光纖傳感器應(yīng)用舉例

光纖傳感器應(yīng)用舉例第一頁(yè)，共56頁(yè)。光纖式傳感器應(yīng)用舉例7

工業(yè)用內(nèi)窺鏡8

光纖加速度傳感器9

光纖光柵傳感器10

光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用11

光纖納米生物傳感器12

光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展第二頁(yè)，共56頁(yè)。1

光纖溫度傳感器

光纖測(cè)溫技術(shù)是一種新技術(shù)，光纖溫度傳感器是工業(yè)中應(yīng)用最多的光纖傳感器之一。按調(diào)制原理分為相干型和非相干型兩類(lèi)。在相干型中有偏振干涉、相位干涉以及分布式溫度傳感器等；在非相干型中有輻射溫度計(jì)、半導(dǎo)體吸收式溫度計(jì)、熒光溫度計(jì)等。第三頁(yè)，共56頁(yè)。1

光纖溫度傳感器

1.半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器

半導(dǎo)體材料的光吸收和溫度的關(guān)系曲線(xiàn)如圖所示。半導(dǎo)體材料的吸收邊波長(zhǎng)lg(T)隨溫度增加而向較長(zhǎng)波長(zhǎng)方向位移。第四頁(yè)，共56頁(yè)。1

光纖溫度傳感器

若能適當(dāng)選擇發(fā)光二極管，使其光譜范圍正好落在吸收邊的區(qū)域，即可做成透射式光纖溫度傳感器。透過(guò)半導(dǎo)體的光強(qiáng)隨溫度升高而減少。第五頁(yè)，共56頁(yè)。1

光纖溫度傳感器

圖示為雙光纖參考基準(zhǔn)通道法半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。

光源為GaAlAs發(fā)光二極管，測(cè)溫介質(zhì)為測(cè)量光纖上的半導(dǎo)體材料CdTe。參考光纖上面沒(méi)有敏感材料。采用除法器消除外界干擾，提高測(cè)量精度。測(cè)溫范圍在40℃～120℃之間，精度為±1℃。第六頁(yè)，共56頁(yè)。1

光纖溫度傳感器2.干涉型光纖溫度傳感器

溫度變化能引起光纖中傳輸光的相位變化，利用光纖干涉儀檢測(cè)相位變化即可測(cè)得溫度。圖示是利用馬赫—曾特爾干涉儀測(cè)溫的原理圖。光通過(guò)信號(hào)臂產(chǎn)生的相位變化為式中，L為感受溫度變化的光纖段的長(zhǎng)度，l為光源波長(zhǎng)。第七頁(yè)，共56頁(yè)。1

光纖溫度傳感器

例8.1

若已知光源波長(zhǎng)l＝0.6328mm，對(duì)n＝1.456的單模石英玻璃光纖，有試計(jì)算在1m的光纖上，溫度每變化1℃時(shí)，將有幾根條紋移動(dòng)。第八頁(yè)，共56頁(yè)。1

光纖溫度傳感器解

根據(jù)式(8.20)，對(duì)溫度求導(dǎo)得代入已知條件得則條紋移動(dòng)數(shù)

。第九頁(yè)，共56頁(yè)。2

光纖位移傳感器

1.反射強(qiáng)度調(diào)制型位移傳感器

通過(guò)改變反射面與光纖端面之間的距離來(lái)調(diào)制反射光的強(qiáng)度。Y形光纖束由幾百根至幾千根直徑為幾十mm的階躍型多模光纖集束而成。它被分成纖維數(shù)目大致相等，長(zhǎng)度相同的兩束。第十頁(yè)，共56頁(yè)。2

光纖位移傳感器

發(fā)送光纖束和接收光纖束在匯集處端面的分布有多種，如隨機(jī)分布、對(duì)半分布、同軸分布(分為接收光纖在外層和接收光纖在內(nèi)層兩類(lèi))，如圖所示。第十一頁(yè)，共56頁(yè)。2

光纖位移傳感器

反射光強(qiáng)與位移的關(guān)系如圖所示。可以看出，隨機(jī)分布時(shí)傳感器的靈敏度和線(xiàn)性都較好。還可以看出，AB段的靈敏度和線(xiàn)性好，但測(cè)量范圍小，CD段的斜率小即靈敏度低，但線(xiàn)性范圍寬。1—隨機(jī)分布；2—對(duì)半分布；3—同軸分布；4—同軸分布AMBCDM第十二頁(yè)，共56頁(yè)。2

光纖位移傳感器

假設(shè)傳感器工作在AB段，偏置工作點(diǎn)在M，被測(cè)物體的反射面與光纖端面之間的初始距離是M點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的距離XM。由曲線(xiàn)可知，隨位移增加光強(qiáng)增加，反之則光強(qiáng)減少，故由此可確定位移方向。1—隨機(jī)分布；2—對(duì)半分布；3—同軸分布；4—同軸分布AMBCDM第十三頁(yè)，共56頁(yè)。2

光纖位移傳感器

光纖位移傳感器一般用來(lái)測(cè)量小位移。最小能檢測(cè)零點(diǎn)幾mm的位移量。這種傳感器已在鍍層不平度、零件橢圓度、錐度、偏斜度等測(cè)量中得到應(yīng)用，它還可用來(lái)測(cè)量微弱振動(dòng)，而且是非接觸測(cè)量。第十四頁(yè)，共56頁(yè)。2

光纖位移傳感器

2.干涉型光纖位移傳感器

干涉型光纖位移傳感器和反射光強(qiáng)調(diào)制型位移傳感器相比，測(cè)量范圍大，測(cè)量精度高。測(cè)量位移的邁克爾遜干涉儀如圖所示。1－氦氖激光器；2－分束器；3－擴(kuò)束鏡；4－反射鏡；5－可移動(dòng)四面體棱鏡；6－全息照片；7－光纖參考臂；8－光探測(cè)器；9－可逆計(jì)數(shù)器；10－光闌第十五頁(yè)，共56頁(yè)。

物光和參考光干涉，在全息干板上形成干涉條紋。四面體棱鏡移動(dòng)時(shí)，由于光程差變化而使干涉條紋移動(dòng)，從干涉條紋的移動(dòng)量可以確定位移的大小。兩個(gè)光探測(cè)器用來(lái)確定移動(dòng)方向。1－氦氖激光器；2－分束器；3－擴(kuò)束鏡；4－反射鏡；5－可移動(dòng)四面體棱鏡；6－全息照片；7－光纖參考臂；8－光探測(cè)器；9－可逆計(jì)數(shù)器；10－光闌2

光纖位移傳感器第十六頁(yè)，共56頁(yè)。3

光纖流量、流速傳感器

1.光纖渦流流量計(jì)

原理如圖所示。采用一根橫貫液流管的大數(shù)值孔徑的多模光纖作為傳感元件。光纖受到液體渦流的作用而振動(dòng)，這種振動(dòng)與液體的流速有關(guān)。第十七頁(yè)，共56頁(yè)。3

光纖流量、流速傳感器

根據(jù)流體力學(xué)原理，由于光纖不是流線(xiàn)體，在一定條件下，在其下游會(huì)產(chǎn)生渦流。這種渦流是在光纖下游兩側(cè)產(chǎn)生的有規(guī)律的漩渦，稱(chēng)為卡門(mén)“渦街”，由于漩渦列之間的相互作用，渦列一般不穩(wěn)定，但是實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)滿(mǎn)足h/l＝0.281時(shí)，渦列是穩(wěn)定的。第十八頁(yè)，共56頁(yè)。3

光纖流量、流速傳感器

當(dāng)每個(gè)漩渦產(chǎn)生并瀉下時(shí)，它會(huì)在光纖上產(chǎn)生一種側(cè)向力，這樣就有一個(gè)周期力作用在光纖上，使其振動(dòng)。野外的電線(xiàn)等在風(fēng)吹動(dòng)下會(huì)嗡嗡作響，就是這種現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明，光纖振動(dòng)的頻率由下式得出式中，u為流速；d為光纖直徑；s為斯特羅哈數(shù)(無(wú)量綱)，當(dāng)雷諾數(shù)Re在500～150000范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)圓柱體s≈0.2。第十九頁(yè)，共56頁(yè)。3

光纖流量、流速傳感器

當(dāng)光通過(guò)未受擾動(dòng)的光纖時(shí)，如果光纖直徑為200mm～300mm，在距離光纖端面約15～20cm的地方可以觀察到清晰而穩(wěn)定的斑圖，但它的分布是無(wú)規(guī)則的。當(dāng)光纖振動(dòng)時(shí)，這些斑圖就會(huì)不斷地振動(dòng)，如用光探測(cè)器接收斑圖的一個(gè)小區(qū)域，即可通過(guò)頻譜儀讀出光纖振動(dòng)的頻率。由式(8.23)算出流速，在管子尺寸一定的條件下，就可得出流量。第二十頁(yè)，共56頁(yè)。3

光纖流量、流速傳感器

這種流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且安全可靠，可用于易燃、易爆及有腐蝕性的液體測(cè)量。因?yàn)楣饫w直徑很細(xì)，對(duì)流體的流阻小，對(duì)流場(chǎng)幾乎沒(méi)有影響。不足之處是對(duì)低速流體不敏感。第二十一頁(yè)，共56頁(yè)。3

光纖流量、流速傳感器

2.光纖多普勒血流傳感器

利用多普勒效應(yīng)可構(gòu)成光纖速度傳感器。由于光纖很細(xì)(外徑約幾十mm)，能裝在注射器針頭內(nèi)，插入血管中。又由于光纖速度傳感器沒(méi)有觸電的危險(xiǎn)，所以用于測(cè)量心臟內(nèi)的血流十分安全。第二十二頁(yè)，共56頁(yè)。3

光纖流量、流速傳感器

圖示為光纖多普勒血流傳感器的原理圖。測(cè)量光束通過(guò)光纖探針進(jìn)到被測(cè)血流中，經(jīng)直徑約7mm的紅血球散射，一部分光按原路返回，得到多普勒頻移信號(hào)f＋Df，頻移Df為式中，u為血流速度；n為血液的折射率；q為光纖軸線(xiàn)與血管軸線(xiàn)的夾角；l為激光波長(zhǎng)。f+Df第二十三頁(yè)，共56頁(yè)。3

光纖流量、流速傳感器

另一束進(jìn)入驅(qū)動(dòng)頻率為f1＝40MHz的布喇格盒(頻移器)，得到頻率為f－f1的參考光信號(hào)。f1+Dff-f1

將參考光信號(hào)與多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行混頻，就得到要探測(cè)的信號(hào)。這種方法稱(chēng)為光學(xué)外差法。f+Df第二十四頁(yè)，共56頁(yè)。3

光纖流量、流速傳感器

經(jīng)光電二極管將混頻信號(hào)變換成光電流送入頻譜分析儀，得出對(duì)應(yīng)于血流速度的多普勒頻移譜(速度譜)，如右圖所示。f1+Dff-f1f+Df第二十五頁(yè)，共56頁(yè)。3

光纖流量、流速傳感器

典型的光纖血流傳感器可在0～1000cm/s速度范圍內(nèi)使用，空間分辨率為100mm，時(shí)間分辨率為8ms。光纖血流傳感器的缺點(diǎn)是光纖插入血管中會(huì)干擾血液流動(dòng)，另外背向散射光非常微弱，在設(shè)計(jì)信號(hào)檢測(cè)電路時(shí)必須考慮。第二十六頁(yè)，共56頁(yè)。4

光纖磁傳感器

按工作原理可分為：①根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)直接實(shí)現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換，②根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)，利用力或其他物理量間接實(shí)現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換。

1.利用法拉第磁光效應(yīng)的光纖傳感器

利用法拉第磁光效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的方法很多，如強(qiáng)度調(diào)制方式，偏振光度測(cè)量方式和外差方式等，這里僅介紹偏振光度測(cè)量方式。第二十七頁(yè)，共56頁(yè)。4

光纖磁傳感器

偏振光經(jīng)保偏光纖、自聚焦透鏡進(jìn)入法拉第磁光盒，經(jīng)多次反射后進(jìn)入渥拉斯登棱鏡，把偏振光變成振動(dòng)方向相互垂直的兩束光。渥拉斯登棱鏡第二十八頁(yè)，共56頁(yè)。

設(shè)無(wú)磁場(chǎng)時(shí)出射光的偏振軸與棱鏡的偏振軸夾角為45，這樣D1和D2光電管接收的光強(qiáng)為式中，q為偏振面的旋轉(zhuǎn)角度；I0為入射光強(qiáng)；I1、I2為兩偏振光的強(qiáng)度。4

光纖磁傳感器第二十九頁(yè)，共56頁(yè)。4

光纖磁傳感器

采用圖中的“加”、“減”和“除”法運(yùn)算后，其輸出通過(guò)測(cè)量P就能確定q，利用式(8.17)即可確定B。第三十頁(yè)，共56頁(yè)。4

光纖磁傳感器

2.利用磁致伸縮效應(yīng)的光纖傳感器

在磁場(chǎng)作用下，磁性物體的尺寸會(huì)發(fā)生改變，這種現(xiàn)象即為磁致伸縮效應(yīng)。光纖磁致伸縮效應(yīng)傳感器是在光纖上涂覆磁致伸縮性能良好的材料薄膜，或者將光纖緊繞在磁致伸縮材料芯棒上。在外磁場(chǎng)作用下，由于磁致伸縮效應(yīng)，纖芯長(zhǎng)度變化及纖芯折射率變化，都會(huì)導(dǎo)致光程的相應(yīng)變化。第三十一頁(yè)，共56頁(yè)。4

光纖磁傳感器

圖示為結(jié)構(gòu)原理圖。其靈敏度與磁性體磁致伸縮效應(yīng)的強(qiáng)弱、膜厚度和膜長(zhǎng)度有關(guān)，主要取決于材料的磁致伸縮常數(shù)。第三十二頁(yè)，共56頁(yè)。5

醫(yī)用光纖傳感器

醫(yī)用光纖傳感器體積小、電絕緣和抗電磁干擾性能好，特別適于身體的內(nèi)部檢測(cè)。可以用來(lái)測(cè)量體溫、體壓、血流量、pH值等醫(yī)學(xué)參量。光纖多普勒血流傳感器已用于薄壁血管、小直徑血管、蛙的蛛網(wǎng)狀組織，老鼠的視網(wǎng)膜皮層的血流測(cè)量等。第三十三頁(yè)，共56頁(yè)。5

醫(yī)用光纖傳感器

1.醫(yī)用內(nèi)窺鏡

由于光纖柔軟、自由度大、傳輸圖像失真小，引入醫(yī)用內(nèi)窺鏡后，可以方便的檢查人體的許多部位。上圖為腹腔鏡的剖視圖。圖像導(dǎo)管直徑約3.4mm。下圖為觀察部位的照片。第三十四頁(yè)，共56頁(yè)。5

醫(yī)用光纖傳感器

2.光纖體壓計(jì)

可用來(lái)檢測(cè)人體各部位的體壓，如膀胱、直腸、顱內(nèi)和心血管等，測(cè)量范圍通常為0～40kPa。

圖所為一種醫(yī)用體壓計(jì)探針的結(jié)構(gòu)示意圖，在探針端部的開(kāi)孔上安裝有對(duì)壓力敏感的防水薄膜。膜片通過(guò)懸臂梁與反射鏡相連。

p防水薄膜第三十五頁(yè)，共56頁(yè)。6

分布式光纖傳感器

分布式傳感器是指能同時(shí)測(cè)量空間多個(gè)點(diǎn)甚至空間連續(xù)分布的環(huán)境參數(shù)的傳感器。

利用光纖本身特征的功能型光纖可構(gòu)成性能優(yōu)良的分布式光纖傳感器，特別適于需要同時(shí)監(jiān)測(cè)在光纖通過(guò)的路途上大量位置處連續(xù)變化的物理量，如建筑物、橋梁、水壩、儲(chǔ)油罐等大型結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的檢測(cè)，石油鉆井平臺(tái)、飛機(jī)、航天器、電力變壓器、發(fā)電機(jī)組、反應(yīng)堆等場(chǎng)合應(yīng)力和溫度分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。第三十六頁(yè)，共56頁(yè)。6

分布式光纖傳感器

根據(jù)不同的原理，可構(gòu)成不同的分布式光纖傳感器，如利用后向瑞利散射的、利用喇曼效應(yīng)的、利用布里淵效應(yīng)的和利用前向傳輸模耦合的分布式光纖傳感技術(shù)等。第三十七頁(yè)，共56頁(yè)。6

分布式光纖傳感器

瑞利散射是入射光與介質(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈性碰撞所引起的，散射光的頻率與入射光的頻率相同。光脈沖在光纖中傳播時(shí)，由于瑞利散射而發(fā)生能量損耗，通過(guò)檢測(cè)后向散射光的強(qiáng)度，就可獲得衰減程度沿光纖的分布狀況，這是一種最簡(jiǎn)單的分布式傳感器，也是光纖通信中查找光纜故障和缺陷定位的一種診斷技術(shù)。第三十八頁(yè)，共56頁(yè)。6

分布式光纖傳感器

在利用后向瑞利散射的光纖傳感技術(shù)中，一般采用光時(shí)域反射(OTDR)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的空間定位。依據(jù)瑞利散射光在光纖中受到的調(diào)制作用，該傳感技術(shù)可分為強(qiáng)度調(diào)制型和偏振態(tài)調(diào)制型。第三十九頁(yè)，共56頁(yè)。6

分布式光纖傳感器

OTDR原理如圖所示。根據(jù)后向散射功率的對(duì)數(shù)斜率ai是否變化，可知道光纖內(nèi)是否存在故障點(diǎn)。觀測(cè)后向散射脈沖的到達(dá)時(shí)間t，便可測(cè)得故障點(diǎn)的位置z。第四十頁(yè)，共56頁(yè)。6

分布式光纖傳感器

式中，c為真空中光速；n為纖芯折射率。

OTDR的空間分辨率，即可分辨的兩個(gè)故障點(diǎn)的最小距離，是由脈沖寬度t決定的，可表示為

一般情況下，OTDR反射信號(hào)很弱，要獲得高信噪比，常常需要對(duì)多個(gè)探測(cè)脈沖求平均。第四十一頁(yè)，共56頁(yè)。6

分布式光纖傳感器

利用適當(dāng)?shù)墓饫w結(jié)構(gòu)，使損耗系數(shù)ai與環(huán)境的某個(gè)物理量有關(guān)，則可對(duì)其進(jìn)行分布式測(cè)量。例如：①外界壓力或變形使光纖產(chǎn)生的微彎損耗；②在光纖中摻雜稀土離子后，衰減與環(huán)境溫度有關(guān)；③利用保偏光纖，若環(huán)境使光纖產(chǎn)生應(yīng)力，將導(dǎo)致光信號(hào)的偏振狀態(tài)發(fā)生變化；④利用克爾效應(yīng)或法拉第磁光效應(yīng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)偏振狀態(tài)來(lái)測(cè)量電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布。第四十二頁(yè)，共56頁(yè)。7

工業(yè)用內(nèi)窺鏡

在工業(yè)生產(chǎn)的某些過(guò)程中，經(jīng)常需要檢查某些系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況，而這些系統(tǒng)由于種種原因不能打開(kāi)或靠近觀察，采用光纖圖像傳感器可解決這一難題。第四十三頁(yè)，共56頁(yè)。8

光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器如圖所示。第四十四頁(yè)，共56頁(yè)。9

光纖光柵傳感器

1978年首次觀察到摻鍺光纖中因光誘導(dǎo)產(chǎn)生的光柵效應(yīng)，其后又發(fā)展了紫外光側(cè)面寫(xiě)入光敏光纖光柵技術(shù)。所謂光纖的光敏性是指，摻雜光纖中通過(guò)激光時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化。如用激光干涉條紋側(cè)面輻照摻鍺光纖，就會(huì)使其成為光纖光柵，并且在500℃以下穩(wěn)定不變，用500℃以上的高溫可擦除。這種光柵制作簡(jiǎn)單，在光纖通信和光纖傳感中都有相當(dāng)重要的應(yīng)用。第四十五頁(yè)，共56頁(yè)。9

光纖光柵傳感器

光纖光柵是利用光纖的光敏性(也稱(chēng)為光致折射率變化效應(yīng))制成的。光纖光柵實(shí)質(zhì)上是一種波長(zhǎng)選擇反射器，它的反射信號(hào)的波長(zhǎng)會(huì)受施于其上的溫度和應(yīng)變的影響而發(fā)生變化。利用光纖光柵的溫度和應(yīng)變兩種效應(yīng)，可以檢測(cè)許多物理量，在傳感技術(shù)中應(yīng)用前景十分廣闊。第四十六頁(yè)，共56頁(yè)。10

光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用

光纖層析成像分析技術(shù)源于X射線(xiàn)層析成像分析(CT)，其基本原理是，當(dāng)光線(xiàn)經(jīng)過(guò)被測(cè)樣品時(shí)，不同樣品材料的吸收特性不同，因此對(duì)經(jīng)過(guò)樣品的光線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量、分析，并根據(jù)預(yù)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)進(jìn)行解算就可得到所需要的樣品參數(shù)。根據(jù)原理和應(yīng)用場(chǎng)合的不同，可分為光相干層析成像分析技術(shù)(OCT)和光過(guò)程層析成像分析技術(shù)(OPT)。第四十七頁(yè)，共56頁(yè)。10

光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用

OCT的基本原理如圖所示，一個(gè)光脈沖在樣品的不同深度處反射回來(lái)的時(shí)間是不同的，通過(guò)測(cè)量光脈沖從樣品中反射回來(lái)的時(shí)間延時(shí)，可得到樣品深度方向的結(jié)構(gòu)圖像。第四十八頁(yè)，共56頁(yè)。10

光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用

若想反映mm量級(jí)的深度差別，則時(shí)間延遲將短至10－15s，電子設(shè)備難以直接測(cè)量，故利用邁克爾遜干涉儀進(jìn)行測(cè)量。第四十九頁(yè)，共56頁(yè)。10

光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用

OCT主要應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分