第八章--光纤传感器

第8章光纤式传感器光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地。光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤在有线通信方面的优势越来越突出，它为人类21世纪的通信基础——信息高速公路奠定了基础，为多媒体通信提供了实现的必需条件。由于光纤具有许多新的特性，所以不仅在通信方面，在传感器等方面也获得了应用。第8章光纤式传感器当光纤受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等条件变化时，光纤的传输特性将随之改变，且二者之间存在一定的对应关系，由此便研制出光纤传感器。20世纪70年代初研制出第一根实用光纤后，20世纪80年代已发展了60多种不同的光纤传感器。目前，已研发出测量位移、速度、加速度、压力、温度、流量、电场、磁场等各种物理量的数百种光纤传感器。第8章光纤式传感器光纤传感器的优点如下(1)具有很高的灵敏度。(2)频带宽、动态范围大。(3)可根据实际需要做成各种形状。(4)可以用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器，这些物理量包括声场、磁场、压力、温度、加速度、转动(陀螺)、位移、液位、流量、电流、辐射等。第8章光纤式传感器(5)便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和控制。(6)可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。(7)结构简单、体积小、重量轻、耗能少。第8章光纤式传感器8.1光纤及其传光原理8.2光纤传感器的组成及分类8.3光调制方式8.4光纤式传感器应用举例8.1光纤及其传光原理8.1.1光纤的结构8.1.2光纤的传光原理8.1.3光纤的主要参数8.1.1光纤的结构如图所示，中心圆柱体称为纤芯，由某种玻璃或塑料制成。纤芯外围的圆筒形外壳称为包层，通常也是由玻璃或塑料制成。包层外面有涂敷层，之外是一层塑料保护外套。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质，机械强度取决于塑料保护外套。100~200μm包层纤芯涂敷层尼龙外层外层直径~1mm8.1光纤及其传光原理8.1.1光纤的结构8.1.2光纤的传光原理8.1.3光纤的主要参数√8.1.2光纤的传光原理当光线由光密媒质(折射率n1)射入光疏媒质(折射率n2，n1＞n2)时，若入射角大于等于临界角f＝sin－1(n2/n1)，在媒质界面上会发生全反射现象。8.1.2光纤的传光原理光在光纤中传播的基本原理可用光线或光波的概念来描述。光线的概念是一个简便、近似方法，可用来导出一些重要概念，如全反射的概念、光线截留的概念等。然而，要进一步研究光的传播理论，将光看作射线就不够了，必须借助波动理论。即需要考虑到光是电磁波动现象以及光纤是圆柱形介质波导等，才能研究光在圆柱形波导中允许存在的传播模式，并导出经常要提到的波导参数(V值)等概念。8.1.2光纤的传光原理以阶跃型多模光纤为例，在子午面内光线从空气(折射率n0)射入光纤端面，与轴线的夹角为q0，若入射角小于某一值qC，光线在纤芯和包层的界面上将发生全反射，光线射不出纤芯，从而能够从光纤的一端传播到另一端，这就是光纤传光的基本原理。8.1.2光纤的传光原理由Snell定律得)1.8(sinsin1001nnqq则)2.8(cossinsin111100fqqnnn即12011010sin1cossinffqnnnn8.1.2光纤的传光原理若要使入射光线在纤芯和包层的界面上发生全反射，由临界角定义，应满足)3.8(/sin121nnf代入12011010sin1cossinffqnnnn8.1.2光纤的传光原理)5.8(11sin222102122010nnnnnnnq能使光线在光纤内全反射的最大入射角qC可由上式求得，即得8.1.2光纤的传光原理)6.8(1sin22210CNAnnnq式中，NA称为光纤的数值孔径，它表示当入射光从外部介质射入光纤时，只有入射角小于qC的光才能在光纤中传播。8.1光纤及其传光原理8.1.1光纤的结构8.1.2光纤的传光原理8.1.3光纤的主要参数√√8.1.3光纤的主要参数1.数值孔径定义：光从空气入射到光纤输入端面时，处在某一角锥内的光线一旦进入光纤，就将被截留在纤芯中，此光锥半角(qC)的正弦称为数值孔径。数值孔径NA是光纤的一个基本参数，反映了光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率，只有入射光处于2qC的光锥内,光纤才能导光。一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但数值孔径过大，会造成光信号畸变。8.1.3光纤的主要参数可知，NA与光纤的几何尺寸无关，仅与纤芯和包层的折射率有关，纤芯和包层的折射率差别越大，数值孔径就越大，光纤的集光能力就越强。石英光纤的NA＝0.2～0.4。)6.8(1sin22210CNAnnnq由8.1.3光纤的主要参数2.光纤的传输模式根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程，考虑到光纤圆柱形波导和纤芯—包层界面处的几何边界条件时，则只存在波动方程的特定(离散)解。允许存在的不同的解代表许多离散的沿波导轴传播的波。每一个允许传播的波称为一个模。8.1.3光纤的主要参数光纤传输的光波，可分解为沿轴向和沿横截面传输的两种平面波。因为沿横截面传输的平面波是在纤芯和包层的界面处全反射的，所以，当每一次往返相位变化是2p的整数倍时，将在截面内形成驻波。能形成驻波的光线称为“模”，“模”是离散存在的，某种光纤只能传输特定模数的光。8.1.3光纤的主要参数实际中常用由麦克斯韦方程导出的归一化频率n作为确定光纤传输模数的参数。n的值可以由纤芯半径r、传输光波波长l及光纤的数值孔径NA确定，即)7.8(π2lnNAr8.1.3光纤的主要参数当N比较大时，光纤传输的模的总数N近似为)8.8()(4/)(2/22梯度型阶跃型nnNn值小于2.41的光纤，纤芯很细(5mm～10mm)，仅能传输基模(截止波长最长的模式)，故称为单模光纤。n值大的光纤传输的模数多，称为多模光纤，通常纤芯直径较粗(几十mm以上)，能传输几百个以上的模。8.1.3光纤的主要参数(1)单模光纤这类光纤传输性能好，常用于功能型光纤传感器，制成的传感器比多模传感器有更好的线性、更高的灵敏度和动态测量范围。但由于纤芯太小，制造、连接和耦合都很困难。(2)多模光纤这类光纤性能较差。但纤芯截面大，容易制造，连接耦合也比较方便。这种光纤常用于非功能型光纤传感器。8.1.3光纤的主要参数3.传输损耗光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。形成光纤损耗的原因很多，光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗，光纤与光源的耦合损耗，光纤之间的连接损耗等，都会造成光信号在光纤中的传播有一定程度的损耗。通常用衰减率A表示传播损耗)dB/km()/lg(1001LIIA8.1.3光纤的主要参数4.色散光纤的色散是由于光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度不同而使得传播时间不同，从而产生波形畸变的现象。当输入光束是光脉冲时，随着光的传输，光脉冲的宽度可被展宽，如果光脉冲变得太宽以致发生重叠或完全吻合，施加在光束上的信息就会丧失。这种光纤中产生的脉冲展宽现象称为色散。8.1.3光纤的主要参数常用光纤类型及参数如表所示。类型折射率分布纤芯直径/mm包层直径/mm数值孔径单模2～880～1250.10～0.15多模阶跃光纤(玻璃)80～200100～2500.1～0.3多模阶跃光纤(玻璃/塑料)200～1000230～12500.18～0.50多模梯度光纤50～100125～1500.1～0.28.1光纤及其传光原理8.1.1光纤的结构8.1.2光纤的传光原理8.1.3光纤的主要参数√√√第8章光纤式传感器8.1光纤及其传光原理8.2光纤传感器的组成及分类8.3光调制方式8.4光纤式传感器应用举例√8.2光纤传感器的组成及分类8.2.1光纤传感器的基本组成8.2.2光纤传感器的分类8.2.1光纤传感器的基本组成光纤传感器主要包括光导纤维、光源、光探测器三个重要部件。①光源分为相干光源(各种激光器)和非相干光源(白炽光、发光二极管)。实际中，一般要求光源的尺寸小、发光面积大、波长合适、足够亮、稳定性好、噪声小、寿命长、安装方便等。8.2.1光纤传感器的基本组成②光探测器包括光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管、光电池等。光探测器在光纤传感器中有着十分重要的地位，它的灵敏度、带宽等参数将直接影响传感器的总体性能。8.2光纤传感器的组成及分类8.2.1光纤传感器的基本组成8.2.2光纤传感器的分类√8.2.2光纤传感器的分类光纤传感器一般可分为功能型和非功能型两大类。光纤敏感元件光源光源光纤光电元件光电元件测量对象测量对象1.功能型光纤传感器功能型光纤传感器又称传感型光纤传感器，主要使用单模光纤，基本结构原理如图所示。光纤在这类传感器中不仅是传光元件，而且利用光纤本身的某些特性来感知外界因素的变化，所以它又是敏感元件。8.2.2光纤传感器的分类在功能型光纤传感器中，由于光纤本身是敏感元件，因此改变几何尺寸和材料性质可以改善灵敏度。功能型光纤传感器中光纤是连续的，结构比较简单，但为了能够灵敏地感受外界因素的变化，往往需要用特种光纤作探头，使得制造比较困难。8.2.2光纤传感器的分类2.非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器又称传光型光纤传感器。它是利用在两根光纤中间或光纤端面放置敏感元件，来感受被测量的变化，光纤仅起传光作用，如图所示。光纤敏感元件光源光源光纤光电元件光电元件测量对象测量对象光纤光纤敏感元件光源光电元件光电元件测量对象测量对象8.2.2光纤传感器的分类这类光纤传感器可以充分利用现有的性能优良的敏感元件来提高灵敏度。为了获得较大的受光量和传输光的功率，这类传感器使用的光纤主要是数值孔径和芯径较大的阶跃型多模光纤。8.2.2光纤传感器的分类在非功能型光纤传感器中，也有并不需要外加敏感元件的情况。比如，光纤把测量对象辐射或反射、散射的光信号传播到光电元件。这种光纤传感器也称为探针型光纤传感器，使用单模光纤或多模光纤。典型的例子有光纤激光多普勒速度传感器和光纤辐射温度传感器等。光纤光纤敏感元件光源光电元件光电元件测量对象测量对象8.2光纤传感器的组成及分类8.2.1光纤传感器的基本组成8.2.2光纤传感器的分类√√第8章光纤式传感器8.1光纤及其传光原理8.2光纤传感器的组成及分类8.3光调制方式8.4光纤式传感器应用举例√√8.3光调制方式光纤传感器的工作原理是，通过被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输光的振幅、波长、相位、频率或偏振态等发生变化，再对被调制的光信号进行检测，从而得出相应的被测量。所谓光调制可归结为将一个携带信息的信号叠加到载波光波上的过程。这个过程称为光波的调制，简称光调制。8.3光调制方式光调制技术是光纤传感器的基础和关键技术。按调制方式可分为：强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等。而且，同一种光调制方式可以实现多种物理量的检测，同一物理量也可利用多种光调制方式来实现测量。8.3光调制方式8.3.1强度调制8.3.2波长调制8.3.3相位调制及干涉测量8.3.4频率调制8.3.5偏振调制8.3.1强度调制利用被测量直接或间接地改变光纤中传输光的强度，再通过测量光强的变化检测出被测量的方法，称为强度调制，如图所示。Is为外力场强。8.3.1强度调制同理，可利用其他各种对光强的调制方式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、辐射等来调制入射光，从而形成相应的调制器。强度调制是光纤传感器使用最早的调制方法，其特点是技术简单可靠、价格低廉。可采用多模光纤，光纤的连接器和耦合器均已商品化。光源可采用LED和白炽灯等非相干光源，探测器一般用光敏二极管、光敏三极管和光电池。8.3.1强度调制1.微弯损耗光强调制根据模态理论，当光纤受力微弯时，一部分纤芯模式能量会转化为包层模式能量，通过测量包层模式能量或纤芯模式能量的变化就能测出被测量。8.3.1强度调制当把多模光纤夹在一个空间周期为L的梳状