第7章光纤传感器基本原理资料

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1、第7章 光纤传感器基本原理,Fundamental of Optical Fiber Sensor,1、光调制的概念,光调制就是将信息加到载到波光波上，使光载波的某一参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的强度、位相、频率、偏振、波长等。承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器检测，然后解调出所需要的信息。,7.1 光纤传感器基本原理,2、光纤传感系统的基本构成,外界物理量与进入调试区的光相互作用,光强、波长、频率、相位、偏振态等发生变化,被测参数,传感区,光纤不做为敏感器件，只起传到光的作用,光纤本身起敏感元件的作用。光纤与被测物理量相互作用时，光纤自身的结构参量或者光纤的传光特性发

2、生变化。,传感型,传光型,1）强度调制型 2）相位调制型 3）频率调制型 4）波长调制型 5）偏振调制型,3、光纤传感器分类,概念：待测物理量引起光纤中传输的光波强度发生变化，通过检测光强的变化实现待测物理量的测量。,7.2 强度调制光纤传感器的基本原理,光探测器,反射式强度调制,1、强度调制传感器类型,光模式强度调制,1、反射式强度调制,传感器的调制机理： 输入光纤将光源的光射向被测物体表面，再从被测面反射到另一根输出光纤中，其光强的大小随被测表面与光纤间的距离d而变化。,这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用。,定量分析：反射镜面的移动方向是与光纤探头端面垂直的，反射镜面在其背面

3、距离d 处形成输入光纤的虚象，因此，光强调制作用是与虚光纤和输出光纤的耦合相联系的。 设两光纤皆为阶跃折射率光纤，芯径为2r，数值孔径为N.A ，两光纤垂直距离为a.,N.Asin,反射型光强外调制示意图,a,d,2r,输出光纤,输入光纤的镜像,输入光纤,调制信号,2d,反射型光强外调制示意图,a,d,2r,输出光纤,输入光纤的镜像,输入光纤,输入光纤的出射光与输出光纤纤芯的重叠部分,输出光纤,a,输入光纤,返回,N.Asin,输入光纤的出射光与输出光纤纤芯的重叠部分,输出光纤,a,输入光纤,输入光纤的出射光与输出光纤纤芯的重叠部分,输出光纤,a,输入光纤,检测范围,当距离 时，两光纤的耦合为

4、零，无反射光进入输出光纤；,当 时，两光纤耦合最强，输出光强达最大值，此时输入光纤的像发出的光维底面积将输出光纤端面积全部遮盖，pr2是一个常数，光维底面积为p(dT)2,检测位移的范围：,因此最大检测范围：,在,如果作线性近似，即将维体边缘与输出光纤芯交界的弧线作为直线处理，则可得到线性解，在线性近似下，可求得交叠面积与光纤芯面积之比为：,模型,r,光耦合系数近似计算,式中 d 为交叠面积的高，由 d 决定： 假定反射镜面无光吸收，两光纤的光功率耦合效率F ，即为交叠面积与光维底面积之比：,例：芯径2r=200mm，N.A.=0.5的阶跃光纤，a=100mm, 计算结果表明最大耦合效率Fma

5、x=7.2% , 发生于d=320mm处。,d(mm),Fmax=6.62%(计算结果),上面的分析作了很多简化处理：除了线性假设部分，还假定了光纤为阶跃型光纤；模谱是均匀一致的，即功率密度在光维底面上是均匀的；反射面平行于光纤端面；反射率为100等。,简 化 处 理,发射光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光板上，或直接移动接收光纤，使接收光纤只能收到发射光纤发出的部分光，从而实现光强调制。待测物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离x。,2、透射式强度调制,动光纤式光强调制模型,位移、压力、温度等,3、遮光型光强调制,将光强调制信号加在移动的遮光板上。该办法可以测量位

6、移、压力、温度等物理量，这些物理量的变化使光强变化。由于闸式要使两光纤距离大一些，因此光损耗较大，但它可固定两光纤，因而使用可靠。,光闸,发射光纤,接收光纤,调制信号,4、光模式光强度调制机理,当光纤发生弯曲时， 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，这就是微弯损耗。 利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹在两块具周期性波纹的微弯变形器中，精确地把微弯损耗与引起微弯的器件的位置及压力等物理量联系起来制成各种光纤微弯传感器。,微 弯 损 耗 调 制 示 意 图,L,调制信号,光纤,微 弯 损 耗 调 制 示 意 图,调制信号,光纤,纤芯中的光向包层逸出的原因： 从

7、几何光学来说是由于全反射条件的破坏造成的； 从波导理论来说则是光纤的弯曲引起了各种传导模式的耦合，则形成耦合模式被送入包层中去产生辐射模。,微湾损耗的机理,实用中的光纤微弯传感器如图所示，由多模光纤与一个空间周期为L的梳状调制器构成，当外界压力、位移或振动等使调制器变形时，将改变光纤弯曲部分的模振幅，从而对光纤中传输光强度产生调制。,传感器的灵敏度主要与三个因素有关：微弯幅度、微弯数目、微弯周期。其中微弯周期的影响最大，且有一个与传感光纤有关的临界周期Lc。当光纤微弯周期接近于临界周期时，光纤中光功率损耗急剧增加，即光纤传感灵敏度显著增加。,光纤由变形器引起微弯变形时，纤芯中的光有一部分逸出到

8、包层。若采取适当的方式探测光强的变化，则可知道位移变化量，据此可以制作出温度、压力、振动、位移、应变等光纤传感器。 微变形光纤强度调制传感器的优点：灵敏度高、结构简单、响应速度快。,微弯损耗光强度调制的应用,传导模,辐射模,q0,5、折射率强度调制,通过改变n1与n2之间的差，可以改变传输损耗。因此，根据传输光功率的变化可确定物理量的变化。,液体,q0,设液体折射率随温度升高而减小,n1,n2,T,T,光纤温度传感器原理,包层,n1,n2,光纤含油量传感器原理,含油液体1,包层,n1,n2,光纤含油量传感器原理,含油液体2,x射线、g射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低

9、，从而构成强度调制辐射量传感器，其原理如图所示。,6、光吸收系数强度调制,光功率计,改变光纤材料成分可对不同的射线进行测量。如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、g射线、中子射线最敏感,材料的吸收特性与射线剂量的关系曲线,用这种方法做成的传感器既可用于卫星外层空间剂量的监测，也可用于核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监测。,应用,概念：待测物理量引起光纤中的传输光的相位发生变化，用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理。,7.3 相位调制光纤传感器的基本原理,x,y,z,1、光波的相位,P点相位比0点延迟,光波通过长度为L的光纤后，出射光波的相位延迟为:,L,2、引起光纤中

10、光相位调制的物理效应, 应力应变效应, 温度应变效应, 应力应变相位调制,当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时，光纤的长度、芯径、纤芯折射率都将发生变化，这些变化将导致光波的相位变化。,光纤的物理特性发生变化时，光波相位的变化可以写成如下形式：, 温度应变相位调制,温度应变效应与应力应变效应相似。若光纤放置在变化的温度场中，那么温度场将影响光纤折射率n和长度L。,式中第一项表示折射率变化引起的相位变化,第二项表示光纤几何长度变化引起的相位变化,a=DL/(LDT)热膨胀系数。,温度变化引起光纤中光波相位延迟为：,例如：纯硅材料，折射率n=1.46,折射率温度系数,热胀温度系数,4、几种常用干

11、涉检测技术,1）迈克尔逊干涉仪 2）马赫-泽德（Mach-Zehnder）干涉仪 3）赛格纳克（Sagnac）干涉仪 4）法布里珀罗干涉仪,M1和M2是两块平面反射镜,其中M2是固定的,M1可作微小移动。G1有一半透明的薄银层,起分光作用。G2起补偿作用。M1是M1对G1形成的虚像。M2和M1间形成一空气薄膜。,当M1、M2严格垂直时,M1和M2之间形成等厚空气膜,可观察到等倾条纹的圆形条纹;当M1、M2不严格垂直时,M1和M2之间形成空气劈尖,这时可观察到等厚干涉的直线条纹。,1,1.迈克耳逊干涉仪,1,每当M1移动/2 ,光线1、2的光程差就改变一个，视场中就会看见一条条纹移过，如果看见N

12、条条纹移过，则反射镜M1移动的距离是：,迈克尔逊干涉仪示意图,迈克尔逊干涉仪示意图,2,1,激光器,G1,G2,M1,M2,待检测信号,光探测器,可移动反射镜每移动 长度，光探测器的输出就从最大值变到最小值，再变到最大值，变化一个周期。如果使用 激光 ，它位移检测精度大致为 。,探测器,信号臂,参考臂,3dB,光纤迈克尔逊干涉仪结构图,耦合器,图为迈克尔逊全光纤干涉仪的结构。图中以一个3dB耦合器取代了分束器，光纤光程取代了空气光程，而且以敏感光纤作为相位调制元件。这种全光纤结构不仅避免了非待测场的干扰影响，而且免除了每次测量要调光路准直等繁琐的工作，使其更适于现场测量，更接近实用化。,光源,

13、探测器,信号臂,参考臂,3dB,光纤迈克尔逊干涉仪结构图,耦合器,图为迈克尔逊全光纤干涉仪的结构。图中以一个3dB耦合器取代了分束器，光纤光程取代了空气光程，而且以敏感光纤作为相位调制元件。这种全光纤结构不仅避免了非待测场的干扰影响，而且免除了每次测量要调光路准直等繁琐的工作，使其更适于现场测量，更接近实用化。,光源,II0(1+cosDj),0,这样，通过检测光强变化，可知，进而测量产生变化的物理量。,Dj,两束光位相差：,II0(1+cosDj),Dj=p /2,II0(1-sinDj),存在问题： 小信号灵敏度低,解决方法： 在两束光之间引入p/2相位偏置,Dj,Dj,探测器,信号臂,参

14、考臂,3dB,耦合器,光源,PZT,PZT相位偏置,2.马赫泽德（Mach-Zehnder）干涉仪原理,固定反射镜,光 源,光探测器,可移动反射镜,传感器,分束器1,分束器2,反射镜的位移引起相位差,很少有光返回到激光器,2.马赫泽德（Mach-Zehnder）干涉仪原理,固定反射镜,光 源,光探测器,可移动反射镜,传感器,分束器1,分束器2,反射镜的位移引起相位差,很少有光返回到激光器,光源,信号臂,参考臂,3dB,3dB,耦合器,优点：体积小、机械性能稳定,信号处理器,测量参数,光纤马赫泽德干涉仪,I0,耦合器,耦合再分成两束光,光纤陀螺（fiber optic gyroscope FOG

15、）是利用光学传输特性而非转动部件来敏感角速率和角偏差的惯性传感技术。FOG可用于洲际导弹、远程轰炸机和核潜艇的制导,也可广泛应用于飞机、船舶和汽车的导航,火炮和雷达系统的稳定控制,石油钻井和机器人控制等国民经济和国防建设的许多重要领域。光纤陀螺仪是根据塞格纳克（Sagnac）的理论发展起来的。,3. 塞格纳克干涉仪（光纤陀螺）,指在任意几何形状的闭合光路中，从某一点观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的相位（或它们经历的光程）将由于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同，其相位差（光程差）的大小与闭合光路的转速速率成正比。,Sagnac 法国人，1913年从理论和实验证实了该效应,塞格纳克（Sagnac）效应,1,两束光经 时间后仍然回到1。,塞格纳克（Sagnac）效应,I顺,I逆,1,两束光光程差和位相差：,塞格纳克（Sagnac）效应,I顺,I逆,II0(1+cosDj),0,W,两束光位相差：,这样，通过检测光强变化，可知旋转速度，这种技术是设计导航系统中光纤陀螺的基础。,光纤塞格纳克干涉仪,