06光纤传感器

光纤传感器上一页下一页返回教学目标：熟悉了解光导纤维传光基本原理，光纤的结构形式及其相关参数。掌握光纤传感器结构原理分类，组成单元中光纤的作用以及相关的应用。光纤传感器光纤传感优点：灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可桡性、可实现不带电的全光型探头；频带宽动态范围大；可构成传感不同物理量的传感器；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可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境；结构简单、体积小、重量轻、耗能少应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。上一页下一页返回光纤传感器始于1977年，经过几十年，目前已进入研究与应用并重阶段。第6章光纤传感器6.1光纤的传光原理与特性6.2传输光的调制技术6.3强度调制光纤传感器6.4相位调制光纤传感器上一页下一页返回6.1光纤的传光原理与特性6.1.1光纤的结构6.1.2光纤的分类6.1.3光纤的传光原理6.1.4光纤的传光特性上一页下一页返回6.1.1光纤的结构上一页下一页返回光导纤维简称光纤，它是用直径为微米级的石英级的石英玻璃制成的。每根光纤由一个圆柱形的内芯和包层组成，内芯的折射率略大于包层的折射率。上一页下一页返回多层介质结构：1.纤芯：石英玻璃，直径5－75um，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素2.包层：直径100－200um，折射率略低于纤芯3.涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光4.护套：尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤6.1.2光纤的分类上一页下一页返回1.按折射率变化类型分类按纤芯到包层折射率变化：阶跃折射率光纤：纤芯与包层之间的折射率是突变的，纤芯折射率保持不变。渐变折射率光纤：在横截面中心处折射率最大，由中心向外折射率逐渐变小，到内芯边界处变为包层折射率。通常折射率变化为抛物线形式，又称为梯度型。上一页下一页返回2.按传播模式种类来分单模光纤多模光纤纤芯直径小只能传送一种模式传输性能好制造、连接、耦合困难纤芯直径较大传播模式较多性能较差，带宽较窄制造容易，耦合容易传播模式也叫传输模式，即光沿着光纤传播的途径和方式。上一页下一页返回3.按材料分类高纯度石英玻璃纤维：光损耗比较小多组分玻璃光纤：用常规玻璃制成，损耗也很低塑料光纤：用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但重量轻，成本低，柔软性好上一页下一页返回结论：传导模：在纤芯中传输的光辐射模：进入包层的光要求：进入光纤中的光要能在纤芯中传输，而不要溢出纤芯。即：传导模尽可能大，辐射模尽可能小，从而获得最小的传输损耗。利用石英玻璃等高透射率电介质材料制作的光纤，是可见光至近红外光最理想的传输媒体。6.1.3光纤的传光原理1.光的折射与反射rinnsinsin21上一页下一页返回光由光密介质入射到光疏介质时发生折射，如图(a)，其折射角大于入射角，即n1n2时，θr＞θi。n1、n2、θr、θi间的数学关系为：根据光学原理我们知道，光在空间是直线传播的。而在光纤中，光的传输却能限制在光纤之中，并随着光纤的弯曲而走弯曲的路线，能够传递到很远的距离，如同导线中电流能在导线上传输一样的性能。)/arcsin(120nni上一页下一页返回当θr=90º时，θi仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态。临界角θi0为：上一页下一页返回当θi＞θi0并继续增大时，θr＞90º，这时便发生全反射现象，如图(c)，其出射光不再折射而全部反射回来。2.光在光纤中的传输上一页下一页返回能在光纤中传输的光线满足全反射条件的光线，Φ大于其临界入射角Φm时，进入纤芯的光就可以全反射的方式沿纤芯的釉向传的。θi↑→θc↑→Φ↓，为确保ΦΦm，必须θiθim。这种以全反射方式在纤芯中传输的光线主要有子午光线和斜光线，子午光线是指与纤芯轴线相交的反射线，包含子午光线的平面叫子午面，圆柱体光纤中包含纤芯轴线的平面都是子午面。斜光线上一页下一页返回在阶跃光纤中传输的光线，能满足全反射条件的除了子午光线之外，还有一种斜光线。斜光线在纤芯中传的时并不保持在同一平面内，且不与纤芯轴线相交。光线由x点入射至纤芯后，在纤芯内是以同折射角的斜线XY—YZ传输的，斜光线XYZ在纤芯横截面上的投影折线XMN…组成一个内接正多边形。斜光线传输到界面处都要产生全反射，每次反射后形成的轴向角相等，相应地投影折线角β保持不变。梯度光纤的光传输上一页下一页返回梯度光纤中满足全反射的光线也有子午光线和斜光线。所有满足全反射的子午光线，都按相同空间周期的正弦曲线传输。不同入射角θi的光线，其正弦曲线的振幅Rm不同；但各种入射角的子午光线都能定期地自动会聚到一点，因而梯度光纤又称之为自聚焦光纤。Rm随θi减小，在纤芯轴线处入射且入射角为0的光线将沿纤芯轴线传输，其振幅为0。6.1.4光纤的传光特性1.数值孔径（NA）2.传播损耗3.色散上一页下一页返回上一页下一页返回1.数值孔径（NA）反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2θi张角之内的光功率能被光纤接受传播。如入射角过大，光线便从包层逸出而产生漏光。光纤的NA越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率；但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.2~0.4。2221sinnnNAi上一页下一页返回数值孔径（NA）定义为2.传播损耗上一页下一页返回α为损耗率，表示光由光纤的一端传递到另一端时产生损耗的速率，通常用每km引起光功率损耗的分贝数表示：(dB/km)式中α－光线损耗L－光纤长度Pi、Po－分别为光纤输入输出功率由于光纤纤芯材料吸收、散射、以及光纤弯曲处的辐射损耗影响，光信号在光纤中的传输不可避免的要发生损耗（如同电流在导线中传输）。如图所示，假设从纤芯左端输入一个光脉冲，峰值强度为Po，通过光纤时，其强度通常按指数下降，即光纤中任一点处光强P为：loeII光纤传播损耗分类上一页下一页返回吸收损耗：与组成光纤的材料的电子受激跃迁和分子共振有关。散射损耗：由于材料密度的微观变化，成分起伏，以及在制造光纤过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起的。辐射损耗：当光纤受到具有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射损耗。大部分光纤传感器所用光纤一般不足4m，短者只有数毫米，因此传感器用光纤，尤其是敏感元件用特殊光纤可放宽传输损耗要求，一般传输损耗10dB/Km的光纤均可采用，可降低成本。3.色散上一页下一页返回复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。材料色散：材料的折射率随光波长度的变化而变化，使光信号中各波长分量的光的传播速度不同而引起的色散。波导色散：由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数随着信号角频率变化而引起色散。多模色散：在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同、群速度不同而产生的色散。6.2传输光的调制技术传输光的调制是指将被测量加载于光波之上，对传输光的某些性能参数产生影响，这一技术是光纤传感器的物理基础和关键技术。上一页下一页返回上一页下一页返回根据光受被测对象的调制形式(a)强度调制(b)偏振调制(c)相位调制(d)频率调制上一页下一页返回6.2传输光的调制技术6.2.1光纤传感器结构原理6.2.2光强度调制6.2.3光相位调制6.2.4偏振调制6.2.5频率调制上一页下一页返回上一页下一页返回6.2.1光纤传感器结构原理把被测量的状态转变为可测的光信号的装置上一页下一页返回光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。光发送器：光源，一般为发光二极管或钨丝灯泡等。敏感元件：可以是光纤，也可以是非光纤。光受信器：某种光电器件。光纤传感器光学测量的基本原理光就是一种电磁波光的电矢量E)sin(tBE被测量调制：光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制上一页下一页返回电磁波的物理作用及生物化学作用主要是由其中电场而引起，讨论光的敏感测量时，考虑光的电矢量E的振动。B：电场E的振幅；ω：光波的振动频率φ：光相位；t：光的传播时间光纤在传感器中的作用功能型非功能型拾光型上一页下一页返回(a)功能型（全光纤型）光纤传感器光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。即利用外界物理因素改变光纤中的光强度、相位、振幅和波长（频率），从而对外界物理量进行检测和数据传输。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。上一页下一页返回(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。即利用其它敏感元件感受被测物理量，而后用光纤进行信息传输。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。上一页下一页返回(c)拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。典型例子：光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器上一页下一页返回6.2.2.光强度调制上一页下一页返回内调制：发生在光纤内部，是通过光纤本身特性改变来实现光强度的调制；即光纤既是光的传导媒质，又是光的敏感元件，内调制光纤传感器称之为功能型光纤传感器外调制：调制过程发生在光纤之外的环节，此时光纤只作传光媒质，外调制光纤传感器又称为非功能型光纤传感器或传光型光纤传感器。调制方式：微弯调制反射调制透射调制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，导致光强度变化来实现检测的传感器。1.微弯调制上一页下一页返回当光纤发生弯曲时，将引起界面入射角Φ发生变化，若当Φ＜Φm时，入射到界面的光将发生折射而形成辐射模，引起纤芯中传导模强度减小。当光纤受微弯板作用产生弯曲时，使原沿纤芯轴线传输的传导模中的一部分泄漏到包层中，成为辐射棋，使纤芯中的传导模减少。作用力越大，光纤微弯程度增加，纤芯的传导模损耗越大，从而实现对传导光波强度的调制。2.透射调制上一页下一页返回在发射光纤和接受光纤之间插入被测对象，当发射光强度一定时，被测对象的变化将引起接收光强度的变化，因而被测对象起到了光强度透射调制的作用。被测对象一般为光吸收物质，被测对象的规律变化，将引起接收光强度的规律变化。通过遮光盘的上下移动来调制透射到接收光纤中的光强度。3.反射调制上一页下一页返回接收光纤接收到的光强度，将直接受被测物端面对光的反射特性调制。通常被测物表面涂有反光物而形成反光面，当发射光强度一定时，接收光强度的大小将由反光面到光纤端面的距离x来调制。强度调制总结利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。应用：压力、振动、位移优点: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上一页下一页返回6.2.3.光相位调制上一页下一页返回光波的相位调制可以获得很高的灵敏度，因而在光纤传感器中应用十分广泛。这种传感器是利用被测对于光纤中传输光的相位产生影响而实现测量的传感器。被测物对敏感元件作用，使其折射率或传播常数发生变化，导致光的相位变化。但光电探测器不能直接测量光波的相位变化，目前采用干涉技术将相位变化转换为强度变化，通过对强度的检测实现对光波相位的测量。光波的相位由光波长λo(真空)、介质折射率n及介质长度L决定。当光纤受到被测对象的作用而引起结构尺才的变化和内应力的变化时，将导致纤芯的折射率n或光纤的长度L发生变化，从而实现光波的相位调制。1.相位调制机理上一页下一页返回0/2nL干涉测量是把光波相位变化转换为光波强度变化的测量方法。两相干光束干涉后的光强度为式中A——干涉光强度；A1、A2——两相干光强度；——两相干光的相位差。在干涉测量时，通常取一相干光为参考，另一相干光感受被测对象的调制，调制后光相位的变化引起两相干光相位差发生变化，导致干涉光强