光纤传感技术详解

1光纤传感技术光纤发展历史21870年，英国物理学家丁达尔的实验1960-光纤发明1966-华裔科学家“光纤之父”高锟预言光纤将用于通信。1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤。1977-首次实际安装电话光纤网路1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中国光纤之父”1990-区域网路及其他短距离传输应用之光纤2005FTTH(FiberToTheHome)光纤直接到家庭2009高锟获得诺贝尔物理学奖。3光纤传感器始于1977年，目前已进入研究与应用并重阶段。主要优点：①灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可挠性强、可实现不带电的全光型探头。②频带宽、动态范围大。③可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器④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⑤可用高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境。⑥结构简单、体积小、重量轻、耗能少。4一次涂覆层纤芯包层套层一次涂覆层包层纤芯套层光纤波导的结构多层介质结构：1、纤芯：石英玻璃，直径5-75um，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素。2、包层：直径100-200um，折射率略低于纤芯。3、涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。4、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。2.光纤传感器的基础)arcsin(12nnc5光纤的光波导原理12034①②n1n2n2n2n1光纤的临界角对应光纤的入射角临界值为：NAnnn222100sin渐变光纤的导光原理示意图6在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。光纤的分类7石英系列光纤（以SiO2为主要材料）按光纤组成材料划分多组分光纤（材料由多组成分组成）液芯光纤（纤芯呈液态）塑料光纤（以塑料为材料）阶跃型光纤（SIF）光纤种类按光纤纤芯折射率分布划分渐变型光纤（GIF）W型光纤单模光纤（SMF）按光纤传输模式数划分多模光纤（MMF）光纤的纤芯折射率剖面分布82b2b2b2c2a2a2annnn1n1n1n2n2n2n30abr0abr0acbr（a）阶跃光纤（b）渐变光纤（c）W型光纤9光纤的类型光纤中的重要参数10为表示光纤的集光能力大小，定义光纤波导临界入射角的正弦值为光纤的数值孔径（NA），即：2sin1222100nnnnNA1、数值孔径（NA,NumericalAperture）当光线在纤芯与包层界面上发生全反射时，相应的端面入射角为光纤波导的孔径角（或端面临界角）。即只有光纤端面入射角大于的光线才能在光纤中传播，故光纤的受光区域是一个圆锥形区域，圆锥半锥角的最大值就等于孔径角。光纤参数数值孔径的意义？？2、光纤中的模式(FiberMode)11电磁波的传播遵从麦克斯韦方程，而在光纤中传播的电磁场根据由光纤结构决定的边界条件，可求得满足波动方程的特定的离散的解，而某一个解代表许多允许沿光纤波导传播的波，每个允许传播的解称为光纤的模式，每个波具有不同的振幅和传播速度。光纤中可能传播的模式有横电波、横磁波和混合波。（1）横电波TEmn：纵轴方向只有磁场分量；横截面上有电场分量的电磁波。中下标m表示电场沿圆周方向的变化周数，n表示电场沿径向方向的变化周数。（2）横磁波TMmn:纵轴方向只有电分量；横截面上有磁场分量的电磁波。（3）混合波HEmn或EHmn:纵轴方向既有电分量又有磁场分量，是横电波和横磁波的混合。无论哪种模式，当m和n的组合不同，表示的模式也不同。光纤中的重要参数3、光纤的归一化频率V12归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数目多少而引入的一个特征参数。其定义为：222102221rnkNArnnrV光纤中的重要参数其中，r——是光纤的纤芯半径；λ——是光纤的工作波长；n1和n2——分别是光纤的纤芯和包层折射率；k0——真空中的波数；∆——光纤的相对折射率差。归一化频率越大，光纤所允许传播的模式越多，当V2.405时，光纤中只允许一个模式传播，即基模。模式特性当0＜V＜2.405时,光纤中除主模（或基模）HE11模以外，其余模式均截止，此时可实现单模传输。22VNs13V模式导模总数0--2.4052.405--3.8323.832--5.1365.136--5.5205.520--6.380..HE11HE21,TE01,TM01HE12,HE31,EH11HE41,EH21HE22,TE02,TM02..22+4=66+6=1212+4=1616+4=20..单模传输条件多模传输的数目对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为42VNs14截止波长是单模光纤特有的参数，对应于第一高阶模的归一化截止频率Vc=2.405时的波长。4、截止波长λc22212221nVrnnVrcxc光纤的损耗特性15损耗的定义当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数α表示：oiPPLlg10(单位：dB/km)损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择。损耗的种类•吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用；•散射损耗：光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射；•其他损耗：如光纤弯曲也引起散射损耗。部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。光纤的损耗16损耗散射损耗制作缺陷折射率分布不均匀芯-涂层界面不理想气泡、条纹、结石本征散射及其他瑞利散射布里渊散射拉曼散射吸收损耗本征吸收紫外吸收红外吸收杂质离子的吸收过渡族金属离子OH-离子弯曲损耗17光纤的色散特性色散的定义色散的种类光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。色散的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差。•模式色散：模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延不同而产生的色散。只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决于光纤的折射率分布。•材料色散：材料色散是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同产生的色散。取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。•波导色散：波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的色散。取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折射率差。18波导色散和材料色散都是模式的本身色散，也称模内色散。对于多模光纤，既有模式色散，又有模内色散，但主要以模式色散为主。梯度型光纤中模式色散大为减少。而单模光纤不存在模式色散，只有材料色散和波导色散，由于波导色散比材料色散小很多，通常可以忽略。采用激光光源可有效减小材料色散的影响。19光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器（FunctionFiberOpticSensor），又称FF型光纤传感器；利用光纤本身感受被测量变化而改变传输光的特性，光纤既是传光元件，又是敏感元件。另一类是非功能型传感器（Non-FunctionFiberOpticSensor），又称NF型光纤传感器。利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光信号的传输介质。光纤传感器的分类20功能型光纤传感器这类传感器利用光纤本身对被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。非功能型光纤传感器传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。21光纤传感器的分类列表222光纤的光波调制技术强度调制相位调制偏振调制频率调制波长调制231、强度调制：IDttIS信号入射光强度调制光源出射光输出ID光探测器强度调制原理IOtIit24强度调制是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，而导致光强度发生变化来实现敏感测量的。A25光是一种横波。光振动的电场矢量E和磁场矢量H和光线的传播方向s正交。按照光的振动矢量E、H在垂直于光线平面内矢量轨迹的不同，又可分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光。偏振调制就是利用光偏振态的变化来传递被测对象的信息。2、偏振调制调制原理：•普克尔Pockels效应(电光效应)•法拉第磁光效应•光弹效应解调原理：检偏器26普克尔效应（电光效应）当压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电场时，晶体将呈现双折射现象，这种现象被称为Pockels效应，如下图所示。并且，这种双折射正比于所加电场的一次方在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为其中：n0—正常折射率；re—电光系数；U—加在晶体片上的横向电压；λ—光波长；L—光传播方向晶体长度；d—电场方向晶体厚度。3030nrULdPockels效应及应用27法拉第效应（磁光效应）某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振动面会发生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量E旋转角θ与光在物质中通过的距离L和磁场强度H成正比，即式中V为物质的弗尔德常数。利用法拉第效应可以测量磁场。其测量原理如图所示。LHdlV0HLV28光弹效应在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力的材料将会使光产生双折射现象，其折射率的变化与应力材关，这被称为光弹效应。由光弹效应产生的偏振光的相位变化为：KPL2式中：K—物质光弹性常数；P—施加在物体上的压强；L—光波通过材料的长度。此时出射光强为：2200sinsin2KPLIII光弹效应示意图29偏振调制的解调原理渥拉斯顿棱镜解调原理解偏过程：如图为偏振光分束器，方解石组成。两棱镜光轴垂直，光线垂直入射到No.1，光束不分开，但o光1和e光1速度不同。到达No.2时，光轴垂直，o光1和e光1的角色互换，o光2对应的折射率从n0到ne，e光2对应的折射率从ne到n0，nen0，所以两光束分开。偏振角为θ。2光线1光线光信号被调制的光束传播示意图eooe45o光信号被调制的3021212sinIIII4cos:2A光分量振幅轴4sin:1A光分量振幅轴偏振角与光分量的关系：1轴2轴OAA参考矢量44sinA4sinA偏振角θ与光源强度和通道能量衰减无关，只与两分光束的光强有关系。由偏振角θ值可推知需要传感的物理量两光分量对应的振幅分别为：31相位调制的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。3、相位调制应力应变效应：光纤长度变化光弹效应:光纤芯折射率变化磁致伸缩效应：光纤芯直径变化声光效应光热效应萨格纳克(Sagnac)效应检测原理相位解调原理：光外差检测原理32典型干涉测量仪与光纤干涉传感器：马赫-泽德尔(Mach-Zender)干涉仪法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉仪迈克尔逊(Michelson)干涉仪萨格纳克(Sagnac)干涉仪常用干涉仪常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤实现的干涉型光纤传感器。331.迈克尔逊干涉仪干涉原理：当激光束分得的两光束的光程差小于激光的相干长度时，射到光检测器上的两相干光束即产生干涉，且相位差为：lk02为两相干光的光程差数；为光在空气中的传播常lk20传感器342.马赫－泽德尔干涉仪由移动平面镜的位移获得两相干光束的相位差，在光检测器是产生干涉。优点：没有激光返回激光器，噪声小，稳定性好。对干涉影响小。353.萨格纳克干涉仪激光器输出的两束光沿着一条由一个分束器和三个平面镜构成的闭合光路反方向传输,它们重新合路后再入射到光检测器,同时一部分光又返回到激光器。当平台沿垂直于光束平面旋转时，两方向相反的光束到达检