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1、第七章 光纤传感检测技术,光纤的原理,光纤之父高锟,光纤革命,神奇的光纤,光纤通信进展,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：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。频带宽、动态范围大。可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器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可用高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境。结构简单、体积小、重量轻、耗能少。,光纤波导的结构,多层介质结构：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
2、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。,7.1 光纤传感器的基础,光纤的光波导原理,光纤的临界角,对应光纤的入射角临界值为：,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。,石英系列光纤（以SiO2为主要材料）按光纤组成材料划分 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）,光纤的分类,光纤的纤芯折射率剖面分布,2b 2b 2b 2c 2a 2a 2a n n n
3、 n1 n1 n1 n2 n2 n2 n3 0 a b r 0 a b r 0 a c b r（a）阶跃光纤（b）渐变光纤（c）W型光纤,光纤的类型,为表示光纤的集光能力大小，定义光纤波导孔径角的正弦值为光纤的数值孔径（NA），即：,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。,光纤参数数值孔径的意义？,2、光纤中的模式(Fiber Mode),电磁波的传播遵
4、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
5、也不同。,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：,光纤中的重要参数,其中，r是光纤的纤芯半径；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V2.405时，光纤中只允许一个模式传播，即基模。,4、传播常数,传播常数是描述光纤中各模式传输特性的 一个参数，光纤中各模式的传输或截止都可以由该参数决定。,光纤中的重要参数,当 k0n2 时，包层中的电磁场不再衰减，而成为振荡函数，这时传导模已不能集中于光纤纤芯中传播，此时
6、的模式称为辐射模，即传导模截止。当=k0n2时，传导模处于临界截止状态，光线在纤芯和包层的界面掠射。,光纤通信中信息就是由传导模传送的。传导模的传播常数是限制在纤芯到包层之间的，即,归一化传播常数/k0与归一化频率V的关系曲线,模式特性,当0V2.405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。,单模传输条件,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,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。,5、截止波长c,光纤的损耗特性,损耗的定义,当光在光纤中传输时，随着
7、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表示：,(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。部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。,光纤的损耗,光纤的色散特性,色散的定义,色散的种类,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
8、分传输同样距离而产生的时间差。,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
9、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。,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。,7.1.4 光纤传感器的分类,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
10、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。,光纤传感器的分类列表,7.2 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,1、强度调制：,强度调制原理,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。,调制原理：,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、
11、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。,2、偏振调制,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,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,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；光波长；L 光传播方向晶体长度；d 电场方向晶体厚度。,Poc
12、kels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旋转角与光在物质中通过的距离L和磁场强度H成正比，即,式中V为物质的弗尔德常数。,利用法拉第效应可以测量磁场。其测量原理如图所示。,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：,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:,偏振调制的解调原理,渥拉斯顿棱镜解调原理,解偏过程：如图
13、为偏振光分束器，方解石组成。两棱镜光轴垂直，光线垂直入射到No.1，光束不分开，但o光1和e光1速度不同。到达No.2时，光轴垂直，o光1和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n0，nen0，所以两光束分开。偏振角为。,偏振角与光分量的关系：,偏振角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。由偏振角值可推知需要传感的物理量,两光分量对应的振幅分别为：,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，
14、从而得到被测对象的信息。,3、相位调制,相位解调原理：光外差检测原理,典型干涉测量仪与光纤干涉传感器：,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。,(1)迈克尔逊干涉仪,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：,传感器,传感器,(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。,(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
15、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：,通过检测干涉光强的变化，就知道旋转速度，它是目前许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。,其干涉原理是多光束干涉，其干涉光
16、强度的变化为：,(5)光纤干涉仪传感器,A:迈克尔逊干涉仪；b：马赫-泽德干涉仪；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。,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：,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。,激光多谱勒光纤测速系统,激光沿着光纤入射到测速点A上，然后后向散射光与光纤端面的反射或散射光起沿着光纤返回，其中纤维端面的反射或散射光
17、是作为参考光使用。于是信号光与参考光起经光探测器进入频谱分析器处理，最后分析器给出测量结果。,同时为了区别并消除从发射透镜和光纤前端面反射回来的光，在光探测器前装一块偏振片R，从而使光探测器只能检测出与原光束偏振方向相垂直的偏振光。,7.3 光纤传感器实例,7.3.1 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。,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
18、所示。,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高的测量。,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。,光纤液面位移传感器,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附在测头表面的粘稠性物质。,传感器光
19、纤探头的不同结构,简单类型的光纤温度传感器,1、水银式光纤温度开关,2、遮光式光纤温度计,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g”，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g相匹配的发光二极管作为光源，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
20、检测温度变化。,半导体光吸收型光纤温度传感器,图 光吸收温度特性,光纤温度传感器结构如图。,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。,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。当锯齿板受外力作用而产生位移时，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.,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。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声
21、压，或检测由压力引起的位移等物理量。,光弹式光纤压力传感器,偏振调制型光纤电流传感器，其基本原理是前述介绍的法拉第效应（磁光效应）。如果这个磁场是由长直载流导线产生的，根据安培环路定律：,偏振调制型光纤电流传感器,式中：I-载流导线中的电流强度；R-光纤缠绕半径。根据法拉第旋光效应，引起光纤中线偏振光的偏转角为：,由检测及信号处理后得输出信号为：,V为费尔德常数；l为受磁场作用光纤长度，N为光纤圈数。测量范围：0-1000A,分布式光纤传感器是一种本征型的光纤传感器，所有敏感点均分布于一根传感光纤上。目前有两种方式发展比较快，一种是以光纤的后向散射光或前向散射光损耗时域检测技术为基础的光时域分
22、布式，另一种是以光波长检测为基础的波长域分布式。时域分布式光纤传感器的物理基础是光学时域反射技术（Optical Time-domain Reflectometry），简称OTDR。其基本原理是利用分析光纤中后向散射光或前向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，当,分布式光纤传感器,光纤某一点受温度或应力作用时，该点的散射特性将发生变化，因此通过显示损耗与光纤长度的对应关系来检测外界信号分布于传感光纤上的扰动信息。图给出了一种基于后向散射光检测的OTDR原理图。,基于后向散射光检测的OTDR原理图,设光纤上距离始端Z处、长度为dZ的一段光纤产生的后
23、向散射光传播至光纤始端的功率为：,上式可变换为：,由于外界因素引起的沿光纤长度上的某一点散射信号的变化，可以通过OTDR方法独立地探测出来，而不受其他点散射信号改变的影响，因此可以采用OTDR方法实现对光纤的分布式测量。,后向散射光检测波形示意图,OTDR的空间分辨力由W注入光脉冲的宽度决定，为,，为提高空间分辨力，应使用窄的光脉冲。,当波长为,的低功率光脉冲注入到传感光纤时，,将产生自发后向喇曼散射，包括两条谱线，一条波长为,，称为斯托克斯线。另一条波长为,，称为反斯托克斯线。反斯托克斯线光强与斯托克斯线光强之比为：,由上式可见，自发后向喇曼散射中反斯托克斯线光强与斯托克斯线光强之比仅是光介质所处温度的函数，随着环境温度的升高比值呈指数规律增加。,
