第4章 光纤传感器

第4章光纤传感器定义：光纤传感器是利用被测量对光纤内传输的光进行某种形式的调制，使传输光的强度、相位、频率或偏振状态等特性发生改变，再对被调制过的光信号进行检测，从而测定被测量的一种新型传感器。比较：以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器信号处理电源信号接收敏感元件（a）传统传感器导线第4章光纤传感器第4章光纤传感器第4章光纤传感器光纤传感器具有如下优点:(1)与其他传感器相比,它具有很高的灵敏度。(2)频带宽，动态范围大。(3)几何形状具有多方面的适应性，可根据实际需要做成各种形状。(4)可以用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器,这些物理量包括声场、磁场、压力、温度、加速度、转动(陀螺)、位移、液位、流量、电流、辐射等等。(5)便于与计算机和光纤传输系统相连,易于实现系统的遥测和控制。(6)可用于高温、高压、电气噪声、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。(7)结构简单、体积小、重量轻、耗能少。第4章光纤传感器4.1光导纤维(光纤)4.2强度型(振幅型)光纤传感器4.3干涉型光纤传感器光纤传感器的其他应用复习题第4章光纤传感器第4章光纤传感器光导纤维简称光纤，它是以特别的工艺拉成的细丝。光纤透明、纤细，虽比头发丝还细，却具有能把光封闭在其中，并沿轴向进行传播的特征。4.1光导纤维(光纤)4.1.1光纤的结构中心圆柱体,称为纤芯,由某种类型的玻璃或塑料制成。环绕纤芯的是一层圆柱形套层,称为包层,由特性与纤芯略有不同的玻璃或塑料制成。纤芯的折射率略大于包层的折射率。最外面通常由一层护套包覆。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的光学性能,而纤芯的强度则由护套来维持。护套通常由塑料制成。第4章光纤传感器4.1.2光在光纤中的传播光的全内反射是光纤传输光的物理基础。当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射（a）折射角大于入射角：（b）临界状态：（c）全反射：rinnsinsin21)/arcsin(120nni0ii第4章光纤传感器为了看清光的全反射，我们取一根无色有机玻璃圆棒，加热后弯曲成约90°圆弧形，将其一头朝向地板，用手电筒照射有机玻璃棒的上端，我们可以看到，光线顺着弯曲的有机玻璃棒传导，从棒的下端射出，在地板上出现一个圆光斑，这就是光的全反射实验。第4章光纤传感器（1）光的全反射条件真空中或单一物质中光沿直线传播。设上图示圆柱形光纤的两个端面均是光滑的平面，当光以入射角θ从空气中入射到光纤。再以φ由纤芯到包层表面并在纤芯包层的界面上发生折射时，由光的折射斯奈尔定律：第4章光纤传感器1221()sin()sin()90,innnn光线从芯子向包层传播的入射角光线在包层内折射角当逐渐增大到时光线在纤芯与包层界面发生全反射第4章光纤传感器122121()()sin()sin90()sinarcsin()CCCCiinnnnnn设此时临界角光线从芯子向包层传播的入射角光线在包层内折射角临界角可见所有入射角大于ΦC的光线都可以在光纤芯与包层界面上发生全反射，并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，以锯齿形的路线在纤芯中传播。在理想情况下,将无损耗地通过光纤纤芯传输,直到它到达光纤的另一个端面为止。第4章光纤传感器1.数值孔径NA：定义为:光从空气入射到光纤输入端面时,处在某一角锥内的光线一旦进入光纤,就将被截留在纤芯中,此光锥半角(θ)的正弦称为数值孔径。光由空气射入光纤端面，与轴成θ角。'011211sinsinsin(90)cos1sinnnnnn2222111122122012coscos11,arcsinCCnnnnnnnnnn当空气中4.1.3光纤的几个重要参数第4章光纤传感器即可实现全反射，光在纤芯内全反射（无损耗）传输。2212sin,(0.20.4)sinCNANANAnn反映光纤的聚焦本领称为数值孔径可见：凡是从空气中以入射角大于θc入射的光线进入光纤，在光纤纤芯与包层界面上不会发生全反射，经折射进入包层；凡是在顶角2θc的圆锥形立体角入射的光线进入纤芯后，全部在纤芯与包层界面上发生全反射。第4章光纤传感器数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大,只有2θ张角之内的光功率被光纤接受传播。NA越大，θ越大，一般希望NA越大越好，这有利于耦合效率的提高。但数值孔径大,θ越大，光线在传输的过程中反射的次数越多，光子轴向的视在光速就越慢。虽然以不同角度入射芯子的许多光线都能传播到另一端，但经光纤传输到出射口的波形输出与入射口的波形大不相同。光信号将产生大的“模色散”,入射光能分布在许多个模式中,各模式的速度不同,导致各个能量分量到达光纤远端的时间不同,θ越大，离散越大，光信号畸变越严重，所以应该适当选择θ。典型的光纤θ≈10°。第4章光纤传感器2.传播模式光纤传输光波，可分解为沿纵向和横向传输两种平面波成分。横向波在纤芯和包层界面上产生全反射。当它在横向往返依次的相位变化为2π的整数倍时，形成驻波。形成驻波的光线组称为模。模是离散存在的。一定材质一定尺寸的光纤只能传输特定模数的光波。每一个允许传播的波称为模式。每个波具有不同的离散的振幅和速度。第4章光纤传感器在阶跃型折射光纤中常采用“V值”表述光在阶跃型折射率光纤中的传播特性。V值是一个能用来表示或计算阶跃折射率光纤的传播模式数量的参数,可用数学式表示为式中,a为纤芯半径,λ0为入射光在真空中的波长(真空中的光波长近似等于光在空气中的波长)。光纤V值越大,则光纤所能拥有的,即允许传输的模式(不同的离散波)数越多。当V值低于2.404时,只允许一个波或模式在光纤中传输。即圆柱波导的“单模条件”是1222120022()()aaVnnNA12221202()2.404ann2224NN光纤传输模的总数为（阶跃型）（梯度型）第4章光纤传感器在光导纤维中传播模式很多对信息传输是不利的。因为同一光信号采取很多模式传播,就会使这一光信号分为不同时间到达接收端的多个小信号,从而导致合成信号的畸变。在信息传输中一般希望模式数量越少越好。希望V小,纤芯直径d=2a不能太大,一般为几个微米,不能超过几十微米。另外,n1与n2之差很小(例如,一般纤芯折射率n1可能是1.46,而包层折射率n2可能是1.44)。一般要求n2与n1之差不大于1.4%~6.2%。第4章光纤传感器3.传播损耗光在光纤的传播过程中由于材料的吸收、散射和弯曲处的辐射损耗等的影响,不可避免地要有损耗。通常用衰减率A表示传播损耗。1010lg(/)IIAdBkml式中,l为光纤长度,I0为输入端光强,I1为输出端光强。第4章光纤传感器图4.4中,表示出以给定尺寸的半径弯曲所引起的弯曲损耗机理的光线图。假定在光纤的平直部分有一根光线正向右传播,在界面上的掠射角θ小于临界角θc,但在弯曲部分,光线则可能以大于θc的角度θ′和纤芯-包层界面相交,这样光线将部分地由纤芯传播出去并进入包层中。弯曲损耗通常是不希望有的,也是有害的,但在光纤传感器中则可利用弯曲（在光纤传感器中称为微弯）损耗来作为换能机理。′′′＞c＜c图4.4给定尺寸的弯曲半径损耗光线图第4章光纤传感器4.1.4光纤的类型1.按折射率变化类型分类阶跃折射率光纤:图4.5(a)表示阶跃折射率光纤的折射率从纤芯中央到包层外侧随距离而变化的曲线。在纤芯内折射率不随半径变化而变化,有一恒定值n1。在纤芯-包层界面折射率突然从n1减小到n2,而在整个包层中折射率保持恒定。渐变折射率光纤:图4.5(b)表示渐变折射率光纤的折射率从纤芯中央到包层外侧随距离的分布。这种类型光纤的折射率从纤芯中央开始向外随径向距离增加而逐渐减小,通常呈抛物线型变化，而在包层中折射率保持不变。n(r)n2n1(a)阶跃折射率光纤折射率分布n(r)rr渐变折射率光纤纤芯包层(b)图4.5光纤的折射率分布图第4章光纤传感器图4.6(a)、(c)示出了能够在阶跃光纤纤芯中传播并具有最小光功率损耗的典型光线。图(b)示出了在渐变型折射率光纤中传播的子午光线。因为从纤芯中心到纤芯-包层界面折射率连续不断地变化,所以这种光线在通过光纤中心轴的平面内沿曲线传播而不沿直线传播,并连续不断地发生反复弯曲。渐变型折射率光纤中还存在一种螺旋光线,它沿着与光纤的中心轴线不相交的螺旋路径传播,如图(d)所示。(在阶跃型光纤中存在与此类似的光线,称为扭转光线。)中心光线通过中心的子午光线通过中心的子午光线通过中心的螺旋光线(a)(b)(c)(d)图4.6在光纤纤芯中传播的典型光线图第4章光纤传感器2.按传播模式的多少分类单模光纤:通常是指阶跃型光纤中的纤芯尺寸很小(通常仅几微米)、光纤传播的模式很少、原则上只能传送一种模式的光纤(通常是芯径很小的低损耗光纤)。芯径小到6µm，折射率差小到0.5%。N=1，光纤只能传输一定波长光，即只能传递一种模式的光。优点：传输性能好，频带宽，线性灵敏度动态范围都很好。缺点：芯太小，制造连接和耦合都很困难。这种光纤常用于干涉型传感器。多模光纤:通常是指阶跃光纤中纤芯尺寸较大(大部分为几十微米)、折射率差大（NA大），N大。即传播模式很多的光纤。优点：纤芯截面积大，易制造，连接耦合较容易。缺点：性能较差，频带窄这种光纤常用于强度型传感器。第4章光纤传感器3.按用途分类普通光纤:是指用于光纤通信的单模和多模光纤。非通信光纤:是指特殊用途的非通信光纤。如低双折射率光纤、高双折射率光纤、涂层光纤、激光光纤和红外光纤等。此外,还有以制作材料和制作方法分类的,此处不再赘述。第4章光纤传感器4.2强度调制型光纤传感器定义：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。应用：压力、振动、位移、气体优点:结构简单、容易实现、成本低。缺点:易受光源波动和连接器损耗变化等的影响第4章光纤传感器4.2.1反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器结构简单、设计灵活、性能稳定、造价低廉、能适应恶劣环境,在实际工作中得到了广泛应用。反射式光纤位移传感器结构示意图如图4.7(a)所示。由光源发出的光经发射光纤束传输入射到被测目标表面,目标表面的反射光由与发射光纤束扎在一起的接收光纤束传输至光敏元件。根据被测目标表面光反射至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。第4章光纤传感器其工作原理如图4.7(b)所示:由于光纤有一定的数值孔径,当光纤探头端部紧贴被测件时,发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去,接收光纤中无光信号;当被测表面逐渐远离光纤探头时,发射光纤照亮被测表面的面积越来越大,于是相应的发射光锥和接收光锥重合面积B1越来越大,因而接收光纤端面上被照亮的B2区也越来越大,有一个线性增长的输出信号;图4.7光纤位移传感器的结构和工作原理第4章光纤传感器当整个接收光纤被全部照亮时,输出信号就达到了位移-输出信号曲线上的“光峰点”,光峰点以前的这段曲线叫前坡区;当被测表面继续远离时,由于被反射光照亮的B2面积大于C,即有部分反射光没有反射进接收光纤,还由于接收光纤更加远离被测表面,接收到的光强逐渐减小,光敏输出器的输出信号逐渐减弱,进入曲线的后坡区,如图4.8所示。输出位移光峰坡前后坡O图4.8位移-输出信号曲线第4章光纤传感器在位移-输出曲线的前坡区,输出信号的强度增加得非常快