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1、1,第八章 光纤测量技术,1.20世纪70年代中期，新技术，光纤传感伴随光纤技术、光通信技术形成2.光纤测量技术以光波为载体，以光纤为媒质来感知和传 输外界信号3.优点：灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、不受电磁干扰、光路 可挠曲、易于与微机连接、便于遥测、结构简单、体积小、重 量轻、耗电少。,8.1 概述,2,4.光纤测量的特点,光纤测量系统具有极强的抗电磁干扰能力；光纤测量系统灵敏度高、响应快、传输性好的特点；由各种绝缘材料构成，耐腐蚀工作可靠，适于长期使用；结构简单体积小，可到常规传感器不能达到的部位检测；集信号敏感和传输于一体，易于构成分布式测量系统。,3,基本概念1）高纯度的石英，
2、玻璃掺少量杂质（锗、硼、磷等）制成2）细长的圆柱形，通常直径为几微米到几百微米3）一般由两层光学性质不同的材料组成，中间部分是导光的纤芯，纤芯周围是包层 4）相对折射率差定义:纤芯n1,包层n2,n2略小于n1.(n12-n22)/(2n12)(n1-n2)/n15）子午光线、子午面：某光线的传播路径始终在同一平面内，称之为子午光线，包含子午光线的平面称为子午面。对于圆柱形光纤，子午面就是包含圆柱体轴线的平面,7.1 光纤的基本结构和导波原理,4,5,7.1 光纤的基本结构和导波原理,光纤的基本结构光线的结构及子午光线的传播,光纤也叫光导纤维,6,光纤导光的基本原理全内反射,传播过程 当一子午
3、光线以入射角入射到光纤的端面时，在端面处发生折射，设折射角为，然后光线以角入射至纤芯与包层的界面。当角大于纤芯与包层间的临界角c时，则入射的光线在光纤的界面上发生全反射，并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端面。,7,光纤的数值孔径用NA表示。它是表征光纤性质的重要参数，反映了光纤与光源或探测器等元件的耦合效率，即光纤端面接收入射光的能力。光纤的数值孔径仅决定于光纤的折射率，与光纤的几何尺寸无关。数值孔径越大，光纤接收光的能力越好,根据折射定律:,设当达到临界角c时的入射角为c，得光纤数值孔径如下：,8,按传输模式分单模光纤 只能传输一种模式，纤芯直径仅几个微米，接近波长。单模
4、光纤的优点：没有模式色散，可利用波导色散抵消材料色散，以得到零色散。信息容量极大，可进行理论预测，可利用光的相位等。单模光纤的缺点：芯径很小，使用不便。,8.1.1 光纤的分类,9,(2)多模光纤 能传输多种模式，几百几千个模式，纤芯直径远远大于波长。缺点：存在模式色散，从理论上难以预测其特性，信息容量小，用于传感器时不能利用光的相位信息。优点：芯径大至100微米左右，光纤相互之间的耦合以及与光源之间的耦合比较容易，使用方便。,10,按光纤折射率的径向分布分(1)阶跃光纤(单模光纤)纤芯和包层的折射率不连续(2)梯度光纤（多模光纤）在中心轴上折射率最大，沿径向逐渐变小，纤芯和包层交界处n1=n
5、2,11,按用途分类(1)通信光纤(2)非通信光纤特殊光纤 有低双折射光纤、高双折射光纤、涂层光纤、液芯光纤、激光光纤和红外光纤等。按制作方法分类(1)石英玻璃光纤：化学气相沉积法（CVD）或改进化学气相沉积法（MCVD）制作。(2)多组分玻璃光纤：双坩埚法或三坩埚法制作。(3)塑料光纤：成本低，损耗大。,12,8.1.2 光纤的特性 光纤的损耗特性 传输损耗即光从光纤的一端射入而从另一端射出时，光 强将减弱，计算公式为：,P为每公里的光纤衰减系数；P0为输入端光功率；P1为输出端光功率；L为光纤长度。,13,在现有的传输线中，除超导电线外，光纤的传输损耗是最小的.光线的损耗从最初的每公里几千
6、分贝降低到每公里20分贝（1970年），以后又逐渐降低到每公里0.47分贝（1976年）以至0.2分贝.光纤产生损耗的原因：吸收与散射两方面，或来自材料和波导结构损耗不完全是坏事，可以利用损耗实现传感测量,14,光纤的色散特性 当一个光脉冲信号通过光纤时，由于光的色散特性，在输出端的光脉冲响应被拉长，即脉冲被展宽，出现明显的脉冲失真，叫做脉冲信号的延时失真。脉冲失真在数字编码通信中危害：当脉冲速率很高时，会形成码间干扰，导致误码，使通信难以进行。光纤的色散是决定信息传输容量的重要特性。色散分类：模式色散、材料色散、波导色散。,15,模式色散 光纤传输存在多种模式，不同模式光程不一样。材料色散
7、指光纤的折射率是波长的函数，折射率不同导致传输速度不同。波导色散 指模的传播常数是波长的函数，传播常数不同导致传输速度不同。,16,进入光纤的光的每一种角度代表一种模式，随着端面入射角度不同，光在光纤中有多种模式。不同模式的光因为传输相位、距离、路径不同，经过长距离的传输后，在同一个时间内发出同一束光，在不同时间到达目的地，产生较大的脉宽，使光信号存在的时间加长，称为模式色散。,危害：由于脉宽存在，本次光波与下一次光波重合，光接收器将不能分辨正常的信号。因此需要加大发送端光脉冲之间的时间间隔以便光接收器区分脉冲，从而减小了光脉冲的次数，也就减小了光纤的带宽。,光纤中的传播色散,数值孔径越大，光
8、纤接收光的能力越好,17,8.2 光纤耦合技术,耦合包括：光纤与光源、光纤与接收器、光纤与光纤之间直接或间接的相互连接。光纤和光源的耦合半导体激光器和光纤的耦合直接耦合：端面已处理的光纤直接对向激光器的发光面。透镜耦合：大大提高耦合效率。半导体发光二极管和光纤的耦合。,18,2.光纤和光纤的直接耦合 固定连接：光纤熔接 优点：插入损耗小，稳定性好 缺点：不灵活和不方便调试 活动连接：利用光纤连接器和法兰盘3.多模光纤之间的直接耦合 两光纤直接对接时由于轴偏离、轴倾斜等对耦合损耗的影响。多模光纤通过透镜耦合 多模光纤之间的耦合：端面光功率分布视为高斯分布。,19,光纤耦合器,定义：连接3个或者更
9、多的连接点。将输入信号分成两路或更多路输出；将两路或更多路输入合并成一路输出；光信号在每条支路中的分配比例可以相同也可以不同。耦合器的分光比在某种程度上依赖于所传输的光的波长。光纤耦合器的使用选择：输入端口和输出端口的数量；信号的衰减和分束 光传输的方向性和光纤类型 偏振敏感或偏振相关损耗。,20,21,8.3 光纤测量技术,概述（1）光纤传感技术：利用光波参数的变化，测量导致光波参数变化 的各种物理量的大小。（2）光纤传感器的分类 按传感原理分类功能型光纤传感器：利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件。功能型光纤传感器一般由单模光纤构成。非功能型光纤传感器：用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤
10、仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号，主要由多模光纤构成。,22,按被调制的光波参数不同分类 强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器和波长（颜色）调制光纤传感器。被测对象不同分类 光纤温度传感器，光纤压力、振动传感器，光纤位移传感器，光纤角速度传感器，光纤应变、弯曲传感器，光纤速度、流速传感器，光纤加速度传感器，光纤磁场传感器，光纤电压、电流传感器，光纤电磁场传感器，光纤光谱传感器，光纤放射线传感器，光纤图像传感器等。基本测量原理：利用被测信号的变化调制传输光光波的参数，使之跟随变化。光调制技术是光纤传感器的核心技术。,23,一、光强度调
11、制型光纤传感器,待测物理量引起光纤中传输光的光强变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。,强度调制方法很多，大致分为：反射式强度调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等。,24,光纤弯曲光强调制光纤传感器,纤芯中传输的光有一部分耦合到包层中，原来光束以大于临界角的角度在纤芯中传播为全内反射，但在弯曲处，光束以小于临界角的角度入射到界面，部分光逸出，散射到包层。这种检测原理可以实现对力、位移和压强等物理量的测量。,（1）,25,（2）,折射率变化光强调制光纤传感器,纤芯和包层折射率的温度系数不一样，温度变换，纤芯和包层之间的折射率差变化。,26,光纤温度测量技术,传
12、感元件将温度变化转换成光的反射率变化或者透射率变化,27,利用半导体晶体的光吸收特性。半导体晶体对光的吸收端随温度发生变化（移动）。（凡波长大于吸收端的光都能通过,而小于吸收端的光都被吸收 透射率的问题）,（1）,28,利用双金属片随温度变化而弯曲的特性，产生对光路的遮挡。可以制成开关型传感器。响应速度太慢,利用双金属片的光纤温度传感器,（2）,29,光纤位移测量,被测物体发生位移时，其直接或间接反射的光进入接收光纤的光量随反射面相对光纤端面的位移而变化。,反射式光纤位移传感器,反射式光纤位移传感器,30,二、光相位调制型光纤传感器,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，再用干
13、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。能够影响光纤长度、折射率和内部应力的被测量都会引起相位变化，如应力、应变、温度和磁场等外界物理量。相位调制技术采用干涉的方法，皆有参考光和测量光。,常用的干涉仪有四种：迈克尔逊、马赫-琴特（Mach-Zehnder）、萨古纳克、法布里-珀罗（Fabry-perot）。,31,系统测量原理 在光纤干涉仪中以一个或两个定向光束耦合器取代了通常干涉仪中的分束器，光纤光程代替了空气光程，它能按一定比例将光束由一束光纤耦合到另一束光纤中，以实现光束分束和合成。由于光路的闭合避免了空气的扰动，而且不受结构空间的限制，可以组成km数量级的干涉仪，有
14、利于提高测量的稳定性。当波长为的光入射到长度为L的光纤时，若以其入射面为基准，则出射光的相位为：纤芯折射率n和光纤长度L的变化都会引起相位的变化。组成：由光源，光纤敏感头，光纤干涉仪及光探测器和相位检测等单元组成。,二、相位调制型光纤传感器,32,迈克尔逊光纤干涉仪,从激光器发出的光束被耦合器分成两路入射到光纤，其中一路为参考臂，另一路为信号臂，两路光分别从反射镜反射回来，并经耦合器发生干涉，干涉信号输出到光电探测器，传感器信号作用于信号臂光纤，在两臂之间产生光程差，通过探测器探测干涉信号的相位就能得到该光程差的大小。,33,马赫琴特干涉仪,34,当信号光纤(传感光纤)周围的温度发生变化时，信
15、号光纤会产生一定量的相移，相移的大小与信号光纤的长度L、折射率n和横截面的变化有关，忽略光纤直径的变化。,/=L/L+n/n,立方棱镜把激光束一分为二，一束经参考臂用布拉格调制器产生频移或用光纤延伸器和集成光学相移器来调制相位，另一束用暴露于被测场中的信号光纤来传输，两束光在棱镜处重新汇合产生干涉，为光电器件接收。,35,8.4 分布式光纤传感器,许多场参数需要测试，且需要在多点布置传感器分布式光纤传感器是将传感光纤沿场排布，并采用独特的探测技术，对沿光纤传输路径上场的空间分布和随时间变化的信息进行测量或监控。这类传感器只需一个光源和一条探测线路，集传感与传输于一体，可实现对庞大和重要结构的远
16、距离测量或监控。,36,利用对特定被测场增强的传感光纤，测量沿光纤长度上的基本损耗或散射。目前常用的方法主要有：反射法（包括光时域反射法和偏振光时域反射法）波长扫描法 干涉法 光频域反射法(主要是连续波线性调频法）。,构成分布式光纤传感器的主要技术：,37,(一)分布式光纤温度传感器,通过定向耦合器的后向散射光信号进入光学滤波器，滤去瑞利散射、布里渊散射分量，分别获得两路与半导体激光器波长有上下拉曼偏移的斯托克斯与反斯托克斯分量。经光电接收及信号处理后，便可获得沿光纤长度分布的温度变化情况，并可确定光纤温度升高处的位置及温升大小。,分布式光纤测量实例,38,(二)分布式光纤压力传感器,利用高双
17、折射光纤在外力作用下产生模式耦合的特征，用高精度的外差干涉测量其模式耦合系数，并通过光程扫描对耦合点进行空间定位，从而实现分布式压力测量。,39,分布式传感器是光纤传感器中最具潜力的发展方向之一。几乎所有的物理量都可以应用分布式光纤传感技术进行测量。但是，分布式光纤传感技术的研究仍处于起步阶段，因此还有许多问题需要解决。需要深入研究分布式光纤传感器的理论，发展新原理的光纤传感器；研究性能优良的光源；研究适应能力强的特殊光纤；完善信号探测技术等。,总结,40,8.5 光纤光栅,光纤光栅：利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内褚离子相互作用），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形
18、成一个窄带的（透射或反射）滤波或反射镜。光纤光栅的分类 相位掩膜光栅，啁啾光纤光栅、长周期光栅等。光纤光栅应用 光纤激光器；光纤光栅干涉仪；光纤色散补偿；光纤滤波器；用于检测压力、温度、应变及加速度等参量。,41,光纤光栅传感测量,光纤光栅温度传感器测量原理：光栅周期和折射率均受外界环境影响。温度变化会引起光栅反射波长的移动 光纤光栅的温度系数较小，单独用作温度传感元件灵敏度不高，常将光纤光栅粘贴与热膨胀系数较大的基底材料上，则光纤光栅反射波长随温度变化关系为：,光栅周期,42,套管结构的光纤光栅温度传感器,43,非功能型传感器 结构比较简单，能够充分利用其它敏感元件和光纤本身的优点，发展很快
19、，已有许多这种类型的实用的传感器。非功能型传感器还可作为元件，根据目的自行组合，具有容易研制出所需特性传感器的优点。功能型光纤传感器光纤在这类传感器中不仅作为光传播的波导，而且具有测量的功能。表征光波特性的参量，如振幅（光强）、相位和偏振态等会随着光纤的环境（如应变、压力、温度、电场、射线等）而改变，利用这些特性便可实现传感测量。,44,遮挡式强度调制型光纤位移传感器,用被测对象遮挡一部分光，出射光纤中的强度随被遮挡面积的多少而变化，是被测位移的函数。系统组成：带准直透镜的固定光纤，受位移控制的可动 光栅，和接收光纤组成。其结构如图示。两根光纤的端面之间相隔一个微小的间隙，间隙中放置一对光栅，
20、光栅由等宽的全透射和全反射平行线交替的栅格构成，当两个光栅发生相对位移时，光的透射强度就发生变化，通过测量透射强度的变化就可以得到移动光栅的位移量大小。,45,基于光弹效应的强度调制型光纤位移传感器,利用光弹材料在外界应力作用下对入射光呈现双折射而引入的相位差，可以测量压力的大小，进而可得到与压力相应的位移量。如图示信号光源发出的光由入射光纤经过起偏器射入透明光弹材料中，加在光弹材料上的压力使其发生双折射，从而产生调制，被调制后的光信号经过检偏器后再由接收光纤接收，送至光电探测器，感应位移信息。,46,二、相位调制型光纤传感器,利用干涉技术检测相位变化。常用有迈克尔逊干涉仪和马赫-泽德干涉仪。
21、,迈克尔逊光纤干涉仪,马赫-泽德光纤干涉仪,47,在液晶上加压，散射光的强度随之变化（血压计）。缺点是温度特性不好,受压板受压桡曲而改变受压板与光纤端面的距离，从而改变受压板对光纤束出射光的反射，最终改变进入光纤光的传输量。温度稳定性不好,三、光纤压力测量,光纤是一种电绝缘物体，直接实现压力光或振动光的转换，光纤与传感器头之间无电信号，医学使用尤其安全。,48,在电流产生的磁场作用下，处在磁场中的光纤会使其中传播的光发生偏振面的旋转，其旋转角度与磁场沿n圈光纤的线积分成正比 n确定后，旋光角度与导体中的电流I成正比,四、光纤电流测量技术,49,四、光纤电流测量技术,光纤电流传感器,偏振光偏振面
22、旋转的角度与磁场的关系：,从激光器发出的偏振光进入单模光纤中，单模光纤绕大电流（电流为I）导体n圈，在电流产生的磁场作用下，处在磁场（设磁场强度为H）中的光纤会使其中传播的光发生偏振面的旋转，其旋转角度与磁场沿n圈光纤的线积分成正比。,法拉第效应单模光纤型,50,出射光经沃拉斯特棱镜将光束分成振动方向互相垂直的两束偏振光，将它们分别送入两个光电接收器，设接收光信号强度分别为IV1、IV2。将IV1、IV2之差和它们的和进行标准化，便得到一个与旋光角度成正比的参数,求出流过导线的电流I，由于进行了标准化处理，测量结果不受绝对光强、激光器漂移、光纤衰减的影响。,法拉第效应单模光纤型,优点：量程大、灵敏度高，并且输出与输入端实现电绝缘。,
