传感器原理及其应用-第9章-光纤传感器ppt课件

武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器第9章 光纤传感器 Fiber Optic Sensors传感器原理及应用PrincipleandApplicat1武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 光纤传感器光纤传感器(FOS(FOS：Fiber Optical Sensor)Fiber Optical Sensor)是是2020世纪世纪7070年年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体用光作为敏感信息的载体，用光纤作为，用光纤作为传传递敏感信息的媒质递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。概概 论论光纤传感器的特点光纤传感器的特点:电绝缘性能好。电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。非侵入性。非侵入性。高灵敏度。高灵敏度。容易实现对被测信号的远距离监控。容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量光纤传感器(FOS：FiberOptical2武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.1光纤传感器的基本知识光纤传感器的基本知识 9.1.1 9.1.1 光纤的结构光纤的结构 光光纤纤是是光光导导纤纤维维的的简简称称，形形状状一一般般为为圆圆柱柱形形，材材料料是是高高纯纯度度的的石英玻璃为主，掺少量杂质锗、硼、磷等。光纤的结构如图所示。石英玻璃为主，掺少量杂质锗、硼、磷等。光纤的结构如图所示。纤纤芯芯的的折折射射率率比比包包层层的的折折射射率率稍稍大大，当当满满足足一一定定条条件件时时，光光就就被被“束缚束缚”在光纤里面传播。在光纤里面传播。9.1光纤传感器的基本知识9.1.1光纤的结构纤3武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.1.2 9.1.2 光纤的传光原理光纤的传光原理9.1.2光纤的传光原理4武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 如如图图，根根据据几几何何光光学学理理论论，当当光光线线以以某某一一较较小小的的入入射射角角 ，由由折折射射率率为为n n1 1的的光光密密物物质质射射向向折折射射率率为为n n2 2的的光光疏疏物物质质(即即n n1 1n n2 2)时时，则则一一部部分分入入射射光光以以折折射射角角 折折射射入入光光疏疏物物质质，其其余余部部分分以以 角角度度反反射射回回光光密密物物质质，根根据据折折射射定定律律(斯斯涅涅尔尔定定律律)，光折射和反射之间的关系为：光折射和反射之间的关系为：当当光光线线的的入入射射角角 增增大大到到某某一一角角度度 时时，透透射射入入光光疏疏物物质质的的折折射射光光则则沿沿界界面面传传播播，即即 9090，称称此此时时的的入入射射角角 为为临临界界角角。那么，由斯涅尔定律得那么，由斯涅尔定律得临临界界角角仅仅与与介介质质的的折射率的比值有关折射率的比值有关 如图，根据几何光学理论，当光线以某一较小的入射角，5武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器当当入入射射角角 时时，光光线线不不会会透透过过其其界界面面，而而全全部部反反射射到到光光密密物物质质内内部部，也也就就是是说说光光被被全全反反射射。根根据据这这个个原原理理，如如图图所所示示，只只要要使使光光线线射射入入光光纤纤端端面面的的光光与与光光轴轴的的夹夹角角 小小于于一一定定值值，则则入入射射到到光光纤纤纤纤芯芯和和包包层层界界面面的的 角角就就满满足足小小于于临临界界角角 的的条条件件，光光线线就就射射不不出出光光纤纤的的纤纤芯芯。光光线线在在纤纤芯芯和和包包层层的的界界面面上上不不断断地地产产生生全全反反射射而而向向前前传传播播，光光就就能能从从光光纤纤的的一一端端以以光光速速传传播播到到另另一端，这就是光纤传光的基本原理。一端，这就是光纤传光的基本原理。可以证明，该入射角为可以证明，该入射角为光纤的光纤的“数值孔径数值孔径”NA”NA，当入射角时，光线不会透过其界面，而全部反射到光密6武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.1.3 9.1.3 光纤的种类光纤的种类 1 1按材料分类按材料分类 1)1)高纯度石英高纯度石英(SiO2)(SiO2)玻璃纤维玻璃纤维这这种种材材料料的的光光损损耗耗比比较较小小，在在波波长长时时，最最低低损损耗耗约约为为0.47dB/km0.47dB/km。锗硅光纤，包层用硼硅材料，其损耗约为锗硅光纤，包层用硼硅材料，其损耗约为0.5dB/km0.5dB/km。2)2)多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤用用常常规规玻玻璃璃制制成成，损损耗耗也也很很低低。如如硼硼硅硅酸酸钠钠玻玻璃璃光光纤纤，在在波波长长时时，最低损耗为最低损耗为3.4dB/km3.4dB/km。3)3)塑料光纤塑料光纤用用人人工工合合成成导导光光塑塑料料制制成成，其其损损耗耗较较大大，当当时时，达达到到100100200dB/km200dB/km。但但其其重重量量轻轻，成成本本低低，柔柔软软性性好好，适适用用于于短短距距离离导导光。光。9.1.3光纤的种类1按材料分类7武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 2 2按折射率分类按折射率分类 分分为为阶阶跃跃折折射射率率光光纤纤和和渐渐变变折折射射率率光光纤纤，如如图图所所示示。在在纤纤芯芯和和包包层层的的界界面面上上，纤纤芯芯的的折折射射率率不不随随半半径径而而变变,但但在在纤纤芯芯与与包包层层界界面面处处折折射射率率有有突突变变的的称称为为阶阶跃跃型型；而而光光纤纤纤纤芯芯的的折折射射率率沿沿径径向向由由中中心心向向外外呈呈抛抛物物线线由由大大渐渐小小，至至界界面面处处与与包包层层折折射射率率一一致致的称为渐变型。的称为渐变型。2按折射率分类8武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器3 3按光纤的传播模式分类按光纤的传播模式分类根据传输模数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。根据传输模数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。什么是光纤的传播模式什么是光纤的传播模式 光光纤纤传传输输的的光光波波，可可以以分分解解为为沿沿纵纵轴轴向向传传播播和和沿沿横横切切向向传传播播的的两两种种平平面面波波成成分分。后后者者在在纤纤芯芯和和包包层层的的界界面面上上会会产产生生全全反反射射。当当它它在在横横切切向向往往返返一一次次的的相相位位变变化化为为 的的整整倍倍数数时时，将将形形成成驻驻波波。形形成成驻驻波波的的光光线线组组称称为为“模模”；它它是是离离散散存存在在的的，亦亦即即一一定纤芯和材料的光纤只能传输特定模数的光。定纤芯和材料的光纤只能传输特定模数的光。3按光纤的传播模式分类根据传输模数的不同，光纤可分为单模光9武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 单单模模光光纤纤纤纤芯芯直直径径仅仅有有几几微微米米，接接近近波波长长。其其折折射射率率分分布布均均为为阶阶跃跃型型。单单模模光光纤纤原原则则上上只只能能传传送送一一种种模模数数的的光光，常常用用于于光光纤纤传传感感器器。这这类类光光纤纤传传输输性性能能好好，频频带带很很宽宽，具具有有较较好好的的线线性性度；但因芯小，难以制造和耦合。度；但因芯小，难以制造和耦合。单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均为阶10武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器多多模模光光纤纤允允许许多多个个模模数数的的光光在在光光纤纤中中同同时时传传播播，通通常常纤纤芯芯直直径径较较大大，达达几几十十微微米米以以上上。由由于于每每一一个个“模模”光光进进入入光光纤纤的的角角度度不不同同，它它们们在在光光纤纤中中走走的的路路径径不不同同，因因此此它它们们到到达达另另一一端端点点的的时时间间也也不不同同，这这种种特特征征称称为为模模分分散散。特特别别是是阶阶跃跃折折射射率率多多模模光光纤纤，模模分分散散最最严严重重。这这限限制制了了多多模模光光纤纤的的带宽和传输距离。带宽和传输距离。多模光纤允许多个模数的光在光纤中同时传播，通常纤芯直径较大，11武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器渐渐变变折折射射率率多多模模光光纤纤纤纤芯芯内内的的折折射射率率不不是是常常量量，而而是是从从中中心心轴轴线线开开始始沿沿径径向向大大致致按按抛抛物物线线形形成成递递减减，中中心心轴轴折折射射率率最最大大，因因此此，光光纤纤在在纤纤芯芯中中传传播播会会自自动动地地从从折折射射率率小小的的界界面面向向中中心心会会聚聚，光光纤纤传传播播的的轨轨迹迹类类似似正正弦弦波波形形，如如图图所所示示，具具有有光光自自聚聚焦焦效效果果，故故渐渐变变折折射射率率多多模模光光纤纤又又称称为为自自聚聚焦焦光光纤纤。因因此此渐渐变变折折射射率率多多模光纤的模分散比阶跃型小得多。模光纤的模分散比阶跃型小得多。渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始12武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.1.4 9.1.4 光纤传感器的基本组成光纤传感器的基本组成构构成成光光纤纤传传感感器器除除光光导导纤纤维维之之外外，还还必必须须有有光光源源和和光光探探测测器器，另外还有一些另外还有一些光无源器件光无源器件。示例：遮光式光纤温度计示例：遮光式光纤温度计 光光无无源源器器件件是是一一种种不不必必借借助助外外部部的的任任何何光光或或电电的的能能量量，由由自自身身能能够够完完成成某某种种光光学学功功能能的的光光学学元元器器件件，光光无无源源器器件件按按其其功功能能可可分分为为光光连连接接器器件件、光光衰衰减减器器件件、光光功功率率分分配配器器件件、光光波波长长分分配配器器件件、光光隔隔离器件、光开关器件、光调制器件等。离器件、光开关器件、光调制器件等。9.1.4光纤传感器的基本组成构成光纤传感器除光导纤维13武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器发光二极管发光二极管激光二极管激光二极管 光光 源源发光二极管激光二极管光源14武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器专用的光纤连接头及光纤插座专用的光纤连接头及光纤插座 光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。专用的光纤连接头及光纤插座光纤与电光转换元件耦合时15武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器光电转换器件采用光电二极管光电转换器件采用光电二极管光电转换器件采用光电二极管16武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.2 9.2 光纤传感器的分类及其工作原理光纤传感器的分类及其工作原理光纤传感器与电类传感器的对比光纤传感器与电类传感器的对比 分类内容分类内容 光纤传感器光纤传感器电类传感器电类传感器调制参量制参量光的振幅、相位、光的振幅、相位、频率、偏振率、偏振态电阻、阻、电容、容、电感等感等敏感材料敏感材料温温-光敏、力光敏、力-光敏、磁光敏、磁-光敏光敏 温温-电敏、力敏、力-电敏、磁敏、磁-电敏敏传输信号信号光光电传输介介质光光纤、光、光缆电线、电缆9.2光纤传感器的分类及其工作原理光纤传感器与电类传感器17武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.2.1 9.2.1 光纤传感器分类光纤传感器分类1 1功能型光纤传感器功能型光纤传感器如如图图，它它指指利利用用对对外外界界信信息息具具有有敏敏感感能能力力和和检检测测能能力力的的光光纤纤(或或特特殊殊光光纤纤)作作传传感感元元件件，将将“传传”和和“感感”合合为为一一体体的的传传感感器器。功功能能性性光光纤纤传传感感器器中中光光纤纤不不仅仅起起传传光光作作用用，而而且且还还利利用用光光纤纤在在外外界界因因素素的的作作用用下下，其其光光学学特特性性(光光强强、相相位位、频频率率、偏偏振振态态等等)的的变变化化来来实实现现“传传”和和“感感”的的功功能能。因因此此，传传感感器器中中光光纤纤是是连连续续的的。由由于于光光纤纤连连续续，增增加加其其长长度度，可可提提高高灵灵敏敏度度。这类传感器主要使用单模光纤。这类传感器主要使用单模光纤。9.2.1光纤传感器分类1功能型光纤传感器如图，它指利18武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器2 2非功能型非功能型(传光型传光型)光纤传感器光纤传感器这这类类光光纤纤传传感感器器中中光光纤纤仅仅起起导导光光作作用用，只只“传传”不不“感感”，对对外外界界信信息息的的“感感觉觉”功功能能依依靠靠其其他他物物理理性性质质的的功功能能元元件件完完成成，光光纤纤在在系系统统中中是是不不连连续续的的。此此类类光光纤纤传传感感器器无无需需特特殊殊光光纤纤及及其其他他特特殊殊技技术术，比比较较容容易易实实现现，成成本本低低；但但灵灵敏敏度度也也较较低低，用用于于对对灵灵敏敏度度要求不太高的场合。要求不太高的场合。非非功功能能型型光光纤纤传传感感器器使使用用的的光光纤纤主主要要是是数数值值孔孔径径和和芯芯径径大大的的阶跃型多模光纤。阶跃型多模光纤。传传感感探探针针型型光光纤纤传传感感器器:光光纤纤把把测测量量对对象象辐辐射射的的光光信信号号或或测测量量对对象象反反射射、散散射射的的光光信信号号传传播播到到光光电电元元件件上上,通通常常使使用用单单模模或或多多模模光光纤纤。典典型型的的例例子子有有光光纤纤激激光光多多普普勒勒速速度度计计、辐辐射射式式光光纤温度传感器等。纤温度传感器等。2非功能型(传光型)光纤传感器这类光纤传感器中光纤仅起导光19武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光纤传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa非干涉型强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调制光纤温度传感器法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制光纤温度传感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、加速度气体浓度温度MMMMMMcbb注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型光纤传感器的分类光纤传感器的分类 传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光纤传感器干涉（磁20武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.2.2 9.2.2 光调制技术光调制技术 调调制制技技术术是是指指在在时时域域上上用用被被测测信信号号对对一一个个高高频频信信号号(如如光光纤纤传传感感器器中中的的光光信信号号)的的某某特特征征参参量量(幅幅值值、频频率率或或相相位位等等)进进行行控控制制，使使该该特特征征参参量量随随着着被被测测信信号号的的变变化化而而变变化化。这这样样，原原来来的的被被测测信信号号就就被被这这个个受受控控制制的的高高频频振振荡荡信信号号所所携携带带。一一般般将将控控制制高高频频信信号号的的被被测测信信号号称称为为调调制制信信号号；载载送送被被测测信信号号的的高高频频信信号号称称为为载波；经过调制后的高频振荡信号称为已调制波。载波；经过调制后的高频振荡信号称为已调制波。按按照照调调制制方方式式分分类类，光光调调制制可可以以分分为为强强度度调调制制、相相位位调调制制、频频率率调调制制、偏偏振振调调制制和和波波长长调调制制等等。所所有有这这些些调调制制过过程程都都可可以以归归结结为为将将一一个个携携带带信信息息的的信信号号叠叠加加到到载载波波光光波波上上。而而能能完完成成这这一一过过程程的的器器件件称称为为调调制制器器。调调制制器器能能使使载载波波光光波波参参数数随随外外信信号号变变化化而而改改变变，这这些些参参数数包包括括光光波波的的强强度度(幅幅值值)、相相位位、频频率率、偏偏振振、波波长长等等。被被信信息息调调制制的的光光波波在在光光纤纤中中传传输输，然然后后再再由由光光探测系统解调，将原信号恢复。探测系统解调，将原信号恢复。9.2.2光调制技术调制技术是指在时域上用被测信号对21武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 1.1.强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器 是是一一种种利利用用被被测测对对象象的的变变化化引引起起敏敏感感元元件件的的折折射射率率、吸吸收收或或反反射射等等参参数数的的变变化化，而而导导致致光光强强度度变变化化来来实实现现敏敏感感测测量量的的传传感感器器。有有利利用用光光纤纤的的微微弯弯损损耗耗；各各物物质质的的吸吸收收特特性性；振振动动膜膜或或液液晶晶的的反反射射光光强强度度的的变变化化；物物质质因因各各种种粒粒子子射射线线或或化化学学、机机械械的的激激励励而而发发光光的的现现象象；以以及及物物质质的的荧荧光光辐辐射射或或光光路路的的遮遮断断等等来来构构成成压压力力、振振动动、温温度度、位位移移、气气体体等等各各种种强强度度调调制制型型光光纤纤传传感器。感器。优点优点：结构简单、容易实现，成本低。：结构简单、容易实现，成本低。缺点缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。1.强度调制型光纤传感器22武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器强度调制型示例：强度调制型示例：强度调制型示例：强度调制型示例：膜片反射式光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器光源光源光源光源接收接收接收接收Y Y Y Y形光纤束形光纤束形光纤束形光纤束壳体壳体壳体壳体P P P P弹性膜片弹性膜片弹性膜片弹性膜片Y Y Y Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y Y Y Y形光纤束前形光纤束前形光纤束前形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。距离发生变化，从而使输出光强受到调制。距离发生变化，从而使输出光强受到调制。距离发生变化，从而使输出光强受到调制。强度调制型示例：膜片反射式光纤压力传感器光源接收Y形光纤束23武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器强度调制型示例：微弯光纤压力传感器强度调制型示例：微弯光纤压力传感器强度调制型示例：微弯光纤压力传感器强度调制型示例：微弯光纤压力传感器D D D DS S S SF F F FF F F F变形器变形器变形器变形器光纤光纤光纤光纤d d d d光光光光纤纤纤纤被被被被夹夹夹夹在在在在一一一一对对对对锯锯锯锯齿齿齿齿板板板板中中中中间间间间，当当当当光光光光纤纤纤纤不不不不受受受受力力力力时时时时，光光光光线线线线从从从从光光光光纤纤纤纤中中中中穿穿穿穿过过过过，没没没没有有有有能能能能量量量量损损损损失失失失。当当当当锯锯锯锯齿齿齿齿板板板板受受受受外外外外力力力力作作作作用用用用而而而而产产产产生生生生位位位位移移移移时时时时，光光光光纤纤纤纤则则则则发发发发生生生生许许许许多多多多微微微微弯弯弯弯，原原原原来来来来光光光光束束束束以以以以大大大大于于于于临临临临界界界界角角角角C C C C的的的的角角角角度度度度1 1 1 1在纤芯内传输为全反射在纤芯内传输为全反射在纤芯内传输为全反射在纤芯内传输为全反射但但但但在在在在微微微微弯弯弯弯处处处处2 2 2 2 1 1 1 1，一一一一部部部部分分分分光光光光将将将将逸逸逸逸出出出出，散散散散射射射射入入入入包包包包层层层层中中中中。当当当当受受受受力力力力增增增增加加加加时时时时，光光光光纤纤纤纤微微微微弯弯弯弯的的的的程程程程度度度度也也也也增增增增大大大大，泄泄泄泄漏漏漏漏到到到到包包包包层层层层的的的的散散散散射射射射光光光光随随随随之之之之增增增增加加加加，纤纤纤纤芯芯芯芯输输输输出出出出的的的的光光光光强强强强度度度度相相相相应应应应减减减减小小小小。因因因因此此此此，通通通通过过过过检检检检测测测测纤纤纤纤芯芯芯芯或或或或包包包包层层层层的的的的光光光光功功功功率率率率，就就就就能能能能测测测测得得得得引引引引起起起起微微微微弯弯弯弯的的的的压压压压力力力力、声声声声压压压压，或或或或检检检检测测测测由由由由压压压压力力力力引引引引起的位移等物理量。起的位移等物理量。起的位移等物理量。起的位移等物理量。强度调制型示例：微弯光纤压力传感器DSFF变形器光纤d光纤被24武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 2 2相位调制与干涉测量相位调制与干涉测量 相相位位调调制制型型光光纤纤传传感感器器的的基基本本原原理理是是利利用用被被测测对对象象对对敏敏感感元元件件的的作作用用，使使敏敏感感元元件件的的折折射射率率或或传传播播系系数数发发生生变变化化，而而导导致致光光的的相相位位变变化化，然然后后用用干干涉涉仪仪把把相相位位变变化化变变换换为为振振幅幅变变化化，从从而而还还原原所所检检测测的的物物理理量量。因因此此，相相位位调调制制与与干干涉涉测测量量技技术术并并用用，构构成成相相位位调调制制的干涉型光纤传感器。的干涉型光纤传感器。根根据据光光波波的的干干涉涉测测量量基基本本知知识识，两两束束相相干干光光(信信号号光光束束和和参参考考光光束束)同同时时照照射射在在一一光光电电探探测测器器上上，若若光光振振幅幅分分别别为为E E1 1和和E E2 2，如如果果其其中中一一光光束束的的相相位位由由于于某某种种因因素素影影响响或或调调制制，在在干干涉涉场场中中就就会会引引起干涉条纹强度的变化。干涉场中各点的光强数学表达式为起干涉条纹强度的变化。干涉场中各点的光强数学表达式为式中：式中：为相位调制造成的两相干光之间的相位差。为相位调制造成的两相干光之间的相位差。可可见见，检检测测到到干干涉涉光光强强的的变变化化就就可可以以确确定定两两光光束束间间相相位位的的变变化化，从而得到待测物理量的数值大小。从而得到待测物理量的数值大小。2相位调制与干涉测量根据光波的干涉测量基本知25武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 实实现现干干涉涉测测量量的的仪仪器器称称为为干干涉涉仪仪。常常用用的的干干涉涉仪仪主主要要有有4 4种种：迈迈克克尔尔逊逊干干涉涉仪仪、赛赛格格纳纳克克干干涉涉仪仪、马马赫赫-泽泽德德干干涉涉仪仪和和法法布布里里-珀罗干涉仪，如图所示。珀罗干涉仪，如图所示。(a)(a)迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪(b)(b)赛格纳克干涉仪赛格纳克干涉仪(c)(c)马赫泽马赫泽-德干涉仪德干涉仪(d)(d)法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪实现干涉测量的仪器称为干涉仪。常用的干涉仪主要有4种：26武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 光光学学干干涉涉仪仪的的共共同同特特点点就就是是它它们们的的相相干干光光在在空空气气中中传传播播，由由于于空空气气受受环环境境温温度度变变化化的的影影响响，引引起起空空气气的的折折射射振振动动及及声声波波干干扰扰。这这种种影影响响都都会会导导致致空空气气光光程程的的变变化化从从而而引引起起干干涉涉测测量量工工作作的的不不稳稳定定，使使精精度度降降低低。而而光光纤纤干干涉涉仪仪利利用用单单模模光光纤纤作作干干涉涉仪仪的的光光路路，就就可可以以排排除除上上述述影影响响，并并可可以以克克服服光光路路加加长长时时对对相相干干长长度度的的严严格格限限制制，从从而而可可以以制制造造出出千千米米量量级级光光路路长长度度的的光光纤纤干干涉涉仪仪，这这种种干干涉仪成为相位调制型光纤传感器的一个重要组成部分。涉仪成为相位调制型光纤传感器的一个重要组成部分。以以迈迈克克尔尔逊逊干干涉涉仪仪为为例例，当当被被测测量量发发生生变变化化时时，将将引引起起测测量量光光路路光光纤纤纤纤芯芯折折射射率率n n的的变变化化和和测测量量光光纤纤长长度度L L的的变变化化，由由此此使使通通过过测测量量光光路路的的光光束束光光程程(等等于于nLnL)发发生生改改变变，对对应应相相位位 也也相相应改变，则测量光路和参考光路的相位差为应改变，则测量光路和参考光路的相位差为光学干涉仪的共同特点就是它们的相干光在空气中传播，由于27武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 常见相位调制方法：常见相位调制方法：1 1、机械应变及光弹性效应、机械应变及光弹性效应 机械应变引起光纤的机械尺寸变化；机械应变引起光纤的机械尺寸变化；某某些些物物体体内内部部存存在在应应力力时时，会会产产生生折折射射率率在在不不同同方方向向有有不不同同变变化的现象；化的现象；2 2、温度效应、温度效应 温度变化引起光纤的尺寸及折射率变化：温度变化引起光纤的尺寸及折射率变化：3 3、磁致伸缩、电致伸缩效应、磁致伸缩、电致伸缩效应 将单模光纤表面镀上磁致伸缩、电致伸缩材料，则当磁场、将单模光纤表面镀上磁致伸缩、电致伸缩材料，则当磁场、电场作用于光纤时，使光纤长度变化，从而相位变化；电场作用于光纤时，使光纤长度变化，从而相位变化；常见相位调制方法：1、机械应变及光弹性效应28武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 3 3频率调制频率调制 频频率率调调制制光光纤纤传传感感器器是是利利用用由由被被测测对对象象引引起起的的光光频频率率的的变变化化来来进进行行监监测测的的传传感感器器。通通常常有有利利用用运运动动物物体体反反射射光光和和散散射射光光的的多多普普勒勒效效应应的的速速度度、流流速速、振振动动、压压力力、加加速速度度光光纤纤传传感感器器；利利用用物物质质受受强强光光照照射射时时的的拉拉曼曼散散射射构构成成的的测测量量气气体体浓浓度度或或监监测测大大气气污污染染的气体传感器。的气体传感器。1)1)光学多普勒频移原理光学多普勒频移原理 光光的的频频率率调调制制主主要要是是指指光光学学多多普普勒勒频频移移。从从物物理理学学知知，光光学学中中的的多多普普勒勒现现象象是是指指由由于于观观察察者者和和目目标标的的相相对对运运动动，使使观观察察者者接接收收到的光波频率产生变化的现象。到的光波频率产生变化的现象。设设一一频频率率为为f的的静静止止光光源源的的光光入入射射到到速速度度为为v的的运运动动物物体体上上时时，从从运动物体上观测的频率为运动物体上观测的频率为f1，则，则f1与与f之间的关系为：之间的关系为：c c为真空中的光速；为真空中的光速；为物体至光源方向与物体运动方向的夹角。为物体至光源方向与物体运动方向的夹角。3频率调制1)光学多普勒频移原理设29武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 一一般般最最关关心心的的还还是是运运动动物物体体所所散散射射的的光光的的频频移移，而而光光源源与与观观察察者者则则是是相相对对静静止止的的。对对于于这这种种情情况况，可可以以作作为为一一个个双双重重多多普普勒勒频频移移来来考考虑虑。即即先先考考虑虑从从光光源源到到运运动动物物体体，然然后后再再考考虑虑从从运运动动物物体体到观察者。到观察者。双重多普勒频移方程表示为双重多普勒频移方程表示为:式中，式中，f2为在为在Q处所观察到的光频率；处所观察到的光频率；f为从光源为从光源S S发出的光频率。发出的光频率。2)2)光纤多普勒技术光纤多普勒技术 根根据据上上述述多多普普勒勒频频移移原原理理，利利用用光光纤纤传传光光功功能能组组成成测测量量系系统统，可可用用于于普普通通光光学学多多普普勒勒测测量量装装置置不不能能安安装装的的一一些些特特殊殊场场合合，如如密封容器中流速的测量和生物体中流体的研究。密封容器中流速的测量和生物体中流体的研究。一般最关心的还是运动物体所散射的光的频移，而光源与观察30武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器典型的激光多普勒光纤测速系统典型的激光多普勒光纤测速系统 典型的激光多普勒光纤测速系统31武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.3 9.3 光纤传感器的应用光纤传感器的应用9.3.1 9.3.1 光纤位移传感器光纤位移传感器1 1反射式光强调制测量位移反射式光强调制测量位移由由光光纤纤输输出出的的光光照照射射到到反反射射面面上上发发生生反反射射，其其中中一一部部分分反反射射光光返返回回光光纤纤，测测出出反反射射光光的的光光强强，就就能能确确定定反反射射面面位位移移情情况况。这这种种传传感感器器可可使使用用两两根根光光纤纤，分分别别作作传传输输发发射射光光及及接接收收光光用用；也也可可以以用用一一根根光光纤纤同同时时承承担担两两种种功功能能。为为增增加加光光通通量量可可采采用用光光纤纤束束，此此方方法法测测量量范范围围在在9mm9mm以以内内，其光强调制的示意如图所示。其光强调制的示意如图所示。9.3光纤传感器的应用9.3.1光纤位移传感器1反32武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器接收光通量接收光通量 与位移与位移d d的关系为的关系为在在位位移移输输出出曲曲线线的的前前坡坡区区，输输出出信信号号的的强强度度增增加加得得非非常常快快，这这一一区区域域可可以以用用来来进进行行微微米米级级的的位位移移测测量量。在在后后坡坡区区，信信号号的的减减弱弱约约与与探探头头和和被被测测表表面面之之间间的的距距离离平平方方成成反反比比，可可用用于于距距离离较较远远而而灵灵敏敏度度、线线性性度度和和精精度度要要求求不不高高的的测测量量。在在光光峰峰区区，信信号号达达到到最最大大值值，其其大大小小取取决决于于被被测测物物体体的的表表面面状状态态。所所示示这这个个区区域可用于对物体的表面状态进行光学测量。域可用于对物体的表面状态进行光学测量。接收光通量与位移d的关系为在位移输出曲线的前坡区，输出33武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 2 2光纤开关与定尺寸检测装置光纤开关与定尺寸检测装置光光纤纤开开关关与与定定尺尺寸寸检检测测装装置置是是利利用用光光纤纤中中光光强强度度的的跳跳变变来来测测出出各各种种移移动动物物体体的的极极端端位位置置，如如定定尺尺寸寸、定定位位、记记数数等等。特特别别是是用用于于小尺寸工件的某些尺寸的检测有其独特的优势。小尺寸工件的某些尺寸的检测有其独特的优势。标志孔标志孔电路板标志检测电路板标志检测 当当光光纤纤发发出出的的光光穿穿过过标标志志孔孔时时，若若无无反反射射，说说明明电电路路板板方方向放置正确。向放置正确。光纤光纤 耦合器耦合器传输光纤传输光纤出射光纤出射光纤2光纤开关与定尺寸检测装置标志孔电路板标志检测34武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器遮断型光纤光电开关遮断型光纤光电开关出射光纤出射光纤接收光纤接收光纤遮断型光纤光电开关出射光纤接收光纤35武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 采采用用遮遮断断型型光光纤纤光光电电开开关关对对IC IC 芯芯片片引引脚进行检测脚进行检测采用遮断型光纤光电开关对IC芯片引脚进行检测36武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 定位定位 条形码检测条形码检测 37武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.3.2 9.3.2 光纤液体浓度传感器光纤液体浓度传感器光光纤纤液液体体浓浓度度U U型型敏敏感感元元件件如如图图所所示示。放放入入液液体体中中的的光光纤纤部部分分为为裸裸芯芯，此此时时液液体体起起到到了了包包层层的的作作用用，液液体体的的折折射射率率n n2 2就就是是包包层层折折射射率率n n。由由于于折折射射率率的的改改变变致致使使光光在在纤纤芯芯中中传传播播的的光光束束模模式式发发生生变变化化，部部分分光光由由低低阶阶模模式式转转化化为为高高阶阶模模式式，故故有有一一部部分分入入射射光光就就不不再再满满足足全全反反射射的的条条件件，就就会会在在两两种种媒媒质质的的交交界界面面处处发发生生光光的的折折射射现现象象，致致使使一一部部分分光光能能量量损损失失掉掉。对对于于给给定定的的光光纤纤材材料料，出出射射光光强强I I与入射光强与入射光强I I0 0之间存在着如下关系：之间存在着如下关系：r r为为弯弯曲曲半半径径；为为入入射射光光波波长长；为为衰衰减减系系数数，与与光光纤纤弯弯曲曲半半径径r r、入射光波长及液体的折射率、入射光波长及液体的折射率n n2 2有关；有关；l为弯曲光纤的长度。为弯曲光纤的长度。9.3.2光纤液体浓度传感器光纤液体浓度U型敏感元件如图38武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.3.3 9.3.3 光纤陀螺仪光纤陀螺仪陀螺仪的陀螺仪的SagnacSagnac效应效应 光光源源发发出出的的光光在在A A点点分分为为两两束束，一一束束为为顺顺时时针针传传播播的的光光束束b b，另另一一束束为为逆逆时时针针传传播播光光束束a a。当当系系统统角角速速度度 =0=0时时，两两光光束束从从A A点点出出发发，经经相相同同光光程程又又回回到到A A点点。设设光光轨轨道道由由N N匝匝光光纤纤构构成成，光光轨轨道的半径为道的半径为R R，光纤总长度为，光纤总长度为L L。两束光绕行一周的光程为。两束光绕行一周的光程为 9.3.3光纤陀螺仪陀螺仪的Sagnac效应光源发出的39武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器当当干干涉涉仪仪相相对对惯惯性性空空间间以以角角速速度度 旋旋转转时时，对对于于惯惯性性参参考考系系中中的的观观测测者者来来说说，光光从从点点A A进进入入干干涉涉仪仪，两两束束反反向向光光束束依依然然以以真真空空中中的的光光速速c c传传播播，但但经经过过一一段段时时间间后后分分束束点点已已从从点点A A移移动动到到了了点点AA，与与干干涉涉仪仪旋旋转转方方向向一一致致的的光光束束的的光光程程要要长长于于相相应应的的反反向向传传播播的的光光束的光程。束的光程。设顺时针光束设顺时针光束b b绕行一周的时间为绕行一周的时间为t tb b，则则它的实际光程为：它的实际光程为：设逆时针光束设逆时针光束a a绕行一周的时间为绕行一周的时间为t ta a，则，则它的实际光程为它的实际光程为当干涉仪相对惯性空间以角速度旋转时，对于惯性参考系中的观40武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器由此可得两束光绕行一周到达分束点的时间差为由此可得两束光绕行一周到达分束点的时间差为则相位差为则相位差为:利用光的干涉原理测出干涉光的相位变化，就能知道旋转速度。利用光的干涉原理测出干涉光的相位变化，就能知道旋转速度。干涉型光纤陀螺结构示意图干涉型光纤陀螺结构示意图 由此可得两束光绕行一周到达分束点的时间差为则相位差为:利用41武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.3.4 9.3.4 光纤高温测量系统光纤高温测量系统消耗型消耗型光纤辐光纤辐射温度射温度计系统计系统构成构成 测测量量时时，测测量量光光纤纤插插入入钢钢水水内内部部约约40cm40cm深深。光光纤纤可可采采用用金金属属套套层层光光纤纤，光光纤纤插插入入钢钢水水瞬瞬间间，光光纤纤被被烧烧蚀蚀，端端面面形形成成半半圆圆形形凹凹面面，这这时时，在在金金属属套套层层被被烧烧蚀蚀前前，光光纤纤最最前前端端可可近近似似视视为为黑黑体体。在在测测量量段段光光纤纤被被烧烧蚀蚀前前，钢钢水水测测量量点点处处的的温温度度可可传传出出。钢钢水水内内部部温温度度通通过过对对光纤端面的辐射由光纤传输到光电转换及单片机处理系统。光纤端面的辐射由光纤传输到光电转换及单片机处理系统。9.3.4光纤高温测量系统消耗型光纤辐射温度计系统构成42武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器利用辐射式测温原理，测温公式为：利用辐射式测温原理，测温公式为：9.3.5 9.3.5 光纤气体传感器光纤气体传感器光光纤纤气气体体传传感感器器是是利利用用气气体体在在石石英英光光纤纤透透射射窗窗口口(0.8(0.81.7 1.7 )内内的的吸吸收收峰峰进进行行测测量量，由由气气体体吸吸收收产产生生的的光光强强衰衰减减，得得到到气气体体的的浓度。所依据的基本原理为比尔浓度。所依据的基本原理为比尔-朗伯定律朗伯定律:I I为为透透射射光光的的强强度度；I I0 0为为入入射射光光的的强强度度；()为为气气体体吸吸光光系系数数，它与光波长有关；它与光波长有关；L L为吸收介质的厚度；为吸收介质的厚度；C C为吸收介质的浓度。为吸收介质的浓度。利用辐射式测温原理，测温公式为：9.3.5光纤气体传43武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器采用采用D-fiberD-fiber测甲烷测甲烷(CH(CH4 4)的原理图的原理图 采用D-fiber测甲烷(CH4)的原理图44