第八章光纤传感检测技术

0光纤的结构光纤是光导纤维的简称，它是工作在光波波段的一种介质波导。光纤的结构如图所示，它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。光纤的基本结构纤芯n1包层n2保护层1传光原理光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。根据几何光学原理，当光线以较小的入射角θ1由光密介质1射向光疏介质2(即n1＞n2)时，则一部分入射光将以折射角θ2折射入介质2，其余部分仍以θ1反射回介质1。光在两介质界面上的折射和反射2依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，当θ1角逐渐增大，直至θ1=θc时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播(θ2=90°)。对应于θ2=90°时的入射角θ1称为临界角θc；则有当θ1＞θc时，光线将不再折射入介质2，而在介质(纤芯)内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作基础。2211sinsinnn12sinnnc3θφγn1n2n2n1n0222100sinnnnNA光纤的数值孔径4光纤分类根据光纤的折射率、光纤材料、传输模式、光纤用途和制造工艺，有如下几种分类方法：1．阶跃型和梯度型光纤rOn1n2n(r)rOn1n2n(r)(a)(b)52．按材料分类(1)高纯度石英(SiO2)玻璃纤维；(2)多组分玻璃光纤；(3)塑料光纤。3．按传榆模数分类(1)单模光纤单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近光的波长。单模光纤通常是指跃变光纤中，内芯尺寸很小，光纤传输模数很少，原则上只能传送一种模数的光纤，常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好、频带很宽，具有较好的线性度；但因内芯尺寸小，难以制造和耦合。(2)多模光纤多模光纤纤芯直径约为50μm，纤芯直径远大于光的波长。通常是指跃变光纤中，内芯尺寸较大，传输模数很多的光纤。这类光纤性能较差，带宽较窄；但由于芯子的截面积大，容易制造、连接耦合比较方便，也得到了广泛应用。64．按用途分类(1)通信光纤用于光通信系统，实际使用中大多使用光缆（多根光纤组成的线缆），是光通信的主要传光介质。(2)非通信光纤这类光纤有低双折射光纤、高双折射光纤、涂层光纤、液芯光纤和多模梯度光纤等几类。7光纤的损耗光波在光纤中传输，随着距离的增加光功率逐渐下降，这就是光纤的损耗。由于光纤中存在损耗，使得在光纤中传播的光能量不断衰减。OiPPlg10光纤的损耗定义为：若该损耗在长为L(km)的传输线上传输，且损耗均匀，则单位长度光纤的损耗即损耗系数为oiLPPLLlg108光纤的色散•在光纤中传输的光脉冲，受到由光纤的折射率分布、光纤材料的色散特性、光纤中的模式分布以及光源的光谱宽度等因素决定的延迟畸变，使该脉冲波形在通过光纤后发生展宽。这是因为在光纤中传输的光信号的不同频率成份或不同的模式分量如果以不同的速度传播，则经过一定距离到达出射面时必然产生信号失真。这种现象称为光纤的色散。•色散分为多模色散、波导色散、材料色散和偏振色散等。9光纤的耦合常用的耦合器有以下3种结构形式：（1）把每根光纤埋人玻璃块的弧形槽中，将其侧面研磨抛光，使光纤耦合处的包层厚度达到一定的要求，然后将两根光纤拼接在一起，如图(a)所示。（2）将两根光纤稍加扭绞，用微火炬对耦合部位进行加热，在熔融过程中拉伸光纤，最后拉细成型，如图(b)所示。（3）将光纤的局部外套去掉，腐蚀掉光纤耦合部位的大部分包层，并将两根光纤的纤芯紧紧接触在一起，然后进行加固。如图(c)所示。10光纤的连接光纤连接器是光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小，这是光纤连接器的基本要求。11光纤传感器的定义光纤不仅可以作为光波的传播媒质，而且光波在光纤中传播时，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、转动……）的作用而间接或直接地发生变化，据此可测量出引起这个变化的各种物理量。根据此工作原理研制出来的传感器就是光纤传感器。入射光波的特征参量：振幅、相位、偏振态、波长、频率等外界因素：温度、压力、电场、位移等入射光波出射光波光纤——光波传播的媒质12（1）抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全。由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠；（2）灵敏度高。利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。如测量水声、加速度、辐射、温度、磁场等物理量的光纤传感器；（3）重量轻，体积小，外形可变。光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可挠的优点，因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器；（4）测量对象广泛。目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、浓度、核辐射等各物理量、化学量的光纤传感器在现场使用；（5）对被测介质影响小，这对于医药生物领域的应用极为有利；（6）便于复用，便于成网。有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络；（7）成本低。光纤传感器的优点13光纤传感器的发展趋势光纤传感器具有很多的优点，是对以电为基础的传统传感器的革命性变革，发展前景是极其光明的。但是，目前光纤传感器的成本较高,在这方面仍面临着传统传感器的挑战，存在着与传统传感器和其它新型传感器的竞争问题。为此，有必要说明光纤传感器的可能发展趋势：①当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象；②集成化光纤传感器；③多功能全光纤控制系统；④充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系统；⑤开辟新领域。14光纤传感器的分类光纤传感器按其传感器原理分为两大类：一类是传光型，也称为非功能型光纤传感器；另一类是传感型，或称为功能型光纤传感器。前者多数使用多模光纤，后者常使用单模光纤。在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，同时利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，使其某些光学特性发生变化，对输入的光产生某种调制作用，使在光纤内传输的光的强度、相位、偏振态等特性发生变化，从而实现传和感的功能。因此，传感器中的光纤是连续的。15光纤传感器分类•强度调制型光纤传感器IntensityModulationOFS•相位调制型光纤传感器PhaseModulationOFS•偏振调制型光纤传感器PolarizationModulationOFS•波长调制型光纤传感器WavelengthModulationOFS16光强调制型光纤传感器反射式强度调制位移传感器光纤辐射计这里辐射是指射线辐射。光纤辐射计利用，射线x或y射线照射下产生着色中心，改变光纤对光的吸收特性而制成的仪器，其工作原理如图所示。光纤辐射计原理17微弯损耗强度调制光纤传感器的原理如图。当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，传输光有一部分会泄漏到包层中去。微弯效应18光纤受抑全内反射传感器如图，两根光纤端面对光轴有一个倾斜角，斜面抛光，以便形成内全反射。当两光纤端面十分靠近时，大部分光能可从一根光纤耦合进另一根光纤。当一根光纤保持固定，另一光纤随外界因素而移动，在光纤径向产生位移。由于两光纤端面之间间距的改变，其耦合效率会随之变化，输出的光强也发生变化，测出光强的这一变化就可求出光纤端面位移量的大小。θ位移x输出光输入光固定光纤可动光纤19相位调制的基本原理是：通过被测能量场的作用，使能量场中的一段敏感单模光纤内传播的光波发生相位变化，利用干涉测量技术把相位变化变换为振幅变化，再通过光电探测器进行检测。相位调制型光纤传感器20相位调制传感型光纤传感器有如下主要特点：（1）灵敏度高：光学中的干涉法是已知最灵敏的探测技术之一。在光纤干涉仪中，由于使用了数米甚至数百米以上的光纤，使它比普通的光学干涉仪更加灵敏，其超过同类传感器的例子不在少数；（2）灵活多样：由于这种传感器的敏感部分是由光纤本身构成，因此其探头的几何形状可按使用要求而设计成不同形式；（3）对象广泛：不论何种物理量，只要对干涉仪中的光程产生影响，就可用于传感。目前利用各种类型的光纤干涉仪已研究成测量压力（包括水声）、温度、加速度、电流、磁场、液体成分等多种物理量的光纤传感器。而且，同一种干涉仪，常常可以对多种物理量进行传感；（4）特殊需要的光纤。21光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，将产生三个主要的物理效应，导致光纤中光相位的变化：①光纤的长度变化②光纤芯的直径变化③光纤芯的折射率变化实现相位调制的物理效应应力应变效应22在所有干涉型光纤传感器中，光纤中传播光的相位响应φ都是与待测场中光纤的长度L成正比。这个待测场可以是变化的温度T。由于干涉型光纤传感器中的信号臂光纤可以足够长，因此信号光纤对温度变化有很高的灵敏度。热胀冷缩效应23右图为普通光学迈克尔逊干涉仪原理图。由激光器输出的单色光由分束器（把光束分成两个独立光束的光学元件）分成为光强相等的两束光。光束1射向固定反射镜然后反射回分束器，再被分束器分解：透射部分那束光由光探测器接收，反射的那部分光又返回到激光器。干涉测量仪与光纤干涉传感器原理1.迈克尔逊干涉仪24由激光器输出，经分束器透射的另一束光2入射到可移动反射镜上，也反射回分束器上，经分束器反射的一部分光传至光探测器上，而另一部分光则经由分束器透射，也返回到激光器。当两反射镜到分束器间的光程差小于激光的相干长度时，射到光探测器上的两相干光束即产生干涉。两相干光的相位差为：lK02式中K0—光在空气中的传播常数2Δl—两相干光的光程差25图为马赫－泽德尔干涉仪的工作原理。与迈克尔逊干涉仪不同的是，它没有或很少有光返回到激光器。返回到激光器的光会造成激光器的不稳定噪声，对干涉测量不利。2.马赫－泽德尔（Mach-Zehnder）干涉仪26利用塞格纳克效应构成。激光经分束器分为反射和透射两部分。这两束光均由反射镜反射形成传播方向相反的闭合光路，并在分束器上会合，送入光探测器，同时也有一部分返回到激光器。在这种干涉仪中，两光束的光程长度相等。根据双束光干涉原理，在光电探测器上探测不到干涉光强的变化。3.塞格纳克（Sagnac）干涉仪27它由部分反射、部分透射、平行放置的两块反射镜组成。两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率常达95％以上。激光入射到干涉仪，在两个相对反射面作多次反射，透射出来的平行光束由光电探测器接收。4.法布里—帕罗（Fabry-Perot）干涉仪28与前几种双光束干涉仪不同，这种干涉仪是多光束干涉。根据多光束干涉原理，探测器探测到干涉光强度的变化为)2(sin)1(41220RRII式中：R——反射镜的反射率；φ——相邻光束间的相位差。29探测器激光器反射端面敏感臂参考臂耦合器（a）迈克尔逊干涉型探测器激光器敏感臂参考臂耦合器耦合器（b）马赫-曾德干涉型(a)(b)ABCL高反膜n0nL高反膜光纤导管（d）光纤Fabry-Perot干涉仪结构探测器光纤环光源L1L2BS1BS2（c）Sagnac干涉型四种类型光纤干涉仪结构30探测器激光器敏感臂参考臂耦合器耦合器马赫-曾德干涉型cos22121IIIIILπ2)cos1(2II31偏振态型光纤传感器它是利用某些外界物理量的变化，引起光纤中传输的偏振光的偏振态变化的原理所构成。光纤偏振态对电流敏感的基本原理是利用融熔石英光纤材料的法拉弟旋光效应。电流产生的磁场使光纤中偏振光振动面发生旋转，其转角θ与电流I之间的关系为：/2VLIR式中，V为材料的费尔德常数；L为导线与光纤间的作用长度；R为光纤线圈的半径。32波长调制型光纤传感器外界参量影响光纤器