光纤传感器基本原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 光纤传感器基本原理,5.,1,引 言,光,纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。,光,纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点，如,灵敏度高,，,抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接，结构简单，体积小，重量轻，耗电少,等。,光纤传感器按传感原理可分为,功能型,和,非功能型,。,功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以也称,传感型光纤传感器,，或,全光纤传感器,。,非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号所以也称为,传光型传感器,或,混合型传感器,。,在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：,光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为,强度调制光纤传感器,相位调制光纤传感器,频率调制光纤传感器,偏振调制光纤传感器,波长(颜色)调制光纤传感器,5.2 强度调制机理,5.2.1,反射式强度调制,这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用.,输出光纤端面受光锥照射的表面所占的百分比为,被输出光纤接收的入射光功率百分数为(,F,被称为,耦合效率,),5.2.2 透射式强度调制,动光纤式光强调制模型，用来测量位移、压力、温度等物理量。这些物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离, 光强度调制器的线性度和灵敏度都很好。,采用双透镜系统使入射光纤在出射光纤上聚焦，遮光屏在垂直于两透镜之间的光传播方向上下移动。这种传感器光耦合计算方法与反射式传感器是一样的。在上述的简化分析限定范围内，比值,/r,与可移动遮光屏及两透镜问半径为,r,的光柱相交叠面积的百分比,。,不用透镜的两光纤直接耦合系统，结构虽然简单，但也能很好地工作。只是接收光纤端面只占发射光纤发出的光锥底面的一部分，使光耦合系数减小，灵敏度也降低一个数量级,(,r/,dT,),2,。,利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器通过一对光栅遮光屏的透射率，从50(当两个屏完全重叠时)变到零(当一个屏的不透明条完全覆盖住另一个屏的透明部分)。在此周期性结构范围内，光的输出强度是周期性的。而且它的分辨率在光珊条纹间距的10,-6,数量级以内。这是能够构成很灵敏、很简单、高可靠的位移传感器的基础。,作业,1、由图5-2的几何关系推导出下列关系式,2、由图5-2，已知光纤芯直径为2,r200um，,数据孔径,NA=0.5，,光纤间距,a=100um。,若取函数,F(d),的最大斜率处为该系统的灵敏度，则耦合功率,F,随,d,变化速率为何值？,5.2.3 光模式强度调制,两个模的传播常数分别为,和,，,当,= -,= 2/,相位失配为零，模间精合达到最佳。,当光纤之间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，,变形器的位移改变了弯曲处的模振幅，从而产生强度调制。,对于抛物线(或平方律或梯度)折射率分布的光纤,变形器的临界空间周期为,对于阶跃光纤,光纤传播模式的改变，还可以改变光纤模斑斑图，依据模斑图形的变化也可进行光模式强度调制,。,多模光纤出射的远场光斑就像一个切开的“西瓜”，“亮”、“黑”无规则地相间变化。,5.2.4 折射率强度调制,一、光纤折射率变化型,一般光纤的纤芯和包层的折射军温度系数不同。在温度恒定时，包层折射率,n,2,与,纤芯折射率,n,1,之间的差值是恒定的。当温度变化时，,n,2,、 n,1,之间的差发生变化，从而改变传输损耗。因此，以某一温度时接收到的光强为基准,根据传输功率的变化可确定温度的变化。,二、渐逝波耦合型,通常渐逝波在光疏媒质中深人距离有几个波长时能量就可以忽略不计了。如果采用一种办法使惭逝场能以较大的振幅穿过光疏媒质，并伸展到附近的折射,率高的光密媒质材料中，能量就能穿过间隙，这一过程称为受抑全反射。,L,表示一对单模或多模光纤的相互作用长度，,d,表示纤芯之间的距离。光纤包层被减薄或完全剥去，足以产生渐逝场耦合。,d、L,或,n,2,稍有变化，光探测器的接收光强就有明显变化、从而实现光强调制、这一原理已应用于水听器。,三、反射系数型,由菲涅尔反射公式,式中，,R,为平行偏振方向的强度反射系数，,R,为垂直偏振方向的强度反射系数；,n=n,3,n,1,，,为入射光波在界面上的入射角,。,5.2.5 光吸收系数强度调制,一、利用光纤的吸收特性进行强度调制,x,射线、,射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而构成强度调制辐射量传感器。改变光纤材料成分可对不同的射线进行测量。如选用铅玻璃制成光纤，它对,x,射线、,射线、中子射线最敏感，用这种方法做成的传感器既可用于卫星外层空间剂量的监测，也可用于核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监测。,二、利用半导体的吸收特性进行强度调制,大多数半导体的禁带宽度,Eg,都随着温度,T,的升高而几乎线性地减小。它们的光吸收边的波长将随着,T,的升高而变化。,5.3 相位调制机理,利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以获得极高的灵敏度。,相位调制光纤传感器的基本传感原理是：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。,5.3.1 相位调制,一、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)。,1纵向应变引起的相位变化,2径向应变引起的相位变化,不考虑泊松效应时有,实现纵向、径向应变最简便的方法是，采用一个空心的压电陶瓷圆柱筒(,PZT)，,在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号，由于,PZT,筒的直径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光纤承受到应力，光波相位随之变化。,二、温度应变效应,仅考虑径向折射率变化时，其相位随温度变化为,5.3.2 光纤干涉仪,光纤相位传感器要求有相应的干涉仪来完成相位检测过程。对于一个相位调制干涉型光纤传感器，敏感光纤和干涉仪缺一不可。敏感光纤完成相位调制任务，干涉仪完成相位光强的转换任务。,在光波的干涉测量中，传播的光波可能是两束或多束相干光。,例如，设有光振幅分别为,A1,和,A2,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。干涉场中各点的光强可表示为,一、迈克尔逊(,Michlson,),光纤干涉仪,二、马赫泽德(,Mach,zehnder,),光纤干涉仪,保证全光纤干涉仪的工作点稳定是比较困难的。在零差检测方式中，需要保证两光纤臂间的正交状态。所以系统要求环境温差不能太大。,“正交状态”是指干涉仪的两臂光波间的相对相位为90,。,正交检测方式的优点是探测相位灵敏度最高。,三、赛格纳克,(,Sagnac,),光纤干涉仪,干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上，且平台以角速度,转动时，根据赛格纳克效应，两束传播方向相反的光束到达光探测器的延迟不同。,若平台以顺时针方向旋转，则顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光延迟。,相位延迟量可表示为,式中，,A,是光路围成,的面积；,光纤陀螺仪,四、法布里珀罗,(,Fabry,-Perot),光纤干涉仪,由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。在两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率通常达95以上。,法布里珀罗干涉仪是多光束干涉。根据多光束干涉的原理，探测器上探测到的干涉光强的变化为,透射的干涉光强的最大值与最小值之比,它与一般法布里珀罗干涉仪的区别在于以光纤光程代替空气光程，以光纤特性变化来调制相位代替以传感器控制反射镜移动实现调相。,5.4 频率调制机理,采用频率调制技术可以对有限的几个物理量进行测量。它主要是利用运动物体反射或散射光的,多普勒频移,效应来检测其运动速度。,设光源和观察者处于同一位置。如果频率为,f,的光照射在相对光速度为,v,的运动物体上，那么观察者接收的运动物体反射光频率,f,1,为,当光源和观察者处于相对静止的二个位置时，可当作双重多普勒效应来考虑。先考虑从光源到运动体，再考虑从运动体到观察者。,5.4.1 光纤多普勒技术,根据多普勒频移原理，采用激光作为光源的测量技术是研究流体流动的有效手段。,它的主要持点是空间分辨率高，光束不干扰流动性，并具有跟踪快速变化的能力。,现在来讨论一下检测信号的光功率计算方法。流体中运动体的返回信号大小取决于背向散射光强、媒质衰减和光纤接收面积及数值孔径。,返回进入光纤的总功率,Pr,5.5 波长调制机理,波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能型传感器。,5.5.1 光纤,pH,探测技术,这种技术利用化学指示剂对被测溶液的颜色反应来测量溶液的,pH,值.,采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中多种因素所造成的误差。取绿光(,558,nm),作为调制检测光，红光(,630,nm),作参考光，探测器接收到的绿光与红光强度的吸收比值为,R, pH,值与,R,的关系为,式中,c、k,为常数；,L,为试剂长度,pH,pK,，,其中,pH,是酸碱度,pK,是酸碱平衡常数。,5.2 光纤磷光探测技术,两个光电二极管的敏感波长不同，一个对,540,nm,的光敏感，另一个对,630,nm,的光敏感。经光电二极管转换成电信号，再经过电子电路进行信号处理，得到相对光强与温度变化的特性曲线。经校正可以得到输出相对光强与温度呈线性关系。,5.5.3 光纤黑体探测技术,通过测量物体的热辐射能量确定物体表面温度是非接触式测温技术。物体的热辐射能量随温度提高而增加。对于理想“黑体”辐射源发射的光谱能量可用热辐射的基本定律之一普朗克(,Plank),公式表述.,所谓“黑体”、就是能够完全吸收入射辐射，并具有最大发射率的物体。,光纤黑体探测技术。就是以黑体做探头，利用光纤传输热辐射波，不怕电磁场干扰，质量轻,灵敏度高，体积小，探头可以做到,0.1,mm。,5.5.4 光纤法布里泊罗滤光技术,式中，,d,是法布里泊罗标准具厚度；,n,是标准具平行板内的介质折射率；,是反射光的相位跃变。,5.6 偏振调制机理,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,。,k,E,H,偏振光的表示法,圆偏振光,线偏光,椭,圆,偏,振,光,马吕斯定律,强度为,I,0,的偏振光，通过检偏器后，透射光的强度为：,I=I,0,cos,2,其中,为检偏器的偏振化方向与入射偏振光的偏振化方向之间的夹角。,A,I,I,0,为线偏振光的振动方向,OM,与检偏器透振方向,ON,间的夹角。,一束光强为,I,0,的自然光透过检偏器，透射光强为,I,0,/2,解释,I=I,0,cos,2,天然的方解石晶体是双折射晶体,A,B,光的双折射现象,一束自然光射向石英、方解石等各向异性介质时，其折射光有两束，这种现象称为,双折射现象,。,5.6.1,普,克耳,效应,各向异性晶体中的普克耳效应是一种重要的电光效应。当强电场施加于光正在穿行的各向异性晶体时，所引起的感生双折射正比于所加电场的一次方，称为线性电光效应，或普克耳效应。,折射率椭球方程,对于双抽晶体，主折射率,；,对于单抽晶体，主折射率 为寻常光折射率，,为非常光折射率。,若,沿光轴方向入射，,o,光和,e,光具有相同的折射率和相同的波速，因而无双折射现象。,寻常光（,o,光）和非常光（,e,光）,寻常光,：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,o,光。,非常光,：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,e,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。,e,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，,实验发现：,o,光、,e,光,均在入射面内传播，,且振动方向相互垂直,。,o,e,A,B,光轴,某些晶体内有一个确定的方向，在这个方向上，,o,光和,e,光的传播速度相同，这个方向称为晶体的,光轴,。,M,M,N,N,说明：,沿光轴方向入射的光束，通过晶体不分为两束光，仍沿入射方向行进。它是一个特征方向。,具有一个光轴的晶体，称为单轴晶体。,例如：方解石、石英等。,具有两个光轴的晶体，称为双轴晶体。,例如：云母、硫黄等。,光轴,光轴,晶体的两端设有电极，并在两极间加一个电场。外加电场平行于通光方向，这种运用称为,纵向运用,，或称为,纵向调制,。,对于,KDP,类晶体，晶体折射率的变化,n,与电场,E,的关系由下式给定,光程差为,半波电压,1,BGO,调制器晶体；,21/4 波长片,3检偏器；,4电压传感器测头；,5多模光导纤维；,6一光检测器；,7运算器；,8一输出信号；,9一光源；,10光耦合器；,11起偏器,当晶体的通光方向垂直于外加电场时称为横向运用，这时产生的电光效应称为横向电光效应。,晶体中两正交的平面偏振光由于电光效应产生的相位差为,晶体的半波电压由下式给定,5.6.2 克尔效应,克尔效应也称为,平方电光效应,它发生在一切物质中。当外加电场作用在,各向同性,的透明物质上时，各向同性物质的光学性质发生变化，变成具有双折射现象的各向异性特性，并且与单轴晶体的情况相同。,克尔效应,当外电场撤消时，这种性质立即消失，因此，也称为,电致双折射现象,。,光轴沿电场强度的方向,+,-,c,c,两光通过厚度为,l,的液体时，,光程差为：,若去掉盒内电场，则没有光从,N,透出。整个系统起,“,光开关,”,的作用。,通过控制外加电压，可调节输出的光脉冲的长短和频率，把电讯号转变成光讯号。,由于光电效应几乎没有惯性，电讯号的控制速度可达,10,-9,m/s。,“,光开关,”,“,光调制器,”,、,“,光断续器,”,有极快的速度启闭光路或调制光强，目前广泛应用于高速摄影、电影、电视和激光通讯等许多领域。,k,是克尔常数。 在大多数情况下,(,k,为正值)，即介质具有正单轴晶体的性质。,两偏振光波的光程差为,两光波间的相位差,5.6.3 法拉第效应,许多物质在磁场的作用下可以使穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转，这种现象称为,磁致旋光效应,或,法拉第效应,。,旋光现象,A,旋光现象,偏振光通过某些透明物质后，其振动面方将以光的传播方向为轴线转过一定的角度,，这种现象称为,旋光现象。,能够产生旋光现象的物质称为,旋光物质,。如石英、糖、酒石酸钾钠等。,右旋物质：,迎着光的传播方向观看，使振动面按顺时针方向转动的物质，如葡萄糖、石英等。,左旋物质：,迎着光的传播方向观看，使振动面按逆时针方向转动的物质，如果糖等。,不同的氨基酸和,DNA,等也有左右旋的不同，这些是目前生物学研究的课题。,B,旋光物质,C,是旋光物质；,F,为滤色片；,M,为起偏器；旋光物体放在两,个偏振片,M,与,N,之间，,把检偏器,N,旋转一定角度，可得到亮视野和暗视野。,C,实验装置,实验证明：振动面旋转的角度,与材料的厚度,d、,浓度,C,以及入射光的波长,有关。,对于固体：,定义,为旋光系数，它是入射光波长的函数,对于液体：,式中,C,为溶液的浓度。,应用：,制糖工业，测定糖液浓度的糖量计,在法拉第效应中偏振面的旋转方向与外加磁场的方向有关，即费尔德常数有正负值之分。一般约定，正的费尔德常数系指光的传播方向,平行于,所加,H,场方向，法拉第效应是,左旋的,；,反平行于,H,场,方向时是,右旋的,。,立方晶体或各向同性材料的法拉第效应可以解释为，由于磁化强度取决于沿磁场方向传播的,右旋圆偏振光,和,左旋圆偏振光,的折射率差，平面偏振光可以表示成左右旋圆偏振光之和。,偏振光的矩阵表示,沿,z,方向传播的任一种偏振光都可以表示为光矢量分别沿,x,轴和,y,轴方向振动的两个线偏振光的叠加：即,这两个线偏振光有确定的振幅比,和确定的位相差,也就是说：任一种偏振光的光矢量都可以用沿,x,轴和,y,轴的两个分量来表示：,用复振幅表示：,上述方程表示：任一偏振光可以用由它的光矢量的两个分量构成的一列矩阵表示，此列矩阵称为琼斯矢量，记为：,实际中，我们研究的往往是强度变化。所以可以把琼斯矢量归一化。（偏振光强度是它的两个分量的强度之和，即,）并把两分量的共同因子提到矩阵外，,式中：,并弃去共同位相因子，归一化形式的琼斯矢量：,把偏振光用琼斯矢量表示，特别方便于计算两个或多个给定的偏振光叠加的结果。将琼斯矢量简单叠加。即可得到这种结果。,琼斯矢量表示的一平面偏振光,可以表示为左右旋圆偏振光之和，即,是右旋圆偏振光的琼斯表达式,；,是左旋圆偏振光的琼斯表达式；,这两束圆偏振光在经过材料,l,光程后出射,。,它们相对于入射光波有一个相移,表示一个与入射的平面偏振光 成,角的平面偏振光，也即出射光仍为平面偏振光，但偏振面旋转了,角,、,法拉第效应导致平面偏振光的偏振面旋转。这种磁致偏振面的旋转方向，对于所给定的法拉第材料仅由外磁场方向决定，二与光线的传播方向无关。这是法拉第旋转和旋光性旋转间的一个最重要的区别。,对于旋光性的旋转，光线正反两次通过旅光性材料后总的旋转角度等于0，因此，旋光性是一种互易的光学过程。,法拉第旋转是非互易的光学过程，即平面偏振光一次通过法拉第材料转过角度, ，,而沿相反方向返回时将再旋转,角。因此，两次通过法拉第材料后总的旋转角度为2, 。,这样，为了获得大的法拉第效应可以将放在磁场中的法拉第材料做成平行六面体使通光面对光线方向稍偏离垂直位置，并将两面镀高反射膜，只留入射和出射窗口。若光束在其间反射,N,次后出射，那么有效旋光厚度为刑，偏振面的旋转角度提高,N,倍。,5.6.4 光弹效应,双折射现象是由塞贝克和布儒斯特发现的。在力学形变时材料会变成各向异性。物质的等效光轴在应力的方向，感生双折射的大小正比于应力。这种应力感生的双折射现象称为光弹效应。,设单轴晶体的主折射率,n,e,对应于,MN,方向上的振动光的折射率，主折射率,n,o,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,(,n,o,-,n,e,),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,