第6章-光纤传感器

第6章光纤传感器1传感器原理及应用技术第6章光纤传感器第6章光纤传感器2基础知识光纤传感器的分类及构成功能型光纤传感器举例非功能型光纤传感器举例第6章光纤传感器3光(导)纤(维)（OpticalFiber）是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体光电探测器等一起构成了新的光学技术，即光电子学新领域。光纤的最初研究是为了通信。光纤传感器是伴随着光纤通讯和光学技术而发展起来的一种新型传感器。第6章光纤传感器4•光纤传感器的优点是：灵敏度高，响应速度快，动态范围大，防电磁干扰，超高电绝缘，防燃、防爆，耐腐蚀，材料资源丰富，成本低，可实现的测量物理量广。•光纤传感器的缺点是：有时系统比较复杂。第6章光纤传感器5光纤的结构很简单，通常由纤芯、包层及外套组成(如图6.1所示)。纤芯位于光纤的中心部位，它是由玻璃、石英或塑料等制成的圆柱体，一般直径约为5～150μm。光主要通过纤芯传输。围绕着纤芯的那一层叫包层，材料也是玻璃或塑料等。基础知识6.1.1光纤的结构图6.1由纤芯、包层及外套组成的光纤的结构示意图第6章光纤传感器6纤芯和外层材料的折射率不同，纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。由于纤芯和包层构成了一个同心圆双层结构，所以光纤具有使光功率封闭在里面传输的功能。外套起保护光纤的作用。通常人们又把较长的或多股的光纤称为光缆。基础知识6.1.1光纤的结构第6章光纤传感器7•根据纤芯到包层的折射率的变化规律，光纤可分为阶跃型和梯度型两种。6.1.2光纤的种类基础知识第6章光纤传感器8阶跃型光纤如图6.2(a)所示。纤芯的折射率n1分布均匀，固定不变，包层内的折射率n2分布也大体均匀，但纤芯到包层的折射率变化呈台阶状。在纤芯内，中心光线沿光纤轴线传播，通过轴线的子午光线(光的射线永远在一个平面内运动，这种光线称为子午光线)呈6.1.2光纤的种类基础知识1.阶跃型光纤第6章光纤传感器96.1.2光纤的种类基础知识1.阶跃型光纤图6.2光纤的种类和光传播形式第6章光纤传感器10梯度型光纤纤芯内的折射率不是常数，从中心轴线开始沿径向大致按抛物线规律变化，中心轴处的折射率最大，因此，光在传播中会自动地从折射率小的界面处向中心会聚。光线传播的轨迹类似于正弦波曲线。这种光纤又称为自聚焦光纤。图6.2(b)示出了经过轴线的子午光线传播的轨迹。6.1.2光纤的种类基础知识2.梯度型光纤第6章光纤传感器116.1.2光纤的种类基础知识1.阶跃型光纤图6.2光纤的种类和光传播形式第6章光纤传感器12根据光纤的传输模式分类，可以把光纤分为多模光纤和单模光纤两类。阶跃型和梯度型为多模光纤，而图6.2(c)6.1.2光纤的种类基础知识图6.2光纤的种类和光传播形式第6章光纤传感器13•只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光波才能在光纤内传播，这些光波就称为模。6.1.2光纤的种类基础知识•在光纤内只能传输一定数量的模。通常纤芯较粗时，能传播几百个以上的模，只能传播一个模的，称为单模光纤。第6章光纤传感器146.1.2光纤的种类基础知识第6章光纤传感器156.1.2光纤的种类基础知识第6章光纤传感器166.1.3光纤的传光原理首先讨论光的全反射原理。在几何光学中当光线以较小的入射角φ1(φ1＜φc,φc为临界角)由光密媒质(折射率为n1)射入光疏媒质(折射率为n2)时(如图6.3(a)所示)，折射角φ2满足Snell法则：n1sinφ1=n2sinφ2根据能量守恒定律，反射光与折射光的能量之和等基础知识第6章光纤传感器176.1.3光纤的传光原理基础知识图6.3光线入射角小于、等于和大于临界角时界面上发生的反射第6章光纤传感器186.1.3光纤的传光原理若逐渐加大入射角φ1，一直到φc，则折射光就会沿着分层媒质的交界面传播，折射角φ2=90°，如图6.3(b)所示。此时的入射角φ1=φc，φc由下式决定：若继续加大入射角φ1(即φ1＞φc)，则光不再产生折射，而只有光密媒质中的反射，即形成了光的全反射现象。基础知识第6章光纤传感器196.1.3光纤的传光原理基础知识图6.3光线入射角小于、等于和大于临界角时界面上发生的反射第6章光纤传感器206.1.3光纤的传光原理光的全反射现象是光纤传光原理的基础。下面我们以阶跃型多模光纤为例，进一步说明光纤的传光原理。基础知识设纤芯的折射率为n1，包层的折射率为n2设（n1n2），空气折射率为n0。第6章光纤传感器216.1.3光纤的传光原理基础知识图6.4阶跃型多模光纤中子午光线的传播第6章光纤传感器226.1.3光纤的传光原理图6.4(a)中，设光线在A点入射，根据Snell法则，有n0sinθ0=n1sinθ1=n1cosφ1基础知识要使入射光线在界面发生全反射，应满足式(6.3)：由三角函数公式，有第6章光纤传感器236.1.3光纤的传光原理这就是能产生全反射的最大入射角范围。入射角的最大值θc可由上式求出,即基础知识得:若仿照研究透镜那样,引入光纤的数值孔径NA这个概念,则第6章光纤传感器242.1.4光纤的特性基础知识设光纤入射端与出射端的光功率分别为Pi和Po，光纤长度为L(单位为km)，则光纤的损耗a(单位为dB／km)可以用下式计算：1.损耗第6章光纤传感器252.1.4光纤的特性基础知识光纤的色散是表征光纤传输特性的一个重要参数。特别是在光纤通信中，它反映传输带宽，关系到通所谓光纤的色散，就是输入脉冲在光纤传输过程中，由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。光纤色散使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽。2.色散第6章光纤传感器262.1.4光纤的特性基础知识输入光纤的可能是强度连续变化的光束，也可能是一组光脉冲，由于存在光纤色散现象，因此会使脉冲展宽，造成信号畸变，从而限制了光纤的信息容量和品质。3.容量第6章光纤传感器272.1.4光纤的特性基础知识4.抗拉强度•可以弯曲是光纤的突出优点。光纤的弯曲性与光纤的抗拉强度有关。抗拉强度大的光纤不仅强度高，•光纤的抗拉强度取决于材料的纯度、分子结构状态第6章光纤传感器282.1.4光纤的特性基础知识5.集光本领•光纤的集光本领与数值孔径有密切的关系。如图6.5所示，光纤的数值孔径NA定义为当光从空气中入射到光纤端面时的光锥半角的正弦，即NA=sinθc图6.5光纤的接收角锥第6章光纤传感器292.1.4光纤的特性基础知识5.集光本领•数值孔径只决定了光纤的折射率，与光纤的尺寸无关。这样，光纤就可以做得很细，使之柔软，可以当光纤的数值孔径最大时，光纤的集光本领也最大。第6章光纤传感器306.1.5光纤的耦合基础知识光纤耦合器是使光信号能量实现分路／合路的器件。耦合分为强耦合和弱耦合两种。光纤强耦合是指光纤纤芯间形成直通，传输模直接进入耦合臂。光纤弱耦合是指通过光纤的弯曲，或使其耦合处成锥状，于是，纤芯中的部分传导模变为包层模，再由包层进入耦合臂中的纤芯，形成传导模。第6章光纤传感器31(1)将每根光纤埋入玻璃块的弧形槽中，在光纤侧面进行研磨抛光，使光纤耦合处的包层厚度达到一定的要求，然后将两根光纤拼接在一起，如图6.6(a)所示。常用的耦合有三种结构形式：6.1.5光纤的耦合基础知识第6章光纤传感器32(2)将两根光纤稍加扭绞，用微火炬对耦合部位进行加热，在熔融过程中拉伸光纤，最后拉细成型，如图6.6(b)所示。此时，在两根光纤的耦合部位形成双锥区，两根光纤包层合并在一起，纤芯变细，形成了一个新的合成光波通路，从而构成弱耦合。常用的耦合有三种结构形式：6.1.5光纤的耦合基础知识第6章光纤传感器33(3)将要耦合的光纤的局部外套去掉，扭绞在一起，浸蚀光纤的耦合部位，腐蚀掉大部分包层，并将两根光纤的纤芯紧紧接触在一起，然后进行加固，如图6.7所示。此外，还可通过控制扭力或张力，调节光纤间距，以达到调节光纤耦合强弱的目的。常用的耦合有三种结构形式：6.1.5光纤的耦合基础知识第6章光纤传感器34常用的耦合有三种结构形式：6.1.5光纤的耦合基础知识第6章光纤传感器35本节要点总结1掌握光纤的传光原理。2了解光纤的特性。掌握光纤耦合方法。3第6章光纤传感器36光纤传感器的分类及构成•通常按照在传感器中的作用，光纤传感器可分为两种类型：功能型(也称传感型、探测型)和非功能型(也称传光型、结构型、强度型、混合型)。光纤传感器的分类如表6.1所示。6.2.1分类第6章光纤传感器37光纤传感器的分类及构成6.2.1分类表6.1光纤传感器的分类第6章光纤传感器38•功能型光纤传感器主要使用单模光纤。光纤不仅起传光作用，又是敏感元件，即光纤本身同时具有传、感两种功能。功能型光纤传感器是利用光纤本身的传输特性受被测物理量的作用而发生变化，使光纤中波导光的属性(光强、相位、偏振态、波长等)被调制这一特点而构成的一类传感器。光纤传感器的分类及构成6.2.1分类第6章光纤传感器39•功能型光纤传感器的特点是，由于光纤本身是敏感元件，因此加长光纤的长度，可以得到很高的灵敏度。尤其是利用各种干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器，具有极高的灵敏度。这类传感器的缺点是，技术难度大，结构复杂，调整较困难。光纤传感器的分类及构成6.2.1分类第6章光纤传感器40•其典型例子有：利用光纤在高电场下的Pockels效应的光纤电压传感器，利用光纤法拉第效应的光纤电流传感器，利用光纤微弯效应的光纤位移(压力)传感器等。功能型传感器的特点是：由于光纤本身是敏感元件，因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度。光纤传感器的分类及构成6.2.1分类第6章光纤传感器41光纤传感器的分类及构成6.2.1分类图6.8功能型光纤传感器基本结构原理示意图第6章光纤传感器42•非功能型光纤传感器中，光纤不是敏感元件。它在光纤的端面或在两根光纤中间放置光学材料、机械式或光学式的敏感元件来感受被测物理量的变化，从而使透射光或反射光强度随之发生变化。在这种情况下，光纤只是作为光的传输回路，如图6.8(b)、(c)所示。光纤传感器的分类及构成6.2.1分类第6章光纤传感器43光纤传感器的分类及构成6.2.1分类图6.8非功能型光纤传感器基本结构原理示意图第6章光纤传感器44光纤传感器的分类及构成6.2.1分类图6.8非功能型光纤传感器基本结构原理示意图第6章光纤传感器45光纤传感器的分类及构成6.2.1分类图6.8非功能型光纤传感器基本结构原理示意图第6章光纤传感器46•这类光纤传感器的特点是结构简单、可靠，技术上易实现，应用前景广阔，但其灵敏度、测量精度一般低于功能型光纤传感器。光纤传感器的分类及构成6.2.1分类第6章光纤传感器47•正确了解光的产生机理，对于光纤传感器的光源选择是非常有利的。•根据系统的用途和所用光纤的类型，对光源一般要提出功率和调制的要求。•在实际应用中，人们希望能研制出一种适合于各种系统的光源。1.光源6.2.2构成部件光纤传感器的分类及构成第6章光纤传感器48•激光二极管和发光二极管(LED)的发射波段是0.8～0.9μm和1.0～1.1μm，在这两个波段光纤的损耗最小。特别是激光二极管具有亮度高、易于进行上吉赫的直接调制、尺寸小等优点.1.光源6.2.2构成部件光纤传感器的分类及构成•砷化镓(GaAs)结晶材料是一种重要的室温LED和半导体激光器材料。第6章光纤传感器49•如果把一种受主材料掺杂到GaAs中，则可形成一个P型半导体区域。把一个施主材料掺杂到GaAs中，就可形成一个N型半导体区域。当把它们结合时，P型和N型区域间的空间间隙就是PN结。1.光源6.2.2构成部件光纤传感器的分类及构成•当足够多的电子的能级升高到导带能级时，它们的电子能级就超过势垒能量，并且电子横越结进入P区域。第6章光纤传感器50•在P型和N型区域间的空间(复合层)里，电子能够自发地与空穴复合而产生光子，光子朝各个方向运动，这就形成了LED。在LED中,向各个方向发出的光是自发发射的。1.光源6.2.2构成部件光纤传感器的分类及构成•为了产生激光，必须限制和引导复合层里