光纤传感器基本原理

第五章光纤传感器基本原理5.1引言光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点，如灵敏度高，抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接，结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。•光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。•功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以也称传感型光纤传感器，或全光纤传感器。•非功能型光纤传感器是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，传输来自远处或难以接近场所的光信号．所以也称为传光型传感器．或混合型传感器。在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为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(颜色)调制光纤传感器5.2强度调制机理5.2.1反射式强度调制这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用.输出光纤端面受光锥照射的表面所占的百分比为被输出光纤接收的入射光功率百分数为(F被称为耦合效率)5.2.2透射式强度调制动光纤式光强调制模型，用来测量位移、压力、温度等物理量。这些物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离,光强度调制器的线性度和灵敏度都很好。采用双透镜系统使入射光纤在出射光纤上聚焦，遮光屏在垂直于两透镜之间的光传播方向上下移动。这种传感器光耦合计算方法与反射式传感器是一样的。在上述的简化分析限定范围内，比值δ/r与可移动遮光屏及两透镜问半径为r的光柱相交叠面积的百分比α。不用透镜的两光纤直接耦合系统，结构虽然简单，但也能很好地工作。只是接收光纤端面只占发射光纤发出的光锥底面的一部分，使光耦合系数减小，灵敏度也降低一个数量级(r/dT)2。利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器．通过一对光栅遮光屏的透射率，从50％(当两个屏完全重叠时)变到零(当一个屏的不透明条完全覆盖住另一个屏的透明部分)。在此周期性结构范围内，光的输出强度是周期性的。而且它的分辨率在光珊条纹间距的10-6数量级以内。这是能够构成很灵敏、很简单、高可靠的位移传感器的基础。•作业1、由图5-2的几何关系推导出下列关系式2、由图5-2，已知光纤芯直径为2r＝200um，数据孔径NA=0.5，光纤间距a=100um。若取函数F(d)的最大斜率处为该系统的灵敏度，则耦合功率F随d变化速率为何值？5.2.3光模式强度调制两个模的传播常数分别为β和β′，当Δβ=│β-β′│=2π/λ相位失配为零，模间精合达到最佳。当光纤之间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，变形器的位移改变了弯曲处的模振幅，从而产生强度调制。对于抛物线(或平方律或梯度)折射率分布的光纤．变形器的临界空间周期为对于阶跃光纤光纤传播模式的改变，还可以改变光纤模斑斑图，依据模斑图形的变化也可进行光模式强度调制。多模光纤出射的远场光斑就像一个切开的“西瓜”，“亮”、“黑”无规则地相间变化。5.2.4折射率强度调制一、光纤折射率变化型一般光纤的纤芯和包层的折射军温度系数不同。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。二、渐逝波耦合型通常．渐逝波在光疏媒质中深人距离有几个波长时．能量就可以忽略不计了。如果采用一种办法使惭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。L表示一对单模或多模光纤的相互作用长度，d表示纤芯之间的距离。光纤包层被减薄或完全剥去，足以产生渐逝场耦合。d、L或n2稍有变化，光探测器的接收光强就有明显变化、从而实现光强调制、这一原理已应用于水听器。三、反射系数型由菲涅尔反射公式式中，R∥为平行偏振方向的强度反射系数，R⊥为垂直偏振方向的强度反射系数；n=n3／n1，θ为入射光波在界面上的入射角。5.2.5光吸收系数强度调制一、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。改变光纤材料成分可对不同的射线进行测量。如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、γ射线、中子射线最敏感，用这种方法做成的传感器既可用于卫星外层空间剂量的监测，也可用于核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监测。二、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。它们的光吸收边的波长将随着T的升高而变化。5.3相位调制机理•利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以获得极高的灵敏度。•相位调制光纤传感器的基本传感原理是：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，从而检测出待测的物理量。5.3.1相位调制一、应力应变效应当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时，光纤的长度、芯径、纤芯折射率都将发生变化，这些变化将导致光波的相位变化.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)；第三项则表示光纤的半径改变所产生的相位延迟(泊松效应)。1．纵向应变引起的相位变化2．径向应变引起的相位变化不考虑泊松效应时有实现纵向、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。二、温度应变效应仅考虑径向折射率变化时，其相位随温度变化为5.3.2光纤干涉仪光纤相位传感器要求有相应的干涉仪来完成相位检测过程。对于一个相位调制干涉型光纤传感器，敏感光纤和干涉仪缺一不可。敏感光纤完成相位调制任务，干涉仪完成相位—光强的转换任务。•在光波的干涉测量中，传播的光波可能是两束或多束相干光。•例如，设有光振幅分别为A1和A2的两个相干光束。如果其中一束光的相位由于某种因素的影响受到调制，则在干涉域中产生干涉。干涉场中各点的光强可表示为一、迈克尔逊(Michlson)光纤干涉仪二、马赫—泽德(Mach—zehnder)光纤干涉仪保证全光纤干涉仪的工作点稳定是比较困难的。在零差检测方式中，需要保证两光纤臂间的正交状态。所以系统要求环境温差不能太大。“正交状态”是指干涉仪的两臂光波间的相对相位为90°。正交检测方式的优点是探测相位灵敏度最高。三、赛格纳克(Sagnac)光纤干涉仪干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上，且平台以角速度Ω转动时，根据赛格纳克效应，两束传播方向相反的光束到达光探测器的延迟不同。若平台以顺时针方向旋转，则顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光延迟。相位延迟量可表示为式中，A是光路围成的面积；•光纤陀螺仪四、法布里—珀罗(Fabry-Perot)光纤干涉仪由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。在两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率通常达95％以上。法布里—珀罗干涉仪是多光束干涉。根据多光束干涉的原理，探测器上探测到的干涉光强的变化为透射的干涉光强的最大值与最小值之比它与一般法布里—珀罗干涉仪的区别在于以光纤光程代替空气光程，以光纤特性变化来调制相位代替以传感器控制反射镜移动实现调相。5.4频率调制机理•采用频率调制技术可以对有限的几个物理量进行测量。它主要是利用运动物体反射或散射光的多普勒频移效应来检测其运动速度。设光源和观察者处于同一位置。如果频率为f的光照射在相对光速度为v的运动物体上，那么观察者接收的运动物体反射光频率f1为当光源和观察者处于相对静止的二个位置时，可当作双重多普勒效应来考虑。先考虑从光源到运动体，再考虑从运动体到观察者。)cos(1cos1cos1cos1cos1212121211cvfcvcvfcvffcvff5.4.1光纤多普勒技术根据多普勒频移原理，采用激光作为光源的测量技术是研究流体流动的有效手段。它的主要持点是空间分辨率高，光束不干扰流动性，并具有跟踪快速变化的能力。•现在来讨论一下检测信号的光功率计算方法。流体中运动体的返回信号大小取决于背向散射光强、媒质衰减和光纤接收面积及数值孔径。返回进入光纤的总功率Pr5.5波长调制机理波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能型传感器。5.5.1光纤pH探测技术这种技术利用化学指示剂对被测溶液的颜色反应来测量溶液的pH值.•采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中多种因素所造成的误差。取绿光(558nm)作为调制检测光，红光(630nm)作参考光，探测器接收到的绿光与红光强度的吸收比值为R,pH值与R的关系为式中．c、k为常数；L为试剂长度,Δ＝pH—pK，其中pH是酸碱度,pK是酸碱平衡常数。5.2光纤磷光探测技术两个光电二极管的敏感波长不同，一个对540nm的光敏感，另一个对630nm的光敏感。经光电二极管转换成电信号，再经过电子电路进行信号处理，得到相对光强与温度变化的特性曲线。经校正可以得到输出相对光强与温度呈线性关系。5.5.3光纤黑体探测技术通过测量物体的热辐射能量确定物体表面温度是非接触式测温技术。物体的热辐射能量随温度提高而增加。对于理想“黑体”辐射源发射的光谱能量可用热辐射的基本定律之一普朗克(Plank)公式表述.所谓“黑体”、就是能够完全吸收入射辐射，并具有最大发射率的物体。1/310)1(),(2TceCTE光纤黑体探测技术。就是以黑体做探头，利用光纤传输热辐射波，不怕电磁场干扰，质量轻．灵敏度高，体积小，探头可以做到0.1mm。5.5.4光纤法布里—泊罗滤光技术式中，d是法布里—泊罗标准具厚度；n’是标准具平行板内的介质折射率；φ是反射光的相位跃变。5.6偏振调制机理•光波是一种横波，它的光矢量是与传播方向垂直的。如果光波的光矢量方向始终不变，只是它的大小随位相改变，这样的光称线偏振光。光矢量与光的传播方向组成的平面为线偏振光的振动面。如果光矢量的大小保持不变，而它的方向绕传播方向均匀地转动，光矢量末端的轨迹是一个圆，这样的光称圆偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有规律地变化，且光矢量的末端沿着一个椭圆转动，这样的光称椭圆偏振光。kEH偏振光的表示法圆偏振光线偏光椭圆偏振光马吕斯定律强度为I0的偏振光，通过检偏器后，透射光的强度为：I=I0cos2α其中α为检偏器的偏振化方向与入射偏振光的偏振化方向之间的夹角。AII0α为线偏振光的振动方向OM与检偏器透振方向ON间的夹角。0AOMNcos0AA22020cosAAII••••••0I20IMo一束光强为I0的自然光透过检偏器，透射光强为I0/2解释I=I0cos2α天然的方解石晶体是双折射晶体AB光的双折射现象一束自然光射向石英、方解石等各向异性介质时，其折射光有两束，这种现象称为双折射现象。5.6.1普克耳效应各向异性晶体中的普克耳效应是一种重要的电光效应。当强电场施加于光正在穿行的各向异性晶体时，所引起的感生双折射正比于所加电场的一次方，称为线性电光效应，或普克耳效应。•折射率椭球方程1232222212nznynx对于双抽晶体，主折射率；对于单抽晶体，主折射率为寻常光折射率，为非常光折射率。321nnnonnn21enn3若沿光轴方向入射，o光和e光具有相同的折射率和相同的波速，因而无双折射现象。寻常光（o光）和非常光（e光）•寻常光：对于晶体一切方向都具有相同的折射率，且在入射面内传播，简称它为o光。•非常光：它的折射率（即波速）随方向而变化，并且不一定在入射面内传播，简称为e光