传感器原理及其应用第9章光纤传感器.ppt

第9章光纤传感器FiberOpticSensors 光纤传感器 FOS FiberOpticalSensor 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 概论 9 1光纤传感器的基本知识 9 1 1光纤的结构光纤是光导纤维的简称 形状一般为圆柱形 材料是高纯度的石英玻璃为主 掺少量杂质锗 硼 磷等 光纤的结构如图所示 纤芯的折射率比包层的折射率稍大 当满足一定条件时 光就被 束缚 在光纤里面传播 9 1 2光纤的传光原理 如图 根据几何光学理论 当光线以某一较小的入射角 由折射率为n1的光密物质射向折射率为n2的光疏物质 即n1 n2 时 则一部分入射光以折射角折射入光疏物质 其余部分以角度反射回光密物质 根据折射定律 斯涅尔定律 光折射和反射之间的关系为 当光线的入射角增大到某一角度时 透射入光疏物质的折射光则沿界面传播 即 90 称此时的入射角为临界角 那么 由斯涅尔定律得 临界角仅与介质的折射率的比值有关 当入射角 时 光线不会透过其界面 而全部反射到光密物质内部 也就是说光被全反射 根据这个原理 如图所示 只要使光线射入光纤端面的光与光轴的夹角小于一定值 则入射到光纤纤芯和包层界面的角就满足小于临界角的条件 光线就射不出光纤的纤芯 光线在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播 光就能从光纤的一端以光速传播到另一端 这就是光纤传光的基本原理 可以证明 该入射角为 光纤的 数值孔径 NA 9 1 3光纤的种类 1 按材料分类1 高纯度石英 SiO2 玻璃纤维这种材料的光损耗比较小 在波长时 最低损耗约为0 47dB km 锗硅光纤 包层用硼硅材料 其损耗约为0 5dB km 2 多组分玻璃光纤用常规玻璃制成 损耗也很低 如硼硅酸钠玻璃光纤 在波长时 最低损耗为3 4dB km 3 塑料光纤用人工合成导光塑料制成 其损耗较大 当时 达到100 200dB km 但其重量轻 成本低 柔软性好 适用于短距离导光 2 按折射率分类分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤 如图所示 在纤芯和包层的界面上 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的称为阶跃型 而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的称为渐变型 3 按光纤的传播模式分类 根据传输模数的不同 光纤可分为单模光纤和多模光纤 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 后者在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的整倍数时 将形成驻波 形成驻波的光线组称为 模 它是离散存在的 亦即一定纤芯和材料的光纤只能传输特定模数的光 单模光纤纤芯直径仅有几微米 接近波长 其折射率分布均为阶跃型 单模光纤原则上只能传送一种模数的光 常用于光纤传感器 这类光纤传输性能好 频带很宽 具有较好的线性度 但因芯小 难以制造和耦合 多模光纤允许多个模数的光在光纤中同时传播 通常纤芯直径较大 达几十微米以上 由于每一个 模 光进入光纤的角度不同 它们在光纤中走的路径不同 因此它们到达另一端点的时间也不同 这种特征称为模分散 特别是阶跃折射率多模光纤 模分散最严重 这限制了多模光纤的带宽和传输距离 渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量 而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线形成递减 中心轴折射率最大 因此 光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚 光纤传播的轨迹类似正弦波形 如图所示 具有光自聚焦效果 故渐变折射率多模光纤又称为自聚焦光纤 因此渐变折射率多模光纤的模分散比阶跃型小得多 9 1 4光纤传感器的基本组成 构成光纤传感器除光导纤维之外 还必须有光源和光探测器 另外还有一些光无源器件 示例 遮光式光纤温度计 光无源器件是一种不必借助外部的任何光或电的能量 由自身能够完成某种光学功能的光学元器件 光无源器件按其功能可分为光连接器件 光衰减器件 光功率分配器件 光波长分配器件 光隔离器件 光开关器件 光调制器件等 发光二极管 激光二极管 光源 专用的光纤连接头及光纤插座 光纤与电光转换元件耦合时 两者的轴心必须严格对准并固定 可使用专用的连接头及光纤插座来完成 光电转换器件采用光电二极管 9 2光纤传感器的分类及其工作原理 光纤传感器与电类传感器的对比 9 2 1光纤传感器分类 1 功能型光纤传感器 如图 它指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 功能性光纤传感器中光纤不仅起传光作用 而且还利用光纤在外界因素的作用下 其光学特性 光强 相位 频率 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 增加其长度 可提高灵敏度 这类传感器主要使用单模光纤 2 非功能型 传光型 光纤传感器 这类光纤传感器中光纤仅起导光作用 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 光纤在系统中是不连续的 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 非功能型光纤传感器使用的光纤主要是数值孔径和芯径大的阶跃型多模光纤 传感探针型光纤传感器 光纤把测量对象辐射的光信号或测量对象反射 散射的光信号传播到光电元件上 通常使用单模或多模光纤 典型的例子有光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器等 传感器 光学现象 被测量 光纤 分类 干涉型 相位调制光纤传感器 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 PMSM PMSM PMSM PMSM PM aaaaa 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 MMMMMMSMMMMMMM bbbbbbb 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 SMMMSMMM b abbb 频率调制光纤温度传感器 多普勒效应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 MMMMMM cbb 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 光纤传感器的分类 9 2 2光调制技术 调制技术是指在时域上用被测信号对一个高频信号 如光纤传感器中的光信号 的某特征参量 幅值 频率或相位等 进行控制 使该特征参量随着被测信号的变化而变化 这样 原来的被测信号就被这个受控制的高频振荡信号所携带 一般将控制高频信号的被测信号称为调制信号 载送被测信号的高频信号称为载波 经过调制后的高频振荡信号称为已调制波 按照调制方式分类 光调制可以分为强度调制 相位调制 频率调制 偏振调制和波长调制等 所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到载波 光波上 而能完成这一过程的器件称为调制器 调制器能使载波光波参数随外信号变化而改变 这些参数包括光波的强度 幅值 相位 频率 偏振 波长等 被信息调制的光波在光纤中传输 然后再由光探测系统解调 将原信号恢复 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 强度调制型示例 膜片反射式光纤压力传感器 光源 接收 Y形光纤束 壳体 P 弹性膜片 Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图 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 强度调制型示例 微弯光纤压力传感器 2 相位调制与干涉测量相位调制型光纤传感器的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或传播系数发生变化 而导致光的相位变化 然后用干涉仪把相位变化变换为振幅变化 从而还原所检测的物理量 因此 相位调制与干涉测量技术并用 构成相位调制的干涉型光纤传感器 实现干涉测量的仪器称为干涉仪 常用的干涉仪主要有4种 迈克尔逊干涉仪 赛格纳克干涉仪 马赫 泽德干涉仪和法布里 珀罗干涉仪 如图所示 a 迈克尔逊干涉仪 b 赛格纳克干涉仪 c 马赫泽 德干涉仪 d 法布里 珀罗干涉仪 光学干涉仪的共同特点就是它们的相干光在空气中传播 由于空气受环境温度变化的影响 引起空气的折射振动及声波干扰 这种影响都会导致空气光程的变化从而引起干涉测量工作的不稳定 使精度降低 而光纤干涉仪利用单模光纤作干涉仪的光路 就可以排除上述影响 并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制 从而可以制造出千米量级光路长度的光纤干涉仪 这种干涉仪成为相位调制型光纤传感器的一个重要组成部分 以迈克尔逊干涉仪为例 当被测量发生变化时 将引起测量光路光纤纤芯折射率n的变化和测量光纤长度L的变化 由此使通过测量光路的光束光程 等于nL 发生改变 对应相位也相应改变 则测量光路和参考光路的相位差为 常见相位调制方法 1 机械应变及光弹性效应机械应变引起光纤的机械尺寸变化 某些物体内部存在应力时 会产生折射率在不同方向有不同变化的现象 2 温度效应温度变化引起光纤的尺寸及折射率变化 3 磁致伸缩 电致伸缩效应将单模光纤表面镀上磁致伸缩 电致伸缩材料 则当磁场 电场作用于光纤时 使光纤长度变化 从而相位变化 3 频率调制频率调制光纤传感器是利用由被测对象引起的光频率的变化来进行监测的传感器 通常有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的速度 流速 振动 压力 加速度光纤传感器 利用物质受强光照射时的拉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 1 光学多普勒频移原理光的频率调制主要是指光学多普勒频移 从物理学知 光学中的多普勒现象是指由于观察者和目标的相对运动 使观察者接收到的光波频率产生变化的现象 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 2 光纤多普勒技术根据上述多普勒频移原理 利用光纤传光功能组成测量系统 可用于普通光学多普勒测量装置不能安装的一些特殊场合 如密封容器中流速的测量和生物体中流体的研究 典型的激光多普勒光纤测速系统 9 3光纤传感器的应用 9 3 1光纤位移传感器 1 反射式光强调制测量位移由光纤输出的光照射到反射面上发生反射 其中一部分反射光返回光纤 测出反射光的光强 就能确定反射面位移情况 这种传感器可使用两根光纤 分别作传输发射光及接收光用 也可以用一根光纤同时承担两种功能 为增加光通量可采用光纤束 此方法测量范围在9mm以内 其光强调制的示意如图所示 接收光通量与位移d的关系为 在位移输出曲线的前坡区 输出信号的强度增加得非常快 这一区域可以用来进行微米级的位移测量 在后坡区 信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比 可用于距离较远而灵敏度 线性度和精度要求不高的测量 在光峰区 信号达到最大值 其大小取决于被测物体的表面状态 所示这个区域可用于对物体的表面状态进行光学测量 2 光纤开关与定尺寸检测装置光纤开关与定尺寸检测装置是利用光纤中光强度的跳变来测出各种移动物体的极端位置 如定尺寸 定位 记数等 特别是用于小尺寸工件的某些尺寸的检测有其独特的优势 标志孔 电路板标志检测 当光纤发出的光穿过标志孔时 若无反射 说明电路板方向放置正确 光纤耦合器 传输光纤 出射光纤 遮断型光纤光电开关 出射光纤 接收光纤 采用遮断型光纤光电开关对IC芯片引脚进行检测 定位条形码检测 9 3 2光纤液体浓度传感器 光纤液体浓度U型敏感元件如图所示 放入液体中的光纤部分为裸芯 此时液体起到了包层的作用 液体的折射率n2就是包层折射率n 由于折射率的改变致使光在纤芯中传播的光束模式发生变化 部分光由低阶模式转化为高阶模式 故有一部分入射光就不再满足全反射的条件 就会在两种媒质的交界面处发生光的折射现象 致使一部分光能量损失掉 对于给定的光纤材料 出射光强I与入射光强I0之间存在着如下关系 r为弯曲半径 为入射光波长 为衰减系数 与光纤弯曲半径r 入射光波长及液体的折射率n2有关 l为弯曲光纤的长度 9 3 3光纤陀螺仪 陀螺仪的Sagnac效应 光源发出的光在A点分为两束 一束为顺时针传播的光束b 另一束为逆时针传播光束a 当系统角速度 0时 两光束从A点出发 经相同光程又回到A点 设光轨道由N匝光纤构成 光轨道的半径为R 光纤总长度为L