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1、光纤传感器技术,光纤传感器概述,光纤传感技术 定义:以光波为信息载体,以光纤为传输媒质或者以光纤为信息敏感器件的同时又作为信息传输介质。 发展方向： 1) 特殊光纤研制。 2) 提高元器件的性能和稳定性，逐步达到商品化。 3) 多点检测、遥测、分布式光纤传感器系统。 4) 新型原理的光纤传感器。,光纤传感器技术的特点,光纤传感器较传统的传感器相比有许多持点： 灵敏度高 频带宽，测量动态范围大 抗电磁干扰，耐高压，耐腐蚀，保密性好，在易燃易爆环境下安全可靠 质轻体小，可挠曲，几何形状具有多方面的适应性 可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制 由光纤传感器组成的光纤传感器系统，便于与计算机
2、相连接，响应快，能实时在线测量和自动控制,光纤传感器的分类,1 按传感的原理来分： 功能型光纤传感器 非功能型光纤传感器 2 按光纤中光波调制原理来分： 强度调制，频率调制，波长调制，相位调制和偏振调制光纤传感器。 3 按测量对象来分： 位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动、应变、电压、电流、磁场、化学量、生物量等光纤传感器。,功能型光纤传感器,利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感器称为功能型传感器： “传”和“感”合为一体，光纤不仅传输光波，而且感知被测参数的变化。光纤本身就是传感头。,非功能型光纤传感器,光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他敏感元件才能构成传感器
3、，称为传光型传感器，即非功能型光纤传感器。 它又分为两种。 种是将敏感元件置于入射与接收光纤中间，在被测对象的作用下，或使敏感元件遮断光路，或使敏感元件的光透射率发生变化，这样，光探测器所探测光量便成为被测对象调制后的信号； 另一种是在光纤一端设置“敏感元件+发光元件”的组合部件，敏感元件感受被测对象的作用并将其转换为电信号后作用于发光元件，而发光元件的发光强度作为测量所得的信息。,光纤传感系统的基本构成,光纤传感器系统包括光源，光纤，传感头，光探测器和信号处理电路等。,光纤传感器的光源的要求,由于光纤传感器中光纤细而长，若使光波能在其中正常传播，并满足测量要求，则对光源的结构与性能有一定要求
4、： (1)由于光纤传感器结构所限，要求光源的体积小，便于与光纤耦合； (2)光源要有足够的亮度，以提高传感器输出的光功率； (3)光源发出的光波长应适合，以减少光波在光纤中传闭时的能量损耗； (4)光源工作时稳定性好、噪声小，能在室温下连续长期工作； (5)光源要便于维护，使用方便。,光纤传感器用光探测器的要求,(1)线性好，按比例地将光信号转换为电信号； (2)灵敏度高，能敏感微小的输入光信号，并输出较大的电信号； (3)响应频带宽、响应运度快，动态特性好； (4)性能稳定，噪声小等。,光调制技术,按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等。,强度调制
5、光纤传感器,光强度调制型：用被测对象引起光纤中光强度的变化实现对被测对象的检测。 分为内调制型和外调制型两种 外调制型：光纤仅起传光作用，光纤本身特性不改变，调制过程发生在光纤以外的环节。属于传光型传感器。 内调制型：调制过程发生在光纤内部，是通过光纤本身特性的改变来实现光强度的调制，属于功能型光纤传感器。有两种途径： 1) 改变光纤的几何形状，从而改变光线的传播入射角。 2) 改变光纤纤芯或包层的折射率。如采用电光材料、磁光材料、光弹性材料，微弯效应等。,强度调制的原理,1 由光的传播方向改变引起的强度调制 2 由透射率的改变引起的强度调制 3 由光纤中光的模式的改变引起的强度调制 4 由折
6、射率改变引起的强度调制 5 由光吸收系数的改变引起的强度调制 a.利用光纤的吸收特性引起的强度调制 b.利用半导体的吸收特性进行强度调制,光的传播方向改变引起的强度调制 Intensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(1),Intensity Sensors(1),Multimode Grating Sensors(2),Based on Relative Movement of Opposed Gratings,透射率的改变引起的强度调制（1）,透射率的改变引起的强度调制（2）,入射光纤,出射光纤,准直透镜,聚焦透镜,可动遮光屏,
7、Intensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(3),Intensity sensors(3): Microbend Sensors The sensed parameter (strain, pressure, force, position, acceleration can be mechanically coupled to displacement of a device that deforms the fiber,Fiber,光纤中光的模式的改变引起的强度调制,微弯调制器,Intensity-Based and Fab
8、ry-Perot Interferometer Sensors(4),Intensity sensors(3): Liquid-level sensor The light returned in air with total internal reflection from a prism is 15 dB above the value in water.,折射率改变引起的强度调制,Intensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(4),Encoder-Based Position Sensors Using an encoder
9、 plate to provide linear or rotary displacement measurement.,Intensity-Based and Fabry-Perot Interferometer Sensors(5),Variety of Sensor Construction,Gradient index lens,Mirrors,Refractive index test liquid,由光吸收系数的改变引起的强度调制,a.利用光纤的吸收特性引起的强度调制 X射线，射线会使光纤的吸收损耗增加，输出功率降低，从而构成强度调制的辐射量传感器。改变光纤的材料可对不同的射线进行
10、测量。 b.利用半导体的吸收特性进行强度调制 大多数半导体对光的吸收都随着温度的变化而线性变化，因此可对输出功率进行调制，制成光纤温度传感器。,移动球镜光学开关传感器,这是种高灵敏度面检测装件。 光强为I0的光束,通过发送光纤照射到球镜上。球透镜把光束聚集列两个接收光纤的端面上。 当球透镜在平衡位置时，从两个接收光纤得到的光强I1和I2是相同的； 如果球透镜在垂直于光路的方向上产生微小位移时，在两个接收光纤上得到的光强I1和I2 将发生变化。光强比值I1/I2 的对数值与球透镜位移x呈线性关系，但与初始光强无关。,球镜位移与光强比值的变化关系,反射型光纤位移传感器,光源发出的光进入发送光纤,从
11、光纤测头端面射出，照射到A面上,A面的反射光有一部分进入接收光纤。当A面到测头端面之间的距离z变化时,进入接收光纤的光强度出随之发生变化,从而使光探测器上发出的电信号也随之发生变化。很明显。这是种振幅调制型的位移传感器。,反射镜面,频率调制光纤传感器,频率调制就是利用外界因素改变光纤中光的频率，通过测量频率的变化来测量外界被测参数。 光的频率调制是在有限的一些物理条件下出现的，最重要的物理现象要属反射光束的多普勒频移。 此外，还有一些物理现象，如吸收和磷光现象，以及某些非线性光学效应-布里渊散射和卡曼散射等。,多普勒效应,当频率为f的光入射到沿与光线平行方向运动且相对观察者速度为v的物体上时，
12、从该运动物体反射的光的频率将变为fD，这种现象就是众所周知的多普勒效应， fD称为多普勒频率，可由下式确定： 由于一般运动物体的速度远小于光速c，因此而得到上式后面的近似式。,若将c=f的关系式代入上式，且假定入射光与v之夹角为，则可得：,或写成多普勒频移： 只要能测出f便很容易求出物体运动速度v。,c为真空中光速，为物体至光源方向与物体运动方向之间的夹角。但是一般最关心的还是运动物体所散射的光的频移,而光源与观察者则是相对静止的。对于这种情况可以作为一个双重多普勒频移来考虑。即先考虑从光源到运动物体然后再考虑从运动物体到观察者。,双重多普勒频移,物体P相对于光源S运动时，在P点观察到的光频率
13、f1为： f1=f1-(v/c)21/21-(v/c)cos1 频率f1的光通过物体P产生散射，在Q处所观察到的光频率f2为： f2=f11-(v/c)21/21-(v/c)cos2 联立，并考虑到vc，可近似把双重多普勒频移公式表示为： f2=f11-cos11-cos2,其中S为光源,P为运动物体,Q是观察者所处的位置。,频率检测,对光的频率的检测不象对强度的检测那样简单-直接将光耦合到探测器上即可。 由于光探测器响应速度远低于光频，不能用来测量光频而只能用来测量光强，所以，必须把高频光信号转换为低频信号才能探测频移从而达到测量运动速度的目的。有两种方法可以测量频移，即零差检测和外差检测。
14、,1.零差检测,下图是一个采用零差检测法的光纤运动粒子速度传感器的框图。,激光器,D,M,光纤,频谱分析仪,k1,k2,频率调制零差检测原理,分析,He-Ne激光器发出的频率为f的单色光入射到分束器上，分束器将输入光分成两束，一束由反射镜M送到探测器D上作为参考光，另一束注入光纤，光经光纤传输到运动粒子上，运动粒子产生的具有多普勒频移的后向散射光将部分地被同一光纤接收，经分束器后再到达探测器，这就是信号光，在探测器上信号光和参考光混频产生差频信号。如果参考光为： 信号光为：,式中，w0为输入光的角频率；ws为散射光角频率。,在探测器上，两束光叠加，其振幅和强度分别为：,是待测角频率,是入射光强
15、,因此探测器输出的是,的电信号,将这一信号送入频谱分析仪即可求得f的大小，进而得到fs和被测物体的运动速度。,注意,这里需要指出的是，信号频率fs可能大于也可能小于f0，这主要取决于运动物体的运动方向，但常用的频谱分析仪只能显示正频率，对负频率没有意义，因而采用零差检测法测出的f只能测量物体的运动速度的大小，不能获得物体的运动方向的信息。,2.外差检测,下图为采用外差探测法的光纤频率调制系统。,激光器,BS1,f0,f0-f1,M2,BS2,f0,f0-f1,f0+fs,f0+fs,f0,fs+f1,频谱分析,输出,探测器,布拉格盒,入射/出射光纤,被测物,频率调制外差检测系统,分析,He-N
16、e激光器发出的频率为f0的光经第一分束器BS1分成信号光和参考光，参考光经布拉格盒和反射镜M2后到达第二个分束器BS2，布拉格盒引入一个固定频移f1，使到达探测器上的参考光的频率为fR=f0-f1。BS1出来的信号经反射镜M1和BS2后耦合到光纤中，光纤把信号光引到待测物体上，同时接收被待测物体散射的散射光，散射光的频率为f0+fs（ fs为多普勒频移），散射光经BS2后到达探测器，在探测器上，频率为（f0-f1）的参考光与频率为（f0fs）的信号光混频后，出来的电信号的频率为：,fs为多普勒频移，f1为布拉格盒的频移,固定频率的引入能够识别被测物体的运动方向，对与输入光同向运动的物体，fs为正；对与输入光反向运动的物体fs为负。 外差检测不仅能获得物体运动的全信息（速度
