)拾光型光纤传感器辐射式光纤温度传感器拾光型2.根据光受被测对象的调制形式(a)强度调制型光纤传感器(b)偏振调制光纤传感器(c)频率调制光纤传感器(d)相位调制传感器利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。应用：压力、振动、位移、气体优点:结构简单、容易实现、成本低。缺点:易受光源波动和连接器损耗变化等的影响(a)强度调制型光纤传感器强度调制（b）偏振调制光纤传感器利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息应用：电流、磁场传感器：法拉第效应； 电场、电压传感器：克尔效应； 压力、振动或声传感器：光弹效应； 温度、压力、振动传感器：双折射性优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。偏振调制（c）频率调制光纤传感器被测对象引起的光频率的变化来进行监测利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；频率调制（d）频率调制光纤传感器被测对象引起的光频率的变化来进行监测 利用光致发光的温度传感器等。波长调制（d）相位调制传感器被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。利用光弹效应的声、压力或振动传感器； 相位调制（e）相位调制传感器被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。 利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器 GMM铽镝铁稀土超磁致伸缩合金（REMA棒）相位调制（e）相位调制传感器被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息优点：灵敏度很高，缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。Sagnac效应光纤陀螺相位调制注：MM—多模光纤；SM—单模光纤；PM—偏振保持光纤传感器光学现象被被测量测量光纤分类干涉型光纤传感器相位调制干涉（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、PMaaaaa光纤传感器的分类注：MM—多模光纤；SM—单模光纤；PM—偏振保持光纤传感器光学现象被被测量测量光纤分类非干涉型光纤传感器强度调制遮光板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模温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纤传感器的分类注：MM——多模光纤；SM——单模光纤；PM——偏振保持光纤传感器光学现象被被测量测量光纤分类非干涉型光纤传感器偏振调制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SMMMSMMMb,abbb光纤传感器频率调制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MMMMMMcbb光纤传感器的分类第七章光纤传感器-调制原理强度调制相位调制偏振调制频率调制波长(颜色)调制一、强度调制机理

外调制:反射式、透射式内调制:微弯曲、光纤刻纹强度调制

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.daT=tan(arcsinNA)反射式耦合效率输出光纤接收的入射光功率比反射式传感器的耦合效率与反射位置间关系曲线?(a)

传光束型

(c)

单光纤型其他形式反射式强度调制原理图2.透射式强度调制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距离,光强度调制器的线性度和灵敏度都很好。调制原理双透镜系统带有遮光屏的透射式光强调制结构无透镜系统透射率从50％到0周期变化，光的输出强度亦周期性变化，而且它的分辨率在光栅条纹间距的10-6数量级以内。这是能够构成很灵敏、很简单、高可靠的位移传感器的基础。光栅遮光屏透射式两个周期结构的光栅遮光屏传感器3.光模式强度调制当光纤之间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗。光纤模式微弯损耗强度调制原理1-线芯；2-包层；3-变形器；4-泄漏到包层的光波微弯损耗调制最佳微弯空间周期（SIF）（GIF）4.折射率强度调制

一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同。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。光纤材料n(T)5.倏逝波耦合型倏逝场调制光纤包层被减薄或完全剥去，足以产生倏逝场耦合；d、L或n2稍有变化，光探测器的接收光强就有明显变化、从而实现光强调制、这一原理已应用于水听器。L-光纤间的相互作用长度；d-纤芯之间的距离；

x射线、g射线等辐射线会使光纤材料吸收损耗增加；

铅玻璃制成光纤对x射线、g射线、中子射线最敏感。6.光纤吸收系数强度调制吸收系数调制射线敏感7.强度调制的补偿技术1).分光参考补偿法LD探测器1信号处理探测器2传感头信号输出分束器I0V1V22).光桥平衡

补偿法S2D1信号处理D2M信号输出L1V11V21S1L2C12C22C11C21V12V22L4L37.强度调制的补偿技术3).时域参考

补偿法LD信号处理探测器信号输出I0V传感头ML7.强度调制的补偿技术4).衰荡参考

补偿法7.强度调制的补偿技术5).双波长参考

补偿法二、相位调制传感基本原理:能量场作用下光波相位变化，干涉法转换为光强变化，检测待测物理量。光纤受纵向(轴向)机械应力作用，光纤长度、芯径、纤芯折射率变化，引起光相位变化.1).应力应变效应b传播常数1.调制机理纵向应变,相位变化轴向应变,相位变化泊松效应可忽略时泊松效应可忽略时PZT相位调制器2).温度应变效应仅考虑径向折射率变化时，其相位随温度变化为2.相位调制的解调1).迈克尔逊光纤干涉仪光纤迈克尔逊(Michlson)干涉Michlson2).马赫—泽德光纤干涉仪Mach—zehnder

干涉仪两臂光波间相对相位为900,正交检测方式的优点是探测相位灵敏度最高。“正交状态”2).马赫—泽德光纤干涉仪3).赛格纳克光纤干涉仪平台以角速度Ω转动，两束传播方向相反的光束到达光探测器的延迟不同。若平台以顺时针方向旋转，则顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光延迟。光纤SagnacA光路围成面积相位延迟Sagnac反射率95％4).法布里—珀罗光纤干涉仪透射的干涉光强的最大值与最小值之比Fabry-PerotR-反射镜的反射率φ-相邻光束间的相位差光纤F-P光纤特性变化φ三、偏振调制强电场施加于各向异性晶体时引起的感生双折射正比于所加电场的一次方，称为线性电光效应，或普克耳效应。1.调制-光偏振效应普克耳效应克尔效应也称为平方电光效应．各向同性透明物质上受外加电场作用时，变成具有单轴晶体双折射现象的各向异性特性。克尔效应许多物质在磁场的作用下可以使穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转，这种现象称为磁致旋光效应或法拉第效应法拉第效应旋光现象A

旋光现象偏振光通过某些透明物质后，其振动面方将以光的传播方向为轴线转过一定的角度，这种现象称为旋光现象。能够产生旋光现象的物质称为旋光物质。如石英、糖、酒石酸钾钠等。右旋物质：迎着光的传播方向观看，使振动面按顺时针方向转动的物质，如葡萄糖、石英等。左旋物质：迎着光的传播方向观看，使振动面按逆时针方向转动的物质，如果糖等。不同的氨基酸和DNA等也有左右旋的不同，这些是目前生物学研究的课题。B

旋光物质三、偏振调制C是旋光物质；F为滤色片；M为起偏器；旋光物体放在两个偏振片M与N之间，把检偏器N旋转一定角度，可得到亮视野和暗视野。旋光调制实验证明：振动面旋转的角度ΔΨ与材料的厚度d、浓度C以及入射光的波长有关。对于固体：为旋光系数，为入射光波长的函数对于液体：C为溶液的浓度。应用：制糖工业，测定糖液浓度的糖量计旋光物质蔗糖溶液石油酒石酸石英朱砂光线正反两次通过旋光材料后总旋转角为0，因此，旋光性是一种互易的光学过程。互易性法拉第旋转是非互易的光学过程旋光物质互易法拉第旋转非互易三、偏振调制3.偏振调制的解调1).单光路

检测LDD信号处理传感头信号输出qI0VI3.偏振调制的解调2).双光路

检测LD探测器1信号处理探测器2传感头信号输出qI0V1V2II1I2四、频率调制机理1.多普勒调制粒子速度传感器主要特点是空间分辨率高，光束不干扰流动性，并具有跟踪快速变化的能力。四、频率调制机理四、频率调制机理2.Sagnac调制五、波长调制机理波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能型传感器。1).光纤磷(荧光)

光探测技术2.波长外调制稀土磷谱光两条线温度特性2).光纤黑体

探测技术2.波长外调制

光纤黑体探测技术。就是以黑体做探头，利用光纤传输热辐射波，不怕电磁场干扰，质量轻．

灵敏度高，体积小，探头可以做到0.1mm。2.波长外调制第七章光纤传感器-传感应用光纤法珀传感光纤光栅传感光纤白光干涉传感光纤陀螺传感7.2光纤法珀传感1.基本原理、分类、特点2.解调方法3.法珀传感复用技术4.法珀传感器应用7.2光纤法珀传感-基本原理、分类、特点1.基本原理反射系数透射系数取R1=R2=R反射光强透射光强R1=R2=R<<17.2光纤法珀传感-基本原理、分类、特点2.F-P传感器分类及特点1)本征型光纤法珀传感ABC高反膜腔长L本征型光纤法珀腔腔体在光纤内部，反射端面可以通过写入FBG实现，IFPI腔长可以从0.1mm到1000mm范围。IFPI7.2光纤法珀传感-基本原理、分类、特点2)非本征型光纤法珀传感高反膜腔长Ln0dD导管非本征型光纤法珀腔腔体在光纤外部，腔长控制方便，若导管材料热胀系数与光纤相同则其温度特性远优于本征型。EFPI7.2光纤法珀传感-基本原理、分类、特点2)非本征型光纤法珀传感（EFPI）发散影响腔长Lqc出射发散光反射发散光7.2光纤法珀传感-解调方法1.强度解调可测量范围限于半个波长(单色源)100204060L/mm01015201L/mmD(R小)7.2光纤法珀传感-解调方法2.相位解调使用宽带光源liL=L28009001000liL=L1800900100007.2光纤法珀传感-解调方法2.相位解调条纹计数法lmm+qm+1m+2m+3m+4(q=1,2,3…)7.2光纤法珀传感-复用技术1.强度解调复用2.相位解调复用P246图7.247.2光纤法珀传感-法珀传感器应用封装与埋入金属化：保护传感器而不失其灵敏度表面直接粘贴内部埋入表面机械固定7.2光纤法珀传感-法珀传感器应用商品描述：属于置入在不锈钢保护外壳内部的外在型法布里-珀罗传感器。

特点：体积小巧、不受电磁和射频干扰、耐腐蚀、性环境、精度高、可靠性高，是在恶劣环境下测量温度的最佳选择。其信号调节器是为土木工程、R&D、工业应用而设计的，并且具有内置的可达50000个测点的数据记录能力，光缆信号传输可达数公里距离光纤温度传感器(FOT)EG-291*

埋入式光纤应变传感器(EFO)EG-2973

商品描述：长70mm，用于埋入砼内部。其敏感元件是基于独特内置光纤法布里—珀罗应变感应元件。这种传感器可以用于普通以及高性能和粉末活性砼中。温度测量应变测量7.2光纤法珀传感-法珀传感器应用工程应用7.3光纤白光干涉传感1.光纤白光干涉仪基本原理3.光纤白光干涉传感器应用2.光纤白光干涉仪传感原理7.3光纤白光干涉传感-光纤白光干涉仪LED光源传感臂L1参考臂L2扫描反射镜XR1R2光纤反射端耦合器探测器PD基本原理7.3光纤白光干涉传感-光纤白光干涉仪基本原理LED光源G0G0/2l0lDl物理量中心波长光谱半宽相干长度光谱系数相对强度系数符号l0DlLcxG0数值1310nm35nm49mm2.80.37mW/nm7.3光纤白光干涉传感-光纤白光干涉仪基本原理光谱密度G与光程差x关系对3dB耦合器(取R1=R2