東南大學(xué)《傳感器技術(shù)》第9章_光纖傳感器

1、第第9章章 光纖傳感器光纖傳感器光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)1.2第第9章章 光纖傳感器光纖傳感器光纖傳感器基礎(chǔ)光纖傳感器基礎(chǔ)9.19.2光纖傳感器實例光纖傳感器實例第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器光纖有很多的優(yōu)點，用它制成的光纖傳感器（FOS）與常規(guī)傳感器相比也有很多特點：抗電磁干擾能力強、高靈敏度 、耐腐蝕、可撓曲、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、以及與光纖傳輸線路相容等。光纖傳感器可應(yīng)用于位移、振動、轉(zhuǎn)動、壓力、彎曲、應(yīng)變、速度、加速度、電流、磁場、電壓、濕度、溫度、聲場、流量、濃度、pH值等70多個物理量的測量，且具有十分廣泛的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。第一節(jié)第一節(jié) 光纖傳感器基礎(chǔ)光纖傳感器基礎(chǔ)第

2、第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器一一. .光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 光纖是用光透射率高的電介質(zhì)(如石英、玻璃、塑料等)構(gòu)成的光通路。光纖的結(jié)構(gòu)如圖9.1所示，它由折射率n1較大(光密介質(zhì))的纖芯，和折射率n2較小(光疏介質(zhì))的包層構(gòu)成的雙層同心圓柱結(jié)構(gòu)。圖9.1 光纖的基本結(jié)構(gòu)與波導(dǎo) 第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器二二. .傳光原理傳光原理 光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的基礎(chǔ)。根據(jù)幾何光學(xué)原理，當(dāng)光線以較小的入射角1由光密介質(zhì)1射向光疏介質(zhì)2(即n1n2)時(見圖9.2)，則一部分入射光將以折射角2折射入介質(zhì)2，其余部分仍以1反射回介質(zhì)1。圖9.2 光在兩介質(zhì)界面上的折射和反射第第9

3、9章章 光纖傳感器光纖傳感器依據(jù)光折射和反射的斯涅爾(Snell)定律，有 (9-1) 當(dāng)1角逐漸增大，直至1=c時，透射入介質(zhì)2的折射光也逐漸折向界面，直至沿界面?zhèn)鞑?2=90)。對應(yīng)于2=90時的入射角1稱為臨界角c；由式(9-1)則有 (9-2) 由圖(9.1)和圖(9.2)可見，當(dāng)1c時，光線將不再折射入介質(zhì)2，而在介質(zhì)(纖芯)內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)向前的全反射，直至由終端面射出。這就是光纖傳光的工作基礎(chǔ)。第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器 同理，由圖9.1和Snell定律可導(dǎo)出光線由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射入纖芯時實現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射角)為 (9-3) 式中NA定義

4、為“數(shù)值孔徑”。它是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。它表示：無論光源發(fā)射功率多大，只有2c張角內(nèi)的光，才能被光纖接收、傳播(全反射)；NA愈大，光纖的集光能力愈強。產(chǎn)品光纖通常不給出折射率，而只給出NA。石英光纖的NA=0.20.4。NA第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器三三. .光纖的種類光纖的種類 光纖按纖芯和包層材料性質(zhì)非類，有玻璃光纖和塑料光纖兩類；按折射率分有階躍型和梯度型二種，如圖9.3所示。階躍型光纖纖芯的折射率不隨半徑而變；但在纖芯與包層界面處折射率有突變。梯度型光纖纖芯的折射率沿徑向由中心向外呈拋物線由大漸小，至界面處與包層折射率一致。因此，這類光纖有聚焦作用；光線傳播的軌跡近

5、似于正弦波，如圖9.4所示。光纖的另一種分類方法是按光纖的傳播模式來分，可分為多模光纖和單模光纖二類。第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器圖9.3 光纖的折射率斷面(a)階躍型；(b)梯度型圖9.4 光在梯度型光纖的傳輸 光纖傳輸?shù)墓獠?，可以分解為沿縱軸向傳播和沿橫切向傳播的兩種平面波成分。后者纖芯和包層的界面上會產(chǎn)生全反射。當(dāng)它在橫切向往返一次的相位變化為2的整數(shù)倍時，將形成駐波。形成駐波的光線組稱為模；它是離散存在的，亦即某種光纖只能傳輸特定模數(shù)的光。通常纖芯直徑較粗時，能傳播幾百個以上的模，二纖芯很細時，只能傳播一個模。前者稱為多模光纖，多用于非功能型(NF)光纖傳感器；后者是單模光纖，

6、多用于功能型(FF)光纖傳感器。第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器四四. .光纖的特性光纖的特性 信號通過光纖時的損耗和色散是光纖的主要特性(詳細情況參見參考資料1）。五五. .光纖傳感器分類光纖傳感器分類 光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器(Function Fiber Optic Sensor)，又稱FF型光纖傳感器；另一類是非功能傳感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纖傳感器。前者是利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件，所以又稱傳感型光纖傳感器；后者是利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，用以傳輸來自遠處或

7、難以接近場所的光信號，因此，也稱傳光型光纖傳感器。表9-1列出了常用的光纖傳感器分類及簡要工作原理。第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器表9-1 光纖傳感器分類 第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器六六. .光纖傳感器的發(fā)展趨勢光纖傳感器的發(fā)展趨勢 光纖傳感器具有很多的優(yōu)點，是對以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器的革命性變革，發(fā)展前景是極其光明的。但是，目前光纖傳感器的成本較高,在這方面仍面臨著傳統(tǒng)傳感器的挑戰(zhàn)，存在著與傳統(tǒng)傳感器和其它新型傳感器的競爭問題。為此，有必要說明光纖傳感器的可能發(fā)展趨勢： 當(dāng)前應(yīng)以傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題作

8、為光纖傳感器的主要研究對象。 集成化光纖傳感器。 多功能全光纖控制系統(tǒng)。 充分發(fā)揮光纖的低傳輸損耗特性，發(fā)展遠距離監(jiān)測系統(tǒng)。 開辟新領(lǐng)域。第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器光的調(diào)制和解調(diào)可分為：強度、相位、偏振、頻率和波長等方式。光的調(diào)制過程就是將一攜帶信息的信號疊加到載波光波上；完成這一過程的器件叫做調(diào)制器。在光纖傳感器中，光的解調(diào)過程通常是將載波光攜帶的信號轉(zhuǎn)換成光的強度變化，然后由光電探測器進行檢測。第二節(jié)第二節(jié) 光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器9.2.1 9.2.1 強度調(diào)制與解調(diào)強度調(diào)制與解調(diào) 光纖傳感器中光強度調(diào)制是被測對象引起載波光強度變化，

9、從而實現(xiàn)對被測對象進行檢測的方式。光強度變化可以直接用光電探測器進行檢測。 解調(diào)過程主要考慮的是信噪比是否能滿足測量精度的要求。第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器微彎損耗強度調(diào)制器的原理如圖。當(dāng)垂直于光纖軸線的應(yīng)力使光纖發(fā)生彎曲時，傳輸光有一部分會泄漏到包層中去。幾種常用的光強調(diào)制技術(shù)幾種常用的光強調(diào)制技術(shù)1.微彎效應(yīng)第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器外調(diào)制技術(shù)的調(diào)制環(huán)節(jié)通常在光纖外部，因而光纖本身只起傳光作用。這里光纖分為兩部分：發(fā)送光纖和接收光纖。兩種常這里光纖分為兩部分：發(fā)送光纖和接收光纖。兩種常用的調(diào)制器是用的調(diào)制器是反射器反射器和和遮光屏遮光屏。2.光強度的外調(diào)制第第9 9章章

10、光纖傳感器光纖傳感器 利用折射不同進行光強度調(diào)制的原理包括：利用被測物理量引起傳感材料折射率的變化；利用漸逝場耦合；利用折射率不同的介質(zhì)之間的折射與反射。3.折射率光強度調(diào)制第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器 若采用硅PIN二極管光電探測器，則可略去暗電流噪聲效應(yīng)；進一步假設(shè)調(diào)制頻率遠離1f 噪聲效應(yīng)區(qū)域，則可略去探測器噪聲，上式可簡化為： 強度調(diào)制型光纖傳感器的關(guān)鍵是信號功率與噪聲功率之比要足夠大，其功率信噪比RSN可用下列公式計算： 2222)()()()(dNRNphNsSNiiiiR強度調(diào)制的解調(diào)強度調(diào)制的解調(diào)利用上式計算的信噪比，對大部分信號處理和傳感器應(yīng)用已綽綽有余。但是，光源與

11、光纖、光纖和轉(zhuǎn)換器之間的機械部分引起的光耦合隨外界影響的變化；調(diào)制器本身隨溫度和時間老化出現(xiàn)的漂移；光源老化引起的強度變化以及探測器的響應(yīng)隨溫度的變化等，比信號噪聲和熱噪聲對測量精度的影響要大得多。應(yīng)在傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計中和制造工藝中設(shè)法減小這些影響。 222)()()(RNphNsSNiiiR第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器 光波是橫波。光振動的電場矢量E和磁場矢量H和光線傳播方向s正交。按照光的振動矢量E、H在垂直于光線平面內(nèi)矢端軌跡的不同，又可分為線偏振光（又稱平面偏振光）、圓偏振光、橢圓偏振光和部分偏振光。利用光波的這種偏振性質(zhì)可以制成光纖的偏振調(diào)制

12、傳感器。 光纖傳感器中的偏振調(diào)制器常利用電光、磁光、光彈等物理效應(yīng)。在解調(diào)過程中應(yīng)用檢偏器。 9.2.2 9.2.2 偏振調(diào)制與解調(diào)偏振調(diào)制與解調(diào)第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器 如圖所示，當(dāng)如圖所示，當(dāng)壓電晶體受光照壓電晶體受光照射并在其正交方射并在其正交方向上加以高電壓，向上加以高電壓，晶體將呈現(xiàn)雙折晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象射現(xiàn)象普克普克耳效應(yīng)。在晶體耳效應(yīng)。在晶體中，兩正交的偏中，兩正交的偏振光的相位變化：振光的相位變化：調(diào)制原理 1. 普克耳（Pockels）效應(yīng)第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器平面偏振光通平面偏振光通過帶磁性的物過帶磁性的物體時，其偏振體時，其偏振光面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光

13、面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為法拉第磁光效法拉第磁光效應(yīng)，光矢量旋應(yīng)，光矢量旋轉(zhuǎn)角：轉(zhuǎn)角：2.法拉第磁光效應(yīng)光纖第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器在垂直于光波傳播在垂直于光波傳播方向施加應(yīng)力，材方向施加應(yīng)力，材料將產(chǎn)生雙折射現(xiàn)料將產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其強弱正比于象，其強弱正比于應(yīng)力。這種現(xiàn)象稱應(yīng)力。這種現(xiàn)象稱為光彈效應(yīng)。偏振為光彈效應(yīng)。偏振光的相位變化光的相位變化：3.光彈效應(yīng)第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器相位調(diào)制的基本原理是：通過被測能量場的作用，使能量場中的一段敏感單模光纖內(nèi)傳播的光波發(fā)生相位變化，利用干涉測量技術(shù)把相位變化變換為振幅變化，再通過光電探測器進行檢測。9.2.3 9

14、.2.3 相位調(diào)制與解調(diào)相位調(diào)制與解調(diào) 第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器 光纖受到縱向（軸向）的機械應(yīng)力作用時，將產(chǎn)生三個主要的物理效應(yīng)，導(dǎo)致光纖中光相位的變化： 光纖的長度變化光纖的長度變化應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng) 光纖芯的直徑變化光纖芯的直徑變化泊松效應(yīng)泊松效應(yīng) 光纖芯的折射率變化光纖芯的折射率變化光彈效應(yīng)光彈效應(yīng) 實現(xiàn)相位調(diào)制的物理效應(yīng) 1.應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)在所有干涉型光纖傳感器中，光纖中傳播光的相位響應(yīng)都是與待測場中光纖的長度L成正比。這個待測場可以是變化的溫度T。由于干涉型光纖傳感器中的信號臂光纖可以足夠長，因此信號光纖對溫度變化有很高的靈敏度。 第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器2.熱脹

15、冷縮效應(yīng) 第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器 相位解調(diào)原理相位解調(diào)原理 兩束相干光（信號光束和參考光束）同時照射在一光電探測器上，光電流的幅值將與兩光束的相位差成函數(shù)關(guān)系。兩光束的光場相疊加，合成光場的電場分量為 ： 光電探測器對合成光束的強度發(fā)生響應(yīng)。設(shè)自由空間阻抗為Zo，則入射到光電探測器光敏面Ad的功率為第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器最終探測信號電流為 其中第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器探測器響應(yīng)的是光波在許多周期內(nèi)測得的平均功率。上式括號中的后三項相當(dāng)于光頻（2）的電流變化，光電探測器不能響應(yīng)如此高頻率的變化，可以忽略。因此上式可以簡化為：上式表明上式表明,探測器輸出電流

16、的變化取決于兩光束的初始相位和相探測器輸出電流的變化取決于兩光束的初始相位和相位變化?？梢?，通過干涉現(xiàn)象能將兩光束之間的相位差轉(zhuǎn)化為位變化?？梢?，通過干涉現(xiàn)象能將兩光束之間的相位差轉(zhuǎn)化為電流變化。如果電流變化。如果 ，即干涉光束初相位正交，相差，即干涉光束初相位正交，相差 , 那可較容易地把這種相位變化提取出來，這種探測方式稱為零那可較容易地把這種相位變化提取出來，這種探測方式稱為零差檢測。差檢測。)(cos)(21)(212221tEEEEtidEEtdi021sin)(第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器右圖為普通光學(xué)邁克爾遜干涉儀原理圖。由激光器輸 出 的 單 色 光 由 分 束 器（把

17、光束分成兩個獨立光束的光學(xué)元件）分成為光強相等的兩束光。光束1射向固定反射鏡然后反射回分束器，再被分束器分解：透射部分那束光由光探測器接收，反射的那部分光又返回到激光器。干涉測量儀與光纖干涉?zhèn)鞲衅髟砀缮鏈y量儀與光纖干涉?zhèn)鞲衅髟?1.邁克爾遜干涉儀第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器 由激光器輸出，經(jīng)分束器透射的另一束光2入射到可移動反射鏡上，也反射回分束器上，經(jīng)分束器反射的一部分光傳至光探測器上，而另一部分光則經(jīng)由分束器透射，也返回到激光器。當(dāng)兩反射鏡到分束器間的光程差小于激光的相干長度時，射到光探測器上的兩相干光束即產(chǎn)生干涉。兩相干光的相位差為： lK 02式中式中 KoKo光在空氣中的

18、傳播常數(shù)光在空氣中的傳播常數(shù) 2l 2l 兩相干光的光程差兩相干光的光程差第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器 圖為馬赫澤德爾干涉儀的工作原理。與邁克爾遜干涉儀不同的是，它沒有或很少有光返回到激光器。返回到激光器的光會造成激光器的不穩(wěn)定噪聲，對干涉測量不利。2.馬赫澤德爾（Mach-Zehnder）干涉儀第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器它是利用塞格納克效應(yīng)構(gòu)成的。激光經(jīng)分束器分為反射和透射兩部分。這兩束光均由反射鏡反射形成傳播方向相反的閉合光路，并在分束器上會合，送入光探測器，同時也有一部分返回到激光器。在這種干涉儀中，兩光束的光程長度相等。根據(jù)雙束光干涉原理，在光電探測器上探測不到干涉光

19、強的變化。 3.塞格納克（Sagnac）干涉儀 但當(dāng)把這種干涉儀裝在一個可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺上時，兩束傳播方向相反的光束到達光電探測器就有不同的延遲。若平臺以角速度順時針旋轉(zhuǎn)，則在順時針方向傳播的光較逆時針方向傳播的光延遲大。這個相位延遲量可表示為：式中 為旋轉(zhuǎn)率；A為光路圍成的面積；c為真空中光速；o為真空中的光波長。通過檢測干涉光強的變化，就能知道旋轉(zhuǎn)速度。第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器 它由部分反射、部分透射、平行放置的兩塊反射鏡組成。兩個相對的反射鏡表面鍍有反射膜，其反射率常達95以上。激光入射到干涉儀，在兩個相對反射面作多次反射，透

20、射出來的平行光束由光電探測器接收。 4.法布里帕羅（Fabry-Perot）干涉儀第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器 與前幾種雙光束干涉儀不同，這種干涉儀是多光束干涉。根據(jù)多光束干涉原理，探測器探測到干涉光強度的變化為)2(sin)1 (41220RRII式中 R反射鏡的反射率； 相鄰光束間的相位差。第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器四種類型光纖干涉儀結(jié)構(gòu)四種類型光纖干涉儀結(jié)構(gòu)第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器頻率調(diào)制時光纖往往只起傳輸光信號的作用，而不作為敏感元件。目前主要是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)實現(xiàn)頻率調(diào)制。圖中，S為光源，P為運動物體，Q是觀察者所處的位置。若物體 P的運動速度為v，方向與PS及PQ的夾角分別為1和2，則從S發(fā)出的頻率為f1的光經(jīng)過運動物體P散射，觀察者在Q處觀察到的頻率為f2。9.2.4 9.2.4 頻率調(diào)制與解調(diào)頻率調(diào)制與解調(diào)第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳