第-十一章-光纤传感器

第十一章光纤传感器§11.0光纤传感器概述§11.1光纤与光纤传感器§11.2功能型光纤传感器§11.3非功能型光纤传感器上页下页返回第11章光纤传感器•光纤与光纤传感器•功能型光纤传感器•非功能型光纤传感器光纤传感器的特点•灵敏度高•电绝缘性能好•抗电磁干扰•耐腐蚀、耐高温•体积小、重量轻§11.1光纤一、结构n纤芯n包层纤芯保护套包层二、光纤的种类•玻璃光纤•塑料光纤•石英光纤•阶跃型光纤•梯度型光纤•按模式分：–单模光纤–多模光纤模的概念•光是一种电磁波•沿光纤传输的光可以分解为沿轴向和沿截面的两个平面波成分•沿截面传输的波在纤芯和包层之间全反射，每一往复传输的相位变化是2π的正数倍，在截面内形成驻波，这样的驻波光线组称为模。多模光纤与单模光纤•多模光纤芯径折射率差大•光耦合容易、损失小•模式多，导致接收端合成信号的畸变•一般用于非功能性光纤传感器•单模光纤芯径、数值孔径小•光耦合困难、损失大•更好的线性、灵敏度和动态范围•一般用于功能性光纤传感器三、传光原理2211sinsinnn界面处光的传输满足折射定理：全反射时的临界角满足：12sinnncn1n2θ0θ1φ111100cossinsinnn2221001sinnnn数值孔径（NumericalAperture)NAnnnc222101sin•NA反映了光纤的集光能力•纤芯与包层的折射率差越大，数值孔径越大四、传光损耗•费涅尔反射损耗•光吸收损耗•全反射损耗光纤传感器所用器件•光源：要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定–相干光：半导体激光器等–非相干光：发光二极管、白织灯等•探测器：灵敏度好、响应快、线性好–光电二极管、光电倍增管–光敏电阻、光电池•无源器件：–光纤分路器、耦合器–自聚焦透镜光纤传感器的分类•功能型光纤传感器–光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件–更高的灵敏度–调整困难•非功能型光纤传感器–光纤仅起传光作用–灵敏度、测量精度较低–有一种传感探针型光纤传感器光纤传感器的基本结构被测对象被测对象敏感元件被测对象敏感元件被测对象光纤传感器§11.2功能型光纤传感器•相位调制型•光强调制型•偏振光调制型•频率（波长）调制型一、相位调制型光纤传感器1、相位调制的原理Ln12•L：光纤长度•n1：纤芯折射率•λ：光波波长几种物理效应•光纤长度变化——应变效应•光纤芯折射率变化——光弹效应•光纤芯直径变化——泊松效应)(211nLLn)(211nnLL•△Φ：光波相位角的变化量•△L：光纤长度变化量•△n1：纤芯折射率变化量•εL：光纤轴向应变2、干涉检测原理•光的频率很高（1014Hz),光电探测器不能响应如此高的频率•干涉测量技术将相位调制转换为振幅调制•四种干涉仪的形式：–马赫-泽德干涉仪–迈克尔逊干涉仪–塞格纳克干涉仪–法布里-泊罗干涉仪相位解调两束相干光同时照射在一光电探测器上，合成光场为：))(sin(sin)(21ttEtEtE探测器响应平均功率，对高频无法响应))(cos)(21()(212221tEEEEti将相位变化转化为光强变化时当EEE2121))(cos1()(tIti4/2EI3、实例与应用⑴光纤压力和温度传感器激光器扩束器分束器参考光纤测量光纤温度（压力）⑵光纤加速度传感器m光纤1壳体质量块光纤2maTSF2•S:光纤截面积•△T：每根光纤上张应力的变化量•E：光纤材料的弹性模量•m：质量块质量•a:加速度•εL：光纤轴向应变ESmaETL2LLn12214dEmaLn频响特性与输出频率（Hz)灵敏度加速度（μg)输出（mv)⑶光纤磁场传感器•基于法拉第效应•基于磁致伸缩效应–某些材料在变化的磁场中尺寸发生变化–磁致伸缩效应使得光纤得长度、折射率发生变化，从而引起光的相移–常见磁致伸缩材料：Fe,Ni,Co;Fe-Ni,Fe-Co三种基本结构形式二、光强调制型光纤传感器1、光纤微弯位移和压力传感器波形板光源探测器变形器光路光纤微弯水声探测器特点：•光保持在光纤内部•采用多模光纤•结构简单•性能稳定2、临界角光纤压力传感器纤芯n1包层n2包层n2光源光电探测器信号处理光纤外力N透射光强光纤液位传感器101sinnnco11sinnnc液液液cc0n液n1探测器光源n液n1三棱镜光纤三、偏振态调制型•法拉弟旋转效应（磁光效应）：某些介质中传播的线偏振光受到沿光传播方向的磁场作用时，线偏振光的偏振面发生旋转的现象。E介质EH光路激光器I1I1-I2I1+I2I2起偏器检偏器输电线IVHLrIH2VLrI2•V:费尔德常数θ:偏转角•H：导线距离为r处的磁场强度•L：光纤长度I：导线电流强度)45sin(02211AAI)45sin(02222AAI22sin2121IIIIp特点•测量范围大•灵敏度高•安全、绝缘•采用保偏光纤11.3非功能型光纤传感器•光纤相对位置改变•遮断光路•吸收光能量一、传输光强调制型1、改变光纤相对位置⑴受抑全内反射光纤压力传感器xθ90-θ输入光纤(n)输出光纤(n)光纤间隙（m)相对透射光强00.4760520输出光纤膜片弹簧片输入光纤支架⑵光纤加速度传感器输出光纤输入光支架悬臂光纤质量块阻尼油⑶遮断光路的光强调制型光纤传感器光栅式光纤水声传感器纤芯包层输入光输出光可动栅固定栅相对位移（m)相对光强0151.0输出光纤输入光纤光栅膜片⑷具有双金属片的光纤温度传感器•双金属片：由两种不同热膨胀系数的金属片粘合在一起组成。lxhbhTKlx2•△T:温度变化•l：双金属片长度•K：常数光纤束光纤束双金属片遮光板温度050光透射率波长μm相对光强透射率利用半导体光吸收的光纤温度传感器温度K禁带宽度06002.4GaPGaAsSiInPT1T2T3光源放大器温度敏感元件光纤半导体吸收片光纤接头光纤二、反射光强调制型光纤传感器1、光纤位移传感器发送光纤束接受光纤束被测物端面光纤分布随机分布对半分布同轴分布同轴分布位移X反射光强x发送光纤束接受光纤束反射面2、光纤动态压力传感器发送光纤束接受光纤束补偿光纤束膜片传感头X（m)反射光强三、传感探针型光纤传感器151)1(),(2TCeCTE•E:黑体光谱辐射亮度•C1：第一辐射常数•C2：第二辐射常数•λ：辐射波长普朗克公式：151)1(),(2TCeCTE一般物体的辐射公式：•E:黑体光谱辐射亮度•C1：第一辐射常数•C2：第二辐射常数•λ：辐射波长•ε：物体光谱发射率组成框图探测器前置放大恒温控制ε校正线性化峰值/瞬时值V/IA/D数字显示探头双波长辐射温度传感器探测器放大器探测器放大器单片机滤色片探头)11(5212121122)(TCeEER)11()ln(5lnln1212121TCR)11(ln121TCR四、频率调制型光纤传感器光学多普勒效应V光源探测器粒子e0es200011cevcevff)1(00cevff)1(cevffss))(1(00ceevffss)(100eevfffss参考光模式激光器频移装置血流探测器信号处理f0f1f0-f1f0±△ff0-f1f1+△f双光束双散射模式yvfsin2探测体V探测功能型全光纤激光多普勒测速仪光源耦合器光纤偏振控制器光纤声光频移器光纤偏振控制器智能材料/结构中的光纤传感器埋入式光纤应变传感器光源耦合器传感光纤参考光纤探测器处理单元耦合器光纤复合材料强度自诊断结构激光二极管埋入光纤传感器损伤指示本章要点•光纤传感器的特点•光纤传感器的分类•光纤传感器的应用