光纤传感技术2非功能型

光纤传感技术赵栋Phone:55664858

22023/5/12光纤传感器的分类功能型（既传又感）光强调制型相位调制型偏振调制型波长调制型频率调制型分布式微弯损耗型光纤光栅多普勒法

非功能型（只传不感）物理效应型荧光效应型光子晶体光纤特种光纤变吸收特性型变折射率型磁光效应型白光干涉型迈克耳逊干涉型马赫-增德尔干涉型法布里-珀罗干涉型萨格纳克干涉型热辐射效应型光强传递型聚合物光纤吸收效应型32023/5/12主要内容某某型光纤传感简介、分类、优缺点等某某型简单理论分析某某型应用举例42023/5/12

干涉型光子晶体光纤等光纤传感技术光纤传感的热点转移光纤光栅分布式

光强调制型52023/5/12光纤传感器的分类功能型（既传又感）光强调制型相位调制型偏振调制型波长调制型频率调制型分布式微弯损耗型光纤光栅多普勒法

非功能型（只传不感）物理效应型荧光效应型光子晶体光纤特种光纤变吸收特性型变折射率型磁光效应型白光干涉型迈克耳逊干涉型马赫-增德尔干涉型法布里-珀罗干涉型萨格纳克干涉型热辐射效应型光强传递型聚合物光纤外光强调制型62023/5/12光强调制型分类利用被测量对辐射强度的调制，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。光强调制型

内调制型（功能型）

外调制型（非功能型）微弯损耗型变吸收特性型变折射率型透射式

光闸式

反射式72023/5/12外光强调制型：透射式82023/5/12外光强调制型：光闸式92023/5/12外光强调制型：反射式102023/5/12主要传感的物理量位移是指物体位置对参考点产生的偏移量。位移测量包括线位移或角位移。位移测量技术是振动、压力、应变、加速度、温度、流量等测量技术的基础，与其它机械量相比，位移是既容易检测又容易获得高精度的检测结果，因此经常将被测对象的其它量转换成位移量来检测。外光强调制型

位移（微位移）振动压力应变加速度温度流量等112023/5/12优缺点分析优点结构简单成本低容易实现非接触测量缺点比干涉型灵敏度低易受外界干扰采用补偿技术测量范围小122023/5/12工作原理：以反射型为例132023/5/12工作原理：以反射型为例142023/5/12工作原理：以反射型为例152023/5/12工作原理：以反射型为例162023/5/12工作原理：以反射型为例172023/5/12工作原理：以反射型为例182023/5/12纤端光场分布特性模型简单几何光学：均匀分布高斯光束混合型192023/5/12纤端光场分布特性模型首先，按照光纤传输的模式理论，在光纤中光功率按模式分布，在稳态情况下大部分光功率集中分布在基模及低价模附近。叠加后的光纤端面光场场强沿径向分布可近似由高斯型函数描写。其次，沿光纤传输的光可近似看成平面波，此平面波场在纤端出射时，可等价近似为平面波场垂直入射到不透明屏的圆孔表面上，形成圆孔衍射，因而实际情况更接近两者的某种混合，为分析计算方便，我们作如下假设:1.光纤端面:光场是由光强沿径向均匀分布的平面波和光强沿径向为高斯分布的高斯光束两部分构成的;2.出射光场:纤端轴向出射光场由准平面波场的圆孔衍射场和在自由空间中传输的准高斯光束叠加而成。202023/5/12出射光斑内强度分布几何光学：均匀分布高斯光束：高斯分布212023/5/12出射光斑面积几何光学：高斯光束：z:径向距离a0:纤芯半径k=2π/λ:波数w0：束腰半径θ0:出射半角222023/5/12混合模型：光斑面积实际上，纤端光场既不是纯粹的高斯光束，也不是纯粹的均匀分布的几何光束，而是更接近于两者的混合。为了更好地与实际情况符合，综合上述两种近似情况，引入无量纲调合参数ξ，和调和函数f(z)，给出修正结果式中，δ和ξ为调合参数，其值由实验决定.232023/5/12混合模型：光强分布对于芯径较粗的多模光纤而言，衍射效应基本上被平均化了，因此对于大芯径多模光纤，对光纤出射光束的光强分布函数基本形式应为函数A(z)及w(z)应与入射光源、光纤芯径、光纤的材料及光纤结构等因素有关，是待定的函数。由于在Z向任意位置光通总量是恒定的，即242023/5/12经过理论推导，得出对于突变折射分布芯径较大的多模光纤，出射光强分布有如下理论公式：其中为调合参数

和最接近的纤端光场分布模型252023/5/12接收光强的计算262023/5/12验证计算272023/5/12对探测光强的干扰因素1.光源方面①电源不稳定导致的光源输出功率的起伏;②发光器件老化导致的输出光功率的变化;③半导体发光器件受环境温度影响导致光强变化及中心波长编移。2.光路方面①光纤弯曲所带来的损耗变化:②机械扰动引起的随机微弯损耗变化;③环境温度变化导致的光纤本征损耗的变化。3.光探测器方面①环境温度变化引起的探测灵敏度漂移;②器件老化引起的探测灵敏度下降。282023/5/12补偿技术光源

散热、稳压探测器光路方面

发射和接收信号尽量共路

引进参考光纤292023/5/12应用举例光纤探针式表面粗糙度测量液位传感器复杂轮廓内外表面检测机器人接近觉传感器加速度计旋转机械动静间隙测量其它等等302023/5/12光纤液位传感器应用于易燃易爆场所，如石油、化工等312023/5/12光纤液位传感器322023/5/12光纤液位传感器基于全内反射原理332023/5/12光纤液位传感器342023/5/12光纤液位传感器浮子遮光式352023/5/12光纤液位传感器定点型反射式362023/5/12光纤探针式表面粗糙度测量粗糙度＝小尺寸的轮廓372023/5/12光纤探针式表面粗糙度测量382023/5/12复杂轮廓内外表面检测392023/5/12机器人接近觉传感器402023/5/12加速度计412023/5/12加速度计422023/5/12旋转机械动静间隙测量432023/5/12旋转机械动静间隙测量442023/5/12光纤传感器的分类功能型（既传又感）光强调制型相位调制型偏振调制型波长调制型频率调制型分布式微弯损耗型光纤光栅多普勒法

非功能型（只传不感）物理效应型荧光效应型光子晶体光纤特种光纤变吸收特性型变折射率型磁光效应型白光干涉型迈克耳逊干涉型马赫-增德尔干涉型法布里-珀罗干涉型萨格纳克干涉型热辐射效应型光强传递型聚合物光纤452023/5/12热辐射效应型462023/5/12热辐射任何温度高于绝对零度(T>0K)的物体都会不断向外界以电磁波的形式辐射能量，这种由物体内部与温度有关的内能转化而来的辐射能称为热辐射。热辐射的实质是物体内部的带电粒子随着温度的升高而被激励放射出不同波长的电磁波，温度越高，粒子被激励得越强烈，辐射的能量越大。不同的物质，以及同一种物质在不同温度下，被激励的粒子的运动频率不同，从而发射出具有不同波谱的电磁波。辐射能力的大小与物体的温度T密切相关472023/5/12热辐射理论上，物体辐射的电磁波波长可以从零到无穷大，而在工程上常见的温度范围内，0.1-100μm波长范围的射线所占的份额最大，通常把这一范围的射线称为热射线。温度很低时主要发射不可见的红外线。温度高于500℃时开始发射部分近红外的可见光。当温度高到约1000℃时开始发射白光以及一部分紫外线。482023/5/12黑体辐射辐射能力的大小还与材料的辐射系数E有关。所谓黑体，是人们假想的能够吸收全部入射辐射，并具有最大发射率(E=1)的物体。普郎克定律揭示了黑体辐射通量密度Mb(λ,T)

与辐射波长λ,辐射温度T之间的关系。式中，λ一物体的辐射波长，T一物体绝对温度，C1和C2，分别称为第一与第二辐射常数，它们的值为:C1=3.7418x10-16W*m2，C2=1.438833cm*K492023/5/12黑体辐射光谱辐射分布特性曲线502023/5/12黑体辐射利用普朗克公式可以得到黑体光谱辐射分布特性曲线(普朗克曲线)，可以看出以下特点:(1)某一确定温度下，黑体的光谱辐射出射度Mb(λ,T)随波长λ连续变化，且对应一个峰值。(2)每条曲线的峰值所对应的波长叫做峰值波长记为λp.随着温度的升高，峰值波长向短波方向移动。(3)对应同一个波长λ，温度升高则光谱辐射出射度Mb(λ,T)增加。所有波长范围内的辐射总量随温度的升高迅速增加。512023/5/12实际辐射所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射(当然黑体仍然要向外辐射)。显然自然界不存在真正的黑体，但许多物体是较好的黑体近似(在某些波段上)。自然界中物体的辐射能力都比理想黑体小，光谱发射率0<ε(λ,T)≤1，其辐射特性也与黑体基本相同，只是辐射能力弱一些，光谱辐射通量表达式需在黑体的光谱辐射通量表达式中乘以ε(λ,T)522023/5/12光纤测温探头的设计532023/5/12热辐射测温示意图两路单波长光去除环境对光强的干扰噪声542023/5/12热辐射效应型光纤传感应用主要应用于各种高温环境，如高温炉等；尤其是许多特殊高温炉中，如高频加热炉、微波加热炉等工业生产中高温检测技术应用广泛，在冶金、化工、能源、建材、耐火等领域，对温度的检测都有很高的要求。552023/5/12热辐射效应型光纤传感应用562023/5/12热辐射效应型光纤传感应用572023/5/12合金凝固温度场的测量在金属零件的制造过程中，凝固往往是第一步，毫无疑问，铸件和铸锭的最初凝固组织决定着材料的性能。深入熔融合金内部：小巧的一次性光纤探头582023/5/12热钢坯非接触式测长592023/5/12热钢坯非接触式测长根据双光纤接收热辐射的时间差测长度和速度602023/5/12什么是荧光某些化学物质从外界吸收并储存能量而进入激发态，当其从激发态回到基态时，过剩的能量以电磁辐射的形式发射出去即发光，称之为荧光。由化学反应引起的荧光称为化学荧光，由光激发引起的荧光称为光致发光。萤火虫、荧光棒、日光灯、CRT显示器等等612023/5/12荧光（分子）产生的原理物质吸收对应波段的紫外光或可见光时激发态分子通过发射光子返回基态，在宏观上表现为发射荧光。物质分子中的电子发生能级跃迁，成为电子激发态分子，是不稳定的通过去活化过程丧失多余的能量回到基态。其中存在两种去活化过程非辐射跃迁辐射跃迁电子的激发能转变为分子振动能或转动能622023/5/12荧光（分子）产生的原理(1)荧光物质分子的基态最低振动能级上的电子受到光的照射，吸收了和它所具有的特征频率相一致的光子能量，跃迁到第一电子激发状态的各个振动能级或更高的能级。(2)被激发到第一电子激发态的各个振动能级或更高的能级的电子，通过无辐射跃迁，降落到第一电子激发态的最低振动能级。(3)降落到第一电子激发态的最低振动能级的分子，继续降落到基态的各个不同振动能级，同时发射出相应的光子，这就是荧光。(4)到达基态的各个不同振动能级的分子，再通过无辐射跃迁到基态的最低振动能级。632023/5/12荧光（分子）产生的原理荧光产生示意图642023/5/12荧光材料氟化氧镁的荧光光谱荧光材料的激发光谱向长波段移动652023/5/12荧光光纤传感原理光源发出激励光荧光指示剂（附着于光纤端面）（掺杂于光纤头内部）传输光纤激发产生荧光并返回荧光光谱分离与探测1、外界环境变化影响荧光特性2、外界物质与荧光指示剂反应662023/5/12荧光光纤传感分类荧光效应光纤传感荧光寿命型荧光强度型荧光淬灭型荧光剂与其它物质反应672023/5/12荧光寿命型激励消失之后，荧光发光的持续时间取决于激发态的寿命。这种发光通常是按指数方式衰减，该指数衰减的时间常数可作为激发状态寿命的量度，称为荧光寿命或荧光衰落时间。大多数使用的材料具有相对长的荧光寿命(>10-6S)682023/5/12荧光寿命型692023/5/12荧光寿命型702023/5/12荧光强度比型主要测量两个不同高态能级到同一低态能级之间的荧光辐射强度比，可以做到与激励光源的强度变化无关。荧光强度型荧光强度比型712023/5/12荧光强度比型722023/5/12荧光淬灭型所谓荧光淬灭是指荧光物质分子与溶剂分子或溶质分子之间发生的导致荧光强度下降的物理或化学作用过程。与荧光物质分子发生相互作用而引起强度下降的物质，称为荧光淬灭剂。淬灭过程实际是与发光过程相互竞争从而缩短发光分子激发态寿命和光强的过程。732023/5/12应用举例荧光光纤温度传感器（比热辐射型低的温度）高压线路测定人体组织温度食品加工微波加热等生物医学中的应用气相和液相氧浓度胆固醇检测人血清白蛋白测量pH值癌症前病变742023/5/12应用举例检测葡萄糖药物分析领域兴奋剂检查可卡因及其代谢物青霉素维生素其它：叶绿素、农药残留等等752023/5/12荧光光纤温度传感特点传统测温技术热电偶、热敏电阻等易燃、易爆、高辐射高电压、强电磁场光纤温度传感技术成熟使用方便腐蚀性气体、液体要求快速相应、无惯性远距离传输等762023/5/12荧光光纤温度传感应用：高压线路772023/5/12荧光光纤温度传感应用：高压线路光纤式开关柜触点温度在线监测系统782023/5/12荧光光纤温度传感应用：食品加工爱尔兰某大型食品加工厂：希望在食品加工过程中，食品的内部温度能准确地测出以保证食品能烤熟，但表面又不被烤焦且呈现诱人的颜色792023/5/12荧光光纤温度传感应用：食品加工鸡块在不同温度下的测试结果802023/5/12荧光光纤温度传感应用：微波环境在半导体工业中，小型元器件在精确黏合过程中的温度监控相当重要：若温度过高，元器件会受损；若温度过低，黏合则不牢固。一组信用卡上的集成电路芯片812023/5/12荧光光纤温度传感应用：微波环境由于自身加热传统的热电偶温度计在微波环境下无法准确测量温度微波自由电子激光器加热822023/5/12荧光光纤温度传感应用：微波环境胶黏剂温度测量结果：热电偶自身被加热832023/5/12光纤传感器的分类功能型（既传又感）光强调制型相位调制型偏振调制型波长调制型频率调制型分布式微弯损耗型光纤光栅多普勒法

非功能型（只传不感）物理效应型荧光效应型光子晶体光纤特种光纤变吸收特性型变折射率型磁光效应型白光干涉型迈克耳逊干涉型马赫-增德尔干涉型法布里-珀罗干涉型萨格纳克干涉型热辐射效应型光强传递型聚合物光纤吸收效应型842023/5/12主要内容气体：光谱吸收型气体浓度检测发射光纤吸收物质固体、气体、液体接收光纤液体：光谱吸收型液体浓度检测固体：半导体吸收型光纤温度传感852023/5/12Lambert－Beer定律“Lambert-Beer定律”是说明物质对单色光吸收的强弱与吸光物质的浓度和厚度之间的关系的定律，是光吸收的基本定律。是透射法测定光衰减的理论基础。当一束平行的单色光通过含有均匀的吸光物质的吸收池（或气体、固体）时，光的一部分被溶液吸收，一部分透过溶液，一部分被吸收池表面反射；设：入射光强度为I0，吸收光强度为Ia，透过光强度为It，反射光强度为Ir，则它们之间的关系应为：I0=Ia+It+Ir

若吸收池的质量和厚度都相同，则Ir基本不变，在具体测定操作时Ir的影响可互相抵消（与吸光物质的浓度和厚度无关）上式可简化为：I0=Ia+It862023/5/12Lambert－Beer定律根据朗伯定律（J.H.Lambert），当光通过液体时，其强度按指数规律衰减，即：I=I0e-αz式中，I0—入射光强；I—出射光强；α—液体的吸收系数；z—光在液体中传播的距离。而液体的对光的吸收系数与液体浓度的关系遵从比尔定律（A.Beer），即：α(λ)=AC式中，C—被测液体的浓度；A—与液体浓度无关的常数。872023/5/12光谱吸收型882023/5/12光谱吸收型气体传感光谱是用来鉴别物质、发现新元素和确定它的化学组成的重要依据。光谱分为发射光谱和吸收光谱两大类。物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光波物质吸收后产生的光谱叫做吸收光谱。892023/5/12光谱吸收型气体传感光谱吸收型光纤传感器气体成分、浓度检测吸收光谱易燃、易爆环境恶劣环境远程遥测、组网902023/5/12光谱吸收型气体传感常见有害气体（CO、CH4、C2H2、NO2、CO2）在石英光纤低损窗（0.8-1.6μm）都有泛频吸收线912023/5/12光谱吸收型气体传感发射光谱吸收光谱光源气室922023/5/12光谱吸收型气体传感光谱吸收型光纤气体传感器是利用待测气体在石英光纤透射窗口(0.8-1.6μm)内的吸收峰，测量由气体吸收产生的光强衰减，得到待测气体的浓度。932023/5/12煤矿瓦斯气体探测煤矿灾害事故中，瓦斯爆炸和矿井火灾占很大比例，而且二者常常伴随发生。发生瓦斯爆炸的主要原因是瓦斯在矿井中的聚集，瓦斯的主要成分是甲烷(CH4)，约占83一89%，它是在成煤过程中形成并贮存于煤层中的气体，是煤矿井下危害最大的气体。CO也是引起瓦斯爆炸的主要气体之一, 同时，煤矿发生火灾或瓦斯、煤尘爆炸事故时，都会产生大量的一氧化碳。942023/5/12煤矿瓦斯气体探测952023/5/12煤矿瓦斯气体探测发射光谱吸收光谱SLED宽带光源CH4气体浓度实验曲线CO气体浓度实验曲线962023/5/12大气监测光纤气体传感装置可以两种方式工作，一种是采用对波长直接进行扫描，获得吸光度与波长之间的对应关系，再进行数值分析；另一种是双波长差分方式，单色仪在微机控制下从波长λ1单步调节到λ2。972023/5/12光谱吸收型液体浓度传感溶液中的某一浓度的分子、离子或者络合物存在固有的吸收光谱,当一束输入光强为I0的光通过溶液内部某一区域时,如果光源光谱与溶质吸收光谱相吻合,则光强就会被吸收。判断物质种类判断物质浓度982023/5/12测量酒精浓度酒精浓度的高精度测量在医学、化工等领域具有重要的科学意义和实际价值水和酒精的吸收峰992023/5/12生物量浓度在线检测1002023/5/12近红外水分测量随着人民生活水平的提高，人们更关心吃的食物中含有的营养成分是否充足，居住的环境是否舒适等等问题。红外水分测定法操作简单，耗时少，测量结果准确，可广泛应用于化工、医药、食品、烟草、粮食等行业的实验分析和日常进货控制及过程检测。1012023/5/12近红外水分测量1022023/5/12原油浓度分布光纤层析成像基于光纤过程层析成像技术OFPT(OpticalFiberProcessTomography)检测原油与机油截面的浓度分布1032023/5/12原油浓度分布光纤层析成像1042023/5/12半导体的光吸收光在导电媒质中传播具有衰减现象，即产生光的吸收。半导体材料通常能强烈的吸收光能，具有数量级为105cm-1的吸收系数。材料吸收辐射能导致电子从低能级跃迁到较高能级。大量实验证明，价带电子跃迁是半导体研究中的最重要的吸收过程。一定波长的光半导体材料价带导带电子吸收足够的能量1052023/5/12半导体的光吸收半导体本征吸收示意图显然要发生本征吸收，光子能量必须等于或大于禁带宽度Eg，即:hv≥Eg=hvg1062023/5/12半导体的光吸收hvg是能够引起本征吸收的最低限度的光子能量。也即:对应于本征吸收光谱，在低频方向必然存在一个频率界限vg，当频率低于vg，不可能产生本征吸收，吸收系数迅速下降。这种吸收系数显著下降的特定波长凡称为半导体的本征吸收波长。1072023/5/12半导体光吸收的温度特性某些半导体材料（例如GaAs砷化稼）的禁带宽度随着温度的升高而减小式中，Eg(0)是温度为0K时的禁带能量，α和β是经验常数。温度变化本征吸收波长变化禁带宽度Eg变化光强变化1082023/5/12半导体吸收型温度传感当温度升高时，本征吸收波长变大，透射率曲线向长波长方向移动，但形状不变;反之，当温度降低时，本征吸收波长变小，透射率曲线保持形状不变向短波长方向移动。在光源的光谱辐射强度不变的前提下，GaAs总透射率就随其温度发生变化，温度越高，总透射率越低;温度越低，总透射率就越高。通过测量透过GaAs的光的强弱即可达到测温的目的。1092023/5/12半导体吸收型温度传感半导体吸收式光纤温度传感器就是一种应用于常温领域的（-20～20O℃）、强度调制的传光型接触式光纤温度传感器1102023/5/12光纤传感器的分类功能型（既传又感）光强调制型相位调制型偏振调制型