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1、传感器原理与应用,吕辰刚 13820553633 lvchengang,光纤传感的调制特性,光的调制就是将携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。 非干涉型： 强度调制光纤传感器 偏振调制光纤传感器 频率调制光纤传感器 干涉型： 相位调制光纤传感器,非干涉型光纤传感系统 强度调制传感 偏振调制传感 频率调制传感,强度调制传感,光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检测。 解调过程主要考虑的是信噪比是否能满足测量精度的要求。,1.微弯效应 微弯损耗强度调制器的原理如图。当垂直于光纤轴线的应力使
2、光纤发生弯曲时，传输光有一部分会泄漏到包层中去。,几种常用的光强调制技术,2.光强度的外调制 外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤本身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常用的调制器是反射器和遮光屏。,强度调制传感,强度调制型光纤传感器的关键是信号功率与噪声功率之比要足够大。 光源与光纤、光纤和转换器之间的机械部分引起的光耦合随外界影响的变化；调制器本身随温度和时间老化出现的漂移；光源老化引起的强度变化以及探测器的响应随温度的变化。,范例：分布式传感,受激散射,距离 z = TV / 2 T : 两倍定点距离光传播时间 V : 光纤中光速,如何定位？,OTDR系统
3、的基本结构,OTDR系统的基本原理,Rayleigh 散射（它是半径比光或其他電磁輻射的波长小很多的微小颗粒对入射光束的散射） 脉冲信号在光纤中传送，由于光纤本身的散射特性，很弱的后向散射信号会返回OTDR，OTDR收到散射信号后会根据散射信号的强弱计算出光纤的衰减特性。这是OTDR测量衰减的原理。 OTDR利用瑞利散射进行光纤衰减测试 (dB/Km),OTDR基本原理：散射与反射,Fresnel 背向反射,起源于折射率的突变例如： (玻璃/空气) 如：光纤断裂, 机械连接等 在OTDR曲线上可以看到“刺状”峰 OTDR收到回波信号后会根据回波时间计算出断点与接头的距离，这是OTDR测距原理。
4、 UPC 反射的典型值 -55dB ， APC -65dB ( ITU标准),OTDR曲线示例：,OTDR的种类,BOTDR：用于应变传感的分布式测量,BOTDR : Brillouin中心波长漂移量和应变有关 B() = B(0)(1+C),基于非线性效应的OTDR：,BOTDR的应用：,ROTDR：分布式温度检测,基于非线性效应的OTDR：,ROTDR : Raman光强差和温度有关 Ia/Isexp(-hckT),ROTDR的应用：,偏振调制传感,只有横波才有偏振现象,振动面：光矢量E与传播方向组成的平面。,偏振态: 光矢量在与光传播方向垂直平面内的 振动状态。,线偏振光,偏振光分类：
5、线偏振光 圆偏振光 椭圆偏振光 部分偏振光 利用光波的这种偏振性质可以制成光纤的偏振调制传感器。,垂直的光振动合成而成,位相差为零或,位相差为/2,位相差为其他,自然光,一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。,光纤偏振传感主要有三部分： 起偏器：将非偏振光变成偏振光 偏振调制器：常利用电光、磁光、光弹等物 理效应改变偏振状态（传感部分） 检偏器：检测偏振态的改变,从自然光（非偏振光）产生偏振光的途径 1. 反射和折射 2. 二向色性（偏振片） 3. 晶体的双折射,起偏方法,1. 反射和折射起偏,反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化,反射光强度较小，通常不
6、被利用；透射光的光强较大，但又不是完全线偏振光，实际采用玻璃堆的方法可以解决该问题。,2. 偏振片起偏（常用） 二向色性 : 某些物质能吸收某一方向的光振动 , 而只让与这个方向垂直的光振动通过, 这种性质称二向色性。 （在微观领域，分子的光吸收率不是一个标量，而是具有一定的方向性。宏观上吸收的二向色性表现为吸收系数具有方向性。） 偏振片 ：涂有二向色性材料的透明薄片。 （它是利用聚乙烯醇塑胶膜制成，它具有梳状长链形结构分子，这些分子平行排列在同一方向上，此时胶膜只允许垂直于排列方向的光振动通过，因而产生线偏振光）,3. 晶体双折射起偏,一. 双折射现象,对于各向异性晶体，一束光射入晶体后，可
7、以观察到有两束折射光（o光和e光）的现象。,o光和e光是振动方向垂直的线偏振光,晶体的光轴 -晶体中的一个方向，沿该方向传播时，o光和e光不分开，传播速度相等。,“光轴”是一特殊的“方向”,不是指一条直线。,单轴晶体：只有一个光轴的晶体,沃拉斯顿棱镜,平行光垂直入射,光轴在入射面内,光轴垂直于晶体表面,平行光垂直入射，光轴在入射面内,光轴与晶体表面斜交.,平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴平行晶体表面,光程差,相位差,光轴与入射晶面平行的单轴晶体，o光与e光传播速度不同，相位不同，改变偏振状态。,偏振光干涉,经晶片： o光和e光的位相差为,振动方向垂直，位相差固定,o光和e光都沿检偏器的偏振
8、化方向振动，但振幅矢量方向相反(附加相位差),-满足相干条件,光纤传感器中的偏振调制器常利用电光、磁光、光弹等物理效应。 克尔效应（电光）：电场强度 光弹效应（弹光）：应力变化 法拉利效应（磁光）：磁场强度,克尔效应：,在强电场作用下产生的双折射现象,光弹效应,在机械力作用下产生的双折射现象,磁光效应（法拉利效应）：,在磁场作用下产生的偏振方向变化现象,能产生旋光现象的物质：如石英晶体、糖溶液等,（溶液）,（固体）,外加磁感强度为B的磁场,使某些不具旋光性的物质产生旋光现象.,叫韦尔代常量,在磁场作用下产生的偏振方向变化现象,线偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面发生偏转，这种现象称为法拉第磁
9、光效应,频率调制光纤（学）传感,光纤光栅传感 光纤DBR激光传感 多普勒效应传感,范例：光纤光栅传感,1978年，K.O.Hill等人首先发现搀锗(Ge)光纤的折射率能够在某些波长的光照射下发生周期性的永久性改变，人们很快意识到可以利用这种特性在光纤中制作光纤光栅，这成为光纤光栅研究的起点。 1989年，G.Meltz等人首次采用全息干涉法，制出第一支布拉格谐振波长位于通信波段的光纤光栅，从此推动了光纤光栅的巨大发展。目前光纤光栅在光纤通信和光纤传感领域内均引起了革命性的变化。凭其诸多优点，使许多复杂的全光通信和传感网络成为可能，也就越发显示出它在信息领域的重要地位。,工作原理,Fiber B
10、ragg Gratings（FBG ）包括某一长度的特殊光纤，这些光纤以微米级的精确度经过蚀刻，使某一种波长的光通过光纤时产生独特的反射。 。,在一根单模光纤上放置多个FBG，可实现分布式光纤传感效应,光纤光栅的制作,1） 内部写入法 内部写入法又称驻波法。Hill早在1978年，用图1所示的实验装置制作了历史上第一个布拉格光纤光栅。 将波长488nm的单模氩离子激光从一个端面耦合输入到锗掺杂光纤中。从光纤中返回的光经过分光器，由光电探测器1监测,而透射光则由光电探测器2接收。经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期性
11、变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅。已测得其反射率可达90以上，反射带宽小于200MHz。此方法是早期使用的。由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，芯径很小，因此，其实用性受到限制。,2） 全息干涉法 全息干涉法又称外侧写入法，如图2示，用准分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了横向侧面曝光的光纤光栅。用两束相干紫外光束在掺锗光纤的侧面相互干涉，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。可见，通过改变入射光波长或两相干光束之间的夹角，可以改变光栅常数，获得所需的光纤光栅。这种光栅制造方法采用多脉冲重复曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受机械震动和温度漂移的影响，并
12、且不易制作具有复杂截面的光纤光栅。,光纤光栅的制作,3） 相位掩模法 相位掩模板（Phase Mask）是衍射光学元件，用以将入射光束一分为二+1级和-1级衍射光束，它们的光功率电平相等，两束激光相干涉并形成明暗相间条纹，在相应的光强作用下纤芯折射率受到调制。相位掩模板是一个在石英衬底上刻制的相位光栅，它可以用全息曝光或电子束蚀刻结合反应离子束蚀刻技术制作。它具有抑制零级，增强一级衍射的功能。因此，对光源的相干性要求不高，简化了光纤光栅的制造系统，其主要缺点是不同Bragg波长要求不同的相位掩模板，并且，相位掩模板的价钱较贵。该方法大大简化了光纤光栅的制作过程，是目前写入光栅常用的一种方法。,
13、光纤光栅的制作,光纤光栅信号解调 1、利用光谱仪进行反射波长的扫描； 2、通过匹配光栅法检测光纤光栅反射波长； 3、利用“可调谐法布里-珀罗腔”方法扫描检测 光纤光栅的反射波长； 4、利用衍射光栅和线阵CCD来同时探测多个光纤光栅反射波长的移动,利用光谱仪进行反射波长的扫描,匹配光栅法检测光纤光栅反射波长,可调谐法-珀腔法检测光纤光栅反射波长,衍射光栅和CCD检测光纤光栅反射波长,采用 VPG（透射式相位光栅）将注入光衍射， 采用CCD探测器阵列进行探测；,探测器阵列同时测量，无需扫描，可以确保高速采样，并确保信号的同时性,结构应变监测,欧盟Corinth Rift实验室3F-corinth
14、项目 希腊Trizonia岛300m深井50m范围连续测量 静态应变测量 地震监测,光纤光栅的应用,桥跨布置：63m+257m+648m+257m+63m 20032004年 布设了397个光纤光栅应变和温度传感器（温度测量225，吊杆14， 主墩护筒87，试验桩11，基桩钢筋笼60）,南京长江第三大桥,光纤光栅的应用,光纤DBR激光传感器,Er3+ 或 Er-Yb,光纤DBR的制作,光纤DBR的尺寸与模式,1550nm 光谱,MHZ 或 GHz 电谱,光纤DBR的输出与调制,传感测量的基本结构,静态测量,DBR传感测量的应用领域,动态测量,DBR传感测量的应用领域,范例：多普勒效应传感,多普
15、勒（Christian Doppler） 多普勒是奥地利物理学家和数学家.他于1842年首先发现了这种效应.为了理解这一现象，就需要考察火车以恒定速度驶近时，汽笛发出的声波在传播时的规律.其结果是声波的波长缩短，好象波被压缩了.因此，在一定时间间隔内传播的波数就增加了，这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因；相反，当火车驶向远方时，声波的波长变大，好象波被拉伸了. 因此，声音听起来就显得低沉.,假定波源、接收端在同一直线上运动 1. 波源相对于介质的运动速度为vs 2. 接收端相对于介质的运动速度为vR 3. 波在介质中传播的速度为u 4. 波源的频率fs (单位时间内波源振动的次数或发出的
16、完整波数) 5. 接收端接收到的频率fR (是接收端在单位时间内接受到的振动数或完整波数),相对于媒质、波源和观察者都不动的情况,波长0 是波源相对于媒质静止时，单位时间波在媒质 中传播距离。,波源不动,观察者以速度 相对于介质运动,观察者不动,波源以速度 相对于介质运动,观察者相对于介质运动:,波源相对于介质运动:,观察者和波源同时相对于介质运动,如果波源和观察者是沿着它们连线的垂直方向运动,则s = R,即没有多普勒效应发生,如果波源和观察者的运动是任意方向的,那只要将速度在连线上的分量代入公式即可.,电磁波的多普勒效应 电磁波（光波）可以在真空中传播，真空中不存在介质，只需要考察光源与观测者之间的相对运动，需要根据相对论确定其多普勒效应的频率变化关系。,多普勒效应的应用,交通警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波，通常是红外线，同时测量反射波的频率，根据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度装有多普勒测速仪的警车有时就停在公路旁，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印在照片上,医
