第七章-第二节-光纤传感器重点.ppt

1、7.2光纤传感器中的光纤是20世纪70年代的重要发明之一。它与激光和半导体探测器一起构成了新的光学技术，开创了光电子学的新领域。光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤在有线通信中的优势越来越突出。它为信息高速公路奠定了基础，信息高速公路是21世纪人类的通信基础，并为多媒体(符号、数字、声音、图形和动态图像)通信提供了必要的条件。由于光纤具有许多新的特性，不仅在通信方面，而且在其他方面也提出了许多新的应用方法。例如，光纤传感器通过将待测量的光与光纤中的光导连接而形成。光纤传感器始于1977年。经过20多年的研究，光纤传感器取得了非常重要的进展，现在正进入研究和实用共存的阶段。它在军事、航天技术

2、和生命科学的发展中起着非常重要的作用。随着新学科的交叉渗透，它将有更广阔的应用前景。首先，我们将看几个使用光纤传感测量的例子。它类似于涡流和磁电传感器测量转速的原理，以及光电二极管测量位移的原理。工件检测和颜色检测。首先，光纤结构和光传输原理光纤结构非常简单。它是一个多层介质结构的圆柱体，由纤芯、包层和护套组成。核心材料的主体是二氧化硅或塑料，制成直径在575米以内的薄圆柱体。有时，将非常少量的其它材料如二氧化锗或五氧化二磷加入到主体材料中，以提高折射率。圆柱形护套(包层)围绕光纤芯，包层可以是单层或多层结构。层数取决于光纤的应用位置，但总直径控制在100-200米以内.包层材料之一是二氧化硅

3、，有些掺杂了微量的三氧化二硼或氧化硅。与芯掺杂的目的不同，包层掺杂的目的是降低其对光的折射率。一些涂层也涂覆在包层外面，这可以保护光纤免受外部损伤，并增加光纤的机械强度。光纤的最外层是塑料保护管，它的颜色用来区分光缆中的不同光纤。光缆由几根光纤组成。光纤之间填充有阻水膏，保证光缆的光传输性能。光缆主要用于光纤通信。众所周知，光纤利用光的全内反射定律将入射光传输到另一端。有一段圆柱形光纤。如图所示，当光进入端面并与圆柱体的轴线形成一个角度时，它在光纤中根据飞贼拍击的折射定律被折射，然后以一个角度进入纤芯和包层之间的界面。如果在界面处发生全反射，那么纤芯和界面之间的光的入射角应该大于临界角c，即当

4、纤芯和界面之间的光的入射角达到临界角c时，进入光纤端面的光的入射角也达到临界角c，在公式中称为光纤的数值孔径，用NA表示。这意味着当入射光从折射率为n0的外部介质进入光纤时，只有入射角小于c的光才能在光纤中传播。否则，光将从包层中逸出并导致漏光。钠是光纤的一个重要参数。数值越大，光源与光纤的耦合效率越高。根据折射率、光纤材料、传输方式、光纤应用和制造工艺，有如下几种分类方法：1阶梯型和梯度型光纤根据光纤的折射率分布函数，普通光纤可分为阶梯型和阶梯型两种类型。阶跃光纤的纤芯和包层之间的折射率逐步变化，即折射梯度光纤纤芯中的折射率不是常数，而是从中心轴开始沿径向呈抛物线状减小，且中心轴的折射率最大

5、。因此，当光纤在纤芯中传播时，会自动从折射率小的界面向中心会聚，光纤的传播轨迹类似于正弦波。梯度纤维也称为自聚焦纤维。根据elm传输模量，单模光纤的纤芯直径只有几微米，接近光的波长。单模光纤通常指过渡光纤，它具有较小的内芯尺寸和较小的传输模量。原则上，它只能传输一个模数的光纤，常用于光纤传感器。这种光纤传输性能好，频带宽，线性度好；然而，由于内芯的尺寸小，很难制造和连接。多模光纤的纤芯直径约为50米，远远大于光的波长。一般指内芯尺寸大、传输方式多的光纤。这种光纤性能差，带宽窄；然而，由于其横截面积大、制造容易、连接和耦合方便，磁芯已被广泛使用。根据材料分类(1)，高纯度应时(二氧化硅)玻璃纤维

6、的光损耗相对较小，在1.2m波长处的最低损耗约为0.47分贝/千米.(2)多组分玻璃纤维由常规玻璃制成，其损耗也很低。例如，当波长为0.84米时，最低损耗为3.4分贝/千米。(3)塑料光纤由合成光导塑料制成，损耗大。0.63米时，损耗高达100200分贝/公里；然而，它重量轻，成本低，柔韧性好，适合于短距离光导。4按用途分类(1)通信光纤。在光通信系统中，光缆(由多根光纤组成的电缆)大多用于实际应用，是光通信的主要光传输介质。(2)非通信光纤。这种光纤包括低双折射光纤、高双折射光纤、涂层光纤、液芯光纤和多模梯度光纤。光纤传感器的基本工作原理光纤传感器的基本工作原理是通过光纤将光源发出的光送入调

7、制器，从而使光的某些特性(如光强、波长、频率、相位、偏振态等)得以实现。)将在待测参数与输入调制区的光相互作用后发生变化，成为调制信号光，经光纤送入光电探测器，经解调器解调得到被测参数。2光纤传感器类型光纤传感器根据其传感器原理分为两类：一类是光传输型，也称为无功能光纤传感器；另一种是传感型或功能型光纤传感器。前者主要使用多模光纤，而后者通常使用单模光纤。在透光光纤传感器中，光纤仅用作传播光的介质，而“感受”外部信息的功能是由其他功能元件完成的。传感器中的光纤是不连续的，它们之间有中断。中断部分应连接到其他介质的敏感元件。调制器可以是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。光纤只在传感器中传输光。光

8、纤传感器主要使用其他现有的敏感材料作为其敏感元件，因此现有的高质量敏感元件可以用来提高光纤传感器的灵敏度。光传输介质是光纤，所以通信光纤甚至普通的多模光纤都可以满足要求。光纤传感器占光纤传感器的绝大多数。传感型光纤传感器是利用对外界信息敏感并具有检测功能的光纤(或专用光纤)作为传感元件，集“传输”和“传感”于一体的传感器。在这种传感器中，光纤不仅起着传输光的作用，而且在外界因素(弯曲和相变)的作用下，改变了光纤的一些光学特性，对输入光有一定的调制作用，改变了入射光的强度、相位和偏振态传感型光纤传感器的结构比光传输型光纤传感器简单，并且传感型光纤传感器的光纤是连续的，因此可以少用一些光耦合器件。

9、然而，为了使光纤能够接受外部物理量的变化，常常需要使用特殊的光纤作为探头，这增加了传感器制造的难度。随着对光纤传感器基本原理的深入研究和各种特殊光纤的出现，高灵敏度的功能性光纤传感器将得到广泛应用。光纤传感器的特点光纤传感器有以下三个特点，因此被广泛应用。(1)光纤传感器具有优良的光传输性能，光传输损耗小。(2)光纤传感器具有宽频带，可用于超高速测量，具有良好的灵敏度和线性度。(3)光纤传感器体积小、重量轻，可用于恶劣环境下的非接触、无损、远距离测量。5.光纤传感器的调制原理光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应来实现“传输”和“感知”外部被测参数的功能。光纤传感器的核心是外部输入参数对

10、光的调制。研究光纤传感器的调制器就是研究光与调制区中被测参数之间的相互作用。外部信号可能导致光的某些特性(如强度、波长、频率、相位、偏振状态等)发生变化。)，从而形成强度、波长、频率、相位和偏振状态的调制。下面将介绍几种常用的调制原理。1强度调制通过测量效应改变光纤中的光强度，然后通过光强度的变化来测量，这称为强度调制。原理如图所示。当恒定光源的光波入射到调制区域时，输出光波的强度在外力场强度Is的作用下被Is调制，携带外力场信息的出射光IOUT的包络与Is相同，光(强度)检测器的输出电流ID(或电压)也反映力场。类似地，入射光可以通过光强度的其他调制方法来调制，例如光纤位移、光栅、反射、微弯

11、曲、模斑、图案、辐射等。以便形成相应的调制器。强度调制是光纤传感器中最早使用的调制方法，具有技术简单可靠、价格低廉的特点。可以使用多模光纤，并且光纤的连接器和耦合器已经商业化。非相干光源如发光二极管和白炽灯可以用作光源，光电二极管、三极管和光电池通常用作检测器。(1)微线性位移和角位移调制法这种调制方法使用两根光纤，一根是入射光纤，另一根是光调制后的出射光纤，如下图所示。两根光纤之间的距离为23米，端面是平的，彼此相对。通常，入射光纤是固定的，而外部作用(如压力、张力等)则不同。)使输出光纤横向或纵向移动或旋转，因此输出光纤输出的光强度由其位移调制。(2)微弯曲损耗的光强调制根据模态理论，当光

12、纤由于轴向力而轻微弯曲时，光纤中的部分光将被折射到纤芯的包层中，而不会发生全折射，这将导致纤芯中的光强发生变化。因此，可以通过改变纤芯或包层中的光能来测量外部效应，如应力、重量、加速度和其他物理量。微弯光纤压力传感器由两个波纹板或其他形状的变形器组成。一个在动，另一个是固定的。变形器通常由有机合成材料(如尼龙、有机玻璃等)制成。)。光纤在一对变形器之间通过。当变形器的活动部分受到外力作用时，光纤将周期性地轻微弯曲，这将导致传播的光的散射损失，使得一部分光在芯模中重新分布，从芯耦合到包层，而另一部分光在芯模中重新分布当外力增加时，泄漏到包层的散射光增加，纤芯的输出光强降低；外力减小时，光纤芯的输

13、出光强增加。如上图所示，它们之间存在线性关系。因为光强是调制的，所以压力或位移的变化可以通过检测泄漏包层的散射光强度或纤芯中透射光强度的变化来测量。(3)吸收特性的强度调制辐射(如x光)会增加光纤材料的吸收损耗，降低光纤的输出功率，因此可以构造一个强度调制器来测量各种辐射量，其原理如下图(a)所示。由不同材料制成的光纤对不同光线的敏感度不同，因此也可以识别不同的光线。例如，铅玻璃纤维对X射线、射线和中子射线特别敏感，由这种材料制成的纤维在受到小剂量射线照射时具有良好的线性，可以测量射线的辐射剂量。2频率调制通过外部作用改变光纤中光的波长或频率，并通过检测光纤中光的波长或频率的变化来测量各种物理

14、量。这两种调制方法分别称为波长调制和频率调制。波长调制技术比强度调制技术使用较少，因为解调技术更复杂。目前，调频技术主要是通过多普勒效应实现的。光纤通常是光传输型的。光学多普勒效应告诉我们，当光源发出的光被运动物体散射时，观察者看到的光波的频率f1相对于原始频率f 0发生变化，如图所示。s是光源，n是运动物体，m是观察者的位置。如果物体N的移动速度是0，并且其移动方向与NS和MN之间的角度分别是1和2，则从S发射的频率f 0被移动物体N散射，并且由观察者在m处观察到的移动物体反射的频率是F 1。根据多普勒效应，它们之间的关系如下：(C是光速)。根据上述近似公式，可以设计激光器。让激光源的频率为f 0，通过半透半反镜和聚焦透镜进入光纤，注入被测流体。根据多普勒效应，当流体高速运动时，其反向散射光的频率为f 0 f或f0f-f(取决于流动方向)。后向散射光和来自光纤端面的反射光(参考光)通过聚焦透镜和半反射镜，分析仪检测同一振动方向的光。3偏振调制根据电磁场理论，光波是一种横波；光学振动的电场矢量e和磁场矢量h总是垂直于传播方向。如果