【VIP專(zhuān)享】第四章(8)--光纖傳感器課件

1、4.8光纖傳感器精勤求學(xué) 敦篤勵(lì)志 果毅力行 忠恕任事光纖光導(dǎo)纖維，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介質(zhì)材料制成的極細(xì)的纖維，是一種理想的光傳輸線路。光纖傳感器（Fiber Optic Sensor，F(xiàn)OS）興起于20世紀(jì)70年代，是一類(lèi)較新的光敏器件，它是利用被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄟM(jìn)行調(diào)制，使光波的一些參數(shù)，如強(qiáng)度、頻率、波長(zhǎng)、相位、偏振態(tài)等特性產(chǎn)生變化來(lái)工作?？梢詼y(cè)量位移、加速度、壓力、溫度、磁、聲、電等物理量。4.8.1 光纖傳感器 概述 光導(dǎo)纖維(光纖)受到外界環(huán)境因素的影響，如溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等環(huán)境條件變化，將引起其傳輸?shù)墓獠浚绻鈴?qiáng)、相位、頻率、偏振態(tài)等變化。光纖傳感技

2、術(shù)就是將溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)化為光波量的變化的技術(shù)。光纖傳感器通過(guò)光導(dǎo)纖維把輸入變量轉(zhuǎn)換成調(diào)制的光信號(hào)。光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)，光纖最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器得到進(jìn)一步發(fā)展。與其它傳感器相比較，光纖傳感器有如下特點(diǎn)：不受電磁干擾，防爆性能好，不會(huì)漏電打火；可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲；可以用于高溫、高壓、絕緣性能好，耐腐蝕。光纖的發(fā)展 1966年高琨博士提出光纖傳輸?shù)睦碚?1969年日本平板玻璃公司制出200dB/KM梯度光纖 1970年美康寧公司制出世界第一根20dB/KM低損耗光纖 1972年日本電子技術(shù)綜合研究所制出7dB/K

3、M SiO2芯光纖 1973年美貝爾實(shí)驗(yàn)室用化學(xué)沉積法（CVD）制光纖 1978年對(duì)1.5m光傳輸接通理論值約0.2dB/KM 1980年光通訊產(chǎn)業(yè)形成一：光纖傳感器的光源見(jiàn)網(wǎng)頁(yè)二：光纖傳感器的光探測(cè)器第十章介紹的常用的光探測(cè)器： 光敏二極管、光敏三極管、光電倍增管等傳光原理：光在光纖界面內(nèi)產(chǎn)生全反射。 光纖通常由纖芯、包層及保護(hù)套組成。纖芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圓柱體，直徑約為5150m。包層的材料也是玻璃或塑料等，但纖芯的折射率n1稍大于包層的折射率n2。外套起保護(hù)光纖的作用。較長(zhǎng)的光纖又稱(chēng)為光纜。 4.8.2 光纖結(jié)構(gòu) 纖芯包層涂覆層護(hù)套當(dāng) 時(shí)，發(fā)射全反射，即：光纖傳光原理 以

4、入射角小于i進(jìn)入光纖的光線將形成全反射被引導(dǎo)至光纖輸出端，并以近似等于入射角的角度射出。c稱(chēng)為臨界角，2i為接受角，處于接受角之外的光線均被包層吸收而損失掉。sini定義為光纖的數(shù)值孔徑（Numerical Aperture） ，用NA表示，它反映纖芯接收光量的多少，是光纖的一個(gè)重要參數(shù)。光纖結(jié)構(gòu) 光纖結(jié)構(gòu) 數(shù)值孔徑（Numerical Aperture） 光纖的數(shù)值孔徑大小與幾何尺寸無(wú)關(guān)，與纖芯包層相對(duì)折射率有關(guān)。光纖的數(shù)值孔徑表示光纖接收入射光的能力。NA越大，則光纖接收光的能力也越強(qiáng)。數(shù)值孔徑大有利于光纖的對(duì)接。可以使光纖NA值很大而截面積很小，使得光纖柔軟可以彎曲。 NA太大時(shí)，光信號(hào)

5、的畸變加大，會(huì)影響光纖的帶寬。因此對(duì)光纖的數(shù)值孔徑有一定的要求。通常作為傳感器的光纖0.2NA材料色散 波導(dǎo)色散對(duì)于多模光纖，總色散等于三者相加，起主導(dǎo)作用的是模式色散，其他兩個(gè)色散影響很小。 對(duì)于單模光纖，只有一個(gè)傳輸模式，故不存在模式色散，其總色散為材料色散和波導(dǎo)色散之和。為減小總的波長(zhǎng)色散，要盡量選用窄譜線激光器作光源。 光在普通光纖中的傳輸見(jiàn)教材227頁(yè)2161，光纖是光信號(hào)的傳輸媒介；2，當(dāng)光信號(hào)在光纖中傳播時(shí)，表征光信號(hào)的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等)因外界因素(如溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、位移等)的作用而間接或直接地發(fā)生變化；3，將光纖用作傳感元件來(lái)探測(cè)各種待測(cè)量(物理量、

6、化學(xué)量和生物量等)。光纖傳感器工作原理 光纖傳感器與電類(lèi)傳感器比較 分類(lèi) 內(nèi)容 光纖傳感器電類(lèi)傳感器調(diào)制參量振幅：吸收、反射等相位：偏振電阻、電容、電感等敏感材料溫-光敏、力-光敏、磁-光敏 溫-電敏、力-電敏、磁-電敏 傳輸信號(hào)光電傳輸介質(zhì)光纖、光纜電線、電纜光纖傳感器是與電類(lèi)傳感器并行互補(bǔ)的一類(lèi)新型傳感器。 光纖傳感器與電類(lèi)傳感器比較 光纖傳感器的特點(diǎn) 本質(zhì)防爆適合于易燃、易爆等危險(xiǎn)物品檢測(cè)對(duì)電絕緣適合于高電壓場(chǎng)合檢測(cè) 無(wú)感應(yīng)性適合于強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾環(huán)境下檢測(cè) 化學(xué)穩(wěn)定性適合于環(huán)保、醫(yī)藥、食品工業(yè)檢測(cè)時(shí)域變換性適合于多點(diǎn)分布測(cè)量低損耗 、高精度 、幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)、尺寸小 、重量輕、頻帶寬、非

7、接觸式等在機(jī)械、電子、航空航天、化工、生物醫(yī)學(xué)、電力、交通、食品等領(lǐng)域的自動(dòng)控制、在線檢測(cè)、故障診斷、安全報(bào)警以及軍事等方面都有廣泛應(yīng)用。 光纖傳感器結(jié)構(gòu) 按照光纖在傳感器中的作用，通常將光纖傳感器分為兩種類(lèi)型：非功能型（或稱(chēng)傳光型、結(jié)構(gòu)型）和功能型（或稱(chēng)傳感型、探測(cè)型） 。 非功能型光纖傳感器：利用其它敏感元件感受被測(cè)量，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，依靠光傳輸或光反射引起的強(qiáng)度調(diào)制來(lái)工作；光纖是不連續(xù)的, 中斷處要接上其他介質(zhì)的敏感元件；多使用多模光纖。 功能型光纖傳感器：把光纖作為敏感元件，被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸光的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)等進(jìn)行調(diào)制，再通過(guò)解調(diào)得到被測(cè)信號(hào)；常使用單模光纖。光纖傳感器分類(lèi)

8、光纖傳感器分類(lèi) 根據(jù)光被調(diào)制的原理，光纖傳感器分為：強(qiáng)度調(diào)制型、頻率調(diào)制型、波長(zhǎng)調(diào)制型、相位調(diào)制型及偏振態(tài)調(diào)制型。光纖傳感器的核心就是光被外界輸入?yún)?shù)的調(diào)制。外界信號(hào)可能引起光的某些特性(如強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等)變化，從而構(gòu)成強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位和偏振態(tài)等調(diào)制器。根據(jù)被測(cè)參數(shù)，光纖傳感器也可分為：光纖位移傳感器、光纖壓力傳感器、光纖溫度傳感器等。1，非功能性：通過(guò)光束位移、遮擋、耦合等方式使接收光纖的光強(qiáng)變化。 光反射 依靠折射率變化測(cè)液位： 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器 光傳輸 光纖微彎曲位移（壓力）傳感器 2，功能型：通過(guò)改變光纖外形、折射率差、吸收特性等方式使光強(qiáng)變化。 當(dāng)光線到達(dá)

9、微彎曲段界面時(shí)，入射角將小于臨界角，有一部分光透射進(jìn)入包層。主要用于微彎曲位移檢測(cè)和壓力檢測(cè)。光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器 x、射線等輻射會(huì)引起光纖材料的吸收損耗增加，使光纖的輸出功率降低，從而可以構(gòu)成強(qiáng)度調(diào)制器。 在頻率調(diào)制型光纖傳感器中，光纖只起著傳輸光的作用，它的工作原理是光學(xué)多普勒效應(yīng)，即由于觀察者和目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，觀察者接收到的光波頻率將發(fā)生變化。采用光學(xué)多普勒測(cè)量系統(tǒng)，可以方便的實(shí)現(xiàn)在非接觸條件下對(duì)液體流速流量的測(cè)量，如血液、氣流及其他液體。（非功能型）頻率調(diào)制型光纖傳感器 光源觀測(cè)者被測(cè)量移動(dòng)速度v被測(cè)量當(dāng)一束波長(zhǎng)為的相干光在光纖中傳播時(shí)，光波的相位角與光纖的長(zhǎng)度L、纖芯折射率n1及纖芯

10、直徑d有關(guān)。光纖受到溫度等物理量的作用時(shí)，這三個(gè)參數(shù)會(huì)發(fā)生不同程度的變化，從而引起光相移。相位調(diào)制型光纖傳感器 折射率改變：某些光纖的纖芯線和外包封材料在溫度下降時(shí)折射率相互接近，使發(fā)生全反射的可能變小，傳輸損耗增大，用于低溫探測(cè)。 由于光的頻率很高，光電探測(cè)器不能檢測(cè)相位的變化，因此需要用光學(xué)干涉技術(shù)將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為振幅調(diào)制。在光纖傳感器中常采用馬赫澤德（Mach-Zehader）干涉儀等儀器完成這一過(guò)程。單膜光纖激光器 參考光纖被調(diào)制光纖被測(cè)量激光器比較二者輸出相位的不同，最小可測(cè)得0.025微米的位移。相位調(diào)制型光纖傳感器 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器 自然光 ：在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)沿各

11、方向振動(dòng)的光矢量呈對(duì)稱(chēng)分布?？捎孟嗷ゴ怪钡墓庹駝?dòng)描述自然光。 光波是一種橫波：光振動(dòng)的電場(chǎng)矢量E和磁場(chǎng)矢量H始終與傳播方向v垂直。 如果光在傳播過(guò)程中，只存在某一確定方向的振動(dòng)， 這種光稱(chēng)為線偏振光或完全偏振光，簡(jiǎn)稱(chēng)偏振光。偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器 根據(jù)光波振動(dòng)方向的分布和變化規(guī)律，又分為部分偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器 偏振態(tài)調(diào)制是指外界信號(hào)（被測(cè)量）通過(guò)一定的方式使光波的偏振態(tài)發(fā)生規(guī)律性偏轉(zhuǎn)，或產(chǎn)生雙折射，通過(guò)檢測(cè)光偏振態(tài)的變化即可測(cè)出外界被測(cè)量。 偏振態(tài)調(diào)制主要利用磁致旋光效應(yīng)、彈光效應(yīng)等物理效應(yīng)。 磁致旋光效應(yīng)也稱(chēng)法拉第旋光效應(yīng)，是指某些

12、物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，能使通過(guò)它的平面偏轉(zhuǎn)光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角度與通過(guò)法拉第材料的長(zhǎng)度和外加磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比?？梢杂脕?lái)檢測(cè)電流強(qiáng)度。 彈光效應(yīng)是一種由應(yīng)力應(yīng)變引起的雙折射效應(yīng)。雙折射會(huì)使光波的偏振態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化。 由應(yīng)力引起的感應(yīng)雙折射正比于所施加的力，因此可以通過(guò)檢測(cè)偏振光的強(qiáng)度檢測(cè)應(yīng)力。偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器 4.8.4 光纖位移傳感器位移檢測(cè)是機(jī)械量檢測(cè)的基礎(chǔ)許多機(jī)械量都是轉(zhuǎn)換成位移來(lái)檢測(cè)的傳感器在原理上有傳光型的和功能型的兩類(lèi)，是通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率來(lái)完成檢測(cè)過(guò)程的。 1 光纖開(kāi)關(guān)與定位裝置 一、簡(jiǎn)單的光纖開(kāi)關(guān)、定位裝置 員簡(jiǎn)單的位移測(cè)量是采用各種光開(kāi)關(guān)裝置進(jìn)行的，即利用

13、光纖中光強(qiáng)度的跳變來(lái)測(cè)出各種移動(dòng)物體的極端位置如定位、記數(shù)，或者是判斷某種情況。在各種位移測(cè)量裝置中光開(kāi)關(guān)裝置的測(cè)量精度是低的，它只反映極限位置的變化，其輸出信號(hào)是跳變信號(hào)二 移動(dòng)球鏡光學(xué)開(kāi)關(guān)傳感器光強(qiáng)為I0的光束通過(guò)發(fā)送光纖照射到球鏡上。球透鏡把光束聚焦到兩個(gè)接收光纖的端面上。當(dāng)球透鏡在平衡位置時(shí)，從兩個(gè)接收光纖得到的光強(qiáng)I1和I2是相同的。如果球透鏡在垂直于光路的方向上產(chǎn)生微小位移時(shí)，在兩個(gè)接收光纖上得到的光強(qiáng)I1和I2將發(fā)生變化。光強(qiáng)比值IlI2的對(duì)數(shù)值與球透鏡位移量呈線性關(guān)系，而光強(qiáng)的比值光強(qiáng)無(wú)關(guān)。光纖位移傳感器 透射式反射式 光纖溫度傳感器 反射式相位變化 振幅變化 光纖壓力傳感器

14、相位調(diào)制 偏振態(tài)調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制 反射型強(qiáng)度調(diào)制易燃易爆場(chǎng)合 控 制 室光 纖各類(lèi)油罐參數(shù)檢測(cè)壓力容器參數(shù)檢測(cè)核工業(yè)環(huán)境參數(shù)檢測(cè)煤礦中CH4等參數(shù)檢測(cè)高電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)場(chǎng)合 控 制 室光 纖高壓變壓器高壓電動(dòng)機(jī)強(qiáng)電磁干擾電氣設(shè)備微波設(shè)備實(shí)時(shí)在線檢測(cè) 取樣送檢樣品光譜儀被測(cè)物傳統(tǒng)光譜儀物質(zhì)成分檢測(cè)光纖光纖光譜儀被測(cè)物光纖光譜儀物質(zhì)成分檢測(cè)光纖轉(zhuǎn)速傳感器 非接觸測(cè)量方式LEDPIN光纖點(diǎn)式光纖液位控制器 適用于 高、低液位報(bào)警 密封加油控制LEDPIN液體LEDPIN液體光纖液位控制器 光纖溫度傳感器 LEDPINn1n2n2隨溫度變化n2折光型 光纖高溫溫度傳感器 PIN1PIN2濾波器1智能儀表濾波器

15、2光纖高溫爐黑體輻射腔藍(lán)寶石光纖光譜型 光纖氣體成分傳感器 R,光纖傳感頭參考頻率LEDPIN鎖相放大器混氣室N2O2流量計(jì)光纖光譜傳感器 光 源出口待測(cè)氣體white室探測(cè)器信號(hào)處理分布式檢測(cè) 時(shí)域變換技術(shù)傳統(tǒng)分布測(cè)量檢測(cè)儀表S1S2S3Sn電纜OTDR技術(shù)用于分布檢測(cè) 光纖S1T1S2T2S3T3SnTn分布式檢測(cè) 時(shí)域變換技術(shù)OTDR (Optical Time Domain Reflectmeter)光時(shí)域反射儀 分布式檢測(cè) 時(shí)域變換技術(shù) OTDR測(cè)試是通過(guò)發(fā)射光脈沖到光纖內(nèi)，然后在OTDR端口接收返回的信息來(lái)進(jìn)行。當(dāng)光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時(shí)，會(huì)由于光纖本身的性質(zhì)、連接器、接合點(diǎn)、彎曲或其

16、它類(lèi)似的事件而產(chǎn)生散射、反射。其中一部分的散射和反射就會(huì)返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探測(cè)器來(lái)測(cè)量，它們就作為光纖內(nèi)不同位置上的時(shí)間或曲線片斷。 OTDR的工作原理就類(lèi)似于一個(gè)雷達(dá)。它先對(duì)光纖發(fā)出一個(gè)信號(hào)，然后觀察從某一點(diǎn)上返回來(lái)的是什么信息。這個(gè)過(guò)程會(huì)重復(fù)地進(jìn)行，然后將這些結(jié)果進(jìn)行平均并以軌跡的形式來(lái)顯示，這個(gè)軌跡就描繪了在整段光纖內(nèi)信號(hào)的強(qiáng)弱。OTDR是利用光線在光纖中傳輸時(shí)的瑞利散射和菲涅爾反射所產(chǎn)生的背向散射而制成的精密的光電一體化儀表，它被廣泛應(yīng)用于光纜線路的維護(hù)、施工之中，可進(jìn)行光纖長(zhǎng)度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測(cè)量。 光纖多點(diǎn)測(cè)溫傳感器 光纖溫度報(bào)警器

17、 光纖陀螺儀 薩格納克效應(yīng)（Sagnac Effect） ： 將同一光源發(fā)出的一束光分解為兩束，讓它們?cè)谕粋€(gè)環(huán)路內(nèi)沿相反方向循行一周后會(huì)合，然后在屏幕上產(chǎn)生干涉。 光纖陀螺儀 當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在不同的前進(jìn)方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對(duì)于環(huán)路在靜止時(shí)的光程都會(huì)產(chǎn)生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進(jìn)的光之間產(chǎn)生干涉來(lái)測(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀；如果利用這種環(huán)路光程的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉，也就是通過(guò)調(diào)整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進(jìn)而測(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。 高精度角速度測(cè)量 光纖光柵傳感器 光纖布拉格光柵（fibber bragg gratting， FBG）是纖芯折射率周期性變化的光纖。 UV零級(jí)光束1級(jí)光束1級(jí)光束熔融石英相位掩膜光纖干涉條紋早期利用高強(qiáng)度紫外光源所形成的干