第9章光纤传感器

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1、第第9章章 光纤传感器光纤传感器光光调制与解制与解调技技术1.2第第9章章 光纤传感器光纤传感器光光纤传感器基感器基础9.19.2光光纤传感器感器实例例9.34.4第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器（FOS）与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能力强、高灵敏度 、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。第一节第一节 光纤传感器基础光纤传感器基础第第9

2、9章章 光纤传感器光纤传感器一一. .光纤的结构光纤的结构光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。光纤的结构如图9.1所示，它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。图9.1 光纤的基本结构与波导 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器二二. .传光原理传光原理 光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。根据几何光学原理，当光线以较小的入射角1由光密介质1射向光疏介质2(即n1n2)时(见图9.2)，则一部分入射光将以折射角2折射入介质2，其余部分仍以1反射回介质1。图9.2 光在两介质界面上的折射和反射第第9 9章章

3、光纤传感器光纤传感器依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有 (9-1) 当1角逐渐增大，直至1=c时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播(2=90)。对应于2=90时的入射角1称为临界角c；由式(9-1)则有 (9-2) 由图(9.1)和图(9.2)可见，当1c时，光线将不再折射入介质2，而在介质(纤芯)内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作基础。第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 同理，由图9.1和Snell定律可导出光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为 (9-3) 式中NA定义为“数值

4、孔径”。它是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有2c张角内的光，才能被光纤接收、传播(全反射)；NA愈大，光纤的集光能力愈强。产品光纤通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的NA=0.20.4。第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器三三. .光纤的种类光纤的种类光纤按纤芯和包层材料性质非类，有玻璃光纤和塑料光纤两类；按折射率分有阶跃型和梯度型二种，如图9.3所示。阶跃型光纤纤芯的折射率不随半径而变；但在纤芯与包层界面处折射率有突变。梯度型光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致。因此，这类光纤有聚焦作用；光线传播的轨迹近似于正弦波，如

5、图9.4所示。光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来分，可分为多模光纤和单模光纤二类。第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器图9.3光纤的折射率断面(a)阶跃型；(b)梯度型图9.4光在梯度型光纤的传输 光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。后者纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在横切向往返一次的相位变化为2的整数倍时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为模；它是离散存在的，亦即某种光纤只能传输特定模数的光。通常纤芯直径较粗时，能传播几百个以上的模，二纤芯很细时，只能传播一个模。前者称为多模光纤，多用于非功能型(NF)光纤传感器；后者是单模光纤，多用于功能型(FF

6、)光纤传感器。第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器四四. .光纤的特性光纤的特性 信号通过光纤时的损耗和色散是光纤的主要特性(详细情况参见参考资料1）。五五. .光纤传感器分类光纤传感器分类 光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信

7、号，因此，也称传光型光纤传感器。表9-1列出了常用的光纤传感器分类及简要工作原理。第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器表9-1光纤传感器分类 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器六六. .光纤传感器的发展趋势光纤传感器的发展趋势 光纤传感器具有很多的优点，是对以电为基础的传统传感器的革命性变革，发展前景是极其光明的。但是，目前光纤传感器的成本较高,在这方面仍面临着传统传感器的挑战，存在着与传统传感器和其它新型传感器的竞争问题。为此，有必要说明光纤传感器的可能发展趋势： 当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研

8、究对象。 集成化光纤传感器。 多功能全光纤控制系统。 充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系统。 开辟新领域。第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频率和波长等方式。光的调制过程就是将一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。在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行检测。第二节第二节 光调制与解调技术光调制与解调技术第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.2.1 9.2.1 强度调制与解调强度调制与解调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

9、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。第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器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几种常用的光强调制技术1.微弯效应第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器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用的调制器是反射器反射器和和遮光屏遮光屏。2.光强度的外调制第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 利

10、用折射不同进行光强度调制的原理包括：利用被测物理量引起传感材料折射率的变化；利用渐逝场耦合；利用折射率不同的介质之间的折射与反射。3.折射率光强度调制第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 若采用硅PIN二极管光电探测器，则可略去暗电流噪声效应；进一步假设调制频率远离1f 噪声效应区域，则可略去探测器噪声，上式可简化为： 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，其功率信噪比RSN可用下列公式计算： 强度调制的解调强度调制的解调利用上式计算的信噪比，对大部分信号处理和传感器应用已绰绰有余。但是，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

11、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等，比信号噪声和热噪声对测量精度的影响要大得多。应在传感器结构设计中和制造工艺中设法减小这些影响。 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器光波是横波。光振动的电场矢量E和磁场矢量H和光线传播方向s正交。按照光的振动矢量E、H在垂直于光线平面内矢端轨迹的不同，又可分为线偏振光（又称平面偏振光）、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光。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。 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。在解调过程中应用检偏器。 9.2.2 9.2.2 偏振调制与解调偏振调制与解调第第9 9章

12、章 光纤传感器光纤传感器 如如图图所所示示，当当压压电电晶晶体体受受光光照照射射并并在在其其正正交交方方向向上上加加以以高高电电压压，晶晶体体将将呈呈现现双双折折射射现现象象普普克克耳耳效效应应。在在晶晶体体中中，两两正正交交的的偏偏振振光光的的相相位位变变化：化：调制原理 1. 普克耳（Pockels）效应第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器平平面面偏偏振振光光通通过过带带磁磁性性的的物物体体时时，其其偏偏振振光光面面发发生生偏偏转转，这这种种现现象象称称为为法法拉拉第第磁磁光光效效应应，光光矢矢量量旋旋转角：转角：2.法拉第磁光效应光纤第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器在在垂垂直直于于光

13、光波波传传播播方方向向施施加加应应力力，材材料料将将产产生生双双折折射射现现象象，其其强强弱弱正正比比于于应应力力。这这种种现现象象称称为为光光弹弹效效应应。偏偏振振光的相位变化光的相位变化：3.光弹效应第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器相位调制的基本原理是：通过被测能量场的作用，使能量场中的一段敏感单模光纤内传播的光波发生相位变化，利用干涉测量技术把相位变化变换为振幅变化，再通过光电探测器进行检测。9.2.3 9.2.3 相位调制与解调相位调制与解调 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，将产生三个主要的物理效应，导致光纤中光相位的变化： 光纤的长度变

14、化光纤的长度变化应变效应应变效应 光纤芯的直径变化光纤芯的直径变化泊松效应泊松效应 光纤芯的折射率变化光纤芯的折射率变化光弹效应光弹效应 实现相位调制的物理效应 1.应力应变效应在所有干涉型光纤传感器中，光纤中传播光的相位响应都是与待测场中光纤的长度L成正比。这个待测场可以是变化的温度T。由于干涉型光纤传感器中的信号臂光纤可以足够长，因此信号光纤对温度变化有很高的灵敏度。 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器2.热胀冷缩效应 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 相位解调原理相位解调原理 两束相干光（信号光束和参考光束）同时照射在一光电探测器上，光电流的幅值将与两光束的相位差成函数关系。两光束

15、的光场相叠加，合成光场的电场分量为 ： 光电探测器对合成光束的强度发生响应。设自由空间阻抗为Zo，则入射到光电探测器光敏面Ad的功率为第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器最终探测信号电流为 其中第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器探测器响应的是光波在许多周期内测得的平均功率。上式括号中的后三项相当于光频（2）的电流变化，光电探测器不能响应如此高频率的变化，可以忽略。因此上式可以简化为：上式表明上式表明,探测器输出电流的变化取决于两光束的初始相位和相探测器输出电流的变化取决于两光束的初始相位和相位变化。可见，通过干涉现象能将两光束之间的相位差转化为位变化。可见，通过干涉现象能将两光束之间的相位差

16、转化为电流变化。如果电流变化。如果 ，即干涉光束初相位正交，相差，即干涉光束初相位正交，相差 , 那可较容易地把这种相位变化提取出来，这种探测方式称为零那可较容易地把这种相位变化提取出来，这种探测方式称为零差检测。差检测。第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器右图为普通光学迈克尔逊干涉仪原理图。由激光器输出的单色光由分束器（把光束分成两个独立光束的光学元件）分成为光强相等的两束光。光束1射向固定反射镜然后反射回分束器，再被分束器分解：透射部分那束光由光探测器接收，反射的那部分光又返回到激光器。干涉测量仪与光纤干涉传感器原理干涉测量仪与光纤干涉传感器原理 1.迈克尔逊干涉仪第第9 9章章 光纤传感

17、器光纤传感器 由激光器输出，经分束器透射的另一束光2入射到可移动反射镜上，也反射回分束器上，经分束器反射的一部分光传至光探测器上，而另一部分光则经由分束器透射，也返回到激光器。当两反射镜到分束器间的光程差小于激光的相干长度时，射到光探测器上的两相干光束即产生干涉。两相干光的相位差为：式中式中 KoKo光在空气中的光在空气中的传播常数播常数 2l 2l 两相干光的光程差两相干光的光程差第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 图为马赫泽德尔干涉仪的工作原理。与迈克尔逊干涉仪不同的是，它没有或很少有光返回到激光器。返回到激光器的光会造成激光器的不稳定噪声，对干涉测量不利。2.马赫泽德尔（Mach-Ze

18、hnder）干涉仪第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器它是利用塞格纳克效应构成的。激光经分束器分为反射和透射两部分。这两束光均由反射镜反射形成传播方向相反的闭合光路，并在分束器上会合，送入光探测器，同时也有一部分返回到激光器。在这种干涉仪中，两光束的光程长度相等。根据双束光干涉原理，在光电探测器上探测不到干涉光强的变化。 3.塞格纳克（Sagnac）干涉仪但当把这种干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上时，两束传播方向相反的光束到达光电探测器就有不同的延迟。若平台以角速度顺时针旋转，则在顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光延迟大。这个相位延迟量可表示为：式中 为旋转率；A为光路围成的

19、面积；c为真空中光速；o为真空中的光波长。通过检测干涉光强的变化，就能知道旋转速度。第第9 9章章 光光纤传感器感器第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 它由部分反射、部分透射、平行放置的两块反射镜组成。两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率常达95以上。激光入射到干涉仪，在两个相对反射面作多次反射，透射出来的平行光束由光电探测器接收。 4.法布里帕罗（Fabry-Perot）干涉仪第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 与前几种双光束干涉仪不同，这种干涉仪是多光束干涉。根据多光束干涉原理，探测器探测到干涉光强度的变化为式中 R反射镜的反射率； 相邻光束间的相位差。第第9 9章章 光纤传感器光

20、纤传感器四种类型光纤干涉仪结构四种类型光纤干涉仪结构第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器频率调制时光纤往往只起传输光信号的作用，而不作为敏感元件。目前主要是利用光学多普勒效应实现频率调制。图中，S为光源，P为运动物体，Q是观察者所处的位置。若物体 P的运动速度为v，方向与PS及PQ的夹角分别为1和2，则从S发出的频率为f1的光经过运动物体P散射，观察者在Q处观察到的频率为f2。9.2.4 9.2.4 频率调制与解调频率调制与解调第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 根据多普勒原理可得： 光频率调制的解调原理与相位调制的解调相同，需要两束光干涉。探测器的信号电流公式的推导亦与相位调制的解调相同；

21、只要用2ft代替式（926）中的（t），即可得：第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器第三节第三节 光纤传感器实例光纤传感器实例 光纤液位传感器第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器结构特点：光纤测头端有一个圆锥体反射器。当测头置于空气中没接触液面时，光线在圆锥体内发生全内反射而回到光电二极管。当测头接触液面时，由于液体折射率与空气不同，全内反射被破坏，有部分光线透入液体内，使返回到光电二极管的光强变弱；返回光强是液体折射率的线性函数。返回光强发生突变时，表明测头已接触到液位。光电接收器的要求不高。由于同种溶液在不同浓度时的折射率不同，经标定，这种液位传感器也可作浓度计。光纤液位计可用于易燃、易爆

22、场合，但不能探测污浊液体及会粘附在测头表面的粘稠物质。第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器光纤电流传感器第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 根据法拉第旋光效应，由电流所形成的磁场会引起光纤中线偏振光的偏转；检测偏转角的大小，就可得到相应电流值。如图所示，从激光器发生的激光经起偏器变成偏振光，再经显微镜（10）聚焦耦合到单模光纤中。为了消除光纤中的包层模，可把光纤浸在折射率高于包层的油中，再将单模光纤以半径R绕在高压载流导线上。 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器图927为一种全光纤结构的光纤电流传感器。其中单偏光纤代替了上述结构中的起偏器，并用了一个多圈传感线圈。电流测量范围可达0.l5000A。