第4章 光纤传感器1

第4章光纤传感器第4章光纤传感器4.1光导纤维(光纤)4.2强度型(振幅型)光纤传感器4.3干涉型光纤传感器1第4章光纤传感器2光纤传感器具有如下优点:(1)与其他传感器相比,它具有很高的灵敏度。(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，如：声场、磁场、压力、温度、加速度、转动(陀螺)、位移、液位、流量、电流、辐射等等。(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4章光纤传感器振幅型光纤传感器原理：待测的物理量扰动与光纤连接的光纤敏感元件相互作用，直接调制光强。特点：结构简单、灵敏度低。相位型光纤传感器原理：在一段单模光纤中传输的相干光，因待测物理场的作用，产生相位调制。特点：结构复杂、灵敏度高。光纤传感器振幅型(也叫强度型)相位型(也叫干涉仪型)第4章光纤传感器4.1光导纤维(光纤)44.1.1光纤的结构光纤的导光能力取决于纤芯和包层的光学性能,而纤芯的强度则由护套来维持。护套包层纤芯塑料玻璃或塑料第4章光纤传感器4.1.2光在光纤中的传播5当光纤的直径比光的波长大得多时,可以用几何光学的方法讨论光在光纤中的传播，也就是斯涅尔定律：21=nsnnnisin1n2n1n2第4章光纤传感器光在光纤中传播的原理：根据全内反射,设计光纤纤芯的折射率n1包层折射率n2。6′包层n2纤芯n1cc掠射角第4章光纤传感器7光在光纤中传播的基本原理可以用光线或光波的概念来描述。光线的概念是一个简便的近似的方法,可以用它来导出一些重要概念,如全内反射概念、光线截留的概念等。然而,要进一步研究光的传播理论,必须借助波动理论。即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。第4章光纤传感器4.1.3光纤的几个重要参数(数值孔径、传播模式、传播损耗)1.数值孔径(NA)数值孔径是反映纤芯接收光量的多少,标志光纤接收性能的一个重要参数。定义为: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(θ)的正弦称为数值孔径。可导出2212NAnn8数值孔径的意义：无论光源发射功率有多大,只有2θ张角之内的光功率被光纤接受传播。光纤的数值孔径大,耦合效率高，但光信号将产生大的“模色散”,入射光能分布模式不同,各模式的速度不同,导致各个能量分量到达光纤远端的时间不同,信号将发生严重畸变。典型的光纤θ≈10°。第4章光纤传感器2.传播模式根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程,光纤圆柱波导和纤芯-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)的解，不同的解代表不同离散的沿波导轴传播的波(模式)，每个波具有不同的离散的振幅和速度。在阶跃型折射光纤中常采用“V值”表述光在阶跃型折射率光纤中的传播特性。V值是一个能用来表示或计算阶跃折射率光纤的传播模式数量的参数:2201202/()2/()VannaNA9光纤V值越大,则光纤所能拥有的,即允许传输的模式(不同的离散波)数越多。“单模条件”是纤芯半径入射光的真空波长220122/()2.404ann第4章光纤传感器在光导纤维中传播模式很多对信息传输是不利的。因为同一光信号采取很多模式传播,就会使这一光信号分为不同时间到达接收端的多个小信号,从而导致合成信号的畸变。在信息传输中一般希望模式数量越少越好。减小V值需要：纤芯直径不能太大,一般为几个微米,不能超过几十微米。另外,n1与n2之差很小(例如,一般纤芯折射率n1可能是1.46,而包层折射率n2可能是1.44)。一般要求n2与n1之差不大于1.4%~6.2%。10220122/()2.404ann第4章光纤传感器3.传播损耗光在光纤的传播过程中由于材料的吸收、散射和弯曲处的辐射损耗等的影响,不可避免地要有损耗。通常用衰减率A表示传播损耗。1010l/g()IIAldBkm11目前传播损耗可达0.16dB/km，3dB衰减率相当于光强减小到入射光强的一半(因为lg0.5=-0.3)。第4章光纤传感器弯曲损耗机理的光线图12弯曲损耗通常是不希望有的,也是有害的,但在光纤传感器中则可利用弯曲（在光纤传感器中称为微弯）损耗来作为换能机理。′′′cc第4章光纤传感器4.1.4光纤的类型1.按折射率变化类型分类阶跃折射率光纤渐变折射率光纤13n(r)n2n1阶跃折射率光纤rn(r)r渐变折射率光纤纤芯包层第4章光纤传感器阶跃光纤纤芯中传播的典型光线14中心光线通过中心的子午光线第4章光纤传感器15渐变型折射率光纤中传播的典型光线通过中心的子午光线通过中心的螺旋光线第4章光纤传感器2.按传播模式的多少分类单模光纤:通常是指阶跃型光纤中的纤芯尺寸很小(通常仅几微米)、光纤传播的模式很少、原则上只能传送一种模式的光纤(通常是芯径很小的低损耗光纤)。这类光纤传输性能好(常用于干涉型传感器),制成的传感器较多模传感器有更好的线性、更高的灵敏度和动态测量范围。但单模光纤由于纤芯太小、制造、连接和耦合都很困难。多模光纤:通常是指阶跃光纤中纤芯尺寸较大(大部分为几十微米)、传播模式很多的光纤。这类光纤性能较差,带宽较窄,但由于芯子的截面大,容易制造,连接耦合也比较方便。这种光纤常用于强度型传感器。16第4章光纤传感器3.按用途分类17普通光纤:光纤通信的单模光纤通信的多模光纤非通信光纤低双折射率光纤高双折射率光纤涂层光纤激光光纤红外光纤第4章光纤传感器4.2强度型(振幅型)光纤传感器4.2.1反射式光纤位移传感器18反射式光纤位移传感器结构简单、设计灵活、性能稳定、造价低廉、能适应恶劣环境,在实际工作中得到了广泛应用。光纤位移传感器结构光纤位移传感器原理光源光敏元件发射光束接收光束被测目标光源光敏元件接收光束发射光束被测目标探头到被测目标平面距离B2CAB1第4章光纤传感器位移-输出曲线19前坡区输出信号的强度增加快,这一区域可以用来进行微米级的位移测量。后坡区信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比,可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。光源光敏元件接收光束发射光束被测目标探头到被测目标平面距离B2CAB1输出位移光峰坡前后坡O第4章光纤传感器反射式光纤位移传感器使用光纤束的特性是影响灵敏度的主要因素之一。如：光纤的数量、尺寸和分布,以及每根光纤的数值孔径，其中光纤探头端部的发射光纤和接收光纤的分布状况对探头测量范围和灵敏度的大小有较大影响。一般光纤探头的端部有以下四种分布：20随机分布半球形对开分布共轴内发射分布共轴外发射分布第4章光纤传感器21光纤传感器位移-输出信号曲线的形状取决于光纤探头的结构特性,但是输出信号的绝对值却是被测表面反射率的函数。为了使传感器的位移灵敏度与被测表面反射率无关,可以采取“归一化”。即将光纤探头调整到位移-输出曲线的光峰位置上,调整输入光,使输出信号达到满量程,这样就可对被测表面的颜色、灰度进行补偿。“归一化”后,就可将探头移到前坡区或后坡区进行测量。第4章光纤传感器4.2.2光纤测压传感器这种传感器是在光纤位移传感器的探头前面加上一个膜片构成的。22光纤位移传感器对中套管光纤厚的膜片0.254mm膜片管2.7693.9374.826第4章光纤传感器4.2.3移动光栅光纤传感器两根光纤的端面间相隔一微小间隙,间隙中放置一对光栅,光栅由等宽的全透射和全反射(不透光的)平行线无交替形成的栅格构成。当这两个光栅发生相对移动时,光的透射强度就随之发生变化。23纤芯包层输入光包层可动光栅静止光栅包层包层纤芯至检测器第4章光纤传感器假定这两个光栅都由间隔为5μm、宽5μm的光栅元组成,那么透射光的光强度的曲线作周期性变化,每当光栅位移改变10μm,它相继达到最大值。由该曲线可见,当静止的工作点即偏置工作点调节在2.5μm、7.5μm、12.5μm等等相对位移时,其灵敏度将为最大。241086420481216相对位移/m相对强度纤芯包层输入光包层可动光栅静止光栅包层包层纤芯至检测器第4章光纤传感器25膜片水听器外壳套管光输出自聚焦透镜相向放置的光栅静态压力减压间隙光输入光纤水听器第4章光纤传感器4.2.4微弯光纤传感器微弯光纤传感器就是根据光纤弯曲(微弯)时纤芯中的光注入包层的原理研制成的。这类传感器的敏感元件是由一个能引起光纤产生微弯的变形器。变形器如一对错开的带锯齿槽的平行板。26FF光纤变形器L第4章光纤传感器亮视场微弯传感器系统：激光束射入穿过变形器的阶跃折射率多模光纤,作用力借助于变形器调制光强,用光敏元件对到达光纤端部的纤芯光光强进行监测。在变形器前面和后面的包层段上,设有模式去除器。27光纤模式去除器模式去除器变形器激光器I0I0-∆I0E0检测器第4章光纤传感器实验：不同的输入光入射角、传输光强与作用在传感器(微弯变形器)上的力的函数关系。利用氦氖(He―Ne)激光束,改变投射到光纤中的光的入射角,可把入射光射进严格限定的一组纤芯传播模中。28结果：输入光的入射角9°时,作用力2N时传播光的光强降到输入光强的40%左右。而且在0.5NF1.5N的范围内,传输强度I与作用力F的关系曲线的斜率几乎是不变的。结论：由于9°大致相当于临界入射角,注入的光主要是最高阶的传输模,因此就更容易使纤芯中的光传输到包层中。第4章光纤传感器休斯研究实验室与美海军实验室合作研制的一种微弯变形器作为换能元件的水听器。多膜光纤聚酯树酯薄膜压力不通光光纤周期为2mm的波纹(为了与信号光纤上的力取得平衡)图4.16微弯变形器作为换能元件的水听器第4章光纤传感器暗视场微弯传感器系统：最初是由教会（Catholic）大学的一个研究小组提出的。与亮视场传感器结构不同之处在于:它使用从纤芯进入包层的光产生输出信号。30激光器模式去除器变形器检测器模式去除器E0第4章光纤传感器一个结构更为简单的暗视场微弯传感器如图所示。其检测光纤直接耦合到传输光纤包层的外表面。这种结构的传感器便于组成直线阵列,并可使用许多不同的多路复用方案,实现远距离的传输。31模式去除器变形器源光纤光纤—光纤耦合器检测光纤kII0-II0变形器模式去除器光纤—光纤耦合器检测光纤检测光纤源光纤模式去除器变形器第4章光纤传感器4.3干涉型光纤传感器4.3.1基本原理干涉型光纤传感器的基本换能机理是:在一段单模光纤中传输的相干光,因待测能量场的作用,而产生相位调制。32干涉型光纤传感器迈克尔逊(Michelson)马赫-泽德(Mach―Zehnder)萨格奈克(Sagnac)法布里―珀罗(Fabry―Perol)第4章光纤传感器1.迈克尔逊(Michelson)干涉仪33采用这种技术在He―Ne激光器的红光情况下,它可以检测平面镜小到10-7μm,即0.63×10-13m的位移。迈克尔逊因发明干涉仪和光速的测量而获得1907年诺贝尔物理学奖金。激光器光检测器换能器分束器固定平面镜移动平面镜第4章光纤传感器2.马赫―泽德(Mach―Zehnder)干涉仪这种结构也可用于检测可动平面镜小到10-13m的位移。与迈克尔逊干涉仪相比,它的优点是:只有少量的或者没有光直接返回激光器，灵敏度增加一倍。34激光器分束器移动平面镜换能器光检测器分束器固定平面镜第4章光纤传感器3.萨格奈克(Sagnac)干涉仪若某块平面镜沿着与反射面垂直的方向移动,两个光程的长度改变同样的数量。若固定该干涉仪的台子绕着垂直于光束平面的轴作顺时针旋转,那么沿顺时针方向传输的光束追赶同一方向运动的终端,而逆时针传输的光束则迎头撞向反方向运动的终端,因此,顺时针方向的光束就滞后于逆时针方向的光束。35激光器光检测器平面镜平面镜第4章光纤传感器顺、反两光束之间的光程差为：4ALc