Transcript 传感器
光纤传感技术 1 光纤发展历史 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 2005 FTTH(Fiber To The Home)光纤直接到家庭 2009 高锟获得诺贝尔物理学奖。 2 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。 3 2. 光纤传感器的基础 光纤波导的结构 一次涂覆层 纤芯 套层 包层 套层 多层介质结构： 一次涂覆层 包层 纤芯 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。 4 光纤的光波导原理 3 n2 n2 n1 2 0 ① ② 1 n1 4 n2 光纤的临界角 n2 c arcsin( ) n1 对应光纤的入射角临界值为： n0 sin 0 n12 n22 NA 5 渐变光纤的导光原理示意图 在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。 6 光纤的分类 按光纤组成材料划分 石英系列光纤（以SiO2为主要材料） 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 ） 7 光纤的纤芯折射率剖面分布 2b 2b 2b 2c 2a 2a 2a n n n n1 n1 n1 n2 n2 0 a （a）阶跃光纤 8 b n2 r 0 a （b） 渐变光纤 b r n3 0 a （c）W型光纤 c b r 光纤的类型 9 光纤中的重要参数 1、数值孔径（NA,Numerical Aperture） 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。 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： NA n0 sin 0 n1 n2 n1 2 2 2 光纤参数数值孔径的意义？？ 10 光纤中的重要参数 2、光纤中的模式(Fiber Mode) 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。 11 光纤中的重要参数 3、光纤的归一化频率V 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： V 2r n1 n2 2 2 2r NA k0 rn1 2 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 V<2.405时，光纤中只允许一个模式传播，即基模。 12 模式特性 模式 V 0--2.405 2.405--3.832 3.832--5.136 5.136--5.520 5.520--6.380 . .单模传输条件 HE11 HE21, HE12, HE41, HE22, . . TE01, TM01 HE31, EH11 EH21 TE02, TM02 导模总数 2 2+4=6 6+6=12 12+4=16 16+4=20 . . 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。 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 Ns V 2 2 Ns V 2 4 13 4、截止波长 λc 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。 2 r 2 2 2 r c n1 n2 n1 2 Vx Vc 14 光纤的损耗特性 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： Pi 10 lg L Po (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。 15 部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。 光纤的损耗 过渡族金属离子 杂质离子的吸收 OH- 离子 吸收损耗 紫外吸收 本征吸收 红外吸收 折射率分布不均匀 制作缺陷 损耗 散射损耗 芯-涂层界面不理想 气泡、条纹、结石 瑞利散射 本征散射及其他 布里渊散射 拉曼散射 弯曲损耗 16 光纤的色散特性 色散的定义 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。 色散的种类 •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 17 导尺寸和纤芯包层的相对折射率差。 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。 18 光纤传感器的分类 光纤传感器一般可分为两大类： 一类是功能型传感器（Function Fiber Optic Sensor），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-Function Fiber Optic Sensor）， 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。 19 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。 20 光纤传感器的分类列表 21 2 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 22 1、强度调制： IS t 信号 光探测器 光源 入射光 强度调制 Ii 输出ID 出射光 IO t ID t 强度调制原理 23 t 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。 A 24 2、偏振调制 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。 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 25 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 n03 r3U L 0 d 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。 26 Pockels效应及应用 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 L V Hdl V L H 式中V为物质的弗尔德常数。 0 利用法拉第效应可以测量磁场。其测量原理如图所示。 27 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： 2KPL 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： 光弹效应示意图 28 KPL I I 0 sin I 0 sin 2 2 2 偏振调制的解调原理 解偏过程：如图为偏振光分束器， 光线2 方解石组成。两棱镜光轴垂直，光线 被调制的 垂直入射到No.1，光束不分开，但o 光信号 光1和e光1速度不同。 到达No.2时，光轴垂直，o光1和 光线1 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 渥拉斯顿棱镜解调原理 n0，ne<n0，所以两光束分开。偏振角 为θ。 45 被调制的 o o 光信号 e 29 o 光束传播示意图 e 两光分量对应的振幅分别为： 轴1 A sin 4 参考矢量 轴1光分量振幅: A sin 4 A A 轴2光分量振幅: A cos 4 4 O 偏振角与光分量的关系： A sin 4 轴2 I1 I 2 sin 2 I1 I 2 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 30 3、相位调制 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。 检测原理 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 相位解调原理：光外差检测原理 31 典型干涉测量仪与光纤干涉传感器： 常 用 干 涉 仪 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。 32 1. 迈克尔逊干涉仪 传感器 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： 2k0 l 33 k0为光在空气中的传播常数； 2l为两相干光的光程差 2. 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。 34 3. 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 束到达检测器的延迟不同，从 而产生相位变化。 若平台以角速度Ω顺时针旋转时，则在顺时针方向传播的 光较逆时针方向传播的光延迟大。这个相位延迟量可表示为： 8A k0 l l为两相干光的光程差 0 c 通过检测干涉条纹的变化，就知道旋转速度，它是目前许 35 多惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。 4. 法布里-珀罗干涉仪 它是由两块平行的部分 透射平面镜组成的。这两块 平面镜的反射率(反射系数) 通常是大于95%。假定反射率 为95%,那么在任何情况下,激 光器输出光的95%将朝着激光 器反射回来,余下的5%的光将 透过平面镜而进入干涉仪的 谐振腔内。 平面镜外表面不平行， 略有倾角3'50' 其干涉原理是多光束干涉， 其干涉光强度的变化为： 36 I0 I 1 14RR2 sin 2 2 传感器 5. 光纤干涉仪传感器 敏感器 敏感器 敏感器 敏感器 部分透射反射镜 A: 迈克尔逊干涉仪；b：马赫-泽德干涉仪； 37 c: 塞格纳克干涉仪； d：法布里-珀罗干涉仪 4、频率调制及解调 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。 S 目前主要是利用光学多普勒效应实现 频率调制。如图所示,P点物体的运动 将S点光源发出的光散射到Q点被观 察到，设光频为f1，由双重多普勒频 移原理可得： P Q v f 2 f1 1 cos1 cos 2 c 解调过程：与相位调制的解调相同，需要两束光干涉，在检 测器上产生差频，光电流经频谱分析器处理，求出频率变化。 38 3 光纤传感器实例 3.1 光纤位移传感器 反射式光纤位移传感器结构如图所示。根据被测目标表面光反射 至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。 d 0.127 mm 所使用光纤束的特性是影响这种类型光 纤传感器的灵敏度的主要因素之一。在 光纤探头的端部,发射光纤与接收光纤 一般有四种分布:(a)随机分布;(b)半球 形对开分布;(c)共轴内发射分布;(d)共 轴外发射分布，如图所示。 39 反射式光纤位移传感器的原 理如右图。 1、探头紧贴被测件时，无光接 收没有电信号。 2、被测表面逐渐远离探头时， 有一个线性增长的输出信号。有 一最大输出值—“光峰点”。 3、继续远离时，输出信号越来 越弱，与距离平方成反比。 典型位移－输出曲线如图所示。在 输出曲线的前坡区I,输出信号强度 增加得很快,这一区域可以用于微 米级的位移测量。在后坡区II,信 号的减弱约与探头和被测表面之间 的距离平方成反比,可用于距离较 远而灵敏度、线性度和精度要求不 40 高的测量。 1 I 0 .5 II 41 42 内调制式位移传感器 利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式光 纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移， 从而使光纤发生微弯变形，改变模式耦合，纤芯中的光部 分透入包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的 强度也不同、从而实现了光强度的调制。由于光强与位移 之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤 位移传感器. 43 He—Ne激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤 的一端。此光纤没有涂覆层，数值孔径等于0.22。 在变形器前5cm长的光纤上涂上黑色涂料，以便消除 包层模中的光。 44 变形器由两块有机玻璃波纹板组成，每块波纹板共 有5个波纹，每个波纹的长度为3mm。变形器的一块 波纹板可通过千分表用手动调节的方法使它相对另 一块产生位移。另一块板可用压电式变换器产生动 态位移。 45 用体积为1cm3的灌满甘油的检测器检测包层模中 的光信号。该检测器的6个内表面安装着6个太 阳能电池。检测器的直流输出用数字式毫伏表 读数、而交流输出用锁相放大器检测．并由记 录仪记录放大器的输出。 46 相位干涉式位移传感器 Mach-Zehnder光纤干涉仪是应用较为广泛的一种干涉仪。 可以用于测量位移，其工作原理如图 47 48 • 外施力可以直接产生传感臂光纤长度L和直径d变化以及折 射率n变化。 •为了改善光纤对压力的传感灵敏度，通常在包层外再涂覆一 层特殊材料。传感臂上涂复材料具有“增敏”特性，而参考 光纤涂复材料对传感量具有“去敏”特性。这样可以有效提 高检测信噪比。 •当光纤表面涂覆对其它物理量敏感的材料时，例如磁致伸缩 材料、铝导电膜和压电材料等，则可以实现对其它物理量， 如磁场、电流、电压等的检测。 49 光纤液面位移传感器 输入光 输出光 LED 位 液位 光在液体介 移 质中的损耗 变 1 2 化 无包层纤芯 液体 光纤液体位置测量系统 PD 传感器光纤探头结构 光纤液面位移传感器还可作为浓度计测量液体浓度，液位 传感器可用于易燃、易爆场合，但不能检测污浊液体及会粘 50 附在测头表面的粘稠性物质。 传感器光纤探头的不同结构 光 纤 斜面反射式光 纤液位传感器 光纤 棱镜 单光纤液位传感器结构 光纤 耦合器 反射膜 51 突出物 防液滴附着的方法 简单类型的光纤温度传感器 浸 液 自聚 透镜 光 纤 光源 遮 光 板 双金 属片 水 银 1、水银式光纤温度开关 52 2、遮光式光纤温度计 接收 半导体光吸收型光纤温度传感器 原理：半导体材料的光吸收与禁带宽度Eg有关，光子能量大于 Eg的光被吸收，光子能量等于Eg的是半导体吸收的“红限波长 λg”，被称为半导体吸收端，在吸收端，波长的增加半导体吸收 呈线性递减特性，超过这一波长范围的光几乎不产生吸收。当温 度增加时，禁带宽度变窄，红限波长线性地变长，光吸收端线性 地向长波方向平移。 这个性质反映在半导体的透光性 1 .0 上则表现为：当温度升高时，其透射 率曲线将向长波方向移动。若采用发 射光谱与半导体的λg相匹配的发光二 0.5 极管作为光源，则透射光强度将随着 温度的升高而减小，即通过检测透射 光的强度或透射率，即可检测温度变 图 光吸收温度特性 化。 53 光纤温度传感器结构如图。 光纤 金属盒 GaAs 环氧胶 半导体 光纤 图1 半导体光吸收型光纤温度传感器 反射膜 图2 一种光纤温度单端式探头 54 反射式光纤压力传感器 这种传感器是在前面介绍的光纤位移传感器的探头前面加 上一个膜片构成的，其结构如图所示。光源发出的光经发射 光纤传输并投射到膜片的内表面上,反射光由接收光纤接收并 传回光敏元件。 55 微弯光纤压力传感器 光纤被夹在一对锯齿板中间， 当光纤不受力时，光线从光纤 中穿过，没有能量损失。当锯 光纤 齿板受外力作用而产生位移时， S 光纤则发生许多微弯，这时在 纤芯中传输的光在微弯处有部 分散射到包层中. F 光纤微弯增大，散射掉的光随之 增加，纤芯输出光强度相应减小。 n0 因此，通过检测纤芯或包层的光 θ θ1 功率，就能测得引起微弯的压力、 声压，或检测由压力引起的位移 等物理量。 56 F 变形器 D A θ3 θ2 n2 n1 微弯曲光纤水声传感器 57 动态压力传感器 这种压力传感器的灵敏度极高， 有很大的实用价值．尤其适用于 微声压的测量，对测量空间尺寸 受限场合应用更是优越。它的工 作带宽从直流可到20 MHz. 58 偏振调制光纤压力和水声传感器 59 光纤表面粗糙度传感器 60 61 62 63