第十二章光纤2章节

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1、1,第一节 光纤传感器 第二节 光纤传感器结构原理 第三节 调制技术,第十二章 光导纤维传感器,2,光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。 电绝缘性能好。 抗电磁干扰能力强。 非侵入性。 高灵敏度。 容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量,12.1

2、光纤传感器,3,一、光纤传感器的基本知识 1、光纤结构 由纤芯和包层组成（石英玻璃5100um)（n1n2)。 外层一层尼龙保护套。,4,2、传输原理 光的全内反射是光纤传输光的基础。 （1）光的全反射条件,光由纤芯到包层表面，由光的折射定律。,5,6,（2）数值孔径NA 光由空气射入光纤端面，与轴成 角。,7,即可实现全反射，光在纤芯内全反射（无损耗）传输。,希望NA越大越好。它表明无论光源发射功率多大，只有2 内的光才能被光纤接受，全反射传输。,8,光纤分类：按传输模式分单模光纤、多模光纤 模的概念 光纤传输光波，可分解为沿纵向和横向传输两种平面波成分。横向波在纤芯和包层界面上产生全反射。

3、当它在横向往返依次的相位变化为2 的整数倍时，形成驻波。形成驻波的光线组成为模。模是离散存在的。一定材质一定尺寸的光纤只能传输特定模数的光波。 模的确定 光纤传输模数由归一化频率确定。,9,芯径大，折射率差大（NA大），N大，多模。 芯径小到6m,折射率差小到0.5%。N=1光纤只能传输一定波长光，单模。,10,按折射率分布：阶跃型光纤和梯度型光纤,11,二、光纤传感器结构原理及分类 1、光纤传感器结构原理 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测

4、的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。,光纤,信号处理,光接收器,敏感元件,光发送器,（b）光纤传感器,信号处理,电 源,信号接收,敏感元件,（a）传统传感器,导线,由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。,12,可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。 光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10

5、nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即 A电场E的振幅矢量；光波的振动频率； 光相位；t光的传播时间。 可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。,13,传感器,光学现象,被测量,光纤,分类,干涉型,相位调制光线传感器,干涉（磁致伸缩） 干涉（电致伸缩） Sagnac效应 光弹效应 干涉,电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度,SM、PM SM、

6、PM SM、PM SM、PM SM、PM,a a a a a,非 干 涉 型,强度调制光纤温度传感器,遮光板遮断光路 半导体透射率的变化 荧光辐射、黑体辐射 光纤微弯损耗 振动膜或液晶的反射 气体分子吸收 光纤漏泄膜,温度、振动、压力、加速度、位移 温度 温度 振动、压力、加速度、位移 振动、压力、位移 气体浓度 液位,MM MM MM SM MM MM MM,b b b b b b b,偏振调制光纤温度传感器,法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 光弹效应,电流、磁场 电场、电压、 温度 振动、压力、加速度、位移,SM MM SM MM,b,a b b b,频率调制光纤温度传感器,多普勒效应

7、 受激喇曼散射 光致发光,速度、流速、振动、加速度 气体浓度 温度,MM MM MM,c b b,注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型,2、光纤传感器的分类,14,（1）根据光纤在传感器中的作用 光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。 1）功能型（全光纤型）光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其

8、长度，可提高灵敏度。,信号处理,光受信器,光纤敏感元件,光发送器,15,2）非功能型（或称传光型）光纤传感器 光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。,3）拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。,信号 处理,光受 信器,光发送器,光纤,耦合器,被测对象,16,12.3 根据光受被测对象的调制形式 形式：强度调制型、偏振调制、频

9、率调制、相位调制。 1）强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。 优点：结构简单、容易实现，成本低。 缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。,17,2）偏振调制光纤传感器 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感

10、器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。 3）频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。,18,4）相位调制传感器 其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率

11、或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。,19,三、光纤传感器的应用 （一）温度的检测 光纤温度传感器有功能型和传光型两种。,1、遮光式光纤温度计 下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可

12、变,1,2,3,4,水银柱式光纤温度开关,1 浸液 2 自聚焦透镜 3 光纤 4 水银,20,下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤温度计能测量1050的温度。检测精度约为0.5。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。,光源,接收,热双金属式光纤温度开关,1,2,1 遮光板 2 双金属片,21,2、透射型半导体光纤温度传感器 当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长g的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的,g称为半

13、导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时,电子吸收光能从价带跃迁入导带,显然,要发生本征吸收,光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即,因c/v，则产生本征吸收条件,h 普朗克常数；v 光频率,因此，对于波长大于g的光，能透过半导体，而波长小于g的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料具有不同的本征吸收波长，图为在室温(20)时,120m厚的GaAs材料的透射率曲线。,22,由图看出，GaAs在室温时的本征吸收波长约为880nm左右，半导体的吸收光谱与Eg有关，而半导体材料的Eg随温度的不同而不同，Eg与温度t的关系可表示为,式中：Eg（0

14、）绝对零度时半导体的禁带宽度； 经验常数(eVK)；经验常数(K)。,850,800,900,950,1000,0,10,20,30,40,t=20,波长/nm,GaAs的光谱透射率曲线,透射率(%),对于GaAs材料，由实验得到, =5.810-4eV/K =300K,23,由此可见，半导体材料的Eg随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长g随温度上升而增大。反映在半导体的透光特性上，即当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的g(t)相匹配的发光二极管作为光源，如图，则透射光强度将随着温度的升高而减小。,24,（二）压力的检测 种类：强度调制型、相位调制型和偏振调制型

15、三类。 1、采用弹性元件的光纤压力传感器 利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就可以实现压力的检测。下图为简单的利用Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。,膜片反射式光纤压力传感器示意图,光源,接收,1,2,1 Y形光纤束 2 壳片 3 膜片,3,P,25,弹性膜片材料是恒弹性金属，如殷钢、铍青铜等。但金属材料的弹性模量有一定的温度系数，因此要考虑温度补偿。若选用石英膜片，则可减小温度的影响。 膜片的安装采用周边固定，焊接到外壳上。对于不同的测量范围，可选择不同的膜片尺寸。一般膜片的厚度在0.05mm0.2mm之间为宜。对于周边固定的膜片，在小挠度(y0.5t，t为膜片厚度)的条件下，膜片的中心挠度y为,R膜片有效半径；t膜片厚度； p外加压力； E膜片材料的弹性模量； 为膜片的泊松比。,可见，在一定范围内，膜片中心挠度与所加的压力呈线性关系。若利用Y形光纤束检测位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。 这种传感器结构简单、体积小、使用方便，但如果光源不稳定或长期使用后膜片的反射率下降，影响其精度。,26,改进型的膜片反射式光纤压力传感器的