光纤传感器基本原理1

第八章、光纤传感器基本原理光纤技术是正在迅猛发展中的一门新兴技术。光纤是光波导的一种，具有损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可挠性好、抗电磁干扰、耐化学腐蚀、原料丰富、制造过程能耗少、节约大量有色金属等突出优点，从而引起了人们的高度重视。光纤传感技术是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术。它是随着光导纤维实用化与光通信技术的发展而形成的。光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通信技术中。但是,在实际光通信过程中发现,光纤受到外界环境因素的影响,如压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、颇率、偏振态等变化。因此．科技人员推测．如果能测量出光波量变化的大小，就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小．于是就出现了光纤传感器技术。一、光纤传感器简介光纤传感原理与技术是以光纤的导波现象为基础的,光从光纤射出时，光的特性得到调制，通过对调制光的检测，便能感知外界的信息，实现对各种物理量的测量，这就是光纤传感器的基本原理。光纤传感器是用待测量对光纤内传输的光波参量进行调制得到调制信号，该信号经光纤传输至光探测器进行解调，从而获得待测量值的一种装置。与传统的传感器不同，它将被测信号转换为光信号的形式取出。1.基本结构光纤传感器是把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。2.分类传感原理功能型光纤传感器：利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件。非功能型光纤传感器：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，传输来自远外或难以接近场所的光信号，被测对象光纤温度传感器光纤位移传感器光纤浓度传感器光纤电流传感器光纤流速传感器等2.光波参数被调制的光波参数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调制(颜色)光纤传感器在光纤中传输的光波：E=E0cos(ωt+φ)上式包含五个参数，即强度E02、频率ω、波长λ0=2πc/ω、相位(ωt+φ)和偏振态二、强度调制机理强度调制方式很多，大致可分为以下几种:反射式强度调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等等。一般透射式、反射式和折射率强度调制称为外调制式，光模式称为内调制式。强度调制光纤传感器的基本原理是待测物理量引起光纤中的传输光光强变化。通过检测光强的变化实现对待测量的测量，其原理如下图所示。PiPiP0P0调制机理：输入光纤将光源的光射向被测物体表面，再从被测面反射到另一根输出光纤中，其光强的大小随被测表面与光纤间的距离而变化。1.反射式强度调制▲当da/2T，即a2dT(dT为发射光锥的底面积半径，且T=tg(sin-1NA))时，耦合进输出光纤的光功率为零；当d(a十2r)/2T时，输出光纤与输入光纤的像发出的光锥底端相交，其相交的截面积恒为πr2，此光锥的底面积为π(2dT)2，故在此范围内间隙的传光系数为(r/2dT)2；当a/2T≤d≤(a+2r)/2T时，耦合到输出光纤的光通量由输入光纤的像发出的光锥底面与输出光纤相重叠部分的面积所决定，重叠部分如下图所示。输出光纤端面受光锥照射的表面所占的百分比为)]1(sin[arccos)1()1arccos(1rrrFdTrrPPi20)2()(被输出光纤接收的入射光功率百分数为(耦合效率)发送光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光板上，或直接移动接收光纤，使接收光纤只能收到发射光纤发出的部分光，从而实现光强调制。2.透射式强度调制3.光模式强度调制利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹在两块具周期性波纹的微弯板组成的变形器中构成调制器。从波导理论的观点来看，当光纤发生弯曲时，传输光会有一部分泄漏到包层中去，这种泄漏是光纤内发生模式耦合的结果，这些耦合模变为辐射模，造成传播光能量的损耗。若采取适当的方式探测光强的变化，则可知道位移变化量，据此可以制作出温度、压力、振动、位移、应变等光纤传感器。4.折射率强度调制(1)利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变化的光强调制;(2)利用折射率的变化引起渐逝波耦合度变化的光强调制;(3)利用折射率的变化引起光纤光强反射系数改变的透射光强制。一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同。在温度恒定时，包层折射率n2与纤芯折射率n1之间的差值是恒定的。当温度变化时，n2、n1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。(1)光纤折射率变化型通常，渐逝波在光疏媒质中深入距离有几个波长时．能量就可以忽略不计了。如果采用一种办法使渐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。(2)渐逝波耦合型光波在入射界面上的光强分配由菲涅尔公式描述，界面强度反射系数由菲涅尔反射公式给出(3)反射系数型由反射系数的菲涅尔公式知道，当光波以大于临界面(θc=sin-1n)的θ角入射到n1、n3介质的界面上时，若n3介质由于压力或温度的变化引起n3的微小改变，相应会引起反射系数的变化，从而导致反射光强的改变，利用这一原理可以设计出压力或温度传感器。5.光吸收系数强度调制(1)利用光纤的吸收特性进行强度调制X射线、γ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。(2)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。因此，它们的光吸收边的波长λg(T)将随着T的升高而变化。如果选用辐射谱与λg(T)相适应的发光二极管，那么通过半导体的光强将随着T的升高而下降，测量透过的光强，即可确定温度。半导体晶格吸收型温度传感器，它的结构是把半导体晶体制成薄片，在片子的两侧固定上光纤，用不锈钢管保护。三、相位调制机理相位调制光纤传感器的基本传感原理: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，从而检测出待恻的物理量。光纤中光的相位由光纤波导的物理长波、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定，可以表示为k0nL，其中k0为光在真空中的波数，n为传播路径上的折射率，L为传播路径的长度。一般说，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。aaLnnLLLLLLLL21.相位调制相位调制是通过干涉仪进行的，在光纤干涉仪中，以敏感光纤作为相位调制元件。敏感光纤置于被测能量场中，由于被测场与敏感光纤的相互作用，导致光纤中光相位的调制。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)；第三项表示光纤的半径改变所产生的相位延迟(泊松效应)。(1)应力应变效应光波通过长度为L的光纤后，出射光波的相位延迟为光波在外界因素的作用下，相位的变化可以写成如下形式纵向应变引起的相位变化径向应变引起的相位变化光弹效应引起的相位变化一般形式的相位变化实现纵向、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。若光纤放置在变化的温度场中，并把温度场变化等效为作用力F时，那么作用力F将同时影响光纤折射率、和长度L的变化。由F引起光纤中光波相位延迟为(2)温度应变效应式中第一项表示折射率变化引起的相位变化；第二项表示光纤几何长度变化引起的相位变化，式中没有考虑光纤直径变化对相位变化的影响。若上式用温度变化△T和相位变化描述，则有