第6章光纤传感器.

第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用传感器原理及应用第六章光纤传感器第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用§6.1光纤的传光原理及特性§6.2光纤传感器§6.3功能型光纤传感器§6.4非功能型光纤传感器第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用光纤传感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。概述第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用光纤传感器的特点:•灵敏度高•电绝缘性能好•抗电磁干扰•耐腐蚀、耐高温•体积小、重量轻光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用§6.1光纤的传光原理及特性一、结构纤芯保护套包层•光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，•纤芯折射率n1略大于包层折射率n2（n1＞n2）。第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用二、光纤的种类按纤芯材料分：•玻璃光纤：用常规玻璃制成，损耗很低；•塑料光纤：用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但重量轻，成本低，柔软性好；•石英光纤：光损耗比较小。第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用二、光纤的种类根据纤芯到包层的折射率的变化规律分：•阶跃型光纤：•梯度型光纤：第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用二、光纤的种类按传输模式分：–单模光纤：只能传播一种模式，单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。–多模光纤：纤芯直径较大，传播模式较多，性能较差，带宽较窄，制造容易，耦合容易。第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用模的概念•沿光纤传输的光可以分解为沿轴向和沿截面的两个平面波成分；•如果沿截面传输的波在纤芯和包层之间产生全反射，且每一往复传输的相位变化是2π的正数倍，就会形成驻波；•只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光波才能在光纤中传播，这些光波称为模。第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用三、传光原理112212sinsin()nnnn1、斯乃尔定理（Snell'sLaw）当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时，界面处光的传输满足折射定理：n1n2(a)光的折射示意图12参考轴n1n2(b)临界状态示意图12参考轴n1n2(c)光全反射示意图12参考轴第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用2、光纤导光原理全反射时的临界角满足：221sin(90)cnn光纤的传播基于光的全反射原理。当光线在光纤端面入射角增大到某一角度时，光线全部反射。光线全部被反射时的入射角称临界角，只要，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。c1cc1第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用001111sinsincosnnn2201201sinnnn产生全反射的最大入射角由斯乃尔定理得：2111010sinsincosnnnnn1n2θ0θ11参考轴参考轴第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用3、数值孔径（NumericalAperture)221201sincAnnNn•只要在2θc张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。•NA反映了光纤的集光能力；一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。•产品光纤不给出折射率N只给数值孔径NA，石英光纤的数值孔径一般为：0.20.4NA:参考轴第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用四、光纤的特性1、损耗光从光纤一端射入，从光纤另一端射出，光纤的损耗定义为:α－光纤损耗；L－光纤长度；Pi、Po－分别为光纤输入输出功率。10lgioPLPa=第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用•吸收损耗：物质的吸收作用将使传输的光能变成热能，造成光能的损失。与组成光纤的材料的电子受激跃迁和分子共振有关。•散射损耗：由于材料密度的微观变化，成分起伏，以及在制造光纤过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起的。•弯曲损耗：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成损耗。传播损耗分类：第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用2.色散定义：输入脉冲在光纤传输过程中由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。意义：反映传输带宽，关系到通讯信息的容量和质量，光纤色散使传输的信号脉冲发生畸变。第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用2.色散分类：–材料色散：材料的折射率随光波长λ的变化而变化，使光信号中各波长分量的光的群速度不同而引起的色散。–波导色散：由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数随着信号角频率变化而引起色散。–多模色散：在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同、群速度不同而产生的色散。第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用3、容量输入光纤的可能是强度连续变化的光束,也可能是一组光脉冲.因为色散现象，脉冲展宽，信号畸形，限制了光纤的信息容量和质量。光脉冲的展宽程度可用延迟时间来反映。第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用4、抗拉强度可弯曲是光纤的突出优点。光纤的弯曲性与光纤的抗拉强度有关。抗拉强度大的光纤,不仅强度高,可挠性也好,同时,其环境适应性能也强。光纤的抗拉强度取决于材料的纯度、分子结构状态、光纤的粗细及缺陷等因素。5、集光本领光纤的集光本领与数值孔径有密切的关系。数值孔径大，集光本领也大。第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用五、光纤的耦合•光纤耦合器是实现光信号分路/合路的功能器件。•耦合分为强耦合和弱耦合两种。•有拼接式、熔融拉锥式和腐蚀光纤耦合器。各种光纤耦合器第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用•光纤强耦合是光纤纤芯间形成直通,传输模直接进入耦合臂。•光纤弱耦合是通过光纤的弯曲,或使其耦合处成锥状,于是,纤芯中的部分传导模变为包层模,再由包层进入耦合臂中的纤芯,形成传导模。第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用(a)拼接型光纤耦合器•将每根光纤埋入玻璃块的弧形槽中,在光纤侧面进行研磨抛光,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.光纤光纤(1)嵌入(2)抛光(3)叠盖(a)光纤第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用（b）熔融拉锥型光纤耦合器•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。此时,在两根光纤的耦合部位形成双锥区,两根光纤包层合并在一起,纤芯变细,形成了一个新的合成光波通路,从而构成弱耦合。光纤光纤(1)嵌入(2)抛光(3)叠盖(a)(b)光纤第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用(C)腐蚀光纤耦合器•将要耦合的光纤的局部外套去掉,扭绞在一起,浸蚀光纤的耦合部位,腐蚀掉大部分包层,并将两根光纤的纤芯紧紧接触在一起,然后进行加固。还可通过控制扭力或张力,调节光纤间距,以达到调节光纤耦合强弱的目的。装入折射率匹配液内(a)(b)(c)(a)剥离护套扭绞(b)腐蚀(c)固化第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用§6.2光纤传感器的分类及构成1、光纤传感器定义：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。由光源、敏感元件(光纤或非光纤的)、光探测器、信号处理系统以及光纤构成。原理：由光源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探测器，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。第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用工作原理讨论：光是一种电磁波，它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即：A—电场E的振幅矢量；φ—光相位；ω—光波的振动频率；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，就可获得所需要的被测量的信息。sinEAt第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用2、光纤传感器的分类•功能型（或称传感型、探测型）光纤传感器•非功能型（或称传光型、结构型、强度型、混合型）光纤传感器（1）根据光纤在传感器中的作用第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用功能型（或称传感型、探测型）光纤传感器光纤不仅起传光作用,又是敏感元件,即光纤本身同时具有传、感两种功能。功能型光纤传感器是利用光纤本身的传输特性受被测物理量的作用而发生变化,使光纤中波导光的属性（光强、相位、偏振态、波长等）被调制这一特点,而构成的一类传感器。加长光纤的长度,可以得到很高的灵敏度。缺点是技术难度大,结构复杂,调整较困难。信号处理光探测器光源光纤耦合器被测对象第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用非功能型光纤传感器：光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。它是在光纤的端面或在两根光纤中间放置光学材料、机械式或光学式的敏感元件来感受被测物理量的变化,从而使透射光或反射光强度随之发生变化。特点是结构简单、可靠,技术上易实现。缺点是光纤不连续,灵敏度较低。信号处理光探测器敏感元件光源光纤第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用图6.8光纤传感器的基本结构原理示意图被测对象被测对象敏感元件被测对象敏感元件被测对象(a)功能型光纤传感器(b)非功能型光纤传感器(c)非功能型光纤传感器(d)探针型光纤传感器(非功能型光纤传感器)第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用（2）根据光受被测对象的调制形式光强调制型、偏振态调制型、频率调制型、相位调制型属于功能型光纤传感器典型例子：利用光纤在高电场下的泡克耳效应的光纤电压传感器,利用光纤法拉第效应的光纤电流传感器,利用光纤微弯效应的光纤位移（压力）传感器等。第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用1）光强度调制型光纤传感器是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。2）偏振调制光纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用3）频率调制光纤传感器是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。4）相位调制传感器利用各种干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器。其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。第六章光纤传感器2019/10/28传感器原理及应用传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光线传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa非干涉型强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMb