光纤传感技术与应用-第一章-光纤传感器

光纤传感技术与应用王英武汉工程大学理学院光学信息技术实验室电话：[phone]E-mail：[e-mail]：7079150课程内容1光纤传感器2多传感器的光网络技术3光电传感器中的光纤技术4光传感信号处理技术5光传感器的封装技术6多传感器信息融合技术7光电传感技术在电力系统的应用8光电传感技术在石油与化工行业的应用9光电传感技术在生物、生医生化领域的应用10光电传感技术在航空航天领域的应用11光电传感技术在国防领域的应用12光电传感技术在环境保护与监测中的应用课程内容1.1概述1.2振幅调制传感型光纤传感器1.3相位调制传感型光纤传感器1.4偏振态调制型光纤传感器1.5波长调制型光纤传感器1.6光纤荧光温度传感器1.7分布式光纤传感器1.8聚合物光纤传感器1.9光子晶体光纤及其在传感中的应用1.10传光型光纤传感器1.11光纤传感技术的发展趋势及课题1.12小结1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。•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1光纤的基本结构与波导•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2光在两介质界面上的折射和反射–依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有•(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(1)则有•(2)••由图(1)和图(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•同理，由图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•(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1.1概述•1.1.1光纤传感器的定义及分类•传感型——利用外界因素改变光纤中光的振幅、相位、偏振态或波长传感合一•传光型——利用其他敏感元件测得物理量后通过光纤进行数据传输外界因素入射透射光纤•1.1.2光纤传感器的特点•抗电测干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全•灵敏度高•重量轻，体积小，外形可变•测量对象广泛•对被测介质影响小•便于复用，便于成网•成本低•1.2振幅调制传感型光纤传感器•利用外界因素引起的光纤中光强的变化来探测物理量等各种参量的光纤传感器称为振幅调制传感型光纤传感器；对被测介质影响小•改变微弯状态•改变耦合条件•用来改变光纤中光强的办法改变吸收特性•改变折射率分布•1.1.2光纤微弯传感器•原理：利用微弯损耗的变化，来探测外界物理量的变化。•微弯损耗：多模光纤微弯时，部分芯模能量转化为包层模能量。通过测量芯模能量或包层能量的变化来测量位移或振动等参量。光纤微弯传感器原理图•1.1.2光纤受抑全内反射传感器•一、透射式•原理：全内反射•缺点：需要精密的机械调整和固定装置，不利于现场环境使用。透射式光纤受抑全内反射传感器简图•二、反射式•原理：也可以利用外界介质折射率变化，改变临界全反射条件，使反射光强变弱，从而测量外界物理量变化。•特点：这种结构简单，无机械固定装置，稳定性好反射式光纤受抑全内反射传感器简图•1.2.3光纤辐射传感器•原理：X射线、γ射线会使光纤的吸收损耗增加，输出端功率下降。•特点：灵敏度高、线性范围大、“记忆”特性•结构灵活、牢固可靠•应用：小型仪器；核电、放射性物质监测•1.3相位调制传感型光纤传感器•原理：利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量。••灵敏度高——光学干涉法是已知最灵敏的探测技术之一•灵活多样——光纤探头的几何形状可按使用要求设计•对象广泛——可测量众多物理量，用于测量压力、转动、温度、加速度、电流、磁场、液体成分等•对光纤有特殊需要——倾向于使用同一模式产生干涉•1.3.2光纤M-Z干涉仪和光纤Michelson干涉仪光纤M-Z干涉仪原理图光纤Michelson干涉仪原理图DDLnnLLLLLLLnD当外界（温度、压力等）因素引起光纤长度L的机械变形和折射率n的变化，均可以引起一个臂中的相位发生变化，如（1-3-5）式式中光纤的传播常数光纤长度光纤折射率光纤直径•1.3.3光纤Sagnac干涉仪•原理：在由同一光纤绕成的光纤圈中沿相反方向前进的两光波，在外界因素作用下产生不同的相移。通过干涉效应进行检测。•理论：GeogeSagnac效应（1913年）发表光纤Sagnac干涉仪原理图RcRttRRctRcRttRRct2222cRttcL24)(AcL82见书cAL4（1-3-6）见书（1-3-7）cNA8cmd10245cmAnm633sradhr/103.7deg/155rad8103.4数值举例：•1.3.4光纤Fabry-Perot干涉仪•原理：用光纤或光纤器件构成F-P干涉仪。•本征型——两端面镀膜的一段光纤做为传感器的主体；•非本征型——两根光纤对在一起，单端面镀膜，隔开一定间距封装在一固定的管道内。光学F-P干涉仪原理示意图02cos21cos12IRRRIRcos21122RRRITLn04两个相应严格平行的光学反射膜，构成光学谐振腔。（1-3-9）（1-3-10）（1-3-11）光学相位本征型光纤F-P传感器：两端面镀膜的一段光纤做为传感器的主体；本征型光纤法-珀传感器原理图非本征型光纤F-P传感器：两根光纤对在一起，单端面镀膜，隔开一定间距封装在一固定的管道内。非本征型光纤法-珀传感器原理图改进型非本征法-珀传感器原理图•1.3.5光纤环形腔干涉仪•输出特性决定于：光纤耦合器的耦合比、插损，光纤环的长度、传输损耗光纤环形腔干涉仪•1.3.6白光干涉型光纤传感器•解决问题：白光光纤传感器，利用了白光零级干涉条纹可见的特点，可以进行绝对变化的测量。抗干扰能力强，解决了相位型光纤传感器，只能测量相对变化量的问题。•特点——绝对测量；强抗干扰；光纤通用；长度任选；便于复用•1.3.7光纤干涉仪的传感应用•外界作用于光纤上的压力、温度等因素，或者通过某些敏感材料的作用，直接引起光纤中光波相位的变化，从而构成相位调制型的光纤传感器•光纤水声传感器、光纤压力传感器、光纤温度传感器、光纤转动传感器（光纤陀螺）、光纤磁场传感器、光纤加速度计、光纤化学传感器、光纤生物传感器、光纤气体传感器……•1.4偏振态调制型光纤传感器•光纤偏振干涉仪•原理：先用1/4λ波振片将线偏振光变成圆偏振光，正交的两个偏振光在双折射单模光纤中均匀激励，如果相移不同，则出射的合成偏振光可以在左旋--45度线偏--右旋--135度线偏之间变化。（利用学过的电光调制知识，可知输出光光强的投影强度为）单光纤偏振干涉仪cos1210II•1.5波长调制型光纤传感器•光纤光栅光纤光栅的类型光纤光栅模型（Fibergrating）光纤光栅从本质上讲是通过波导与光波的相互作用，将在光纤中传输的特定频率的光波，从原来前向传输的限定在纤芯中的模式耦合到前向或后向传输的限定在包层或纤芯中的模式，从而得到特定的透射和反射光谱特性。光纤光栅中，光场与光波导之间的相互作用可用耦合模理论来描述。光纤光栅按折射率变化周期的长短大体可分为两类：•短周期光纤光栅(FBG，也叫反射或布喇格光栅)短周期光纤光栅FiberBragggratingm为衍射级数光栅周期一般为零点几个μm,耦合发生在正向与反向传输的模式之间，它的一个重要特性是将某一频段内的光反射回去•长周期光纤光栅(LPG，也叫传输光栅)长周期光纤光栅Longperiodgrating光栅周期在100μm以上,耦合发生在同向传输的模式之间，它的特性是将导波中某频段的光耦合到包层中损耗掉而让其他频段的光通过光纤光栅传感器的优势（1）光纤光栅用于智能结构（smartstructure）和材料的光纤传感器的研究，主要用于结构内部应变、压力、温度、振动、载荷疲劳、结构损伤等参数的监测。•1）抗干扰能力强：这一方面是因为普通传输光纤不会影响光波的频率特性（忽略光纤的非线性效应）；另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰，例如光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏等都不可能影响传感信号的波长特性，因而基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性；•2）光纤光栅传感器是自参考的，可以绝对测量（在对光纤光栅进行定标后），不必如基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考；光纤光栅传感器的优势（2）•3）传感探头结构简单、尺寸小（其外径与光纤本身等同），适于各种场合，尤其是智能材料和结构。便于埋入复合材料构件及大型建筑物内部，对结构的完整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度等状态进行连续实时监测；•4)便于构成各种形式的光纤传感网络，尤其是采用波分复用（WDM）技术构成分布式光纤光栅传感器阵列，进行大面积的多点测量；•5）测量结果具有良好的重复性；•6)光栅的写入工艺己较成熟，便于形成规模生产（商品化）。光纤光栅的历史•1978年由加拿大通讯研究中心(CRC,CanadianResearchCentre)的K.O.Hill.率先报道了光纤的光敏特性，制造了第一支光纤光栅。•1989年G.Melts报道了从光纤的侧面用激光的干涉曝光制作了光纤光栅，使光纤光栅得到迅速发展。•1993年K.O.Hill提出的相位掩模制造法使光纤光栅的制造技术得到重大发展，使光纤光栅的大批量制造成为可能。光纤的光敏性•所谓的光敏性，就是指当材料被外部光照射时，引起该材料物理或化学特性的暂时或永久性变化的一种特性。•光纤中的光敏性通常是特指光纤纤芯折射率在外部光源照射时发生改变的特性。在一定条件下，变化的大小与光强成线性关系并可保存下来。•色心一般是指缺陷的吸收带，是导致光纤传输的重要原因。石英结构光敏光纤•掺铈光纤、掺铒锗光纤、掺锗硼光纤、掺氟锆光纤、掺铕光纤。•在通信中应用最广泛的是纤芯掺锗光纤。•在光纤材料中掺入Ge以后将产生位于195nm、213nm、240nm、281nm、325nm、517nm等多个附加吸收带，其中240nm、195nm为强吸收带光纤材料的紫外增敏技术•标准单模通信光纤掺有3％的锗，典型的折射率变化是3X10-5，提高锗掺杂浓度可达到5X10-4•增加掺杂锗浓度提高了纤芯和包层折射率之差，要减小纤芯，造成普通光纤和光敏光纤的匹配性能下降。•因此要寻找增敏新方法，主要考虑：•提高缺陷浓度；•在光纤中掺杂紫外吸收系数大的杂质；•纤芯或包层中掺入适当杂质，尽可能增大二者之间的热特性失配度；主要方法：载氢技术、光纤还原法、多种掺杂、预加应力增敏技术