中科大新型传感器原理及应用课件04光纤传感器

第四章光纤传感器抗电磁干扰;安全;灵巧轻便;使用方便.功能型(FF):传光且敏感(传感型)非功能型(NFF):只传光.(传光型).第一节光纤传感原理

将光源入射的光束经由光纤送入调制区,在调制区内,外界被测参数与进入调制区的光相互作用使光的性质如强度、波长、频率、相位、，偏振态等发生变化成为被调制的信号光，再经过光纤送入光敏器件、解调器而获得被测参数。电子传感器:靠电阻,电容,电感等光纤传感器:靠光特性(强度,颜色等)平面光波的波动方程:

E=Asin(kx-ωt+φ)(4-1)k=2π/λ为空间频率.光的基本特性:1)幅值A:振幅,光强,最大值A2.2)振动方向:矢量,有振动方向(偏振方向).3)光的角频率ω:受环境影响,反映颜色.4)波长λ:同样光波在不同介质中λ不同.5)初始相位φ:反应光波的光程.一般测光强,其它要通过相应手段.一、强度调制

利用外界物理量改变光纤中光的强度，通过测量光强变化来测量外界物力量变化的原理称强度调制。特点：技术简单、可靠、价格低。使用多模光纤、LED等即可实现。传感器探头机理：反射、折射和投射等。1.透射式强度调制光纤间距2~3µ

m;断面为平面.图b)中,横向位移x与功率耦合系数T的关系如下:

T=exp(x2/s02)(4-2)s0为光斑尺寸;偏置点在图c)中A点合适;可测距离10µ

m.2.开关调制

入射和接收光纤不动,当外界物理量影响时,利用挡板调制透光强度.原理见图4-3.若光束半径为r,挡板位移δ,则光纤端面所引起的光强变化与δ/r成正比.一般可测10µ

m.3.反射式强度调制测量范围100µ

m.4.折射率调制法可测温度、含油量、折射率和液面。二、偏振态调制法利用外界物理量改变光的偏振特性，通过检测光的偏振态的变化来检测各种物理量，称为偏振态调制。1.法拉第效应(磁致旋光效应)

当偏振光通过某种透明介质(通常为磁场)时,偏振态以光的传播方向为轴线旋转一个角度.原理见图4-6.a)中,θ=VdLB(4-3)

Vd-费尔德常数;L-距离;B-磁感应常数b)中,θ=VdNI(4-4)

N-光纤圈数;I-光纤中电流.2.克尔电光效应利用光的双折射原理构成光纤电压传感器3.光压效应应力双折射原理可测量压力、振动、声音、位移等三、相位调制法利用外界物理量改变光纤中光波的相位，通过检测相位变化来测量物理量。相位调制包括两部分：

1）相位变化的物理机理。

2）光的干涉技术（将相位变化转为光强变化）。1.应力应变效应当光纤受到轴向的机械应力作用时,光纤的长度、纤芯直径、折射率都会变化，导致光纤中光的相位变化。光波通过长度L的光线后，出射光波的相位延时为：φ=βL

（4-14）

β为光波在光纤中的传播系数。当光纤的长度或传播速度变化时，相位变化为：

△φ=△φ1+△φ2+△φ3（4-15）

长度折射率直径(可忽略)其余公式见书。2.温度应变效应若光纤放置在变化的温度场中,将温度场变化等效为作用力F,则相位延迟:

△φdn

dL--------=k0(L----+n----)(4-17)△TdTdT

折射率长度特点:相位灵敏度高.应用:压力传感器.四、频率调制法当光接收元件与光源之间有相对运动时，光敏器件接收到的光频率fs与光源频率f不同（多普勒效应）。

fs=f/（1-υ/c）≈（1+υ/c）f

（4-20）应用：测量速度、流量等。实际检测△

ω，分零差法和外差法。见图（4-9）（外差法）。外差法：参考光束:ωR=ω0-ω1测量光束:ωs=ω0±△ω1.零差法参考光束:ωR=ω0;无声光调制器.用指数形式表示:

Es(t)=e0e-jωst

ER(t)=e0e-jω0t

(4-21)干涉光的振幅:

E(t)=ES(t)+E0(t)干涉光的光强:I(t)=E(t)E*(t)=I0(1+cos△ωt)(4-22)特点:余弦函数为偶函数,测大小不能测方向2.外差法增加了声光调制器

ωR=ω0-ω1

ωs=ω0-△ω(4-23)Es(t)=e0e-jωst

ER(t)=e0e-jωRt

(4-24)干涉光的振幅:

E(t)=ES(t)+ER(t)干涉光的光强:I(t)=E(t)E*(t)=I0(1+cos△Ψt)(4-25)△Ψ=ωR-ωs=△ω-ω1当△Ψ=0;I(t)最大;△ω=ω1

通过调节调制频率ω1,可测出△ω第二节常见光纤传感器很多种,介绍三钟.一、偏振式光纤温度传感器发展最早、最快、最多的传感器之一。分相干型和非相干型（本例）。图4-13各部分原理如下：1.偏振光分棱镜平行与入射面分量P和垂直入射面分量S.布儒斯特(Brewster)角

θB=arctan(n2/n1)

作用:起偏器从光棱镜透射的光强为I0,透射的偏振光经一系列光学元件后原路返回,若光矢量被旋转了α角,则返回透过分光棱镜的光强:

I=I0cosα(4-27)2.石英晶体波长为λ的光线经过,光矢量受到旋转.按菲涅耳定律：线偏振光可以分解为左、右旋圆偏振光（折射率分别为nL、nR）旋转角度α=（nR-nL

）πd/λ（4-28）3.1/4波片光经过后产生光程差:△=(n0-ne)d=(m+1/4)λ(4-29)

作用如下:4.传感器工作原理按图4-10a)的光路从左至右分析.两次经过石英晶体后,旋转角度为:α+2(β-α)-α=2(β-α)(4-30)设入射光强为I0,则返回通过分光棱镜的光强I由式(4-27)得:

I=I0cos[2(β-α)

](4-31)2(β-α)=45°时,线性度最好.应用:测温18~180℃;分辨率2℃.说明:1)¼波片调整测温范围.2)相干型光纤温度传感器精度高.二、反射式光纤位移传感器机械量中较容易测量的物理量。分相干和非相干型（本例）图b）中，tanθ=d/2b（4-32）；若阶跃折射率型光纤数值孔径为N，有：θ=arcsinN由上两式得：

b=d/2tan（arcsinN）（4-33）

b＜上式值；两光纤无耦合，不能测量由图c）看出，反射光斑与输出光纤的端面有一个交叠面，交叠面积与光纤端面面积的比为M（见式4-34）。假设反射面无光吸收，两光纤光功率耦合效率F为交叠面积与光锥底面积之比，见书式4-35。根据式4-35,求出位移b与光功100率耦合效率F的关系曲线(2a=100µm;N=0.5;d=100µm)实际传感器不是两根光纤而是多股,标准的由600根直径为0.762mm的光纤组成.因分布形态不同分四种:CIICTD

RH特点:小范围内进行高速位移测量;具有结构简单、造价低、设计灵活、非接触、探头小、频响好、线性好、能在恶劣环境下工作等优点。由于原理是测光强，对光源有要求。三、光纤加速度传感器外界作用力作用在一定质量的物体上，使物体产生一定量的位移、转角或其他形式的几何形变。有强度调制和相位调制型两种。1.干涉型光纤加速度传感器质量块质量m,以加速度a对顺变柱施加一个轴向力F=ma(4-36)顺变柱轴向应变εi=4F/Eπd2

;径向应变ε=µεi;光纤长度变化δl=4µNma/Ed光纤长度变化可通过干涉系统测量

相位变化△φ=(4-40)*加速度传感器灵敏度△φ/a=(4-41)2.强度调制型光纤加速度传感器在加速度作用下,板簧发生形变,根据书上(4-42)到(4-49)公式,可以求得加速度a.特点:灵敏度高;动态范围大;不易受震动和电源波动的影响;体积小;结构简单.测量加速度值:<10-5

m/s2第三节光纤传感器的应用典型应用：机敏材料和机敏结构在线检测建筑混凝土结构内部应力变化。如：桥梁、水坝、核电站、高层建筑、高速公路等。一、埋入式光纤传感器干涉型：灵敏度高；结构复杂。偏振光型：灵敏度低；结构简单。干涉型：相位调制原理见第二节由4-46式，只考虑受力长度变化：

△φ≈β△L=2πnLε/λ(4-50)测量臂与参考臂之差L—标距。测量臂与参考臂之间的相位差反应受力变化。偏振光型传感器：光源S1L1平行光P1平行偏振光O1PIN1PIN2检偏P2

平行偏振光

O2若偏振光偏转了θ角，则射到PIN2的光强为：

I2=I1cosθ(4-51)上折射率光纤受应力ε时，偏振光相位的变化：

△φ=L△β+β△L

（4-52）光纤弹性模量E1,主体弹性模量E2，则光纤所测应力ε1与主体材料实际内应力ε0的关系：

ε0=ε12E1/(E1+E2)(4-53)二、传感器的安装根据主体材料的不同，选择安装方式。对钢筋混凝土主体材料，主要有两种典型的埋入方法。1）金属导管安装法2)预制件安装法置入2组光纤.无外部力作用时,光纤输出的光强度为I0;当构件受到应力F时，光纤输出的光强度为I，则光纤传感器输出值相对变化为：

σ=[（I0-I)/I0]X100%=(△I/I0)00%