【VIP專享】第四章(8)--光纖傳感器課件

1、4.8光纖傳感器精勤求學 敦篤勵志 果毅力行 忠恕任事光纖光導纖維，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介質(zhì)材料制成的極細的纖維，是一種理想的光傳輸線路。光纖傳感器（Fiber Optic Sensor，F(xiàn)OS）興起于20世紀70年代，是一類較新的光敏器件，它是利用被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄟM行調(diào)制，使光波的一些參數(shù)，如強度、頻率、波長、相位、偏振態(tài)等特性產(chǎn)生變化來工作?？梢詼y量位移、加速度、壓力、溫度、磁、聲、電等物理量。4.8.1 光纖傳感器 概述 光導纖維(光纖)受到外界環(huán)境因素的影響，如溫度、壓力、電場、磁場等環(huán)境條件變化，將引起其傳輸?shù)墓獠?，如光強、相位、頻率、偏振態(tài)等變化。光纖傳感技

2、術就是將溫度、壓力、電場、磁場的變化轉(zhuǎn)化為光波量的變化的技術。光纖傳感器通過光導纖維把輸入變量轉(zhuǎn)換成調(diào)制的光信號。光纖傳感器是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一門新技術，光纖最早用于通訊，隨著光纖技術的發(fā)展，光纖傳感器得到進一步發(fā)展。與其它傳感器相比較，光纖傳感器有如下特點：不受電磁干擾，防爆性能好，不會漏電打火；可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲；可以用于高溫、高壓、絕緣性能好，耐腐蝕。光纖的發(fā)展 1966年高琨博士提出光纖傳輸?shù)睦碚?1969年日本平板玻璃公司制出200dB/KM梯度光纖 1970年美康寧公司制出世界第一根20dB/KM低損耗光纖 1972年日本電子技術綜合研究所制出7dB/K

3、M SiO2芯光纖 1973年美貝爾實驗室用化學沉積法（CVD）制光纖 1978年對1.5m光傳輸接通理論值約0.2dB/KM 1980年光通訊產(chǎn)業(yè)形成一：光纖傳感器的光源見網(wǎng)頁二：光纖傳感器的光探測器第十章介紹的常用的光探測器： 光敏二極管、光敏三極管、光電倍增管等傳光原理：光在光纖界面內(nèi)產(chǎn)生全反射。 光纖通常由纖芯、包層及保護套組成。纖芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圓柱體，直徑約為5150m。包層的材料也是玻璃或塑料等，但纖芯的折射率n1稍大于包層的折射率n2。外套起保護光纖的作用。較長的光纖又稱為光纜。 4.8.2 光纖結(jié)構 纖芯包層涂覆層護套當 時，發(fā)射全反射，即：光纖傳光原理 以

4、入射角小于i進入光纖的光線將形成全反射被引導至光纖輸出端，并以近似等于入射角的角度射出。c稱為臨界角，2i為接受角，處于接受角之外的光線均被包層吸收而損失掉。sini定義為光纖的數(shù)值孔徑（Numerical Aperture） ，用NA表示，它反映纖芯接收光量的多少，是光纖的一個重要參數(shù)。光纖結(jié)構 光纖結(jié)構 數(shù)值孔徑（Numerical Aperture） 光纖的數(shù)值孔徑大小與幾何尺寸無關，與纖芯包層相對折射率有關。光纖的數(shù)值孔徑表示光纖接收入射光的能力。NA越大，則光纖接收光的能力也越強。數(shù)值孔徑大有利于光纖的對接?？梢允构饫wNA值很大而截面積很小，使得光纖柔軟可以彎曲。 NA太大時，光信號

5、的畸變加大，會影響光纖的帶寬。因此對光纖的數(shù)值孔徑有一定的要求。通常作為傳感器的光纖0.2NA材料色散 波導色散對于多模光纖，總色散等于三者相加，起主導作用的是模式色散，其他兩個色散影響很小。 對于單模光纖，只有一個傳輸模式，故不存在模式色散，其總色散為材料色散和波導色散之和。為減小總的波長色散，要盡量選用窄譜線激光器作光源。 光在普通光纖中的傳輸見教材227頁2161，光纖是光信號的傳輸媒介；2，當光信號在光纖中傳播時，表征光信號的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)因外界因素(如溫度、壓力、磁場、電場、位移等)的作用而間接或直接地發(fā)生變化；3，將光纖用作傳感元件來探測各種待測量(物理量、

6、化學量和生物量等)。光纖傳感器工作原理 光纖傳感器與電類傳感器比較 分類 內(nèi)容 光纖傳感器電類傳感器調(diào)制參量振幅：吸收、反射等相位：偏振電阻、電容、電感等敏感材料溫-光敏、力-光敏、磁-光敏 溫-電敏、力-電敏、磁-電敏 傳輸信號光電傳輸介質(zhì)光纖、光纜電線、電纜光纖傳感器是與電類傳感器并行互補的一類新型傳感器。 光纖傳感器與電類傳感器比較 光纖傳感器的特點 本質(zhì)防爆適合于易燃、易爆等危險物品檢測對電絕緣適合于高電壓場合檢測 無感應性適合于強電磁場干擾環(huán)境下檢測 化學穩(wěn)定性適合于環(huán)保、醫(yī)藥、食品工業(yè)檢測時域變換性適合于多點分布測量低損耗 、高精度 、幾何形狀適應性強、尺寸小 、重量輕、頻帶寬、非

7、接觸式等在機械、電子、航空航天、化工、生物醫(yī)學、電力、交通、食品等領域的自動控制、在線檢測、故障診斷、安全報警以及軍事等方面都有廣泛應用。 光纖傳感器結(jié)構 按照光纖在傳感器中的作用，通常將光纖傳感器分為兩種類型：非功能型（或稱傳光型、結(jié)構型）和功能型（或稱傳感型、探測型） 。 非功能型光纖傳感器：利用其它敏感元件感受被測量，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，依靠光傳輸或光反射引起的強度調(diào)制來工作；光纖是不連續(xù)的, 中斷處要接上其他介質(zhì)的敏感元件；多使用多模光纖。 功能型光纖傳感器：把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內(nèi)傳輸光的強度、相位、偏振態(tài)等進行調(diào)制，再通過解調(diào)得到被測信號；常使用單模光纖。光纖傳感器分類

8、光纖傳感器分類 根據(jù)光被調(diào)制的原理，光纖傳感器分為：強度調(diào)制型、頻率調(diào)制型、波長調(diào)制型、相位調(diào)制型及偏振態(tài)調(diào)制型。光纖傳感器的核心就是光被外界輸入?yún)?shù)的調(diào)制。外界信號可能引起光的某些特性(如強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等)變化，從而構成強度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等調(diào)制器。根據(jù)被測參數(shù)，光纖傳感器也可分為：光纖位移傳感器、光纖壓力傳感器、光纖溫度傳感器等。1，非功能性：通過光束位移、遮擋、耦合等方式使接收光纖的光強變化。 光反射 依靠折射率變化測液位： 光強調(diào)制型光纖傳感器 光傳輸 光纖微彎曲位移（壓力）傳感器 2，功能型：通過改變光纖外形、折射率差、吸收特性等方式使光強變化。 當光線到達

9、微彎曲段界面時，入射角將小于臨界角，有一部分光透射進入包層。主要用于微彎曲位移檢測和壓力檢測。光強調(diào)制型光纖傳感器 x、射線等輻射會引起光纖材料的吸收損耗增加，使光纖的輸出功率降低，從而可以構成強度調(diào)制器。 在頻率調(diào)制型光纖傳感器中，光纖只起著傳輸光的作用，它的工作原理是光學多普勒效應，即由于觀察者和目標的相對運動，觀察者接收到的光波頻率將發(fā)生變化。采用光學多普勒測量系統(tǒng)，可以方便的實現(xiàn)在非接觸條件下對液體流速流量的測量，如血液、氣流及其他液體。（非功能型）頻率調(diào)制型光纖傳感器 光源觀測者被測量移動速度v被測量當一束波長為的相干光在光纖中傳播時，光波的相位角與光纖的長度L、纖芯折射率n1及纖芯

10、直徑d有關。光纖受到溫度等物理量的作用時，這三個參數(shù)會發(fā)生不同程度的變化，從而引起光相移。相位調(diào)制型光纖傳感器 折射率改變：某些光纖的纖芯線和外包封材料在溫度下降時折射率相互接近，使發(fā)生全反射的可能變小，傳輸損耗增大，用于低溫探測。 由于光的頻率很高，光電探測器不能檢測相位的變化，因此需要用光學干涉技術將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為振幅調(diào)制。在光纖傳感器中常采用馬赫澤德（Mach-Zehader）干涉儀等儀器完成這一過程。單膜光纖激光器 參考光纖被調(diào)制光纖被測量激光器比較二者輸出相位的不同，最小可測得0.025微米的位移。相位調(diào)制型光纖傳感器 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器 自然光 ：在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)沿各

11、方向振動的光矢量呈對稱分布?？捎孟嗷ゴ怪钡墓庹駝用枋鲎匀还狻?光波是一種橫波：光振動的電場矢量E和磁場矢量H始終與傳播方向v垂直。 如果光在傳播過程中，只存在某一確定方向的振動， 這種光稱為線偏振光或完全偏振光，簡稱偏振光。偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器 根據(jù)光波振動方向的分布和變化規(guī)律，又分為部分偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器 偏振態(tài)調(diào)制是指外界信號（被測量）通過一定的方式使光波的偏振態(tài)發(fā)生規(guī)律性偏轉(zhuǎn)，或產(chǎn)生雙折射，通過檢測光偏振態(tài)的變化即可測出外界被測量。 偏振態(tài)調(diào)制主要利用磁致旋光效應、彈光效應等物理效應。 磁致旋光效應也稱法拉第旋光效應，是指某些

12、物質(zhì)在外磁場作用下，能使通過它的平面偏轉(zhuǎn)光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角度與通過法拉第材料的長度和外加磁場強度成正比?？梢杂脕頇z測電流強度。 彈光效應是一種由應力應變引起的雙折射效應。雙折射會使光波的偏振態(tài)發(fā)生相應的變化。 由應力引起的感應雙折射正比于所施加的力，因此可以通過檢測偏振光的強度檢測應力。偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器 4.8.4 光纖位移傳感器位移檢測是機械量檢測的基礎許多機械量都是轉(zhuǎn)換成位移來檢測的傳感器在原理上有傳光型的和功能型的兩類，是通過強度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率來完成檢測過程的。 1 光纖開關與定位裝置 一、簡單的光纖開關、定位裝置 員簡單的位移測量是采用各種光開關裝置進行的，即利用

13、光纖中光強度的跳變來測出各種移動物體的極端位置如定位、記數(shù)，或者是判斷某種情況。在各種位移測量裝置中光開關裝置的測量精度是低的，它只反映極限位置的變化，其輸出信號是跳變信號二 移動球鏡光學開關傳感器光強為I0的光束通過發(fā)送光纖照射到球鏡上。球透鏡把光束聚焦到兩個接收光纖的端面上。當球透鏡在平衡位置時，從兩個接收光纖得到的光強I1和I2是相同的。如果球透鏡在垂直于光路的方向上產(chǎn)生微小位移時，在兩個接收光纖上得到的光強I1和I2將發(fā)生變化。光強比值IlI2的對數(shù)值與球透鏡位移量呈線性關系，而光強的比值光強無關。光纖位移傳感器 透射式反射式 光纖溫度傳感器 反射式相位變化 振幅變化 光纖壓力傳感器

14、相位調(diào)制 偏振態(tài)調(diào)制強度調(diào)制 反射型強度調(diào)制易燃易爆場合 控 制 室光 纖各類油罐參數(shù)檢測壓力容器參數(shù)檢測核工業(yè)環(huán)境參數(shù)檢測煤礦中CH4等參數(shù)檢測高電壓、強磁場場合 控 制 室光 纖高壓變壓器高壓電動機強電磁干擾電氣設備微波設備實時在線檢測 取樣送檢樣品光譜儀被測物傳統(tǒng)光譜儀物質(zhì)成分檢測光纖光纖光譜儀被測物光纖光譜儀物質(zhì)成分檢測光纖轉(zhuǎn)速傳感器 非接觸測量方式LEDPIN光纖點式光纖液位控制器 適用于 高、低液位報警 密封加油控制LEDPIN液體LEDPIN液體光纖液位控制器 光纖溫度傳感器 LEDPINn1n2n2隨溫度變化n2折光型 光纖高溫溫度傳感器 PIN1PIN2濾波器1智能儀表濾波器

15、2光纖高溫爐黑體輻射腔藍寶石光纖光譜型 光纖氣體成分傳感器 R,光纖傳感頭參考頻率LEDPIN鎖相放大器混氣室N2O2流量計光纖光譜傳感器 光 源出口待測氣體white室探測器信號處理分布式檢測 時域變換技術傳統(tǒng)分布測量檢測儀表S1S2S3Sn電纜OTDR技術用于分布檢測 光纖S1T1S2T2S3T3SnTn分布式檢測 時域變換技術OTDR (Optical Time Domain Reflectmeter)光時域反射儀 分布式檢測 時域變換技術 OTDR測試是通過發(fā)射光脈沖到光纖內(nèi)，然后在OTDR端口接收返回的信息來進行。當光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時，會由于光纖本身的性質(zhì)、連接器、接合點、彎曲或其

16、它類似的事件而產(chǎn)生散射、反射。其中一部分的散射和反射就會返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探測器來測量，它們就作為光纖內(nèi)不同位置上的時間或曲線片斷。 OTDR的工作原理就類似于一個雷達。它先對光纖發(fā)出一個信號，然后觀察從某一點上返回來的是什么信息。這個過程會重復地進行，然后將這些結(jié)果進行平均并以軌跡的形式來顯示，這個軌跡就描繪了在整段光纖內(nèi)信號的強弱。OTDR是利用光線在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反射所產(chǎn)生的背向散射而制成的精密的光電一體化儀表，它被廣泛應用于光纜線路的維護、施工之中，可進行光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測量。 光纖多點測溫傳感器 光纖溫度報警器

17、 光纖陀螺儀 薩格納克效應（Sagnac Effect） ： 將同一光源發(fā)出的一束光分解為兩束，讓它們在同一個環(huán)路內(nèi)沿相反方向循行一周后會合，然后在屏幕上產(chǎn)生干涉。 光纖陀螺儀 當光學環(huán)路轉(zhuǎn)動時，在不同的前進方向上，光學環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時的光程都會產(chǎn)生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進的光之間產(chǎn)生干涉來測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動速度，這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀；如果利用這種環(huán)路光程的變化來實現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉，也就是通過調(diào)整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進而測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動速度，就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。 高精度角速度測量 光纖光柵傳感器 光纖布拉格光柵（fibber bragg gratting， FBG）是纖芯折射率周期性變化的光纖。 UV零級光束1級光束1級光束熔融石英相位掩膜光纖干涉條紋早期利用高強度紫外光源所形成的干