光導(dǎo)纖維傳感器

關(guān)于光導(dǎo)纖維傳感器

光纖傳感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時具有光纖及光學(xué)測量的特點。

12.1概論第2頁,共44頁，2024年2月25日，星期天一、光纖傳感器的特點二、常用光纖類型及參數(shù)①電絕緣性能好。②抗電磁干擾能力強。③非侵入性。④高靈敏度。⑤容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量第3頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

常用光纖類型及參數(shù)類型折射率分布distributionofrefractiveindex纖芯直徑/μmDiameterofcore包層直徑/μmDiameterofenvelope數(shù)值孔徑Numericalaperture單模2~880~1250.10~0.15多模階躍光纖(玻璃)80~200100~2500.1~0.3多模階躍光纖(玻璃/塑料)200~1000230~12500.18~0.50多模梯度光纖50~100125~1500.1~0.2單模光纖:Mono-modefiber;多模光纖:Poly-modefiber第4頁,共44頁，2024年2月25日，星期天三、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理及分類1、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的電信號的裝置。它的電源、敏感元件、信號接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導(dǎo)線連接，見圖(a)。光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖的)、光接收器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，見圖(b)。光纖信號處理光接收器敏感元件光發(fā)送器（b）光纖傳感器信號處理電源信號接收敏感元件（a）傳統(tǒng)傳感器導(dǎo)線

由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng)信號處理得到所期待的被測量。第5頁,共44頁，2024年2月25日，星期天可見,光纖傳感器與以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器相比較，在測量原理上有本質(zhì)的差別。傳統(tǒng)傳感器是以機—電測量為基礎(chǔ)，而光纖傳感器則以光學(xué)測量為基礎(chǔ)。光是一種電磁波，其波長從極遠紅外的lmm到極遠紫外線的10nm。它的物理作用和生物化學(xué)作用主要因其中的電場而引起。因此，討論光的敏感測量必須考慮光的電矢量E的振動，即

A——電場E的振幅矢量；ω——光波的振動頻率；φ——光相位；t——光的傳播時間?？梢?，只要使光的強度、偏振態(tài)(矢量A的方向)、頻率和相位等參量之一隨被測量狀態(tài)的變化而變化，或受被測量調(diào)制，那么，通過對光的強度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進行解調(diào)，獲得所需要的被測量的信息。

第6頁,共44頁，2024年2月25日，星期天傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測量光纖分類干涉型相位調(diào)制光纖傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場電場、電壓角速度振動、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非

干

涉

型

強度調(diào)制光纖溫度傳感器遮光板遮斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振調(diào)制光纖溫度傳感器法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場電場、電壓、溫度振動、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb頻率調(diào)制光纖溫度傳感器多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動、加速度氣體濃度溫度MMMMMMcbb注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型

2、光纖傳感器的分類第7頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

1）功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學(xué)特性(光強、相位、偏振態(tài)等)的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。信號處理光受信器光纖敏感元件光發(fā)送器（1）根據(jù)光纖在傳感器中的作用光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三大類。第8頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器

光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。信號處理光受信器敏感元件光發(fā)送器光纖

3）拾光型光纖傳感器

用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。

信號處理光受信器光發(fā)送器光纖耦合器被測對象第9頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

（2）根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式形式：強度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。

1）強度調(diào)制型光纖傳感器是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動膜或液晶的反射光強度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機械的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強度調(diào)制型光纖傳感器。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，成本低。缺點：受光源強度波動和連接器損耗變化等影響較大。第10頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

2）偏振調(diào)制光纖傳感器是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的傳感器。有利用光在磁場中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流、磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡爾效應(yīng)做成的電場、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動等傳感器。這類傳感器可以避免光源強度變化的影啊，因此靈敏度高。

3）頻率調(diào)制光纖傳感器是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進行監(jiān)測的傳感器。有利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強光照射時的喇曼散射構(gòu)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。第11頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

4）相位調(diào)制傳感器

其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本高。

第12頁,共44頁，2024年2月25日，星期天光的全反射實驗

12.2光纖傳感器的基本知識第13頁,共44頁，2024年2月25日，星期天光的反射、折射

當一束光線以一定的入射角θ1從介質(zhì)1射到介質(zhì)2的分界面上時，一部分能量反射回原介質(zhì)；另一部分能量則透過分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。

第14頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

光的全反射

當減小入射角時，進入介質(zhì)2的折射光與分界面的夾角將相應(yīng)減小，將導(dǎo)致折射波只能在介質(zhì)分界面上傳播。對這個極限值時的入射角，定義為臨界角θc。當入射角小于θc時，入射光線將發(fā)生全反射。第15頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

12.2.1光線理論一、均勻纖芯光纖傳光的光線理論1、子午光線的傳播第16頁,共44頁，2024年2月25日，星期天光纖數(shù)值孔徑NA:2、斜光線的傳播最大端面入射角斜＞子午；斜光線在纖芯內(nèi)呈螺旋狀全反射折線向前傳播；斜光線與

=0的光線時差很大，即斜光線的色散很大，所以斜光線的傳輸帶寬很窄；第17頁,共44頁，2024年2月25日，星期天二、非均勻纖芯光纖傳光的光線理論第18頁,共44頁，2024年2月25日，星期天包層第19頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

非均勻纖芯光纖的折射率分布表示為：

n(r)=n(0)·f(r)

當n(r)滿足雙曲正割分布時，即：n(r)=n(0)·sech(αr)

不同入射角的子午光線將同周期傳播，傳播波長為：

Λ=2π/α且光纖內(nèi)光線的傳播軌跡為正弦波，稱之為自聚焦光纖

Λ第20頁,共44頁，2024年2月25日，星期天第21頁,共44頁，2024年2月25日，星期天12.2.2波動理論一、傳播模式的定義光在光纖中傳播時電磁場的不同分布形式稱為模式。采用圓柱坐標，各模式的定義如下：

磁場分量:HZ≠0（軸向）；Hφ=0；Hr=0；電場分量:Eφ≠0；Er≠0；EZ=0；

m、n分別表示φ、r方向的波節(jié)數(shù)，均為整數(shù)；1、TEmn

模：第22頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

當在軸向即有電場分量又有磁場分量時，稱為混合模；電場分量占優(yōu)勢而磁場分量較弱時，記為EHmn模，反之，為HEmn

模；2、TMmn

模：磁場分量:HZ=

0；Hφ≠0；Hr≠0；電場分量:Eφ=0；Er=0；EZ≠0

（軸向）；3、HEmn

模和EHmn模：第23頁,共44頁，2024年2月25日，星期天二、特征方程的解指在一定邊界條件下，麥克斯韋方程的解，它是一系列離散值β，其大小取決于光纖參數(shù)：a,n1,n2,λ0;則β值為歸一化頻率γ的函數(shù)。定義歸一化頻率γ：第24頁,共44頁，2024年2月25日，星期天截止條件：當減小歸一化頻率γ

值，使得某個模式的β值等于2πn2/λ0時，該模式就不能在光纖中傳輸了，稱該模截止了。截止時的γ

值稱為該模式的截止頻率。三、截止條件和單模傳輸HE11模的截止頻率最小，為零；其次為TE01、TM01模的截止頻率γ=2.405;單模傳輸:當γ＜2.405時，光纖中傳輸?shù)碾姶挪ㄖ挥幸粋€HE11模式，稱為單模傳輸；第25頁,共44頁，2024年2月25日，星期天當γ值在2.405~3.8范圍，特征方程有四個解，既有四個模式在光纖中傳播，它們是：HE11、TE01、TM01、HE21單模光纖：能實現(xiàn)單模傳輸?shù)墓饫w；條件為：

γ＜2.405單模光纖的直徑很小，一般為：5~10μm；多模光纖的直徑一般為：50~150μm；第26頁,共44頁，2024年2月25日，星期天12.3光纖傳感器一、強度調(diào)制型光纖傳感器光源光探測器z光源光探測器第27頁,共44頁，2024年2月25日，星期天與光纖耦合的電光與光電轉(zhuǎn)換器件實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的元件通常是發(fā)光二極管或激光二極管。

第28頁,共44頁，2024年2月25日，星期天激光二極管的外形

第29頁,共44頁，2024年2月25日，星期天專用的光纖連接頭及光纖插座

光纖與電光轉(zhuǎn)換元件耦合時，兩者的軸心必須嚴格對準并固定，可使用專用的連接頭及光纖插座來完成。

第30頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

機械應(yīng)變引起光纖的機械尺寸變化；某些物體內(nèi)部存在應(yīng)力時，會產(chǎn)生折射率在不同方向有不同變化的現(xiàn)象；二、相位調(diào)制型光纖傳感器（干涉型）

相位變化→干涉光強變化檢測靈敏度極高，一般可測＜10-6rad的相位變化例：1℃→100rad的相位變化（1米光纖），測溫分辨率可達10-8℃

；

常見相位調(diào)制方法：

1、機械應(yīng)變及光彈性效應(yīng)第31頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

反射鏡1

光源分光鏡反射鏡2

激光器光探測器第32頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

分光鏡反射鏡1反射鏡2分光鏡第33頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

保護管內(nèi)為高溫光纖低溫光纖光纖溫度傳感器

第34頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

氦氖激光器擴束器

單模光纖

2、溫度效應(yīng)溫度變化引起光纖的尺寸及折射率變化：3、磁致伸縮、電致伸縮效應(yīng)將單模光纖表面鍍上磁致伸縮、電致伸縮材料，則當磁場、電場作用于光纖時，使光纖長度變化，從而相位變化；光探測器被測溫度場第35頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

I待測電流信號光纖磁致伸縮管待測磁場耦合器參考光纖磁敏感臂信號光纖激光器耦合器光探測器信號光纖待測電壓U

壓電陶瓷PZT第36頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

偏振方向轉(zhuǎn)動角度：θ=VHL

式中：V——韋德耳系數(shù)；

H——外加磁場強度；

L——物體的長度；三、偏振調(diào)制型光纖傳感器常見偏振調(diào)制方法：1、法拉第旋光效應(yīng)線偏光磁場θ第37頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

nx=n0+n03γE/2ny=n0-n03γE/2

式中：n0——沒有外電場時的折射率；

γ——系數(shù)；相位差：δ=2πn03γEL/λ2、電光效應(yīng)物體在外電場的作用下，其各方向的折射率發(fā)生不同的變化,且變化的大小與外加電場成正比；橢圓偏振光線偏振光Z（電場方向）XY第38頁,共44頁，2024年2月25日，星期天3、光彈性效應(yīng)指某些物體內(nèi)部存在應(yīng)力時，會產(chǎn)生折射率在不同方向有不同變化的現(xiàn)象；當線偏振光通過時，輸出