第9章光纤传感器.ppt

1、第9章：光纤传感器。讲师：郑建一，1岁。光纤传感器是70年代中期发展起来的一种基于光纤的新型传感器。它是光纤和光通信技术飞速发展的产物，与基于电学的传感器有着本质的区别。光纤传感器利用光作为敏感信息的载体，光纤作为传输敏感信息的媒介。因此，它兼有光纤和光学测量的特点。导言，2.9.1光纤传感器的基本知识，9.1.1光纤的结构光纤是光纤的简称，其形状一般为圆柱形，其材料主要是高纯度的应时玻璃，含少量的锗、硼、磷等杂质。光纤的结构如图所示。纤芯的折射率略大于包层的折射率。当满足某些条件时，光必然会在光纤中传播。3，9.1.2光纤的光传输原理，4，如图所示，根据几何光学理论，当光从折射率为n1的光学

2、致密物质入射到折射率为n2的光学稀疏物质(即n1n2)时，一部分入射光以一个折射角折射到光学稀疏物质中，其余部分以一个角度反射回光学致密物质。根据折射定律，当光的入射角增加到一定角度时，透射到光稀疏材料中的折射光沿着界面传播，即90，这称为临界角。然后，根据斯内尔定律，临界角仅与介质的折射率之比5、有关。当入射角发生时，光将不会穿过其界面，而是将被完全反射到光学致密材料中，也就是说，光将被完全反射。根据这一原理，如图所示，只要入射到光纤端面的光与光轴之间的夹角小于一定值，入射到光纤纤芯和包层之间的界面上的角度就满足小于临界角的条件，光就不能从光纤纤芯出射。光在纤芯和包层之间的界面处连续产生全反

3、射并向前传播，因此光可以以光速从光纤的一端传播到另一端，这是光纤传输的基本原理。光纤的“数值孔径”NA取决于纤芯和包层的折射率，二者之间的差异越大，光的集光能力越强；只有在张角内的光可以被光纤接收和传播(全反射)。6，9.1.3光纤的类型，1按材料分类1)高纯度应时(二氧化硅)玻璃纤维具有相对较小的光学损耗，在波长处的最低损耗约为0.47分贝/千米。锗硅光纤的包层由硼硅材料制成，损耗约为0.5分贝/千米。2)多组分玻璃纤维由常规玻璃制成，损耗也很低。如钠硼硅玻璃纤维，在波长处的最低损耗为3.4分贝/千米。3)塑料光纤由合成导光塑料制成，损耗大，可达100200分贝/千米。然而，它重量轻，成本低

4、，柔韧性好，适合短距离光导。7，2根据折射率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处，纤芯的折射率不随半径变化，但纤芯和包层界面处折射率的突变称为台阶型；然而，光纤芯的折射率在径向上从中心向外呈抛物线，界面处的折射率与包层的折射率一致。根据光纤的传播模式，根据传输模量的不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤。光纤传输的光波可以分解成两个沿纵轴和横向传播的平面波分量。后者将在纤芯和包层之间的界面产生全反射。当它的相位在横向变为一个往返行程的整数倍时，就会形成驻波。形成驻波的射线群称为“模式”；它是离散存在的，也就是说，光纤具有一定的芯和材料因为每个“模式”光以不同的角度进

5、入光纤，并且它们在光纤中的路径不同，所以它们到达另一个端点的时间也不同。这种特性被称为模式色散。尤其在阶跃折射率多模光纤中，模式色散最为严重。这限制了多模光纤的带宽和传输距离。11，渐变折射率多模光纤的纤芯中的折射率不是恒定的，而是从中心轴开始沿径向沿抛物线减小，并且中心轴的折射率最大。因此，当光纤在纤芯中传播时，它会自动从低折射率的界面向中心会聚，光纤的传播轨迹像正弦波一样，具有自聚焦的作用，所以渐变折射率多模光纤也称为自聚焦光纤。因此，渐变折射率多模光纤的模式色散比阶跃型光纤小得多。12、9.1.4光纤传感器的基本组成，光纤传感器除了光纤外，还必须有光源和光探测器，以及一些光学无源器件。示

6、例：遮光光纤温度计13。1.光纤传感器常用光源基本要求：(1)体积小，便于与光纤耦合；(2)发射光的波长应适当，以减少光纤中传输的能量损失；(3)有足够的高度，长期工作稳定性好，噪音低，驱动电路简单；(4)对光源的一致性有一定的要求。常用光源包括：半导体激光二极管、半导体发光二极管、放大自发辐射光源、半导体分布反馈激光DFB等。光源特性见表9-1。14，发光二极管，激光二极管，15，2。光纤传感器、光电探测器、光电探测器的性能不仅影响被测物理量的变化精度，还关系到光学探测接收系统的质量。它的线性度、灵敏度和带宽直接关系到传感器的整体性能。要求：(1)良好的线性和光信号到电信号的比例转换；(2)

7、高灵敏度，对微小的输入光信号敏感，输出较大的电信号；(3)响应频率宽，响应速度快，动态特性好；(4)性能稳定，噪音低。常用的光电探测器包括光电二极管、光电晶体管、光敏电阻、光电倍增管、光电池等。它们的特性见表9-2。16、光电二极管17，当光纤与电光转换元件耦合时，它们的轴必须严格对准和固定，这可以通过使用特殊的连接器和光纤插座来完成。光学无源器件是无需任何外部光能或电能就能自行完成某些光学功能的光学元件。光无源器件根据其功能可分为光连接器器件、光衰减器器件、光功率分配器件、光波长分配器件、光隔离器件、光开关器件和光调制器件。3。光无源器件，18，9.2光纤传感器的分类和工作原理，光纤传感器和

8、电传感器的比较，19，9.2.1光纤传感器的分类，1功能性光纤传感器，如图所示，它是指利用对外部信息具有灵敏度和检测能力的光纤(或专用光纤)作为传感元件，集“传输”和“传感”于一体。在功能性光纤传感器中，光纤不仅起着传输光的作用， 而且利用其光学特性(光强、相位、频率、偏振态等)的变化来实现“透射”和“传感”的功能。 )在外部因素的作用下。因此，传感器中的光纤是连续的。由于光纤是连续的，增加其长度可以提高灵敏度。这种传感器主要采用单模光纤。20，2非功能性(透光)光纤传感器，其中光纤仅起导光作用，仅“透射”而不“感测”，并且“感测”外部信息的功能取决于具有物理特性的其他功能元件。这种光纤传感器

9、不需要特殊的光纤和其他特殊技术，易于实现，成本低；然而，灵敏度也很低，它用于灵敏度不太高的场合。非功能性光纤典型的例子有光纤激光多普勒测速仪、辐射光纤温度传感器等。21、传感器、光学现象、被测、光纤、分类、干涉类型、相位调制光纤传感器、干涉(磁致伸缩)干涉(电致伸缩)Sagnac效应光弹性效应干涉、电流、磁场和电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度、SM、PM SM、A、A、A、A、A、A、A、非干相关、强度调制光纤温度传感器、遮光板中断半导体透射率的变化、荧光辐射、 黑体辐射光纤微弯损耗膜片或液晶反射气体分子吸收光纤泄漏膜，温度，振动，压力，加速度，位移温度，温度振动，压力，加速度，位

10、移振动，压力，位移气体浓度和液位，MM MM MM MM MM MM MM MM MM，b b b b b b b，B，偏振调制光纤温度传感器，法拉第效应气泡克尔效应双折射变化光弹性效应，电流，磁场电场，电压，温度振动，压力，加速度，位移，SM MM MM MM MM，位移， B，A B，B B，B，调频光纤温度传感器，多普勒效应，受激拉曼散射，光致发光，速度，流速，振动，加速度，气体浓度，温度，毫米毫米毫米，c，B，注：毫米多模； 单一模式；预防性维护极化；a、b、c功能型、非功能型、光拾取型、光纤传感器分类，22、9.2.2光调制技术，调制技术是指利用被测信号来控制某一特征参数(振幅、频率

11、或相位等)。)高频信号(例如光纤传感器中的光信号)的时域中。通常，控制高频信号的测量信号被称为调制信号。携带被测信号的高频信号称为载波。调制的高频振荡信号称为调制波。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。所有这些调制过程可以归结为在载波上叠加一个携带信息的信号。能够完成这一过程的器件称为调制器，它可以随着外部信号的变化而改变载波的参数。信息调制后的光波在光纤中传输，然后由光学检测系统解调，恢复原始信号。强度调制光纤传感器是一种利用被测物体的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射的变化，从而导致光强的变化来实现灵敏测量的传感器。通常使用光纤的微弯损耗；每种物质的吸收特性；

12、光阑或液晶反射光强度的变化；物质由于各种粒子射线或化学和机械激发而发光的现象；物质的荧光辐射或光路中断等。以形成各种强度调制光纤传感器，例如压力、振动、温度、位移和气体传感器。优点：结构简单，易于实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化的影响很大。24、强度调制型示例：光阑反射型光纤压力传感器、光源、接收器、Y形光纤束、外壳、P、弹性光阑、Y形光纤束。在Y形光纤束的前端放置一个压敏膜片。当光阑在压力下变形时，光纤束和光阑之间的距离改变，从而输出光强度被调制。强度调制示例：微弯曲光纤压力传感器，26，2相位调制和干涉测量相位调制光纤传感器的基本原理是利用被测物体对敏感元件的作用来改变敏

13、感元件的折射率或传播系数，从而导致光的相位变化，然后通过干涉仪将相位变化转化为幅度变化。因此，相位调制和干涉测量技术被一起使用以形成相位调制干涉型光纤传感器。干涉测量仪器被称为干涉仪。常用的干涉仪有四种：迈克尔逊干涉仪(a)迈克尔逊干涉仪，(b)西格纳克干涉仪，(c)马赫-曾德尔干涉仪和(d)法布里-珀罗干涉仪，28。光学干涉仪的共同特点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，会引起空气的折射振动和声干涉，影响稳定性和精度。然而，通过使用单模光纤作为干涉仪的光路，可以消除上述影响，并且可以克服光路加长时对相干长度的严格限制，从而可以制造出光程长度为千米的光纤干涉仪。以迈克尔逊

14、干涉仪为例，当被测物体发生变化时，会引起光纤芯折射率N和光纤长度L的变化，从而改变光束通过测量光路的光程(等于nL)和相应的相位，此时测量光路与参考光路的相位差为0.29。常用的相位调制方法：1 .机械应变和光弹性效应机械应变引起光纤的机械尺寸变化；当一些物体有应力时，折射率会向不同的方向变化；2.温度效应温度变化导致光纤的尺寸和折射率发生变化：3 .磁致伸缩和电致伸缩效应在单模光纤表面涂覆磁致伸缩和电致伸缩材料，当磁场和电场作用于光纤时，光纤长度发生变化，从而相位发生变化；30，3调频调频光纤传感器是一种利用被测物体引起的光频变化进行监测的传感器。通常有利用多普勒效应测量速度、流速、振动、压

15、力和加速度的光纤传感器。一种用于测量气体浓度或监测空气污染的气体传感器，由当物质被强光照射时的拉曼散射组成。1)光学多普勒频移原理光的频率调制主要指光学多普勒频移。光学中的多普勒现象是指由于观察者和目标之间的相对运动，观察者接收到的光波频率发生变化的现象。一般来说，当光源和观察者相对静止时，由运动物体散射的光的频移是最受关注的。在这种情况下，它可以被认为是双多普勒频移。也就是说，首先考虑从光源到运动物体，然后考虑从运动物体到观察者。根据上述多普勒频移原理，光纤多普勒技术可用于一些无法安装普通光学多普勒测量装置的特殊场合，如测量密封容器中的流速和研究生物体内的流体。在典型的激光多普勒光纤测速系统

16、中，光纤多普勒探测器对透明介质中散射体的运动非常敏感，但其结构决定了其能量有限，仅适用于小流量范围内的介质流量测量，其典型应用是医学中的血流测量。33，9.3光纤传感器的应用，9.3.1光纤位移传感器，1反射光强调制测量位移光纤输出的光照射反射面进行反射，反射面的位移可以通过测量反射光的光强来确定。该传感器可以使用两根光纤分别传输和接收光。也可以使用一根光纤同时执行两种功能。光纤束可用于增加光通量，该方法的测量范围在9毫米以内。34，接收光通量和位移D之间的关系是，在位移输出曲线的前斜率区域，输出信号的强度增加非常快，并且该区域可用于微米级位移测量。在后坡区域，信号衰减与探头和被测表面之间距离的平方成反比，可用于长距离、低灵敏度、线性和精度要求的测量。在光峰区域，信号达到最大值，这取决于被测物体的表面状态。所示区域可用于物体表面状态的光学测量。35，2光纤开关和尺寸检测设备光纤开关