光纤传感器ppt课件

1、.,第10章 光纤传感器,光纤与传光原理 光强调制型光纤传感器 相位调制型光纤传感器 偏振态调制型光纤传感器 *频率调制型光纤传感器 *分布式光纤传感器,本章主要内容：,.,光纤应用简介,通讯： 光纤最早在光学行业中用于传光和传像，在20世纪70年代初生产出低损耗光纤后，光纤在通信技术中用于长距离传递信息。 传感器： 由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、磁场、电场、位移等）的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感器元件来探测各种待测量（物理量、化学量和生物量），这就是光纤传感器的基本原理。

2、,.,光纤的发展与动态,1966年，英国霍克姆博士和英籍华人高昆博士提出光纤传输理论（传输衰减率小于20dB/Km为光纤通讯的必要条件) 1969年，日本平板玻璃公司制出200dB/Km梯度光纤 1970年，美康宁公司制出世界第一根20dB/Km低损耗光纤 1972年，日本电子技术综合研究所制出7dB/Km SiO2芯光纤 1973年，美贝尔实验室用化学沉积法（CVD）制做光纤 1978年，对1.5m波长光传输接近理论值约0.2dB/Km 1980年，光通讯产业形成,.,光纤传感器的发展与动态,20世纪70年代末，美国最先发表FOS文章 1981年美国召开光纤陀螺会议 1981年英国第一届国际

3、FOS会议 1984年西德第二届国际FOS会议 1986年美国第三届国际FOS会议 1988年日本第四届国际FOS会议 1989年美国第五届国际FOS会议 2000年意大利第十四届国际FOS会议,.,光纤传感器的特点,* 本质防爆 适合于易燃、易爆等危险物品检测 * 对电绝缘 适合于高电压场合检测 * 无感应性 适合于强电磁场干扰环境下检测 * 化学稳定性 适合于环保、医药、食品工业检测 * 时域变换性 适合于多点分布测量 * 低损耗 * 大容量 * 高精度 * 尺寸小 * 重量轻 * 非接触式,.,光纤传感器在易燃易爆场合的应用,.,光纤传感器在高电压、强电磁场干扰场合的应用,.,10.1

4、光纤及传光原理,一、结构,n纤芯n包层,或n1n2,.,各种光纤,塑料光纤,玻璃光纤,.,用于不同场合的光纤，具有不同的结构、特性参数和折射率分布，即制作工艺。 例如:纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。 纤芯掺入Ge和P 折射率 包层掺入B 折射率,制作工艺,.,双坩锅法,.,化学气相淀积是将有待积淀物质的化合物升华成气体,与另一种气体化合物在一个反应室中进行反应,生成固态的淀积物质,淀积在基底上生成薄膜,如图所示。,化学气相淀积（CVD）,图中,1反应气体A入口, 2分子筛, 3混合器, 4加热器, 5反应室, 6基片, 7阀门, 8反应气体B入口

5、,.,二、光纤传感器的传光原理,光纤传光原理 全反射,n1 n2 入射角C（临界角）,.,光纤传感器的传光原理,斯涅尔定律：,.,光纤传感器的原理,光纤传光与数值孔径(NA:Numerical Aperture),全反射条件：,.,.,光纤传感器的原理,光纤传光与数值孔径(NA:Numerical Aperture),物理意义：表示光纤的集光能力。,定义：,.,.,光的全反射实验,.,传光损耗,造成光纤衰减的主要因素：本征损耗、弯曲、挤压、杂质、不均匀和对接等: 1)本征损耗:光纤的固有损耗，包括：光纤内杂质瑞利散射、固有吸收等. 2)弯曲：光纤弯曲时光纤内的部分光会因散射和折射而损失掉，造成

6、损耗。 3)对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴（单模光纤同轴度要求小于0.8m），端面与轴线不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。,.,光纤传感器与电类传感器对比,.,光纤传感器与电类传感器对比,从对比可见光纤传感器与电类传感器是并行互补的一类新型传感器。,.,三、光纤的种类,按材料分： 石英光纤 玻璃光纤 塑料光纤,按折射率沿径向分布分： 阶跃型光纤 梯度型光纤 特种光纤 保偏光纤 图像传输光纤 液芯光纤,按模式分： 单模光纤 多模光纤,.,模的概念,T：Transverse(横的）；E：Electric(电); M:Magnetic(磁),TE： 电场E只有横向分量，纵向分量

7、为0; TM：磁场M只有横向分量，纵向分量为0; EH： 具有电场和磁场的所有分量，电场占优； HE： 具有电场和磁场的所有分量，磁场占优； TEM：电场、磁场都只有横向分量； LPnm：简并表示法（光纤传播的大多为线偏振光）； LP01HE11：光纤的基模，无截至频率。,模符号解释:,.,低阶模,高阶模,涂覆层,芯,光脉冲,t,0,t,扩展,D,t,扩展的光脉冲,强度,强度,轴, 1999 S.O. Kasap,Optoelectronics,(Prentice Hall),.,光纤模式及其对光信号传输的影响,.,多模光纤与单模光纤比较,多模光纤芯径、数值孔径大 光耦合容易、损失小 模式多，

8、导致接收端合成信号的畸变 一般用于非功能性光纤传感器,单模光纤芯径、数值孔径小 光耦合困难、损失大 线性好、灵敏度高、动态范围宽 一般用于功能性光纤传感器,.,四、光纤传感器所用器件,光源：要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定 相干光：半导体激光器、氦氖激光器等 非相干光：发光二极管、白炽灯等 探测器：要求灵敏度高、响应快、线性好 光电二极管、光电倍增管 光敏电阻、光电池 光无源器件（无需能量完成某种功能）： 光连接器件、衰减器件、光功率分配器件、光波长分配器件、光隔离器件、光开关器件、光纤耦合器（光纤分路器）、自聚焦透镜（折射率沿径向梯度渐变透镜）,.,半导体发光器件-发光二极管、激光二极

9、管,.,专用的光纤连接头及光纤插座,光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。,.,五、光纤传感器的分类,功能型光纤传感器(传感型） 光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件 具有传、感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。 高灵敏度 调整困难 非功能型光纤传感器（传光型、结构型） 光纤仅起传光作用，一般需外加敏感元件 灵敏度、测量精度较低 探针型光纤传感器不需外加光源,.,光纤传感器的基本结构,d：探针型传感器。,.,按照调制方式分类,光强调制型：利用光纤微弯效应的位移、压力传感器；临界角光纤压力、液位传感器。 相位调制型：利用应变、光弹效应的

10、压力、温度、加速度传感器；利用磁致伸缩效应的磁场传感器。 偏振态调制型：利用法拉第效应的电流传感器。 频率调制型：利用光学多普勒效应改变频率的速度传感器 分布式：将被测量按照光纤长度分布测试,.,光波调制概念：,相位调制:利用被测对象使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，导致光的相位变化，然后用干涉法检测这种相位变化而得到被测对象的信息。 光强调制：利用被测对象使敏感元件的折射率、吸收或反射等参数发生变化，导致光强变化而实现测试。 偏振态调制：利用法拉第旋光效应，被测电流的磁场导致偏振光的偏振面发生旋转。 频率（波长）调制：发射和接受物体之间的速度变化导致接受光的频率的变化。,.,光纤传感器分

11、类,.,10.2 光强调制型光纤传感器,一、光纤微弯位移和压力传感器,光纤的弯曲能够使光从纤芯射入包层而产生损耗。 微弯光纤传感器就是根据光纤弯曲(微弯)时纤芯中的光进入包层的原理研制成的。 这类传感器的敏感元件是由一个能引起光纤产生微弯的变形器。变形器为一对错开的带锯齿槽的平行板。,.,变形器与光路,模式去除器原理和作用： 用黑漆代替包层，吸收进入包层的各种模式的光，提高灵敏度。,.,不同入射角传输光强与作用在传感器上力的函数关系,结论： 入射角度大，则传感器的灵敏度高。,光保持在光纤内部，可以避免周围环境的影响； 采用多模光纤； 结构简单,性能稳定。,特点：,.,微弯变形器作为换能件的水听

12、器,休斯研究实验室与美海军实验室合作研制的一种以微弯变形器作为换能元件的水听器。 其中一块变形器刚性地安装在水听器的圆柱形外壳上,而另一块变形器连接到一块薄膜片上。该水听器除了通常的光纤外,还包含一根不通光的光纤,以确保变形片在工作过程中保持平行。 经过改进的微弯传感器的灵敏度已能接近普通的水听器。,.,二、临界角光纤传感器,切面角度设计：外面为空气时， 大于但接近临界角。,测试原理：输入角度不变，临界角由于接触媒质的折射率变化（由小变大），导致部分光线的入射角由大于临界角相对变成小于临界角而发生折射，最终导致反射光强减弱。,.,光纤液位传感器,单光纤液位探头结构,入射角由大于临界角变成小于临

13、界角而产生折射。,.,其他探头结构形式,.,应用：点式光纤液位传感器,适用于： 高、低液位报警 密封加油控制,.,应用：光 纤 液 位 传 感 器,.,结构形式： 光纤端面相对位置改变 遮断光路 吸收光能量,三、光强调制型传输光强调制,特点： 一般有两根光纤 光纤之间有敏感元件,.,1.改变光纤相对位置的光强调制型光纤传感器,受抑全内反射光纤压力传感器,原理：当两光纤的间距为几个波长（微米级），会产生受抑全内反射（势垒穿透）。,两根光纤之间的间隙变化：,.,输出光纤,膜片,弹簧片,输入光纤,支架,基于受拟全内反射原理的光纤压力传感器,注：当未受力时，两光纤斜端面相对距离最远，出 射光最弱；受力

14、后，相对距离变近，出射光增强。,.,受拟全内反射光纤加速度传感器,输出光纤,输入光,支架,悬臂光纤,质量块,阻尼油,.,2、遮断光路式光强调制型光纤传感器,光栅式光纤水声传感器,可动栅,固定栅,两根光纤的端面间相隔一微小间隙,间隙中放置一对光栅,光栅由等宽的全透射和全反射(不透光的)交替栅格构成。当这两个光栅发生相对移动时,光的透射强度就随之发生变化。,.,输出光纤,输入光纤,光栅,膜片,.,具有双金属片的光纤温度传感器,双金属片：由两种不同热膨胀系数的金属片粘合在一起组成。,T:温度变化 l：双金属片长度 K：常数,.,光纤束,光纤束,双金属片,遮光板,光的透射率：,.,3、利用半导体光吸收

15、的光纤温度传感器,光纤温度传感器适于强电磁场环境中，温度范围-20300，响应时间较长（时间常数约2s）.常用以监测高压变压器线圈的温升.,.,半导体禁带宽度与温度的关系,本征吸收边的波长:,c:光速； h:普朗克常量.,.,四.反射光强调制型光纤传感器,1、光纤位移传感器,发送光纤束,接受光纤束,被测物,一般用于测量小位移,反射镜面,.,发送光纤束,接受光纤束,反射面,.,端面光纤分布,随机分布,同轴分布,同轴分布,发射光纤,发射光纤,发射光纤,发射光纤,.,发送光纤束,接受光纤束,反射面,不同分布光纤的位移反射光强特性,随机分布,对半分布,同轴分布,.,.,.,.,2、光纤动态压力传感器,

16、发送光纤束,接受光纤束,补偿光纤束,膜片,传感头,补偿光源功率的波动和光敏 二极管的噪声.,光源,PD,PD,.,反射光强,静态工作点的选取,.,*五、探针型光纤温度传感器,E:黑体光谱辐射亮度 C1：第一辐射常数 C2：第二辐射常数 ：辐射波长,普朗克公式：,黑体辐射：,.,一般物体的辐射公式：,E:光谱辐射亮度 ；C1：第一辐射常数 C2：第二辐射常数； ：辐射波长 ：物体光谱发射率,.,组成框图,.,双波长辐射温度传感器,.,光纤高温温度传感器,.,保护管内为高温光纤,低温光纤,光纤温度传感器,.,光纤高温温度传感器的应用,.,10.3 相位调制型光纤传感器,一、相位调制的原理,L：光纤

17、长度;n1：纤芯折射率;：光波波长,L：光纤长度变化量；L：光纤轴向应变； n1：纤芯折射率变化量。,单模光纤出射和入射光的相位差：,光波相位的变化微分关系为：,引起相位变化的几种物理效应：,光纤长度变化 应变效应 纤芯折射率变化光弹效应 光纤芯直径变化泊松效应,.,二、干涉检测原理,引入干涉技术的原因:光的频率很高（1014Hz),光电探测器不能响应如此高的频率，故不能测量光的波形。 干涉测量技术将相位调制转换为振幅调制 四种干涉仪的形式： 马赫-泽德干涉仪 迈克尔逊干涉仪 塞格纳克干涉仪 法布里-泊罗干涉仪,.,Michelsion干涉式光纤传感器 被测量信号作用在传感臂上时，会引起传感臂

18、中传播光的相位发生边化，从而导致进入到光电探测器内的干涉光强度变化。此类探测器可以测量位移，应变和微振动等，测量精度很高。若光纤反射断面的反射率很高接近与1，光电探测器检测到的平均光强为:,I0为光源注入到光纤内的光强，a为系统光衰减系数， 为参考臂与传感臂两束光的相位差。,.,输出端的两个探测器探测到的光强为：,Mach-Zehnder干涉式光纤传感器 结构对称，在两个耦合器之间的两根光纤分别作为参考臂和传感臂。参考臂与被测量隔绝，传感臂感知被测信号进行定位。被测量的变化导致传感臂内光波的相位变化，光电探测器探测从两臂出来的两束光产生的干涉光光强的变化实现测量。,.,Fabry-Perot干

19、涉式光纤传感器 光纤FP是由两根端面平行的光纤和光纤外径匹配的毛细管构成，毛细管内2个平行的光纤端面和其间的空气隙形成F-P腔 ，当外界的压力变化时，引起F-P长的改变，从而引起反射光谱的改变，通过检查反射干涉光谱的移动实现压力信号解调.,.,三、实例与应用,光纤压力和温度传感器,马赫-泽德干涉光纤传感器,.,.,例如，n1=1.456的单模光纤的线膨胀系数为:,折射率的温度系数为:,17个周期,测量温度，有：,.,特点：,灵敏度较高（移动17个干涉条纹/C， 分辨率为0.06 C),测量应变：,测量温度：,.,光纤加速度传感器,光纤1,壳体,质量块,光纤2,干涉仪一条臂中有一段光纤被固定在外

20、壳的上端与悬挂物体之间。而干涉仪另一条臂中一段相同长度的光纤则固定在悬挂物体与外壳的下端之间。 如果让加速度计的外壳以加速度a向上运动,那么在加速该物体所需的作用力F的作用下,上面的一段光纤将伸长L,下面的一段光纤则缩短L。检测相差可得加速度。 膜片用来支撑悬挂物体,以减小传感器对横向加速度的敏感性。,支撑膜片,.,S:光纤截面积 d: 光纤直径 T：每根光纤上应力的变化量 m：质量块质量 a:质量块加速度 E：光纤材料的弹性模量,质量块所受力（差动力）的变化量为：,应变变化量为：,光的相移为：,.,光纤加速度传感器结构简图,.,频响特性与输出,线性度高.,响应频率低.,.,由空气光路和多个光

21、学器件(分束器和平面镜)组合而成。光源的输出光束被分成两束或两束以上的光。这些分开的光束沿不同光路传输之后,又重新合并激励光敏检测器。灵敏度极高。 由于对使用环境的严格要求,限制了它们在实际条件下的应用。 出现了能用于恶劣环境的极小、长寿命的固体激光器和光检测器、光路元件（如腐蚀或搭接的光纤光纤耦合器）,以及与它们相应的集成光学元件。相位型光纤传感器的应用得到了很大发展。,相位调制干涉式光纤传感器的特点：,.,“全光纤”干涉仪结构,在图示（麦克尔逊）干涉仪中,用两只3dB耦合器代替两只分束器。它们可以把激光器的输出光束分成相等的两束光,也可以使从两个光路传来的光重新合并。这样就可以直接把激光器

22、的输出光束耦合到光纤内,也可以相似地把光纤输出直接耦合到光探测器中。因此,在光源和检测器之间,该干涉仪只包含光纤元件。 如果把集成电路技术和目前的电光技术能力结合起来,则可以把其他所有元件(包括激光器、检测器和信号处理器等)组装在一小块与光纤可以对接、耦合简单的小型集成片上。,.,光纤磁场传感器,基于磁致伸缩效应：某些材料在变化的磁场中尺寸发生变化。 原理：光纤与磁致伸缩材料粘合在一起，磁致伸缩效应使得光纤的长度、折射率发生变化，从而引起光的相移。 特点：光纤磁场传感器特别适用于弱磁场的检测且其线性度好，检测磁场强度可达10-3Am-1。,.,四、光纤陀螺,萨格纳克（Sagnac）效应是所有光

23、纤陀螺的基本原理，萨格纳克效应最先是在1913年由萨格纳克提出的。 同一光源同一光路，两束对向传播光之间的光程差或相位差与其光学系统相对于惯性空间旋转的角速度成正比的现象称为萨格纳克效应。,当系统角速度=0时,光回到原地所用的时间为：,当系统角速度0时,从B点出发的逆时针光束达到新的B点，即B点所需时间为:,逆时针,.,从B点出发的顺时针光束达到新的B点，即B点所需时间为:,由于cr,.,顺、逆光束之间的相位差为：,顺、逆光束之间的光程差为：,.,光纤陀螺结构,.,军用光纤陀螺： 将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可以测得出射光的相位发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，无机

24、械磨擦力。,.,例题: 某光纤陀螺用波长0.638m的光，光纤总长L=200m,圆形光纤环的半径r40mm,计算当角速度1/s时相移大小。,解:单圈光纤环的相移为:,总的相移为:,.,10.4 偏振态调制光纤电流传感器,法拉第旋转效应（磁光效应）：某些介质中传播的线偏振光受到沿光传播方向的磁场作用时，线偏振光的偏振面发生旋转的现象。,.,光纤电流传感器,.,: 偏转角 ；V:费尔德常数；L：光纤长度 H：距离导线为r处的磁场强度,偏转面旋转的角度为：,检偏器输出的振动方向相互垂直，与入射光纤的线偏振光在无电流时成450，有电流时，根据马吕斯定律，两束偏振光的光强信号分别为：,.,特点: 测量范围大(1000A的电流） 灵敏度高 安全、绝缘 需采用保偏光纤,.,天津峻烽科技（OPEAK）有限公司激光技术中心,.,*10.5 频率调制型光纤传感器,一、光学多普勒效应,V,光源,探测器,粒子,e0,es,e0:入射方向单位矢量；,es:观察方向单位矢量；,es-e0,.,由多普勒效应，粒子接收到的频率为：,由于vc，所以有：,观察器接受到的光波频率为：,.,特点：只能测量速度v在（eS-e0)方向的投影；所以 需要知道粒子运动的方向。,.,二、特殊的光路布置方式,而两束夹角为的平面波干涉条纹的间距为：,.,讨论特殊的光路布置方式：,启发：能否通过测量干涉条纹间