现代检测第6章 光纤测量技术.ppt

1、6.1 光纤概述 6.2 光纤用光源和传输连接器件 6.3 光纤传感原理 6.4 光纤光栅传感器 6.5 光纤传感器的应用,第6章 光纤测量技术,6.1 光纤测量技术以光波为载体，光纤为媒质来感知和传输外界被测信号,纤芯、包层、涂敷层、护套,主体 - 纤芯与包层,特殊场合：没有涂敷层和护套 - 裸纤,(1) 光纤的基本结构,涂敷层- 材料：硅酮或丙烯酸盐- 隔离杂光。,纤芯 - 石英玻璃；直径：575m；材料：二氧化硅（主体），掺杂其他微量元素 - 提高折射率,包层 - 直径：100200m；材料：二氧化硅（主体）- 折射率略低于纤芯。,护套 - 材料:尼龙/其他有机材料 - 提高机械强度，保

2、护光纤,(2) 光纤原理,全反射：光密介质1 光疏介质2 ( n1n2), 12,12,临界角：2=901=C ,2=90 290 全反射,光纤波导原理：,光束 ：空气 纤芯n1 从一端到另一端,空气纤芯：,纤芯包层：,（全反射）,空气n0 、纤芯n1、包层n2 (n1n2n0),集光性能,(3) 光纤模式,光波在光纤中的传播途径和方式，是离散的。, 单模光纤： 只传输主模（波长1310nm/1550nm）；传输频带宽，适于大容量，长距离通讯。 优点：信号畸变小、信息容量大、线性好、灵敏度高 缺点：纤芯较小，制造、连接、耦合困难。, 多模光纤 ： 在工作波长（850nm/1300nm）下多个模

3、式在光纤中传输；频带较窄，适于小容量，短距离。 优点：纤芯面积较大，制造、连接、耦合容易。 缺点：性能较差。,(4) 光纤分类,按原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。,2.按传输模式：单模光纤、多模光纤。单模光纤只传输一种模式，多模光纤能传几百至几千种模式。,3.按折射率分布：阶跃型、近阶跃型、渐变型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。,4.按工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤。短波长光纤为0.80.9m的光纤；长波长光纤为1.01.7m；超长波长光纤为2m以上。,5.按制造方法：汽相轴向沉积、化学汽相沉积，拉丝法等。,(5) 光

4、纤特性,1.物理特性：计算机网络用两根光纤组成传输系统。按波长分3种：0.85m短波长区，多模光纤方式；1.3m长波长区，多模和单模两种方式；1.55m长波长区，单模光纤方式。,2.传输特性：通过内部全反射传输光信号，传输率Gb/s级，信号损耗和衰减非常小，适合长距离传输。,3.连通性：普遍用于点到点链路。功率损失和衰减小，带宽较大，支持比双绞线或同轴电缆多的分接头数。,4.传输范围：68km距离内不用中继器传输，可在几个建筑物之间通过点到点的链路连接局域网络。,5.抗干扰性：不受电磁干扰及噪声影响的独有特征，长距离保持高数据传输率，很好安全性。,(6) 光纤损耗与色散,1光纤的损耗固有损耗和

5、附加损耗 固有损耗由光纤材料特性决定，包括散射损耗、吸收损耗和因光纤结构不完善引起的损耗。 附加损耗由光纤铺设过程中人为造成的，包括微弯损耗、弯曲损耗和接续损耗，应尽量避免的。,2光纤的色散 光脉冲传播时因各波长群速度不同产生的脉冲展宽现象，与波速、波长变化有关,原因：光源发出的并不是单色光；调制信号有一定的带宽。,分类： 模式色散：多模光纤中不同模式的光因传播速度不同而引起的色散。 色度色散：光源光谱中不同波长在光纤中的群延时差所引起的光脉冲展宽现象。 偏振模色散：当光纤存在双折射时，因单模光纤中存在偏振方向相互正交的两个基模的传输速度不同而引起的色散。,（7）光纤的偏振与双折射,1.单模光

6、纤仅传播HE11一种模式。理想情况下HE11模为垂直于光纤轴线的线偏光，可以分解为彼此独立、互不影响的两个正交偏振分量 HEX11 和 HEY11 ，它们的传播常数相等，即x=y，在传播过程中始终保持相位相同。,实际的光纤总含有一些非对称因素，使两个本来简并的模式HEX11和HEY11的传播常数出现异常，即x -y0。线偏态沿光纤不再保持不变而发生连续变化，这种现象称为光纤的双折射效应。可用归一化双折射系数B或拍长来表示。,nav单模光纤的平均折射率；av单模光纤的平均传播常数。 通常在10cm2m之间,2.保偏/高双折射率光纤，B值达10-4 10-3量级，相当于在毫米量级，结构如下所示。,

7、3.低双折射率光纤，B为10-7量级以下，达100m以上的单模光纤。按其生产工艺的特性命名的。,结论：上述单模光纤实际存在着两个彼此独立的正交模态，为双模态工作。若在制造光纤时，使单模光纤的两个模态具有不同的衰减率，二者的消光比达到50dB以上，则其中的高损耗模态实际上已经截止，光纤中只剩下一个偏振模传输，此时才是真正纯粹的单模光纤。纯单模光纤时输入任何偏振态的光都只有线偏光输出，因此也称起偏光纤。,6.2 光纤用光源和传输连接器件,（1）光纤用光源,要求体积小、便于耦合，频谱特性与光纤波导的传输频响特性匹配，在工作波长下输出光通量应最大，特定条件下要求光源的相干性好。同时要求稳定性好、室温下

8、能够连续长期工作，信噪比高、使用方便。,非相干光源 a.热光源，由于稳定性和调制速率的限制，一般不提倡选用。 b.气体放电光源， 高强度和短波长，如通过高强度短波长的光激发待测物质，使其发射荧光，可用来检测物质的温度、含量等。 c.发光二极管， 可靠性较高，光功率好等，常用在一些简易的光纤传感器中。,分类：,相干光源主要是各种类型的激光器 a.固体激光器：激光物质为固体，输出能量大、峰值功率高、便于光纤耦合、使用寿命长、价格适中，有一定应用，可用于测量吸收光谱。,b.液体激光器：激光物质是液体，很少使用。,c.气体激光器：激光物质是气体或金属蒸气。有很高的连续功率，非常适合光纤传感。分布式光纤

9、传感器系统中，一般选用气体特别是氩离子激光器。,d.半导体激光二极管：效率高、体积小，波长范围较宽，价格低，光纤混合传感器中应用非常广泛。但工作一定时间后性能将退化或变质，不适于在一些须长期使用、不便更换的光纤传感器中。,f.光纤激光器 ：激光物质为稀土离子掺杂光纤。有掺稀土光纤激光器、光纤光栅激光器、非线性效应光纤激光器、单晶光纤激光器等。 具有易使低泵浦连续工作；阈值低，增益高，热效应低；可制成窄线宽、可调谐激光器；能很好与光纤耦合，进行全光纤测试，可传输系统光源等优点。在下一代光纤传感器中有非常好的应用前景。,e. 面发射激光器：光从垂直于半导体衬底表面的方向射出的半导体激光器。光纤结合

10、容易、可做成密集排列的二维激光阵列，使光纤传感进行小面积内同时多点测量及庞大的传感器系统微小化得以实现。,g.ASE光源：最常用的一种高稳定、高功率输出的宽带光源。广泛用于光纤无源器件的生产与测试，功效高，操作简单、测试精度高。广泛用于其它光纤器件如耦合器、隔离器、环形器等的光谱特性测量，是理想光源。,（2）光纤无源器件,为光纤传输系统提供媒介、连接及固定，包括光纤适配器、光纤活动连接器、光纤配线架、光纤衰减器、光分路器、光波分复用器、光纤光缆等。,光纤连接器 用于连接两根光纤或光缆形成连续光通路 ，目前使用最多。由两个配合插头和一个 耦合管组成。,性能要求： 光学性能：要求插入损耗25dB。

11、 互换性、重复性 抗拉强度：90N。 温度：-40 +70能够正常使用。 插拔次数：可插拔l000次以上。,图6-6 光纤连接器,2.光纤耦合器 将光讯号从一条光纤中分至多条光纤中。传送和分配光信号的无源器件。,图6-7 定向耦合器工作原理,分类：依据耦合器传送信号的方式 透射型MN耦合器 反射型IN耦合器 透反型MN耦合器,图6-8 光纤耦合器类型 （a）88 透射型耦合器 （b）18 反射型耦合器 （c）28 透反型耦合器,3.光开关 用于切换光路，主要考虑开关速度、开关矩阵规模、损耗、串扰、偏振敏感性、可 靠性以及可扩展性等。,4. 波分复用器（ WDM ） 光纤通信特有的传输技术，利用

12、一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波，将光纤低损耗窗口划分成若干个波段独立用作一个通道传输一种预定波长的光信号。工作原理如图。 主要有棱镜型、干涉模型和衍射光栅型三种，要求插入损耗在1-5dB左右；串音损耗越大越好，应大于20dB。,图6-9 波分复用技术原理,6.3 光纤传感原理,光纤中传输的光受被测量影响，导致光强度、相位、频率、等发生变化。通过监测光的这些变化量获得被测量，有强度调制、相位调制、频率调制、波长调制等不同的工作原理。,1.光纤传感器的分类 (1)功能型光纤传感器，光纤是连续的，不仅起传光作用，还利用光纤在外界因素作用下，其光学特性变化实现“传”和“感”的功能。,(2)

13、非功能型（或传光型）光纤传感器 光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，光纤不连续。较容易实现，成本低，但灵敏度也较低。,(3)拾光型光纤传感器 光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。,图6-10 光纤传感器原理,优点：灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘好、防爆性、光路可弯曲、宽频带、结构简单、体积小、重量轻、抗电磁干扰、可工作于恶劣环境、传输距离远、便于复用、成网。,2 光纤中的光波调制技术 强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。,a.强度调制，最常用的调制方法，结构简单、容易实现，但受光源强度的波动和连接器损耗变化的影响大。,图6-

14、11 强度调制原理,b.相位调制，光纤中光相位发生变化,图6-13 相位检测原理,图6-14 光纤多普勒探头,c. 频率调制 通过传感元件，光纤中光频率发生相应变化。如利用多普勒效应的光纤速度、流速计等；利用喇曼散射构成的气体传感器；利用光致发光的温度传感器等。,图6-15 波长调制原理,d. 波长调制，利用被测量改变光纤中光波长，检测光波长变化得出各被测量。光强与温度的关系如右下图，波长为650nm时，光强随温度变化最灵敏，800nm时，光强与温度无关，因此用这两个波长进行检测就能确定温度。,图6-16 光强与温度关系曲线,优缺点： 对光纤或连接器的稳定性不敏感，被广泛应用于液体浓度的化学分

15、析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析等。但是解调技术较复杂，可采用光学滤波或双波长检测技术，简化解调技术。,e.时分调制 外界物理量通过不同传感元件，使光纤中光的基带频谱延迟时间及幅度发生相应变化的过程。 不仅能测量外界物理量随时间的变化，同时也能测量其的空间分布，是分布式传感器基础。,图6-17 时分调制原理,f.偏振态调制, 利用光偏振态变化，如法拉第效应做成的电流传感器；泡尔效应做成的电压传感器；光弹效应构成的压力、振动或声传感器；及光纤双折射性构成温度、压力、振动等传感器。 可避免光源强度变化的影啊，灵敏度高。,图6-18 偏振态检测系统,6.4 光纤光栅传感器,利用光纤材料的光敏性，

16、在单模光纤的纤芯内形成空间相位光栅。体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、可与其他光纤器件融成一体，制作工艺成熟，易于形成规模生产，可组成多种新型光电子器件，具有广阔的应用前景。,1.1 光纤光栅的分类 按其空间周期和折射率系数分布特性可分为： 均匀周期光纤布喇格光栅。最早也是应用最广的一种光栅，在光纤激光 器、光纤传感器、光纤波分复用/解复用等领域有重要应用价值。 啁啾光栅。栅格间距不等，做色散补偿和光纤放大器的增益平坦。 长周期光栅。栅格周期远大于一般的光纤光栅，EDFA的增益平坦和光纤 传感。 闪耀光栅。当折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，形成闪耀光栅。 相移光栅。是两个光栅的不

17、连续连接，能够在周期性光栅光谱阻带内打开一个透射窗口，使得光栅对某一波长有更高的选择度。 目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。,1.2 光纤光栅的光学特性 光纤光栅纵向折射率的变化将引起不同光波模式间的耦合，在一根单模光纤中，纤芯中的入射基模既可以被耦合成后向传输模式，也可以被耦合成前向包层模式，决定条件由下式表述。 122/ 为光栅周期； 1和2分别为模式1、2的传播常数。当一个前向传输的基模被耦合成后向传输的基模时，满足下列条件： 2/1201(01)201 01为单模光纤中传输模式的传播常数。,1.3 光纤光栅传感器原理 光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率调

18、制周期及纤芯折射率有关，会引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化。,由B=2n，n为芯模有效折射率，为光栅周期。 当光纤光栅所处环境的物理量发生变化，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，得出被测量。,（1） 啁啾光纤光栅传感器工作原理 优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与在外界物理量的作用下除了B的变化外，还会引起光谱的展宽，在应变和温度均存在的场合非常有用。,（2） 长周期光纤光栅传感器工作原理 一般有数百微米，在特定的波长上把纤芯的光耦合进包层：i=(n0-niclad)，n0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。 通过检测i，获

19、得外界物理量变化的信息，适用于多参数传感器。,1.5 光纤光栅传感器的光源 传感量是对波长编码，光源必须有较宽的带宽和较强的输出功率与稳定性，常用ASE宽带光源。,1.4 光纤光栅传感器的特点 （1）可靠性好、抗干扰能力强。用波长编码，不受光源功率波 动以及光纤弯曲等影响，有非常好的可靠性和稳定性。 （2）传感头结构简单、尺寸小，适于各种应用场合 （3）抗电磁干扰、抗腐蚀、能在恶劣的化学环境下工作； （4）可复用性强，采用多个光纤光栅传感器，可构成分布式光纤传感网络。,2.1 光纤光栅耦合模理论 光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，一定波长的光波发生相应的模式耦合。对于整个光纤曝光区

20、域，下式为折射率分布较为一般的描述：,图6-19 光纤光栅折射率分布,a1光纤纤芯半径； a2光纤包层半径； n1纤芯初始折射率； n2包层折射率； (r，z)光致折射率变化函数,2.2 光纤光栅传感探测解调技术 解调实质是一个信息转换和传递的检测系统，有强度解调、相位解调、频率解调、偏振解调和波长解调等。光信号处理，即传感器中心反射波长的跟踪分析是解调关键。举例介绍如下,图6-20 可调谐光纤Bragg光栅滤波器检测单个传感光栅的跟踪模式,图6-21 透射匹配光栅检测传感光栅的原理,（1）匹配光栅检测法：消除了双折射所引起的随机噪声，对最终检测的反射光强无绝对要求。但系统光损耗较大；检测灵敏

21、度由PZT的位移灵敏度决定，会影响输出结果；只适于测量静态或低频变化的物理量。,（2） 波分复用(WDM)光纤耦合器解调法,图6-22 应用波分复用耦合器解调波长信息的传感系统原理图,图6-23 波分复用耦合器传输曲线,相对光强/dB,（3）非平衡MachZehnder干涉解调法,图6-24 应用非平衡MachZehnder 干涉解调的FBG传感系统,该装置带宽、高解析度，但局限于测量动态应变，不适于绝对应变的测量，且、测量范围非常有限，会出现绝对波长测量的损耗。,FBG探头部分的扰动产生的波长移动类似于一个经过波长(光学频率)调制的光源，非平衡干涉仪表现为一个传输特性为余弦平方函数的光滤波器

22、,图6-25 采用光电探测器阵列的FBG信号解调装置,（4） 斜光纤光栅(TFBG)解调法 应用了斜光栅的能将特定波长的光从包层导出原理。其折射率变化的分界面和光纤横截面具有一定的角度，可以有效地将光纤纤芯中特定波长的导波模耦合到光纤包层成为导波模或逆向导波模，或者耦合到外界环境成为辐射模。,图6-26 基于波长选择性探测器的解调法用于温度测量,（5） 基于波长选择性探测器的解调法 波长选择性探测器能同时鉴别波长和进行光学探测，因此，可以将波长选择性探测器用于FBG信号的解调。,（1） 耦合特性 长周期光纤光栅满足导波模与包层模、辐射模或其他导波模之间的Bragg相位匹配条件，可表示为,图6-

23、27 长周期光纤光栅的折射率 调制原理及其传输谱,2.3 长周期光纤光栅（ LPFG ） 指栅格周期大于100m的光纤光栅。能将光纤中传播的特定波长的光波耦合到包层中损耗掉。,图6- 28 更宽波长范围内 LPFG的传输谱,在宽带光源入射时，耦合波长为中心的多个吸收峰。可得耦合峰中心波长公式：,（2）长周期光纤光栅的折射率传感机理 以耦合谐振峰中心波长随外界参数变化而移动为基础的。外界条件如环境温度、应力、等的改变可能引起纤芯和包层折射率及纤芯和包层半径的变化，导致导模和包层模之间耦合的相位匹配波长及耦合系数改变，最终表现为光栅吸收峰中心波长和强度的变化。,（3）长周期光纤光栅传感器的特性 长

24、周期光纤光栅的温度和应变灵敏度不仅与纤芯的参数有关，还与包层的参数有关。 a. 合适的包层参数，可制成对温度或应变不敏感的长周期光纤光栅传感器，从物理层解决温度和应变的交叉敏感问题，很有实际应用意义。 b.对不同的包层模，其有效折射率不同，因而温度和应变灵敏度也不同。故可通过监测两个不同包层模的吸收波长的移位，在一个长周期光纤光栅传感器上实现温度和应变的同时测量。,（4） 长周期光纤光栅传感应用 是透射型光纤光栅，无后向反射，在传感测量系统中不需隔离器，测量精度较高。其谐振波长和峰值对外界环境的变化非常敏感，具有更好的温度、应变、弯曲、浓度和折射率灵敏度等，在传感领域应用非常广泛。,b.多参数

25、测量 利用多个损耗峰特性，由于不同衍射级次的包层模具有不同的温度敏感性，可实现多参数的同时测量。 解决长周期光纤光栅测量过程中的交叉敏感问题尤其重要。至今人们已提出了多种解决传感应用中交叉敏感问题的方案，各有各的特点。,a.温度、应变、扭曲等单参数测量 长周期光纤光栅谐振波长随温度变化而线性漂移，是一种很好的温度传感器。高温段温度灵敏度远远高于低温段，中间有明显的过渡段，适于制作高温(1000C)下温度传感器。,测量范围:100m, 标准分辨力0.05 m, 精度最高0.1 m,(1) 光纤位移传感器,6.5 光纤传感器的应用,距离12m; d=50m时, 位移变化1m,光强变化20%,图6-31 基于光弹效应的光纤位移传感器,信号光源,压缩盘,入射光纤,光电探测器,接收光纤,起偏器,检偏器,光弹材料,位移量引起的压力,相位调制型光纤位移传感器,应用- 水听器; 光栅间距10m,微弯-光强损耗; 压力、应变