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1、2022/11/8,第二讲 光纤传感器介绍,光纤干涉测量技术,1,2022/11/8,光纤传感器的发展,20世纪60年代，激光使得利用光的各种属性（干涉、衍射、偏振、反射、吸收和发光等）的光检测技术，作为非接触、高速度、高精确度的检测手段获得了飞速的发展。,20世纪70年代，由于光纤不但具有良好的传光特性，而且其本身就可用来进行信息传递，无需任何中间媒体就能把测量值与光纤内的光特性变化联系起来，因此，在20世纪80年代光纤传感器就已显示出广阔的应用前景。,2,2022/11/8,但是在当时，光纤传感器真正投入实际应用的却不多，这主要是因为与传统的传感技术相比，光纤传感器的优势是本身的物性特性而
2、不是功能特性。,因此，光纤传感技术的重要应用之一是利用光纤质轻、径细、强抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小，集信息传感与传输于一体等特点，解决常规检测技术难以完全胜任的测量问题。,光纤传感器的发展,3,2022/11/8,20世纪90年代后期，光通信带动下的光子产业取得了巨大的成功，光纤传感器呈产业化发展，在国际上形成了许多应用领域，即医学和生物、电力工业、化学和环境、军事和职能结构、石油行业、汽车行业、船舶、航空航天等领域。,光纤传感器的发展,4,2022/11/8,传感器（Sensor，Transducer）是完成信息获取（检测）、传输和转换的器件。光纤传感器（Optical Fibe
3、r Sensor）则是以光纤作为功能材料的传感器。,光纤传感器的发展,微弯光纤压力传感器,光纤温度传感器,5,2022/11/8,图a 经典测量系统结构,图b 光纤测量系统结构,经典的传感器完成的是从非电量到电量的转换。,光纤传感器完成的是从非光量到光量的转换。,它们的区别是，光纤传感器以光作感知信息的载体，而不是电；用光纤传送信息，而不是导线。,光纤传感器与经典传感器的区别,6,光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感
4、信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。 电绝缘性能好。 抗电磁干扰能力强。 非侵入性。 高灵敏度。 容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量,2022/11/8,什么是光纤传感器？,7,2022/11/8,光纤传感器的基本原理,光纤传感器的基本原理：光导纤维不仅可以作为光波的传播介质，而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等）的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测
5、各种物理量。,8,2022/11/8,光纤的基本知识,9,1966年，英籍华裔学者高锟（Charles K. Kao）发表了关于传输介质新概念的论文光频率介质纤维表面波导，指出了利用光纤（Optical Fiber）进行信息传输的可能性和技术途径，并指明通过“原材料提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向，他奠定了现代光通信光纤通信的基础。,2022/11/8,光纤的基本知识,光纤是一种传输光信息的导光纤维，主要由高强度石英玻璃、常规玻璃和塑料制成。 光纤由纤芯、包层、护套组成。,10,光主要在纤芯中传输，光纤的导光能力主要取决于纤芯和包层的折射率，纤芯的折射率n1稍大于包层的
6、折射率n2，典型数值是n1=1.461.51，n2=1.441.50.,n2,n1,纤芯,包层,2022/11/8,光纤的基本知识,850nm窗口，典型的衰减值为2dB/km；1300nm窗口，典型的衰减值为0.4dB/km；1550nm窗口，具有最低的衰减，典型值为0.2dB/km。,11,2022/11/8,光纤传感器的分类按功能分,根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类,1）功能型（全光纤型）光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。 光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲
7、、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。 因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。,信号处理,光受信器,光纤敏感元件,光发送器,12,2022/11/8,光纤传感器的分类,2）非功能型（或称传光型）光纤传感器 光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。 光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。,传感型与传光性光纤传感器都可再分成光强调制、相位调制、偏振态调制以及波长调制等几种形式。,13,2
8、022/11/8,光纤传感技术的分类按调制方式分,强度调制型,偏振调制型,相位调制型,波长调制型,14,2022/11/8,光纤传感器的分类强度调制型,强度调制型光纤传感器： 是一种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，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。 有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大,15,2022
9、/11/8,光纤传感器的分类强度调制型,16,光强度调制型光纤传感器光纤压力传感器,在压力作用下光纤产生微弯变形导致光强度变化，从而引起光纤传输损耗的改变，并由吸收、发射或折射率变化来调制发射光，可制成微弯效应的光纤压力传感器 。,由于齿板的作用，在沿光纤光轴的垂直方向上加有压力时，光纤产生微弯变形，光波导方式改变，传输损耗增加。这种传感器具有较高的灵敏度。,2022/11/8,17,2022/11/8,光纤传感器的分类偏振调制型,偏振调制型光纤传感器： 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。 有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内
10、传播的普克尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。优点：这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。,18,2022/11/8,在干涉和衍射里，光波的振动是以标量形式来处理的，即未考虑振动的方向，只研究光振动的大小和强度分布。而研究光的偏振现象，光波必须用矢量来描述。,光除了有干涉和衍射现象外还有偏振现象,电磁波的振动方式,19,Maxwell电磁波理论和实验表明，光波是横波。,光的偏振现象,2022/11/8,法拉第效应,20,许多物质在磁场的作用下可以使穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转，这种现象
11、称为磁致旋光效应或法拉第效应。,线偏振光,偏振调制型光纤传感器 光纤电流传感器,单模光导纤维的偏振特性极易受到外界各种物理量的影响，如在高电场下的克尔效应和在强磁场下的法拉第效应，利用这一原理可制成大电流、高电压测试传感器。,（1）容易安装，不用断开导线，仅将细长、柔软的绝缘光纤卷绕在导体上就可检测电流，能实现整个传感装置的小与轻量化；（2）无电磁噪音的干扰。 （3）计测范围广，没有铁心磁饱和的制约，同时，法拉第效应的响应速度快，具有从低频到高频、到大电流的广阔测量范闱；（4）因为信号通过光纤传输。波形畸变小。传输损耗小，故可实现长距离的信号传输。,21,2022/11/8,光纤传感器的分类相
12、位调制型,相位调制型光纤传感器： 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。 通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。优点：这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。,22,相位调制型光纤传感器 光纤温度传感器,用单模光导纤维构成干涉仪，外界各种物理量的影响因素能导致光导
13、纤维中光程的变化，从而引起干涉条纹的变动 。,这种传感器的优点是有极高的灵敏度，主要用于光纤陀螺、光纤水听器、动态压力和应变测量、机械振动测量等方面 。,激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界温度（或压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。,2022/11/8,23,2022/11/8,光纤传感器的分类波长调制型,波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能型传感器。,24,2022/11/8,光纤传感技术的
14、分类按光学现象分,干涉型,非干涉型,分布式传感器,Bragg传感器,25,2022/11/8,光纤传感技术的分类,26,2022/11/8,光纤传感技术的分类,27,分布式光纤传感技术的应用,2022/11/8,28,分布式光纤传感技术用于航空领域的多参量监测,2022/11/8,29,2022/11/8,灵敏度高,原因：光测量以光波长为计量单位。利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。例如，相位变化10-6rad用现代手段可以检测到，则它对应的被测量位移的大小是（10-310-4)nm。,光纤传感器的优点,30,2022/11/8,抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀，本质安
15、全,理由：光纤传感器是利用光波传输信息，光纤的主要材质是SiO2， 是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这使它在大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感。,光纤传感器的优点,31,2022/11/8,重量轻、体积小，外形可变,原因：光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可挠的优点，因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器。这有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。,目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各
16、种物理量、化学量的光纤传感器在现场实用。,测量对象广泛,光纤传感器的优点,32,2022/11/8,对被测介质影响小,这对于医药生物领域的应用极为有利。,有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络。,便于复用，便于成网,成本低,有些种类的光纤传感器的成本将大大低于现有同类传感器。,光纤传感器的优点,33,2022/11/8,为何选择相位调制的干涉型光纤传感器？,在这众多的调制方法中，选择介绍相位调制，即干涉型的光纤传感器，主要是因为这种测量具有极高的灵敏度和很高的精度。,34,2022/11/8,从历史上看，光干涉仪广泛应用于高分辨的实验室测量装置。但是，一般的光干涉仪是以自由空间作光路，
17、因此造成以下缺点而限制了它的应用：干涉仪体积大，易受空气、环境、温度、声波与振动的影响，使测量不稳定，准确度低，调整也较困难。,干涉型光纤传感器的介绍,一般光干涉仪的缺点,35,2022/11/8,干涉型光纤传感器的介绍,干涉型光纤传感器以光纤作光路，减少了干涉仪器的长臂安装和校准的困难，容易实现小型化，并且易于用中长光纤的方法使干涉光路对环境参数的响应灵敏度增加。其结果使传统的光学干涉仪从实验室走出来，成为有高机械强度和精密灵活的生产现场实用的仪表。因此相位调制是光纤传感器中最基本的传感技术，最灵敏，要求也较高，可测量的最小相位变化为10-7rad。,36,2022/11/8,干涉型光纤传感
18、器的介绍,举例,对于真空中的光波长0 =0.83m的光波，光程差：,这相当于一个原子核的大小。可见，高精度的长度检测要用相位调制。,37,2022/11/8,有很高的检测灵敏度,例如：可对温度为10-6rad/(mC)、压力为10rad/(mPa)、应变为10-7、轴向为11.4rad/(m)进行检测。 如果检测系统可以检测 rad (一般是这个数量级)的相位移，则每米光纤的检测灵敏度可达到对温度为10-8 C、对压力为10-7Pa、对应变为10-7。,干涉型光纤传感器的特点,动态测量范围大，可达1010。,探头形式多样，适用于不同的测试环境，相应速度也快。,相位调制一般与干涉测量技术并用。,
19、38,2022/11/8,相位调制干涉型光纤传感器的基本结构,采用极长的传感光纤，用以提高仪器的灵敏度。,39,2022/11/8,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的传感器，称为相位调制传感型光纤传感器。相位调制光纤传感器主要通过被测能量场的作用使光纤内传播的光波相位发生变化，再利用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。光纤中光波的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定。,相位调制机理,40,2022/11/8,一般在实际应用中，应力、应变和温度等外界物理量均能导致光波产生相位变化，实现光纤的相位调制。由于目前所用的各类光探
20、测器都无法直接测量光波的相位变化，而只能探测光的强度变化，因而需要通过干涉技术将光波的相位变化转变为光强变化，实现对外界物理量的检测。,相位调制机理,41,2022/11/8,迈克尔逊(Michlson)干涉仪,实验室装置,42,2022/11/8,马赫泽德(Machzehnder)光纤干涉仪,光纤M-Z干涉仪： 保证全光纤干涉仪的工作点稳定是比较困难的。在零差检测方式中，需要保证两光纤臂间的正交状态。所以系统要求环境温差不能太大。,43,2022/11/8,Sagnac型光纤干涉仪,干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上，且平台以角速度转动时，根据赛格纳克效应，两束传播方向相反的光束
21、到达光探测器的延迟不同。若平台以顺时针方向旋转，则顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光延迟。,44,2022/11/8,全光纤环形谐振腔构成的 法布里珀罗光纤水听器,法布里珀罗（Fabry-Perot：F-P）型光纤水听器属于多光束干涉，具有极高的光学相位灵敏度。,干涉式光纤水听器的研究已经脱离了方案论证阶段，正向阻碍其实用化进程的各个关键性技术展开突破,利用声波信号调制光束，进行声/光转换，实现水下声信号检测的器件。 光纤水听器能工作于浅海和深海中，不仅可在潜艇和海底检测系统等军事上应用，也可在石油、天然气等资源勘探中应用。,45,2022/11/8,光纤干涉式水听器的方案,光纤光栅水听器,Sagnac型水听器,Michelson型水听器,Mach-Zehner型水听器,46,
