光纤传感器课件

传感器与检测技术传感器与检测技术 传感器与检测技术1第9章 光纤传感器传感器与检测技术传感器与检测技术一、光纤传感器基础一、光纤传感器基础二、光纤传感器二、光纤传感器第9章光纤传感器传感器与检测技术一、光纤传感器基础2光纤传感器光纤传感器光纤最早在光学行业中用于传光和传象，在70年代初生产出低损耗光纤后，光纤在通信技术中用于长距离传递信息。由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤中的传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、磁场、电场、位移等）的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感器元件来探测各种待测量（物理量、化学量和生物量），这就是光纤传感器的基本原理。光纤传感器光纤最早在光学行业中用于传光和传象，在70年代初生3光纤传感器光纤传感器光纤传感器基础光纤传感器基础一、光纤结构一、光纤结构n纤芯纤芯n包层包层纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套n1n2n2n1n21.纤芯：石英玻璃，直径纤芯：石英玻璃，直径575um，材料，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素以二氧化硅为主，掺杂微量元素2.包层：直径包层：直径100200um，折射率略低于纤芯，折射率略低于纤芯3.涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光4.护套：尼龙或其他有机材料，提高机械强护套：尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤度，保护光纤光纤传感器光纤传感器基础一、光纤结构n纤芯n包层纤芯包层涂4光纤传感器光纤传感器二、导光原理二、导光原理临界状态：临界状态：全反射全反射：n01数值孔径数值孔径光纤传感器二、导光原理临界状态：n01数值孔径5光纤传感器光纤传感器反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2i张角之内的光功率能被光纤接受传播。光纤传感器反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。6光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。式中 A电场E的振幅矢量；光波的振动频率；光相位；t光的传播时间。可见，只要使光的强度、偏振态（矢量A的方向）、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，即可获得所需要的被测量的信息。光纤传感器光纤传感器光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测7光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器一、光纤传感器的分类一、光纤传感器的分类1.根据光纤在传感器中的作用根据光纤在传感器中的作用功能型光纤传感器功能型光纤传感器：利用光纤本身感受被测量变化而改变传：利用光纤本身感受被测量变化而改变传输光的特性，光纤既是传光元件，又是敏感元件输光的特性，光纤既是传光元件，又是敏感元件传光型光纤传感器传光型光纤传感器：利用其他敏感元件感受被测量的变化，：利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光信号的传输介质光纤仅作为光信号的传输介质2.根据传感器的工作机理根据传感器的工作机理(a)强度调制型光纤传感器 (b)偏振调制光纤传感器(c)频率调制光纤传感器 (d)相位调制传感器光纤传感器光纤传感器一、光纤传感器的分类1.根据光纤在传感器8光纤传感器光纤传感器光纤传感器9光纤传感器光纤传感器二、光调制和解调技术二、光调制和解调技术1.强度调制强度调制利用外界因素改变光纤中光的强度，通过测量光强的利用外界因素改变光纤中光的强度，通过测量光强的变化来检测外界物理量的传感器。变化来检测外界物理量的传感器。微弯效应微弯效应 光强的外调制（光纤包含两部分，发送光强的外调制（光纤包含两部分，发送 和接收光纤；调整器是反射器，遮光屏）和接收光纤；调整器是反射器，遮光屏）半导体吸收式半导体吸收式 折射率光强度调整（被测量引起折射率的变折射率光强度调整（被测量引起折射率的变 化；利用渐逝场；利用折射率不同的介质之化；利用渐逝场；利用折射率不同的介质之 间的折射与反射）间的折射与反射）光纤传感器二、光调制和解调技术1.强度调制利用外界因素改变10光纤传感器光纤传感器二、光调制和解调技术二、光调制和解调技术1.强度调制强度调制输出ID入射光强度调制强度调制强度调制强度调制IDtt光源出射光IS信号光探测器图9-4 强度调制原理IOtIit光纤传感器二、光调制和解调技术1.强度调制输出ID入射光强11光纤传感器光纤传感器光纤的弯曲能够使光从纤芯射入包层而产生损耗。微弯光纤传感器就是根据光纤弯曲(微弯)时纤芯中的光注入包层的原理研制成的。这类传感器的敏感元件是由一个能引起光纤产生微弯的变形器。变形器如一对错开的带锯齿槽的平行板。(a)微弯效应光纤传感器光纤的弯曲能够使光从纤芯射入包层而产生损耗。(a12光纤传感器光纤传感器 不同入射角传输光强与作用在传感器上力的函数关系 ：光纤传感器不同入射角传输光强与作用在传感器上力的函数关系13光纤传感器光纤传感器光纤传感器14光纤传感器光纤传感器(b)光强的外调制光纤传感器(b)光强的外调制15光纤传感器光纤传感器在位移在位移-输出曲线的输出曲线的前坡区前坡区,输出信号的输出信号的强度增加得非常快强度增加得非常快,这一区域可以用来进这一区域可以用来进行微米级的位移测量。行微米级的位移测量。在后坡区在后坡区,信号的减信号的减弱约与探头和被测表弱约与探头和被测表面之间的距离平方成面之间的距离平方成反比反比,可用于距离较可用于距离较远而灵敏度、线性度远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测和精度要求不高的测量。量。光纤传感器在位移-输出曲线的前坡区,输出信号的强度增加得非常16光纤传感器光纤传感器光纤传感器17光纤传感器光纤传感器光纤传感器18光纤传感器光纤传感器光纤传感器19光纤传感器光纤传感器光纤传感器20光纤传感器光纤传感器光纤传感器21光纤传感器光纤传感器(C)半导体吸收式光纤传感器(C)半导体吸收式22光纤传感器光纤传感器 这种传感器的基本原理是利用了多数半导体的能带随温度的升高而减小的特性,如图8-31所示,材料的吸收光波长将随温度增加而向长波方向移动,如果适当地选定一种波长在该材料工作范围内的光源,那么就可以使透射过半导体材料的光强随温度而变化,从而达到测量温度的目的。这种光纤温度传感器结构简单、制造容易、成本低、便于推广应用,可在-10300的温度范围内进行测量,响应时间约为2 s。光纤传感器这种传感器的基本原理是利用了多数23光纤传感器光纤传感器(d)折射率光强度调制光纤传感器(d)折射率光强度调制24光纤传感器光纤传感器(d)折射率光强度调制光纤光纤光纤光纤(a)(b)光纤光纤棱镜棱镜光纤传感器(d)折射率光强度调制光纤(a)25光纤传感器光纤传感器2.偏振调制偏振调制原理：利用外界因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏振态的变原理：利用外界因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏振态的变化来检测各种物理量。化来检测各种物理量。光波是一种横波，它的光矢量是与传播方向垂直的。如果光波的光矢量方向始终不变，只是它的大小随位相改变，这样的光称线偏振光。光矢量与光的传播方向组成的平面为线偏振光的振动面。如果光矢量的大小保持不变，而它的方向绕传播方向均匀地转动，光矢量末端的轨迹是一个圆，这样的光称圆偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有规律地变化，且光矢量的末端沿着一个椭圆转动，这样的光称椭圆偏振光。光纤传感器2.偏振调制原理：利用外界因素改变光的偏振特性，26光纤传感器光纤传感器2.偏振调制偏振调制kEH偏振光的表示法圆偏振光圆偏振光线偏光线偏光椭椭圆圆偏偏振振光光光纤传感器2.偏振调制kEH偏振光的表示法圆偏振光线偏光椭27光纤传感器光纤传感器马吕斯定律马吕斯定律强度为强度为I0的偏振光，通过检偏的偏振光，通过检偏器后，透射光的强度为：器后，透射光的强度为：I=I0 cos2其中其中为检偏器的偏振化方为检偏器的偏振化方向与入射偏振光的偏振化方向向与入射偏振光的偏振化方向之间的夹角。之间的夹角。AII0光纤传感器马吕斯定律AII028光纤传感器光纤传感器为线偏振光的振动方向为线偏振光的振动方向OM与检偏器透振方向与检偏器透振方向ON间的夹角。间的夹角。一束光强为I0的自然光透过检偏器，透射光强为I0/2解释解释I=I0 cos2光纤传感器为线偏振光的振动方向OM与检偏器透振方向ON间的29光纤传感器光纤传感器（1）普克耳（Pockels）效应当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高压，晶体将呈现双折射现象，这种现象称为普克耳效应。若若沿光轴方向入射，沿光轴方向入射，o光和光和e光具有相同的折射率和相同光具有相同的折射率和相同的波速，因而无双折射现象。的波速，因而无双折射现象。寻常光（寻常光（o光）和非常光（光）和非常光（e光）光）寻常光寻常光：对于晶体一切方向都具有相同的折：对于晶体一切方向都具有相同的折射率，且在入射面内传播，简称它为射率，且在入射面内传播，简称它为o光。光。非常光非常光：它的折射率（即波速）随方向而变：它的折射率（即波速）随方向而变化，并且不一定在入射面内传播，简称为化，并且不一定在入射面内传播，简称为 e 光。光。o光振动方向垂直于该光线（在晶体中）与光轴组成的平面。光振动方向垂直于该光线（在晶体中）与光轴组成的平面。e 光振动方向平行于该光线（在晶体中）与光轴组成的平面。光振动方向平行于该光线（在晶体中）与光轴组成的平面。若光轴在入射面内，若光轴在入射面内，实验发现：实验发现：o光、光、e光光均在入射面内传播，均在入射面内传播，且振动方向相互垂直。且振动方向相互垂直。oe光纤传感器（1）普克耳（Pockels）效应当压电晶体受光照30光纤传感器光纤传感器在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为：光纤传感器在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为：31光纤传感器光纤传感器（2）法拉第磁光效应图图图图9-6 9-6 9-6 9-6 法拉第磁光效应法拉第磁光效应法拉第磁光效应法拉第磁光效应磁场偏振光片磁光材料磁光材料L L 检偏片光源光纤传感器（2）法拉第磁光效应图9-6法拉第磁光效应磁场32光纤传感器光纤传感器平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转，这种现象称为法拉第磁光效应。光矢量旋转角:式中V正常光折射率；L物质中的光程；H磁场强度。光纤传感器平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转33光纤传感器光纤传感器(3)光弹效应光纤传感器(3)光弹效应34光纤传感器光纤传感器设单轴晶体的主折射率ne对应于MN方向上的振动光的折射率，主折射率no对应于垂直MN方向上的振动光的折射率，这时光弹效应与压强P的关系可表达为式中k是物质常数,(no-ne)是双折射率差，表征双折射性的大小，此处也表征光弹效应的强弱。若光波通过的材料厚度为l则获得的光程差为光纤传感器设单轴晶体的主折射率ne对应于MN方向上的振动光35光纤传感器光纤传感器光纤传感器36光纤传感器光纤传感器3.相位调制机理原理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。(1)应力应变效应当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时，光纤的长度、芯径、纤芯折射率都将发生变化，这些变化将导致光波的相位变化.式中，a为光纤芯的半径；第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟(应变效应)；第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟(光隙效应)；第三项则表示光纤的半径改变所产生的相位延迟(泊松效应)。光纤传感器3.相位调制机理原理是：通过被测能量场的作37光纤传感器光纤传感器设有光振幅分别为设有光振幅分别为E1和和E2的两个相干光束。如果其中一束光的相位由于某种因素的的两个相干光束。如果其中一束光的相位由于某种因素的影响受到调制，则在干涉域中产生干涉。合成光场的振幅分量可表示为影响受到调制，则在干涉域中产生干涉。合成光场的振幅分量可表示为(2)解调原理光纤传感器设有光振幅分别为E1和E2的两个相干光束。如果其中38光纤传感器光纤传感器迈克尔逊(Michlson)光纤干涉仪光纤传感器迈克尔逊(Michlson)光纤干涉仪39光纤传感器光纤传感器4 频率调制主要利用光学多普勒效应实现频率调制，如图。观察者在O处观察到的频率为fs。根据多普勒原理可得光纤传感器4频率调制主要利用光学多普勒效应实现频率调制，如40光纤传感器光纤传感器光纤传感器41