光纖傳感技術(shù) (2)講稿

1、關(guān)于光纖傳感技術(shù) (2)第一張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7.1 概述7.1.1 背景介紹光導(dǎo)纖維光纖通信：通信質(zhì)量受干擾的原因光纖對(duì)外部因素十分敏感。外界環(huán)境 溫度 壓力 電場(chǎng) 磁場(chǎng)光波參量 強(qiáng)度 相位 頻率 偏振態(tài)光纖傳感 第二張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖結(jié)構(gòu)圖第三張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的優(yōu)點(diǎn)長(zhǎng)距離低損耗易彎曲體積小、重量輕、成本低防水、防火、耐腐蝕抗電磁干擾光纖傳感技術(shù)應(yīng)用航天：飛機(jī)及航天器各部位壓力、溫度傳感航海石油化工電力工業(yè)核工業(yè)醫(yī)療器械：血液流速、血壓及心音測(cè)量第四張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7.1.2 光纖傳感

2、器分類(lèi) 光纖傳感器原理：利用光纖將待測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠▍⒘窟M(jìn)行調(diào)制，并對(duì)調(diào)制過(guò)的光波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)檢測(cè)，從而獲得待測(cè)量值。 功能型（傳感型、全光纖）傳感器：光纖中傳輸?shù)墓獠ㄊ艿奖粶y(cè)對(duì)象的調(diào)制，空載波變?yōu)檎{(diào)制波，攜帶了被測(cè)對(duì)象信息。光纖直接作為敏感元件，既感且傳第五張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月非功能型（傳光型、混合型）傳感器：光纖送來(lái)光波通過(guò)光轉(zhuǎn)換元件時(shí)光波參量發(fā)生相應(yīng)變化，空載波變成了調(diào)制波，攜帶了帶測(cè)量信息。其他敏感元件感知待測(cè)量的變化，只傳不感第六張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月提問(wèn)：光纖傳感器利用什么物理效應(yīng)來(lái)感知待測(cè)量？它能檢測(cè)哪些物理量？ 功能型光纖傳感器

3、光纖自身的結(jié)構(gòu)參量（尺寸和形狀）發(fā)生變化，光纖中的光波參量受到相應(yīng)控制 光纖中傳輸?shù)墓獠ㄗ陨戆l(fā)生了某種變化 非功能型（傳光型、混合型）傳感器 光轉(zhuǎn)換元件自身的性能發(fā)生了變化 由光纖的幾何位置排布實(shí)現(xiàn)光轉(zhuǎn)換功能第七張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第八張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光波調(diào)制技術(shù)：利用光波參量的調(diào)制實(shí)現(xiàn)待測(cè)信息提取。 強(qiáng)度調(diào)制 位相調(diào)制 頻率調(diào)制 偏振調(diào)制 顏色調(diào)制（光纖傳感頭的光頻譜特性隨待測(cè)物理量變化）第九張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7.2 光纖的傳輸特性 階躍光纖（包層光纖）漸變光纖（自聚焦光纖）纖芯包層第十張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于202

4、2年6月7.2.1 包層光纖中的傳輸光線傳輸條件：滿足全反射定律1. 子午光線：傳播時(shí)在同一平面內(nèi)，且與光纖軸線相交。子午光線的傳輸?shù)谑粡垼琍PT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月入射角滿足的條件：表征光纖收光能力的重要參數(shù)光纖的數(shù)值孔徑第十二張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 斜光線：傳播時(shí)不在同一平面內(nèi)，且不與光纖軸線相交。斜光線的傳輸入射角滿足的條件：第十三張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7.2.2 梯度折射率光纖與自聚焦透鏡 只討論子午光線的傳播規(guī)律：即子午光線的傳播方向與入射角的關(guān)系光線沿著一彎曲的路徑傳播，而且彎向折射率大的一方第十四張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作

5、于2022年6月第十五張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)梯度折射率分布呈拋物線型分布時(shí)，梯度折射率光纖中的子午光線路徑是正弦曲線。說(shuō)明：入射角不同時(shí)，各曲線的振幅不同，但周期相同。各入射角的光線自動(dòng)會(huì)聚到一點(diǎn)，故折射率梯度型光纖又稱(chēng)為自聚焦光纖。第十六張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月透鏡和自聚焦透鏡靠球面的折射來(lái)彎曲曲線靠折射率的梯度變化來(lái)彎曲曲線第十七張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7.2.3 單模光纖和多模光纖 由現(xiàn)象到本質(zhì) 送入光纖的光信號(hào)是一個(gè)完整的圓形光斑的激光束，光纖輸出端面上觀察到的光信號(hào)卻可能是分裂開(kāi)的幾個(gè)小光斑。為什么會(huì)出現(xiàn)光斑分裂現(xiàn)象？（導(dǎo)波光

6、學(xué)、模式） 光波是光頻電磁波，光纖是介質(zhì)波導(dǎo)，上述現(xiàn)象可用電磁波導(dǎo)理論解釋。 光纖波導(dǎo)中的麥克斯韋方程有許多獨(dú)立的特解，每一特解代表能獨(dú)立存在于波導(dǎo)中的一種模式或波型。光波導(dǎo)中總的電磁場(chǎng)分布可由這些可能存在的模式線性疊加來(lái)表示。第十八張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖波導(dǎo)中的光波模式 橫模和縱模 橫電模（TE）和橫磁模(TH) EH模和HE模單模光纖：只允許一種模式在光纖中傳輸；多模光纖：允許多個(gè)模式在光纖中傳輸。單模光纖和多模光纖的區(qū)分 歸一化頻率參量 階躍光纖第十九張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月每根曲線對(duì)應(yīng)于麥?zhǔn)戏匠探M的一個(gè)特解；解得允許值在kn1和kn2之間（纖芯

7、和包層中的波數(shù)）；隨V增大，不同模式的速度/由高（?。┑降停ù螅┳兓浑SV增大，允許存在的模式數(shù)目增多。基模單模光纖條件：V2.405第二十張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)V值很大時(shí)，允許存在的模式總數(shù)： 折射率：光纖纖芯與包層的折射率差越大，光纖中允許存在的模式數(shù)目越多； 引申：光纖端面的接收角越大，光纖中被激勵(lì)的模式數(shù)目越多；高階模式對(duì)應(yīng)大的入射角。 波長(zhǎng)：短波長(zhǎng)光激勵(lì)的模式多，存在截止工作波長(zhǎng)； 光纖半徑：半徑越大允許存在的模式越多。第二十一張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7.2.4 光纖中的模式耦合 光纖中的三類(lèi)模式 傳導(dǎo)模：場(chǎng)能量集中在光纖纖芯中沿光纖傳播，在包

8、層中迅速衰減； 泄漏模：場(chǎng)能量一部分泄漏到包層中，包層中的場(chǎng)是恒定值； 輻射模：能量從光纖包層向外輻射（不滿足全反射條件） 存在條件第二十二張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月模式耦合：不同模式間能量交換理想光纖 V確定后，光纖中存在一定數(shù)目的傳導(dǎo)模式，這些導(dǎo)模都是麥?zhǔn)戏匠探M的特解，彼此獨(dú)立傳播，相互之間沒(méi)有能量交換，即沒(méi)有模式耦合。實(shí)際光纖 存在缺陷（纖芯折射率不均、纖芯包層界面畸變等）破壞獨(dú)立傳播，導(dǎo)致各模式間能量交換，使模式幅度發(fā)生起伏變化。第二十三張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7.2.5 光纖的傳輸損耗 產(chǎn)生衰減的因素材料吸收（雜質(zhì)離子）和散射（氣泡等缺陷）光纖彎曲時(shí)

9、造成損耗： 改變傳播路徑，能量外泄光波導(dǎo)散射： 粗細(xì)不均、截面變形，能量輻射出去光在光纖中傳輸時(shí)會(huì)衰減，產(chǎn)生損耗。I(Z)=I0e -Z第二十四張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月包層損失損耗最低第二十五張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月引起的結(jié)果：限制光纖傳輸光信號(hào)的光頻帶寬，從而限制光纖的傳輸信息容量；種類(lèi)：模式色散（各模式傳輸速度不同） 材料色散（不同波長(zhǎng)的光傳播速度不同） 波導(dǎo)色散（不同波長(zhǎng)的光波使光纖V參數(shù)發(fā) 生變化，相速變化）光纖的色散：脈沖展寬現(xiàn)象第二十六張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7.3 單模光纖的偏振與雙折射 引言相位干涉調(diào)制型光纖傳感器：信號(hào)臂和

10、參考臂中的光波必須同偏振；偏振調(diào)制型光纖傳感器：為了使光的偏振態(tài)隨待檢測(cè)信號(hào)線性變化，要求光波的原始偏振態(tài)保持不變。因此，為減小光纖本身相位和偏振態(tài)的有害擾動(dòng)，需采用單模光纖。第二十七張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1 實(shí)際單模光纖的偏振特性 理想情況（圓截面、筆直、無(wú)缺陷）：兩個(gè)偏振分量傳播常數(shù)相等，相位差保持不變，始終合成為原來(lái)的偏振狀態(tài)。第二十八張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月實(shí)際光纖（這里研究呈橢圓形界面的均勻筆直光纖）：兩個(gè)模傳播常數(shù)不同，傳播過(guò)程中不再保持同相，合成偏振態(tài)變化。第二十九張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月產(chǎn)生雙折射偏振演變周期性重復(fù)偏振方向

11、上輻射最小垂直于偏振方向泄漏最多第三十張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2 單模光纖的雙折射 光的偏振效應(yīng)與光的雙折射同是介質(zhì)光學(xué)各向異性的兩種表現(xiàn)形式。單模光纖雙折射：兩個(gè)本來(lái)簡(jiǎn)并的模式的傳播常數(shù)出現(xiàn)差異。產(chǎn)生雙折射的原因：截面橢圓、光纖彎曲或扭曲、光纖電致或磁致效應(yīng)第三十一張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3 偏振型單模光纖 低雙折射單模光纖：理想圓對(duì)稱(chēng)光纖、自旋光纖。高雙折射單模光纖（偏振保持光纖，保偏光纖）絕對(duì)單模光纖：使一個(gè)模式截止或提高兩模式的消光比第三十二張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7.4 光纖的光波調(diào)制技術(shù) 引言敏感頭或傳感臂的作用：通過(guò)與待測(cè)對(duì)象

12、相互作用，將待測(cè)信息傳遞到光纖內(nèi)的導(dǎo)光波中，或?qū)⑿畔⒓虞d于光波之上。上述過(guò)程成為光波調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、光譜（顏色）調(diào)制第三十三張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7.4.1 光強(qiáng)度調(diào)制 1 透射機(jī)制光強(qiáng)度調(diào)制器組成：固定光纖+移動(dòng)光纖，隔開(kāi)一小段距離。第三十四張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月原理：光纖移動(dòng)導(dǎo)致透射到接收光纖中的光強(qiáng)發(fā)生規(guī)律變化。作用：測(cè)量能造成光纖移動(dòng)的物理量。第三十五張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月受抑全反射透射光強(qiáng)調(diào)制X較大：光纖內(nèi)部光全反射X較?。ü獠ㄩL(zhǎng)量級(jí)）：全反射受到抑制，大部分光功率耦合到另一光纖中去第三十六張，

13、PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2 反射機(jī)制光強(qiáng)度調(diào)制器組成：發(fā)送光纖+接收光纖+反射體。作用：探測(cè)反射體位置的變化。第三十七張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3 周期微彎?rùn)C(jī)制原理：將纖芯中的傳輸導(dǎo)模耦合入輻射模，光纖中的透射光強(qiáng)和逸出光纖的輻射光強(qiáng)發(fā)生變化。作用：探測(cè)位移。有效光強(qiáng)調(diào)制第三十八張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4 光纖功能機(jī)制特點(diǎn)：無(wú)需借助外界變化；原理：利用光纖纖芯材料的化學(xué)性質(zhì)變化實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制；主要機(jī)制：吸收、散射、熒光、折射率變化和偏振。例如吸收機(jī)制，在光纖中摻入產(chǎn)生吸收光譜的材料，一些吸收峰對(duì)溫度敏感，另一些吸收峰對(duì)溫度不敏感，兩種波長(zhǎng)處的光強(qiáng)之

14、比可作為溫度的傳感函數(shù)。第三十九張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7.4.2 光相位調(diào)制及干涉測(cè)量法 特點(diǎn)：靈敏度高相位調(diào)制機(jī)制 物理因素：應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)和由溫度變化引起的熱脹冷縮效應(yīng)。第四十張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1 應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng) 施加于光纖縱向（軸向）的應(yīng)力產(chǎn)生三方面的相位調(diào)制效應(yīng)：光纖長(zhǎng)度變化產(chǎn)生縱向應(yīng)變，直接導(dǎo)致光波相位變化；光纖直徑變化產(chǎn)生橫向泊松應(yīng)變，進(jìn)而導(dǎo)致波數(shù)變化，最終導(dǎo)致相位變化；光纖縱、橫向應(yīng)變產(chǎn)生二次效應(yīng)光彈效應(yīng)，導(dǎo)致折射率變化，從而導(dǎo)致相位變化。2 熱脹冷縮機(jī)制 第四十一張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月干涉測(cè)量原理光波干涉條紋記錄了相位

15、，相位變化時(shí)干涉條紋會(huì)運(yùn)動(dòng)，記錄干涉條紋的移動(dòng)數(shù)目，就測(cè)得了相位變化量，也就測(cè)得了導(dǎo)致相位變化物理量。干涉儀由兩臂組成：參考臂：提供相位基準(zhǔn)；傳感臂：敏感待測(cè)物理量（聲、力、電磁、溫度等）的變化，進(jìn)行光相位調(diào)制第四十二張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月幾種干涉儀及其光纖結(jié)構(gòu)第四十三張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7.4.3 偏振調(diào)制 調(diào)制機(jī)制：電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、光彈效應(yīng)作用：用于快速電場(chǎng)、電壓的傳感測(cè)量普克爾效應(yīng)線性電光效應(yīng)克爾效應(yīng)平方電光效應(yīng)法拉第效應(yīng)磁致旋光效應(yīng)光彈效應(yīng)：光纖在正交方向上受到壓力差作用 第四十四張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7.4.4 頻率調(diào)

16、制 調(diào)制機(jī)制：光學(xué)多普勒效應(yīng)：光源和探測(cè)器都不動(dòng)，但探測(cè)器探測(cè)從運(yùn)動(dòng)體散射或反射來(lái)的光波頻率同樣也是變化的。光頻率的變化量稱(chēng)為多普勒頻移。作用：感知流體速度第四十五張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月原理：測(cè)得多普勒頻移，即可求得流體速度;典型應(yīng)用：醫(yī)學(xué)上對(duì)血液流動(dòng)的測(cè)量。第四十六張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7.4.5 顏色（光譜）調(diào)制 顏色調(diào)制：傳感頭的光譜特性隨外界物理量變化的效應(yīng)。調(diào)制機(jī)制：熱色效應(yīng)：某些物質(zhì)的光吸收譜強(qiáng)烈地隨溫度而變化，溫度傳感元件；黑體輻射效應(yīng)：光纖中熱點(diǎn)本身的黑體熱輻射隨溫度變化而變化，在高溫傳感中廣泛應(yīng)用；熒光效應(yīng)：熒光特性與溫度相關(guān)，測(cè)量熒光

17、特性的變化可檢測(cè)溫度；透明度效應(yīng)：某些化學(xué)指示劑的透明度在紅光區(qū)對(duì)溶液的pH值敏感。第四十七張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7.5 光纖傳感器 7.5.1 光纖溫度傳感器半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器（傳光型）第四十八張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器（傳光型） 熱色效應(yīng)：許多無(wú)機(jī)溶液的顏色隨溫度而變化，因而溶液的光吸收譜線也隨溫度而變化。敏感信號(hào)655nm光透過(guò)率幾乎與溫度成線性關(guān)系參考信號(hào)800nm幾乎與溫度無(wú)關(guān)第四十九張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第五十張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖溫度開(kāi)關(guān)傳感器（功能型）原理：若光纖纖芯

18、和包層材料折射率隨溫度變化，且在某一溫度下出現(xiàn)交叉，光能進(jìn)入包層。溫度再升高，纖芯中光能量傳輸中斷，傳感器報(bào)警。優(yōu)點(diǎn)：傳感器電絕緣，不怕強(qiáng)電磁干擾，可用于大型發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)及變壓器中進(jìn)行溫度控制。第五十一張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月?lián)诫s光纖溫度傳感器（功能型）原理：摻雜稀土元素的玻璃光纖，產(chǎn)生溫度敏感的吸收光譜。840860第五十二張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 7.5.2 光纖壓力傳感器微彎式光纖壓力傳感器（功能型）剝模器作用：吸收進(jìn)入光纖包層的光，以免干擾測(cè)量結(jié)果。例如在幾厘米長(zhǎng)的光纖外面涂上黑炭。第五十三張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 7.5.3 光纖流量流速傳感器壓差流量傳感器利用光纖壓力傳感器實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量。原理：減小流體流過(guò)的橫截面積將對(duì)流體產(chǎn)生流阻，當(dāng)流體通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生壓力差；壓力差的變化正比于流量大小。第五十四張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖激光多普勒測(cè)速計(jì)典型應(yīng)用：光纖血流計(jì)紅血球作為運(yùn)動(dòng)體散射回光纖，產(chǎn)生多普勒頻移，通過(guò)檢測(cè)頻移量，可求出血流速度。第五十五張，PPT共六十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7.5.4 光纖位移傳感器通過(guò)對(duì)位移的測(cè)量，可知物體表面粗糙度、曲率半徑、傾斜度、轉(zhuǎn)動(dòng)、振