光纤传感器解读

第9章光纤传感器章光纤传感器光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器（FOS）与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能力强、高灵敏度、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。第一节光纤传感器基础章光纤传感器一.光纤的结构光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。光纤的结构如图9.1所示，它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。图9.1光纤的基本结构与波导章光纤传感器二.传光原理光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。根据几何光学原理，当光线以较小的入射角θ1由光密介质1射向光疏介质2(即n1＞n2)时(见图9.2)，则一部分入射光将以折射角θ2折射入介质2，其余部分仍以θ1反射回介质1。图9.2光在两介质界面上的折射和反射章光纤传感器依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有(9-1)当θ1角逐渐增大，直至θ1=θc时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播(θ2=90°)。对应于θ2=90°时的入射角θ1称为临界角θc；由式(9-1)则有(9-2)由图(9.1)和图(9.2)可见，当θ1＞θc时，光线将不再折射入介质2，而在介质(纤芯)内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作基础。2211sinsinnn12sinnnc章光纤传感器同理，由图9.1和Snell定律可导出光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为(9-3)式中NA——定义为“数值孔径”。它是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有2θc张角内的光，才能被光纤接收、传播(全反射)；NA愈大，光纤的集光能力愈强。产品光纤通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的NA=0.2～0.4。NAnnnc222101sin章光纤传感器三.光纤的种类光纤按纤芯和包层材料性质非类，有玻璃光纤和塑料光纤两类；按折射率分有阶跃型和梯度型二种，如图9.3所示。阶跃型光纤纤芯的折射率不随半径而变；但在纤芯与包层界面处折射率有突变。梯度型光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致。因此，这类光纤有聚焦作用；光线传播的轨迹近似于正弦波，如图9.4所示。光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来分，可分为多模光纤和单模光纤二类。光纤的折射率断面(a)阶跃型；(b)梯度型图9.4光在梯度型光纤的传输光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。后者纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在横切向往返一次的相位变化为2π的整数倍时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为模；它是离散存在的，亦即某种光纤只能传输特定模数的光。通常纤芯直径较粗时，能传播几百个以上的模，二纤芯很细时，只能传播一个模。前者称为多模光纤，多用于非功能型(NF)光纤传感器；后者是单模光纤，多用于功能型(FF)光纤传感器。章光纤传感器四.光纤的特性信号通过光纤时的损耗和色散是光纤的主要特性(详细情况参见参考资料1）。五.光纤传感器分类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；另一类是非功能传感器(Non-FunctionFiberOpticSensor)，又NF型光纤传感器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。表9-1列出了常用的光纤传感器分类及简要工作原理。章光纤传感器六.光纤传感器的发展趋势光纤传感器具有很多的优点，是对以电为基础的传统传感器的革命性变革，发展前景是极其光明的。但是，目前光纤传感器的成本较高,在这方面仍面临着传统传感器的挑战，存在着与传统传感器和其它新型传感器的竞争问题。为此，有必要说明光纤传感器的可能发展趋势：①当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象。②集成化光纤传感器。③多功能全光纤控制系统。④充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系统。⑤开辟新领域。章光纤传感器光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频率和波长等方式。光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行检测。第二节光调制与解调技术强度调制与解调光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检测。解调过程主要考虑的是信噪比是否能满足测量精度的要求。章光纤传感器微弯损耗强度调制器的原理如图。当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，传输光有一部分会泄漏到包层中去。几种常用的光强调制技术1.微弯效应章光纤传感器外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤本身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常用的调制器是反射器和遮光屏。2.光强度的外调制章光纤传感器利用折射不同进行光强度调制的原理包括：①利用被测物理量引起传感材料折射率的变化；②利用渐逝场耦合；③利用折射率不同的介质之间的折射与反射。3.折射率光强度调制二极管光电探测器，则可略去暗电流噪声效应；进一步假设调制频率远离1／f噪声效应区域，则可略去探测器噪声，上式可简化为：强度调制型光纤传感器的关键是信号功率与噪声功率之比要足够大，其功率信噪比RSN可用下列公式计算：2222)()()()(dNRNphNsSNiiiiR强度调制的解调利用上式计算的信噪比，对大部分信号处理和传感器应用已绰绰有余。但是，光源与光纤、光纤和转换器之间的机械部分引起的光耦合随外界影响的变化；调制器本身随温度和时间老化出现的漂移；光源老化引起的强度变化以及探测器的响应随温度的变化等，比信号噪声和热噪声对测量精度的影响要大得多。应在传感器结构设计中和制造工艺中设法减小这些影响。222)()()(RNphNsSNiiiR第9章光纤传感器章光纤传感器光波是横波。光振动的电场矢量E和磁场矢量H和光线传播方向s正交。按照光的振动矢量E、H在垂直于光线平面内矢端轨迹的不同，又可分为线偏振光（又称平面偏振光）、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光。利用光波的这种偏振性质可以制成光纤的偏振调制传感器。光纤传感器中的偏振调制器常利用电光、磁光、光弹等物理效应。在解调过程中应用检偏器。9.2.2偏振调制与解调章光纤传感器如图所示，当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高电压，晶体将呈现双折射现象——普克耳效应。在晶体中，两正交的偏振光的相位变化：调制原理1.普克耳（Pockels）效应章光纤传感器平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面发生偏转，这种现象称为法拉第磁光效应，光矢量旋转角：2.法拉第磁光效应光纤章光纤传感器在垂直于光波传播方向施加应力，材料将产生双折射现象，其强弱正比于应力。这种现象称为光弹效应。偏振光的相位变化：3.光弹效应章光纤传感器相位调制的基本原理是：通过被测能量场的作用，使能量场中的一段敏感单模光纤内传播的光波发生相位变化，利用干涉测量技术把相位变化变换为振幅变化，再通过光电探测器进行检测。9.2.3相位调制与解调章光纤传感器光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，将产生三个主要的物理效应，导致光纤中光相位的变化：①光纤的长度变化——应变效应②光纤芯的直径变化——泊松效应③光纤芯的折射率变化——光弹效应实现相位调制的物理效应1.应力应变效应在所有干涉型光纤传感器中，光纤中传播光的相位响应φ都是与待测场中光纤的长度L成正比。这个待测场可以是变化的温度T。由于干涉型光纤传感器中的信号臂光纤可以足够长，因此信号光纤对温度变化有很高的灵敏度。第9章光纤传感器2.热胀冷缩效应章光纤传感器相位解调原理两束相干光（信号光束和参考光束）同时照射在一光电探测器上，光电流的幅值将与两光束的相位差成函数关系。两光束的光场相叠加，合成光场的电场分量为：光电探测器对合成光束的强度发生响应。设自由空间阻抗为Zo，则入射到光电探测器光敏面Ad的功率为章光纤传感器探测器响应的是光波在许多周期内测得的平均功率。上式括号中的后三项相当于光频（2ω）的电流变化，光电探测器不能响应如此高频率的变化，可以忽略。因此上式可以简化为：上式表明,探测器输出电流的变化取决于两光束的初始相位和相位变化。可见，通过干涉现象能将两光束之间的相位差转化为电流变化。如果，即干涉光束初相位正交，相差,那可较容易地把这种相位变化提取出来，这种探测方式称为零差检测。)(cos)(21)(212221tEEEEtidEEtdi021sin)(1sin0章光纤传感器右图为普通光学迈克尔逊干涉仪原理图。由激光器输出的单色光由分束器（把光束分成两个独立光束的光学元件）分成为光强相等的两束光。光束1射向固定反射镜然后反射回分束器，再被分束器分解：透射部分那束光由光探测器接收，反射的那部分光又返回到激光器。干涉测量仪与光纤干涉传感器原理1.迈克尔逊干涉仪章光纤传感器由激光器输出，经分束器透射的另一束光2入射到可移动反射镜上，也反射回分束器上，经分束器反射的一部分光传至光探测器上，而另一部分光则经由分束器透射，也返回到激光器。当两反射镜到分束器间的光程差小于激光的相干长度时，射到光探测器上的两相干光束即产生干涉。两相干光的相位差为：lK02式中Ko——光在空气中的传播常数2Δl——两相干光的光程差章光纤传感器图为马赫－泽德尔干涉仪的工作原理。与迈克尔逊干涉仪不同的是，它没有或很少有光返回到激光器。返回到激光器的光会造成激光器的不稳定噪声，对干涉测量不利。2.马赫－泽德尔（Mach-Zehnder）干涉仪章光纤传感器它是利用塞格纳克效应构成的。激光经分束器分为反射和透射两部分。这两束光均由反射镜反射形成传播方向相反的闭合光路，并在分束器上会合，送入光探测器，同时也有一部分返回到激光器。在这种干涉仪中