第七章-光纤传感检测技术-PPT课件

第七章光纤传感检测技术光纤传感器的基础光纤的光波调制技术光纤传感器实例分布式光纤传感器7.1光纤传感器的基础1、光纤的结构光导纤维（OpticalFiber简称光纤）又纤芯、包层及外套组成。纤芯折射率大于包层折射率。光纤具有使光封闭在纤芯里面传输的功能。外套起保护作用。2、光纤的种类1）按制作材料高纯度石英玻璃纤维多组分玻璃光纤塑料光纤2）按传输模式分单模光纤多模光纤3）按折射率分布特点分阶跃光纤梯度光纤阶跃光纤梯度光纤4）按用途分通信光纤特殊光纤5）按制作方法分化学气相沉积法、双坩埚/三坩埚法。3、光纤的传输原理1）光线传播解释将光看作光线。光由光密介质向光疏介质传播，在满足一定条件时发生全反射。12sinnnc1n2n全反入射角：21121100)sin1(sinsinnnn可得：NAnnn222100sinNA称为数值孔径(NumericalAperture)。NA是光纤受光能力的标度。标准多模光纤的NA公称值一般为0.2，孔径角为11.5o；标准单模光纤的NA公称值一般为0.1~0.15，孔径角约5.7o~8.6o在梯度光纤中：在梯度光纤中的折射在梯度光纤中的传播自聚焦效应2）波导传播解释将光看作电磁波。用麦克斯韦方程解表示光波。满足麦克斯韦方程的任一特解称为一种模式，简称模。任意电磁波可以看作多个模式的线性组合，同样满足麦克斯韦方程。电磁波主要有横模和纵模。光波在光纤中传播存在三类模式：传输模（导模）、泄漏模（漏模）、辐射模导模：光功率限制在纤芯内传播的光波场，又称为芯模。包括横电模、横磁模和混合模。漏模：在纤芯内及距纤壁一定距离的包层中传播的光波场，又称为包层模。辐射模：在纤芯和包层中均为传输场，不满足全反射条件，模场能量向包层外溢出，光纤失去对光波场功率的限制作用。三种模式：a）TEmn模。在轴向只有磁场分量H，而横截面上只有电场分量E。称为横电模。b）TMmn模。在轴向只有电场分量E，而横截面上只有磁场分量H。称为横磁模。c）HEmn模（EHmn模）。轴向同时存在电场分量和磁场分量。称为混合模。m,n表示贝塞尔函数的阶及相应的根数。代表不同的模式。不同模式的传输特性不同。若光纤中仅传播HE11基模，则因该模在芯心处最强，所以光纤输出的光斑是一个外围光强较弱的圆光斑。TE01模则因芯心处电场最弱，所以光纤输出光斑将在芯心处出现暗区。电磁波可表示为：)(),(),,,(ztjeEtzEβ为传播常数。cos2cos101nknβ决定了在传播过程中等效在z方向上引入的相位变化值。光纤轴向相速度由ω/β决定。归一化频率为：2221002/2nnrrNA归一化频率是表征光纤中模式传播特性的重要参数。在一个给定结构参数的光纤中，允许存在的导模数目取决于v，v越大，允许存在的导模越多，反之亦然。当时，只允许一个模式（HE11）。平方分布率梯度光纤）阶跃光纤）或(401.3(2048.2vv梯度型)]2(2/[2ggvM阶跃型2/2vM4/2vM归一化频率与传输模式之间的关系4、光纤的特性损耗和色散1）损耗定义为：光波在光纤中传输1km产生的功率衰减分贝数。)dB/Km(lg10oiPPL式中Pi——光纤输入端光功率；Po——光纤输出端光功率；L——光纤长度；损耗随波长的增大而减小。光纤损耗主要有：吸收损耗由于光纤材料的量子跃迁致使一部分光功率转换为热量造成的传输损耗。本征吸收、杂质吸收和原子缺陷吸收。本征吸收是物质固有的，主要是由紫外和红外波段电子跃迁和振动跃迁引起的吸收。本征损耗一般很小，约0.01~0.05dB/Km。杂质吸收是由于光纤材料中的正过渡金属离子的电子跃迁和氢阳根负离子的分子振动跃迁引起的吸收。原子缺陷吸收是由于强烈的热、光或射线辐射使光纤材料受激出现原子缺陷产生的损耗。散射损耗瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射等瑞利散射是由于光纤中远小于光波长的物质密度不均匀性和掺杂浓度不均匀引起的散射。分为斯托克斯散射（波长向长波方向偏移）和反斯托克斯散射（向短波方向偏移）散射光正比于1/λ4。用长波可减小瑞利散射。弯曲损耗曲率半径远大于光纤直径的弯曲所产生的附加损耗。产生弯曲损耗的效应主要有：空间滤波、模式泄漏、模式耦合空间滤波：光纤弯曲部分高阶模因全反射条件破坏而折射到包层中，将所携带的能量辐射到光纤之外的一中物理效应。弯曲半径越小，损耗越大。是弯曲损耗中的主要损耗。模式泄漏：光场远离纤芯的部分因弯曲不再满足模式传输要求而辐射出光纤。模式耦合：纤芯中的导模和包层中的辐射模发生模式耦合，使导模能量减小。2）色散光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。不同波长、不同模式下的β值不同。光纤色散主要有：材料色散、模式色散、波导色散。几种色散：a）材料色散又称折射率色散。不同波长的折射率不同引起。发射光谱宽度越窄，材料色散越小。是单模光纤的主要色散。b）模式色散梯度光纤中模式间传播速度不同引起。是梯度型多模光纤的主要色散。单模光纤中不存在模式色散。自聚焦光纤中理论上也不存在模式色散。c）波导色散又称结构色散。光纤结构不同，同一模式的传播常数随频率变化引起。5、光纤传感器分类1）功能型传感器（functionfiberopticalsensorFF）光纤作为传感元件2）非功能型传感器（nonfunctionfiberopticalsensorNF）光纤作为传光元件6、光纤传感器的特点检测精度和灵敏度高。响应速度快，频响宽，可实现非接触高速检测。环境适应性强。体积小、重量轻、具有可集成的潜力。光纤传感器的基础光纤的光波调制技术光纤传感器实例分布式光纤传感器外界信号可能引起光的强度、波长（颜色）、频率、相位、偏振态等性质发生变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态的调制原理。调制方式：强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制、光谱调制等。1、强度调制1）微弯损耗强度调制多模光纤（或单模光纤）微弯时，一部分芯模能量会转化为包层模式能量，通过测量包层模式的能量或芯模能量的变化就能测量外界物理量。以模式耦合造成的损耗为主。梯度型光纤中：r2阶跃型光纤中：r2)0(2/)]()0([222nrnn2）折射率变化强度调制温度变化可引起光纤折射率变化，外界环境折射率变化，都可以实现强度调制。3）线位移或角位移强度调制光强分布4）光闸强度调制5）反射式强度调制2、偏振调制振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振。光按偏振态可分为：自然光、偏振光、部分偏振光。自然光：偏振光：线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光（a）线偏振光光矢量端点的轨迹为直线，即光矢量只沿着一个确定的方向振动，其大小、方向不变，称为线偏振光。（b）椭圆偏振光光矢量端点的轨迹为一椭圆，即光矢量不断旋转，其大小、方向随时间有规律的变化。（c）圆偏振光光矢量端点的轨迹为一圆，即光矢量不断旋转，其大小不变，但方向随时间有规律地变化。部分偏振光：双折射：一束自然光入射于单轴晶体时，会变成两束折射光，其中一束遵守折射定律称为o光，另一束不遵守折射定律，称为e光。o光、e光都是线偏振光，o光的振动方向垂直于o光的主平面，e光的振动方向在e光的主平面内。偏振调制就是利用电光、磁光和光弹等物理效应，改变光的偏振态，实现调制。1）调制原理a）泡克尔斯（Pockels）效应（感应双折射）压电晶体在电场作用下表现出双折射现象。两正交偏振光的相位变化为：dlUrne030b）法拉第磁光效应光通过带磁性的物体时，偏振方向发生旋转。LHdlV光传播方向与磁场一致时，V0，迎着光传播方向看，偏振面顺时针方向偏转光传播方向与磁场一致时，V0，迎着光传播方向看，偏振面逆时针方向偏转d）光弹效应（压力双折射）晶体在压力作用下表现出双折射性质。n相位变化可表示为：折射率变化为：ρ——物质常数σ——施加的应力lL光程差：/2lc）其他方式（非功能型）透射式反射式d）光偏振态的检测偏振态光强单光路法20sinII输出光强：双光路法WP：沃拉斯登棱镜D1，D2的输出：)4/(cos)4/(sin202201IIII偏转角为：21211sin21IIII3、相位调制利用外界因素改变光纤中光波的相位通过检测相位变化来测量物理量的原理称为相位调制。相位调制的灵敏度极高。1）应力应变效应当光纤受到纵向（横向）的机械应力时，光纤的长度（应变效应）、光纤芯的直径（泊松效应）、纤芯折射率（光弹效应）都将变化，从而引起光波相位变化。aaLnnLLLL2）塞格纳克效应顺时针一周的实际光程：tRRLcw2逆时针一周的实际光程：tRRLccw2光程差：cRtRL242相位差：3）温度应变效应温度应变效应与应力应变相似。同时引起长度和折射率的变化。相位改变值与待测场中光纤长度L成正比，具有很高的灵敏度。4）相位解调相位表现在复振幅的复数部分，只有通过干涉将其转换为光强才能被探测器接收到。5）几种光纤干涉仪a）双光束光纤干涉仪迈克尔逊光纤干涉仪、马赫-泽德尔光纤干涉仪、斐索光纤干涉仪迈克尔逊光纤干涉仪马赫-泽德尔光纤干涉仪优点：不带纤端反射镜，克服了回波干扰的问题。斐索光纤干涉仪P1、P2:偏振片M1、M2:反射镜，构成斐索干涉腔b）三光束光纤干涉仪优点：形成多光束干涉，清晰度、锐度比双光束干涉好，可提高测量精度。c）塞格纳克光纤干涉仪多饶可提高精度d）法布里-泊罗光纤干涉仪本征F-P腔和非本征F-P腔非本征F-P干涉仪（EFPI）透射式反射式输出的光强：优点是灵敏度高本征F-P干涉仪（FFPI）e）光强探测常采用光电二极管（PIN）、光电三极管和雪崩二极管（APD）作为光电探测器。输出的电流为：可采用单探测器法、双探测器法和三探测器法三探测器法可采用单探测器法双探测器法4、频率调制利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率变化来测量外界物理量的原理，称为频率调制。频率调制基于多普勒效应。SQPθ2θ1)]cos(cos1[211cvffs多普勒光纤测速仪光纤传感器的基础光纤的光波调制技术光纤传感器实例分布式光纤传感器1、光纤位移传感器7.3光纤传感器实例反射式光纤位移传感器液面测量2、光纤温度传感器1）辐射温度传感器辐射曲线2）半导体吸收式温度传感器半导体材料吸收的波长随温度增加向长波移动。透过率随温度增加而减小。a）双光纤参考基准通道法b）双光源参考基准通道法3）热色效应光纤温度传感器4）光纤角速度传感器5）光纤压力传感a）快门式b）动栅式光栅常数越小，灵敏度越高。c）光弹压力传感d）微弯式压力传感e）膜调制光纤压力传感6）光纤电流传感器两类：单模光纤：利用法拉第效应，用于测量高压大电流；金属被覆多模光纤：利用微弯效应，用于测量小电流。金属被覆光纤电流传感器传感元件光纤传感器的基础光纤的光波调制技术光纤传感器实例分布式光纤传感器被测量呈空间分布时，将传感光纤沿场排布，对场的空间分布和随时间变化的信息进行测量或监控。分布式光纤传感可获得多点信息，性价比高，信息容量大。可分为本征型和非本征型（准分布式）7.4分布式光纤传感器1、准分布式光纤传感原理将呈一定空间分布的相同调制类型的光纤传感器耦合到一根或多根光纤总线上，通过寻址、解调，检测出被测量的大小及空间分布。总线光纤仅起传光作用。可分为：时分复用(TimeDivisionMultiplexTDM)波分复用(WavelengthDivisionMultiplexWDM)频分复用（FrequencyDivisionMultiplexFDM)空分复用(SpaceDivisionMultiplexSDM)偏分复用(PolarizationDivisionMultiplexPDM)a)时分复用(TDM)反射式透射式不同传感器信号到达