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1、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（Optical Fiber 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
2、播，在满足一定条件时发生全反射。,全反入射角：,可得：,NA称为数值孔径(Numerical Aperture)。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0.10.15，孔径角约5.7o8.6o,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
3、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HE
4、11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：,为传播常数。,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/决定。,归一化频率为：,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）。,梯度型,阶跃型,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。,式中 Pi光纤输入
5、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0.010.05dB/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
6、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1/4。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、不同模式下的值不同。
7、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（function fiber optical sensor FF）光纤作为传感元件2）非功能型传感器（non function fiber optical sensor NF）光纤作为传
8、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：,阶跃型
9、光纤中：,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
10、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：,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。,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
11、，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。,相位变化可表示为：,折射率变化为：,物质常数施加的应力,光程差：,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,输出光强：,双光路法,WP：沃拉斯登棱镜,D1，D2的输出：,偏转角为：,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。,2
12、）塞格纳克效应,顺时针一周的实际光程：,逆时针一周的实际光程：,光程差：,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
13、，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。,多普勒光纤测速仪,光纤传感器的基础光
14、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
15、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(Time Division Multiplex TDM)波分复用(Wavelength Divi
16、sion Multiplex WDM)频分复用（Frequency Division Multiplex FDM)空分复用(Space Division Multiplex SDM)偏分复用(Polarization Division Multiplex PDM),a) 时分复用(TDM),反射式,透射式,不同传感器信号到达探测器时间不同,b） 波分复用(WDM),不同传感器的特征波长不同,c) 频分复用(FDM),不同传感器的信号调制在不同频率上,d） 空分复用(SDM),利用光开关实现对不同传感器的选址,2、分布式光纤传感原理分布式光纤传感器系统是一种本征型的光纤传感系统，所以敏感点分布于一根传感光纤上。发展较快的两类：光时域分布式、波域分布式。a） 光时域分布式光纤传感(OTDR)利用分析光纤中后向散射光损耗或前向散射光损耗，通过得到损耗与长度的关系来检测外界信号场分布于传感光纤上的扰动信息。,
