第6章光纤传感器

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1、第六章 光纤传感器,光纤陀螺,传统方法进行多点监测,分布式光纤传感器,光纤光栅传感器,6.1 技术基础 光纤传感器（Optical Fiber Sensor）是利用光纤技术和有关光学原理，将被测量变化转换成可用输出信号的传感器。,光纤传感技术内涵 光为信息载体、光纤为传感或传输手段 探测光波一种或多种属性的变化： 强度、波长、相位、偏振等 多学科融合的新一代传感技术 光纤传感的核心技术 新型光敏材料是研发新一代光纤传感技术的基础 新型器件加工制备是推动光纤传感技术发展的关键 多种技术集成是实现光纤传感技术产业化的要求,光纤传感技术特点,6.1.1 光纤结构和类型 1.光纤结构 光纤（Optic

2、al Fiber）由纤芯、包层和护套三部分组成。,单模光纤 多模光纤 稀土掺杂光纤 保偏光纤 双包层光纤 双芯光纤 光子晶体光纤 光敏光纤 塑料光纤 。,光纤历史,2.光纤类型,突变型多模光纤（Step-Index Fiber，SIF） 渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber，GIF） 单模光纤（Single-Mode Fiber，SMF）,6.1.2 光纤传输原理 一、几何光学方法,当 c时,数值孔径 NA: 临界角c的正弦值 。,斜射光线的传播,二、波动光学理论,1.光波表述方程,2.波动方程和电磁场表达式,将上式在圆柱坐标中展开，得到电场的z分量的波动方程为：,3.模式 求

3、解方程的数值计算结果如图所示,横坐标的V称为归一化频率，图中每一条曲线表示一个传输模式的随V的变化。,低阶模式和相应的V值范围见表所示。,1）导模 导模的结构有三种形式： 横电模 电场强度矢量集中在光纤横截面上，在纵轴方向上无电场强度分量，只有磁场强度分量。 横磁模 磁场强度矢量集中在光纤横截面上，在纵轴方向上无磁场强度分量，只有电场强度分量。 混合模,2）漏模 漏模的场分布特点是：在纤芯内为传播场的光波，其场功率可透过一定厚度的“隧道”泄漏到包层之中。 3）辐射模 辐射模在纤芯和包层之中均为传播场，光纤失去了对光波场功率的限制作用。,6.1.3 光纤的传输特性,1.光纤色散 模式色散 材料色

4、散 波导色散,2.光纤损耗,吸收损耗 散射损耗 光纤辐射损耗,损耗曲线,大曲率半径弯曲：是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲（如在敷设时）。大曲率半径的弯曲光纤比直光纤中传输的模数量要少，有一部分模辐射到光纤外引起损耗。 微弯曲：光纤微弯曲将使光纤中产生模式耦合，耦合模不能在纤芯中传播，而将泄漏到包层中去，从而造成能量的辐射损耗。,6.1.4 光纤传感器的结构与分类 一、光纤传感器的结构 光纤传感器由光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。,光的电矢量E的振动特性： 式中：A为电场E的振幅矢量；为光波的振动频率；为光波的相位；t为光的传播时间。,二、光纤传感器的分类 1.根据光纤在

5、传感器中的作用分类 功能型（全光纤型）光纤传感器 非功能型(或称传光型)光纤传感器 拾光型光纤传感器,2.根据光受被测对象的调制形式分类,6.2 强度调制型光纤传感器 定义： 强度调制型光纤传感器是利用外界因素改变光纤中光的强度，通过测量光强的变化来测量外界物理量。 类型： 内调制：光膜式 外调制：反射式、透射式、折射率和吸收系数,内调制型：也称为光模式强度调制，利用的是光纤的微弯损耗。 微弯损耗：当光纤之间的状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗。,6.2.1.内调制型光纤传感器,光纤微弯压力传感器原理图,光纤的微弯变型函数： 式中：D(t)为为外界

6、信号导致的弯曲幅度 ；z为变形点到光纤入射端的距离；f为与波纹周期间隔对应的空间频率。,微弯损耗系数的一阶近似表达式 式中：K为比例系数；L为光纤产生微弯变形部位的长度；为光纤中光波传播常数差。,与光纤波状弯曲幅度D(t)的平方成正比，即光纤微弯幅度越大，模式耦合越严重，光能辐射越强，损耗越大。 与光纤微弯部位长度L成正比，发生微弯的部位越长，耦合越严重，但不如微弯幅度影响显著。 随光纤微弯周期(或空间频率)而变化，当f=时产生谐振，微弯损耗最大，即调制最灵敏。,相位匹配条件为：,光纤的最佳微弯周期为： 对于阶跃折射率分布光纤，g=，有,对于渐变折射率分布光纤，g=2，有：,6.2.2 外调制

7、型光纤传感器 反射式强度调制 透射式强度调制 折射率强度调制 光吸收系数强度调制,一、反射式强度调制,反射式强度调制型光纤传感器的特点： 结构简单、应用范围广。 RIM-FOS光强调制系数不但与光纤到反射面的距离、反射面的斜度有关，而且与光纤的数值孔径(NA)、芯径、光纤的数目及端面排列方式等密切相关，其光强调制特性的数学建模比较复杂。 抗干扰能力差。环境光干扰、光源的功率波动、光纤的特性变化、被测面的反射率变化等是影响传感器精度和稳定性的主要因素。,双光路强度检测系统,二、透射式强度调制 动光纤式光强度调制结构,遮光屏截断光路法。,三、折射率强度调制 利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变化；

8、 利用折射率的变化引起渐逝波耦合度变化； 利用折射率变化引起光纤光强反射系数改变。,1.光纤折射率变化型,2.渐逝场型 光在某一界面发生全反射时，在光疏介质中仍存在电磁场，其强度按指数规律迅速衰减，透射深度一般约为几个波长，这种现象称为渐逝场。,受抑全反射光纤传感器,衰减全反射光纤传感器,功能型渐逝场光纤传感器,3.反射系数型 当被测量引起介质折射率发生化时，光纤或其它光学元件(如棱镜)的反射端面的反射系数随被测参数而变化，反射光强发生相应变化。,四、光吸收系数强度调制 1.利用光纤的吸收特性进行强度调制,2.利用半导体的吸收特性进行强度调制,6.2.3 强度调制型光纤传感器的信号检测,微弯传

9、感器的系统构成(亮场),微弯传感器的系统构成(暗场),应用一：微弯光纤高压传感器,微弯传感器阵列(暗场),6.3 相位调制型光纤传感器 应力应变效应 温度应变效应 Sagnac效应等,1.应力应变效应,6.3.2 光纤相位调制机理,1.应力应变效应,式中：,对于石英材料制成的，可视为均匀、各向同性的介质。3个基本轴方向的折射率ni 都可近似为n 有：,纵向应变引起的相位变化 径向应变引起的相位变化 弹光效应引起的相位变化,一般形式的相位变化 对于单模光纤，m=1；单模石英光纤由泊松效应引起的相位变化约为总量的0.026%,其中：,2.温度效应,3.萨古纳克（Sagnac）效应,环形光路的情况

10、根据相对论 式中：C为真空中的光速；V为介质运动的速度,相位调制方法,6.3.2 基于光纤相位调制的干涉测量,光纤迈克尔逊干涉仪,马赫泽德干涉仪,萨古纳克干涉仪,法布里泊罗干涉仪,应用一（相位调制）、光纤陀螺,应用二：温度检测,应用：荧光光纤温度传感器,应用三、悬臂梁测试装置,6.4 偏振调制型光纤传感器,法拉第效应原理,直线方向辐射的极化光射入置于磁场中的光敏感器，此磁场的磁场强度 H 的方向与极化光相并行。当极化光在光敏感器行径一段距离 L 后到达光敏感器出口时，会偏转一角度。此偏转角的大小与磁场强度 H 成正比,应用：光纤电流传感器,利用电磁感应原理测量电流 构成：包括高压侧部分，光纤传

11、输部分和低压侧部分 利用磁致伸缩效应测量电流 原理： 利用法拉第效应（Faraday Effect）测量电流,ABB公司：光纤电流传感器,测量高达500KA电流，精度为0.1%,基于泡克耳斯效应的偏振调制光纤传感器,系统图,6.5 光纤传感器的应用,一、分布式光纤传感技术,利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度方向连续的传感被测量（如温度、压力、应力和应变等） 光纤既是传感介质，又是被测量的传输介质。 优点： 可在很大的空间范围内连续的进行传感，是其突出优点。 传感和传光为同一根光纤，传感部分结构简单，使用方便。 与点式传感器相比，单位长度内信息获取成本大大降低，性价比高。,分布式光纤传感器

12、的特征参量,空间分辨率 指分布式光纤传感器对沿光纤长度分布的被测量进行测量时所能分辨的最小空间距离。 时间分辨率 指分布式光纤传感器对被测量监测时，达到被测量的分辨率所需的时间。 被测量分辨率 指分布式光纤传感器对被测量能正确测量的程度。 以上三个分辨率之间有相互制约的关系。,102,典型的分布式光纤传感器,相位调制型传感器 Mach-Zehnder干涉式传感器 Sagnac干涉式传感器 散射型传感器 布里渊散射型光纤传感器 拉曼散射型光纤传感器,103,(1)M-Z干涉型光纤传感器用作分布式振动传感,随机干扰,干涉臂相位的随机变化,干涉仪输出功率的随机变化,以M-Z干涉仪作为周界监控系统时，

13、入侵事件出现将导致接收信号功率的变化,105,M-Z干涉型光纤传感器的信号处理,信号处理的目标1).对干扰事件进行定性 通过解调获得干扰臂的相位变化，进而根据相位变化情况分析干扰产生原因。,107,利用3*3耦合器解调原理图,通过顺时针和逆时针传输的相位受干扰光信号到达A点和B点的时延差可计算出产生干扰的位置。,A点和B点分别对应M-Z干涉仪两个耦合器的位置。P点是干扰发生的位置,使用时使干涉仪两臂中同时存在顺时针和逆时针传输的光,108,信号处理的目标2).对干扰事件进行定位 （适用于周界监控及管道监控等应用）,耦合器C2和C3构成M-Z干涉仪,在计算机中对PD1和PD2接收到的光信号进行互

14、相关计算，就可以获得干扰出现的时延差，继而实现干扰定位,利用M-Z干涉仪进行分布式传感的系统结构图,109,(2) 光纤SAGNAC干涉型分布式传感器,激光器发出的光经耦合器分为两束分别耦合进由同一光纤构成的光纤环中，沿相反方向传输，并于耦合器处再次发生干涉。 当传感光纤没有受到干扰时，干涉现象趋于稳定；受到外界干扰时，正反向两光束会产生不同的相移，并于耦合器处发生干涉，干涉信号的光强与干扰发生位置具有一定关系。,R1 R2,Sagnac干涉仪的另一个典型应用是光纤陀螺，即当环形光路有转动时，顺逆时针的光会有非互易性的光程差，可用于转动传感,111,光纤SAGNAC干涉型分布式传感器定位原理,

15、当干扰源信号是正弦信号（或形如正弦信号）时，接收信号的功率幅值为,零点频率发生在,干扰源位置R1与第N个零频之间的关系为,通过分析接收光信号的零频点位置即可获得干扰源的位置,（上）有干扰时光强信号的理论计算值（下）实验值,113,BOTDR定位原理,对一定频谱范围连续不断的进行循环扫描，获得各个时间段上的光谱，并将时间与位置相对应，即可获得沿光纤各位置处的布里渊频谱图，并获得异常的布里渊频移量和散射光功率。,114,BOTDR优缺点,优点： 1. 连续分布式测量温度和应变 2. 高温度和应变分辨率 4. 高空间分辨率 5. 超长传感范围(超过80公里) 6. 同一根光纤既可用于传感，也可用于通信 缺点： 需要激光器的输出稳定、线宽窄，对光源和控制系统的要求很高； 由于自发布里渊散射相当微弱（比瑞利散射约小两个数量级），检测比较困难，要求信号处理系统具有较高的信噪比; 由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描等处理,因而实现一次完整的测量需较长的时间,实时性不够好。,115,检测30km 光纤沿线的应变， 空间分辨力可达1m。 应变精度: 20 e (0.002%) 温度精度 : 1C 取样时间 : 20 s 至 5 min (典型值：2 min),116,（3）ROTDR光时域拉曼散射光纤传感器,拉曼散射产生机理： 在任何分子介质中，光