传感器原理及其应用-第9章-光纤传感器

武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器第9章光纤传感器FiberOpticSensors武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器光纤传感器(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。概论光纤传感器的特点:①电绝缘性能好。②抗电磁干扰能力强。③非侵入性。④高灵敏度。⑤容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器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。武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器9.1.2光纤的传光原理武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器1122sinsinnn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：121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21cc2c1sinnn临界角仅与介质的折射率的比值有关武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器当入射角＞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。1c01c可以证明，该入射角为2201201sinnnn光纤的“数值孔径”NA，2201201NAsinnnn武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器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。武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器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。武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器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。什么是光纤的传播模式光纤传输的光波，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。2武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器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。武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器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。武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器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。武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器9.1.4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。武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器发光二极管激光二极管光源武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器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。武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器光电转换器件采用光电二极管武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器9.2光纤传感器的分类及其工作原理电源电量检测电类传感器被测参量电类传感器电缆光源光量检测光纤传感器被测参量光纤传感器光缆光纤传感器与电类传感器的对比分类内容光纤传感器电类传感器调制参量光的振幅、相位、频率、偏振态电阻、电容、电感等敏感材料温-光敏、力-光敏、磁-光敏温-电敏、力-电敏、磁-电敏传输信号光电传输介质光纤、光缆电线、电缆武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器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。武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器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。武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器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、PMaaaaa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MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb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SMMMSMMMb,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MMMMMMcbb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武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器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。武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器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。武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器强度调制型示例：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。武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器强度调制型示例：微弯光纤压力传感器DSFF变形器光纤d光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，原来光束以大于临界角θC的角度θ1在纤芯内传输为全反射但在微弯处θ2θ1，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移等物理量。武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器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。根据光波的干涉测量基本知识，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，若光振幅分别为E1和E2，如果其中一光束的相位由于某种因素影响或调制，在干涉场中就会引起干涉条纹强度的变化。干涉场中各点的光强数学表达式为22212122cosAAAAA式中：为相位调制造成的两相干光之间的相位差。可见，检测到干涉光强的变化就可以确定两光束间相位的变化，从而得到待测物理量的数值大小。武汉理工大学机电工程学院第9章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-珀罗干涉仪武汉理工大学机电工程学院第9章光纤传感器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