光纤传感器讲简版

第8章光纤传感器2光钎光纤传感器的应用一、光偏振态调制型光纤电流传感器二、荧光-光纤传感器传感器原理64偏振光（Polarizedlight）-光的偏振性偏振是指波的振动方向相对于波的传播方向的一种空间取向作用。光波的电磁振动相对于转播方向具有不对称性的光称为偏振光。光波是电磁波麦克斯韦从理论上证明了光波的电矢量E和磁矢量H都垂直于光波的传播方向，即光是横波。光在与传播方向垂直的二维空间里电矢量E有各种各样的振动状态，这些状态称为光的偏振状态。常见的偏振状态有5种：自然光平面偏振光部分偏振光圆偏振光椭圆偏振光偏振面：偏振光的振动方向与传播方向组成的面一、光偏振态调制型光纤电流传感器光波是原子或分子内部能量状态发生改变时辐射出来的电磁波。原子自发辐射具有独立性、间歇性和随机性，原子发光的特点：发光的持续时间一般为10-8秒左右，只有在该时间内发出的光波是电矢量E和磁矢量H具有确定振动方向的平面偏振光发光是间歇式的，在停止发光后，经历一段时间间隔，它又能重新发光，但每次发出的平面偏振光的电矢量E和磁矢量H具有不同的振动方向。光源是由大量发光的原子和分子组成的，它们在同一时间发出的光波各自具有不同的初位相和不同的振动方向，它们的振动方向可分布在一切可能的方位。yzx由于自然光中各个方向的振动对称分布，它们沿任何方向的分量产生的透射强度相同，等于入射光强度的一半。分量表示自然光（naturallight）定义：光的电矢量E在与光线垂直的平面内，电矢量振动各个方向机会均等，振幅相等。电振动对传播方向具有对称性的光波。xixAayiyAa02xyIII从光源发出的光是具有与传播方向相互垂直的一切可能的振动，这些振动方向同时存在，而且在迅速地、无规则地改变着，它们的总和，从统计学角度看，以光的传播方向为对称轴，这种光称为自然光。平面偏振光（线偏振光）（Planepolarizedlight）定义：光在传播过程中，若其电矢量E的振动始终保持在一个确定的平面内，这样的光称为平面偏振光。由于平面偏振光的电矢量E在与传播方向垂直的平面上的投影为一直线，故又称为直线偏振光。平面偏振光的获得方法：自然光通过起偏器用检偏器检验平面偏振光时，检偏器透光方向每旋转90°，透射光的强度出现一次极大和一次极小（产生消光）。这表明，当检偏器的透振方向与平面偏振光的振动方向平行时，透射光的强度是极大值；当检偏器的透振方向与平面偏振光的振动方向垂直时，透射光的强度为零。yxz与光传播方向垂直的平面光偏振态调制型光纤电流传感器工作原理典型应用的例是根据磁旋效应做成的用于测量高压传输线路或大电流线路中电流的光纤电流传感器。计算机输出IV1IV2沃拉斯特棱镜磁场激光器输电导体光纤电流传感器工作原理图偏振方向偏振方向起偏器光纤外界因素使光纤中的光发生偏振态变化，并能加以检测的光纤传感器属于光偏振态调制型。从激光器发出的光通过起偏器产生偏振光，偏振光进入单模光纤中，单模光纤绕大电流I导体N圈，在电流产生的磁场作用下，处在磁场（磁场强度为H）中的光纤会使其中传播的光发生偏振面的旋转，VKNHdl式中:KV光纤材料的磁光常数H磁场强度N光纤的圈数l光路长度根据安培环路定律IHdl安培环路定律：磁感应场强度矢量沿任意闭合路径一周的线积分等于真空磁导率乘以穿过闭合路径所包围面积的电流代数和即：∮Hdl=μ∑I计算机输出IV1IV2沃拉斯特棱镜磁场激光器输电导体光纤电流传感器工作原理图偏振方向偏振方向起偏器光纤其旋转的角度θ与磁场H沿N圈光纤的线积分成正比，即工作原理VKNHdl式中:KV光纤材料的磁光常数H磁场强度N光纤的圈数l光路长度根据安培环路定律HdlI因此VKNI可见当N确定后，偏振面的旋转角度θ只与导体中的电流I成正比，而与光纤绕圈的大小、形状无关、导体在光纤圈中的位置无关。计算机输出IV1IV2沃拉斯特棱镜磁场激光器输电导体光纤电流传感器工作原理图偏振方向偏振方向起偏器光纤经过光纤输出的偏振面旋转光，经沃拉斯特棱镜将光束分成振动方向互相垂直的两束偏振光，将它们分别送入两个光电接收器，接收光信号的强度分别为IV1、IV2，将IV1、IV2之差和它们的和进行标准化，得到一个与偏振面的旋转角度θ成正比的参数1212VVVVIIPKII式中:K与光纤本身特性有关的参数根据上两式可求出流过导线的电流I，由于进行了标准化处理，测量结果不受绝对光强、激光漂移、光纤衰减的影响。计算机输出IV1IV2沃拉斯特棱镜磁场激光器输电导体光纤电流传感器工作原理图偏振方向偏振方向起偏器光纤如果采用硅光纤，则其材料的磁光常数KV=3.3×10-4（°）/（安.匝）沃拉斯特棱镜有0.1°的分辨力则传感器的分辨力为300安/匝可测最大电流达10kA可见这种测量方法量程大、灵敏度高，且无接触测量计算机输出IV1IV2沃拉斯特棱镜磁场激光器输电导体光纤电流传感器工作原理图偏振方向偏振方向起偏器光纤用光纤测量电流（东京电力展示试制测量仪）东京电力与横川电机联合开发成功了使用光纤的电流测量仪（光纤电流传感器），并在“TECHNO-FRONTIER2005”（2005年日本电子工业博览会，2005年4月20～22日，东京幕张Messe国际会展中心）上展出了试制品。所谓的法拉第效应就是通过磁场中的透明物质的光的偏振面发生旋转的现象（偏振旋转）。旋转角与磁场强度成正比、磁场强度与电流成正比。因此，测出通过磁场的光的偏振面的旋转角，就可以计算出电流强度。比如，测量线圈的电流时，只需在线圈内部穿过一条光纤即可。利用的是强磁场可使光的偏振面发生旋转的法拉第效应。其优点：体积小、便于在现有设备中安装、抗电磁噪音能力强以及可实现长距离信号传输等等。法拉第旋转器（Faradayrotator）又称磁光旋转器基于法拉第效应使线偏振（平面偏振）光振动面旋转的一种光学仪器。结构通常用含铅量很大的燧石玻璃作法拉第介质，外面绕以能产生轴向磁场的电流线圈。磁光旋转器结构原理图光燧石玻璃燧石玻璃θ初始偏振通过旋转器后偏振线圈磁场法拉第旋转器（Faradayrotator）在介质中，沿场强方向传播的线偏振光的振动面转过的角度θ与光路长度l及磁感应强度B成正比（θ∝lB），比例系数称为费尔德常数。法拉第旋转器具有累加作用，旋转方向只取决于磁感应强度的方向，与入射光的传播方向无关，故旋转角度和通过器件的次数成正比。大多数介质使光波振动面沿磁体线圈缠绕方向旋转，称为正旋体。光磁光旋转器结构原理图θ初始偏振通过旋转器后偏振线圈燧石玻璃燧石玻璃磁场原理一是光纤承受的应力会造成偏振旋转（光弹性效应）。这样一来，测量到的偏转角中，就很难确定到底有多大程度是因为法拉第效应或者光弹性效应。对于这个问题，通过将光纤材料由普通的石英玻璃改为铅玻璃得到了解决。铅玻璃的光弹性系数相当小，只有0.45×10-9cm2/kg，大约仅为石英玻璃（350×10-9cm2/kg）的1/770。这样，就将光弹性效应引起的偏振旋转降低到了实用水平。后一个问题，通过将偏振角的测量由透过型改为反射型得到了解决。在光纤的末端装上镜子，以此来测量反射光。由于曲线形状引起的偏振旋转是曲率的线积分，所以在反射的情形下，去路的旋转部分就会被回来路所抵消。由于法拉第效应引起的偏振旋转只有在光线通过磁场方向时才产生，因此在反射型中没有变化。再一个就是光纤本身的三维曲线形状（曲率变化）也会导致偏振旋转的发生。即光纤在某个位置的曲率的线积分值会成为旋转角。光纤电流传感器的实用化方面，存在两大课题从传输用的光纤射入测量用光纤中的光通过镜子反射、再次回到传输用的光纤中光纤穿过线圈。所需空间不大。如图，穿过2根光纤时，偏振旋转也增至2倍，这样就可以测出相当于原来2倍的测量值测量线圈的电流（320A）结果显示在红色圈内部分二、荧光-光纤传感器某些荧光物质在紫外光激励作用下，其原子产生能级跃迁，处于受激状态；受激状态原子不稳定，会产生自发地跃迁到能级较低的状态，当受激原子恢复到初始状态时，发出可见光（荧光）。其强度与入射光子的能量成正比。这一现象称为光致发光效应。利用这一原理可制成荧光光纤温度传感器荧光光纤液位传感器1、荧光光纤温度传感器荧光物质在紫外光激励下能发出可见光，其发射光谱与温度有关。某些波长的荧光光强对温度有明显的依存关系，某些波长的荧光光强不受温度变化的影响。通过检测特定波长荧光强度，可测出温度的变化。光纤掺有荧光物质的玻璃球光纤包层荧光光纤温度传感器结构图图为利用上述原理制成的荧光光纤温度传感器的结构图。光纤探头的端部装有荧光物质（镉Cd0.99铕Eu0.01）2O2S，紫外光由光纤导向荧光物质，受激发射的荧光（可见光）也由该光纤导出。激励光源的光谱激发光源的光谱激励光源的光谱激发光源的光谱因此，若用干涉滤光片分别检测出这两条谱线的荧光强度，取其比值（曲线c）作为输出，则可以有效地消除激励光源强度不稳定及光纤耦合、传输损耗变化等因素的影响。传感器中使用的光纤应具有较大的紫外光透过率，最好使用紫外光纤。下图为磷光物质受激发射光谱。曲线b-波长510nm的谱线强度随着温度的升高而急剧下降曲线a-波长630nm的谱线强度几乎不受温度变化的影响荧光谱线强度与温度的关系曲线波长510nm波长630nm荧光光纤温度传感器原理从光源L发出紫外光，经滤光镜F1（或多个分色镜）除去激励光中的可见光。经透镜L2聚集射入光纤，再经过光纤投射到荧光物质P（感温元件）上，荧光物质发出荧光。LP感温元件光纤光脉冲电源L1透镜L2透镜F1滤光镜光源S分光镜放大处理电路L3透镜F2滤光镜Φ光电探测器计算机荧光光纤温度传感器原理图从光纤返回的荧光（荧光的强度与被测的温度有关），经透镜L2变成平行光，再经过分光镜S（半透明半反光镜）照射到滤光镜F2上，通过滤光镜F2分出荧光光束中特定波长的谱线该普线光的强度与被测的温度有关例如：滤出630nm、510nm的光。荧光光纤温度传感器原理该特定波长的光通过透镜L3聚集到固体光探测器φ上。由光探测器把光强转换成电信号，电信号经放大处理电路后，送入计算机进行计算处理，得到被测温度值。LP感温元件光纤光脉冲电源L1透镜L2透镜F1滤光镜光源S分光镜放大处理电路L3透镜F2滤光镜Φ光电探测器计算机荧光光纤温度传感器原理图结束