傳感器原理與應(yīng)用(中)課件

1、傳感技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱之一。光纖傳感技術(shù)一直處于傳感技術(shù)發(fā)展的前沿。光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù)優(yōu)點：光纖不帶電；抗電磁干擾;防爆、防燃；質(zhì)量輕,體積小；可長期監(jiān)測。這些優(yōu)點決定其在國家重大工程安全監(jiān)測方面具有獨特的優(yōu)勢。 光纖傳感示意圖 光纖傳感技術(shù)光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時具有光纖及光學(xué)測量的特點。光纖傳感分類 光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器，又稱FF型光纖傳感器；另一類是非功能型傳

2、感器，又稱NF型光纖傳感器。 全光纖型傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用，其光學(xué)特性(光強、相位、偏振態(tài)等)的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。信號處理光接收器光纖敏感元件光發(fā)送器 拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖探針、光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器光纖光柵傳感器等。 信號處理光接收 器光發(fā)送器光纖耦合器被測對象非功能型光纖傳感傳光型光纖傳感器的 光纖只當(dāng)作傳播

3、光的媒介，待測對象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的， 光纖只起傳光作用。“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué) 通信方面”取得了突破性成就2009年 諾貝爾物理學(xué)獎授予英國華裔科學(xué)家 高錕 高錕-光纖之父 1966年，高錕發(fā)表了一篇題為光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)的論文，開創(chuàng)性地提出光導(dǎo)纖維在通信上應(yīng)用的基本原理，描述了長路程及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結(jié)構(gòu)和材料特性。簡單地說，只要解決好玻璃純度和成分等問題，就能夠利用玻璃制作光學(xué)纖維，從而高效傳輸信息。 光纖技術(shù)歷史 光纖技術(shù)1970-1980，主要以強度調(diào)制型光纖傳感器的研究為主。1980-1990，開始大規(guī)模研究干涉型

4、光纖傳感技術(shù)。1990-2000，光纖光柵（FBG）傳感技術(shù)進入一個研究熱潮。2000-至今，光纖傳感技術(shù)進入商業(yè)化進程。光纖傳感光纖通信1976年，美國在亞特蘭大進行第一個光纖通信現(xiàn)場實驗，速率44.7Mb/s1980年，美國鋪設(shè)東西干線和南北干線，22個州1983年，日本南北光纜干線，全長3400km1989年，第一條橫跨太平洋光纜建成，全長13200km90年代， 我國光纜干線“八橫八縱”，全長8萬公里光纖傳感優(yōu)勢 電絕緣性能好。 抗電磁干擾能力強。 光路可彎曲，對被測信號遠距離監(jiān)控。 非侵入性。 高靈敏度。光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電

5、壓、磁場等物理量抗電磁干擾能力強：輻射干擾Electromagnetic Interference （EMI）傳導(dǎo)干擾天電噪聲宇宙射線人為的干擾源 EMI是干擾電纜信號并降低信號完好性的電子噪音，EMI通常由電磁輻射發(fā)生源如馬達和機器產(chǎn)生。 在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。包括從干擾信號的頻率范圍來分，可以把干擾源分為工頻干擾源（50Hz及其諧波）低頻干擾源（30Hz以下）射頻及視頻干擾源（300kHz以上）微波干擾源（300MHz100GHz）雖然光和電都屬于電磁波

6、，但頻率范圍相差很大。一般微波干擾頻率在吉赫10GHz ，光纖工作頻率在 200THz 光路可彎曲，對被測信號遠距離監(jiān)控：泄漏小， 信息的保密性能好 光纖傳輸光泄漏非常微弱，彎曲地段無法竊聽沒有專用的特殊工具，光纖不能分接，信息在光纖中傳輸非常安全。？（1）從光纖中折射出來的光線被設(shè)備中的光學(xué)檢測設(shè)備拾取（2）然后發(fā)送給光電轉(zhuǎn)換設(shè)備（3）光電轉(zhuǎn)換裝置將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過以太網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳送到黑客的筆記本電腦上。黑客在筆記本電腦上運行某種sniffer軟件，可以觀察到目標(biāo)光纖網(wǎng)絡(luò)中傳遞的各種數(shù)據(jù)。 光纖的結(jié)構(gòu)光纖呈圓柱形，它由纖芯和包層兩個同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。2R2rn2n1nn2n

7、1纖芯包層光纖結(jié)構(gòu)光纖的尺寸外徑一般為125um(一根頭發(fā)平均100um)內(nèi)徑：單模9um 多模50/62.5um12595012562.5125光纖的分類按材料分類：石英光纖：纖芯與包層都是SiO2，損耗小，傳輸距離長，成本高；聚合物光纖（塑料光纖）：纖芯與包層都是塑料，損耗大，傳輸距離很短，價格很低。多用于家電、音響，以及短距的圖像傳輸。光纖的分類按照光纖的模式分類單模（Single-Mode）多模（Multi-Mode）G.651：多模光纖，在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)。G.652：常規(guī)單模光纖，在波長1.31m色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制。光纖導(dǎo)光

8、原理 斯乃爾定理（Snells Law） 當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大)入射至光疏物質(zhì)時發(fā)生折射，如圖(a)n1n2ri (a)光的折射示意圖 可見，入射角i增大時，折射角r也隨之增大，光纖的傳輸特性單模光纖中損耗的功率可用損耗系數(shù)來描述，它表示單位長度光纖的損耗功率。如果沿長度方向的損耗是均勻的，那么在知道輸入功率Pi后，沿光纖長度方向上任一點z處的功率Po便可用損耗系數(shù)表示損耗（Loss）dB(Decibel):表征相對值的值，純粹的比值，只表示兩個量的相對大小關(guān)系，沒有單位 。dBm: 表示功率絕對值的值（也可以認(rèn)為是以1mW功率為基準(zhǔn)的一個比值）。基礎(chǔ)知識損耗的機理吸收損耗：由SiO2材料

9、引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生。散射損耗：由材料微觀密度不均勻引起的瑞利散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。1550 nm : 0.2 0.3dB/Km1310 nm : 0.35 0.5 dB/Km850 nm : 2.3 3.4 dB/Km光纖熔接點損耗：0.2dB/點 模間色散：只發(fā)生在多模光纖，因為不同模式的光沿著不同的路徑傳輸。 材料色散：不同波長的光行進速度不同。 波導(dǎo)色散：發(fā)生原因是光能量在纖芯及包層中傳輸時，會以稍有不同的速度行進。在單模光纖中，通過改變光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)來改變光纖的色散非常重要。光纖的傳輸特性色散(Dispersion)光纖傳感的重要器件：一光源光

10、源的分類非相干光源 包括白光源與發(fā)光二極管相干光源 包括各種激光器：半導(dǎo)體激光器、氦氖激光器、固體激光器相干光源 原理能級的躍遷：原子中的電子可以通過和外界交換能量的方式發(fā)生量子（能級）躍遷，對于大量原子組成的體系來說，同時存在光的受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三個狀態(tài)。受激吸收和自發(fā)輻射受激吸收過程：自發(fā)輻射過程激發(fā)態(tài) E2E3E4基態(tài) E1自發(fā)幅射的光是非相干光受激輻射（1917年愛因斯坦提出） E1 E2與外來光子頻率相同、相位相同、偏振方向和傳播方向相同。特點：受激幅射中，光子成倍增長，產(chǎn)生了光放大。受激幅射產(chǎn)生的光子與入射光子是完全相干的；激光(相干光源)的產(chǎn)生1. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)E1E2

11、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生激光的必要條件：1.實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 2.具有諧振腔結(jié)構(gòu)2. 光學(xué)諧振腔諧振腔長度：光纖傳感常用激光器半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、驅(qū)動電源簡單、能直接調(diào)制、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用安全、其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器工作原理半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，并利用光學(xué)諧振腔的正反饋實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光。 常用的半導(dǎo)體光源FP諧振腔型（DH-LD）分布反饋型（DFB）超輻射發(fā)光二極管（SLD）發(fā)光二極管（LED）F-P諧振腔激光器結(jié)構(gòu)FP諧振腔型LDDFB激光器由有源層發(fā)射的光，從一個方向向另一個方向

12、傳播時，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)， 另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。如果光線a和b匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強的反饋，而其他波長的光將相互抵消。只有符合反射條件的光會得到強烈反射經(jīng)歷放大過程DFB激光器與FP激光器相比， 具有以下優(yōu)點： 1. 單縱模激光器 FP激光器諧振腔的長度較長，頻率間隔小選頻困難；DFB激光器的光柵周期相當(dāng)于微型諧振腔，長度很小，因此頻率間隔大，易于選頻，形成單頻振蕩。2. 波長穩(wěn)定性好由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長鎖定在諧振波長上，因而波長的穩(wěn)定性得以改善DFB激光器照片發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD

13、)有所不同， LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔， 沒有閾值。激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長，輸出光功率線性范圍寬， 而且制造工藝簡單，價格低廉。超輻射發(fā)光二極管(SLD)SLD光源是在激光二極管(LD)的基礎(chǔ)上改造而成，通過對SLD施加較大的驅(qū)動電流，在雙異質(zhì)結(jié)處產(chǎn)生較強的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而提高自發(fā)輻射光子的單程增益，因此,即便由于抑制激光效應(yīng)而減少了光子在腔內(nèi)的反饋次數(shù),但SLD仍然具有相對較高

14、的輸出功率。主要應(yīng)用于光纖陀螺光纖陀螺的概述 光纖陀螺是一種輕便的由固體元件組成的全固態(tài)器件，作為新一代角速度敏感器件。光纖陀螺實物：光纖陀螺的概述 基本原理：Sagnac 效應(yīng) 薩納克效應(yīng)是相對慣性空間轉(zhuǎn)動的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍的相關(guān)效應(yīng)，即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的光，以相反的方向進行傳播，最后匯合到同一探測點。 若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對慣性空間存在著轉(zhuǎn)動角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產(chǎn)生光程差，其光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應(yīng)的相位差的信息，即可得到旋轉(zhuǎn)角速度。 系統(tǒng)靜止 系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)傳輸相位差： 如何檢

15、測相位差？ 利用光的干涉：振動頻 率相同、方向相同、相位差恒定 通過檢測光強來檢測相位差，進而檢測轉(zhuǎn)動角速率。光纖陀螺的概述光纖陀螺的概述光纖陀螺的優(yōu)點與機電陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點：(1) 較強的抗沖擊和抗加速運動的能力;(2) 檢測靈敏度和分辨率高精度;(3) 較長的使用壽命；(4) 可以實現(xiàn)不同的精度，并具有較寬的動態(tài)范圍;(5) 瞬間啟動，無需預(yù)熱;(6) 結(jié)構(gòu)簡單、價格低，體積小、重量輕 光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀美國美國在光纖陀螺的研究方面一直保持領(lǐng)先地位。目前美國國內(nèi)已經(jīng)有多種型號的光纖陀螺投入使用。 日本日本緊隨美國之后，在中低精度陀螺實用化方面走在了世界前列。許多公司

16、都開始批量生產(chǎn)多種中低精度的光纖陀螺。 中國我國光纖陀螺的研究相對起步較晚，但是在廣大科研工作者的努力下，已經(jīng)逐步拉近了與發(fā)達國家間的差距。光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀級別零偏穩(wěn)定性(度/小時)標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性速率級1010000.11%戰(zhàn)術(shù)級0.110101000 ppm慣性級0.015 ppm戰(zhàn)略級0.0011 ppm光纖陀螺應(yīng)用級別劃分標(biāo)度因數(shù)：陀螺儀輸出量與輸入角速度的比值， 反映陀螺的靈敏度。 光纖陀螺的應(yīng)用速率級機器人地下建造隧道管道路徑勘測裝置汽車導(dǎo)航光纖陀螺的應(yīng)用戰(zhàn)術(shù)級戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈 近程/中程導(dǎo)彈裝甲車和坦克制導(dǎo)魚雷慣性級、戰(zhàn)略級光纖陀螺主要是用于空間定位和潛艇導(dǎo)航，其開發(fā)和研制正逐步走向成熟

17、，美國有關(guān)公司和研究機構(gòu)是研制、生產(chǎn)該級別光纖陀螺的佼佼者，如Honeywell、Northrop等公司。光纖陀螺的應(yīng)用最新應(yīng)用：天宮一號光纖陀螺作用：精確地感知自身的微小動作，從而更好地確保飛行姿態(tài)精確控制以及與飛船交會對接。激光器的應(yīng)用激光，作為一種新類型的光登上舞臺，帶來光學(xué)應(yīng)用技術(shù)的革命，已在生產(chǎn)、生活、國防的各個方面都有著應(yīng)用，幾乎成為所有現(xiàn)代技術(shù)依賴的手段。在此不可能加以詳述，僅就一些常見的應(yīng)用作簡要介紹。1.用激光固定原子：氣態(tài)原子、分子處在永不停息的運動中（速度接近340m/s），且不斷與其它原子、分子碰撞，要“捕獲”操縱它們十分不易。1997年華裔科學(xué)家、美國斯坦福大學(xué)朱棣文

18、等人，首次采用激光束將原子束冷卻到極低溫度，使其速度比通常作熱運動時降低，達到“捕獲”操縱的目的。具體作法是，用六路兩兩成對的正交激光束，沿三個相互垂直的方向射向同一點，光束始終將原子推向這點，于是約106個原子形成的小區(qū)，其溫度在240K以下。這樣使原子的速度減至10m/s量級。后來又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在約1s內(nèi)從控制區(qū)墜落后被捕獲。2.激光測距 激光雷達 激光準(zhǔn)直 利用激光的高亮度和極好的方向性，做成激光測距儀、激光雷達和激光準(zhǔn)直儀。 激光制導(dǎo)的導(dǎo)彈，頭部有四個排成十字形的激光接收器（四象限探測儀）。如果四個接收器收到的激光一樣多，就按原來方向飛行，如果有一個接收器接收的激光少

19、了，它就自動調(diào)整方向。另一類可用激光束照射要打擊的目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)反射的激光被導(dǎo)彈上的接收器收到，引導(dǎo)導(dǎo)彈擊中目標(biāo)。 3. 全息技術(shù)是1948年英國科學(xué)家蓋伯提出的一種新的成像原理，“全息”一詞引處希臘語，是“完全”的意思。但由于當(dāng)時沒有好的相干光源，因而無法獲得好的相干像片。激光的出現(xiàn)，使全息術(shù)飛速發(fā)展成為一個新領(lǐng)域，蓋伯因此獲1971年諾貝爾物理學(xué)獎。普通照像是把從物體表面發(fā)出的光經(jīng)過透鏡，在感光底片上記錄下物體的光強分布，再翻印到相紙上，呈現(xiàn)出物體的平面圖像。普通照像只記錄了物體表面的光強分布，沒有記錄到物體各部分到觀察者的遠近和角度，即沒記錄下物體發(fā)出光線的相位分布，這樣的像沒有立體感。全

20、息照像是用相干光照射物體，從物體反射或漫射的光不是用透鏡成像而是直接照射到全息底片上，用干涉現(xiàn)象把那些光的光強分布和相位記錄下來。底片上沒有被拍物體的形象，在顯微鏡下可看到的是一幅長短不一、間距不等、走向不同的復(fù)雜干涉條紋，稱為全息圖。4. 光刻技術(shù)：如光刻集成電路、光盤。光盤的外形有點像唱片，寫入讀出的原理也和機械唱片差不多，只是用激光束來代替唱針，因為激光的相干性很好，用聚光系統(tǒng)可以把激光聚焦成比針頭還細小的光束，所以它在介質(zhì)上寫入信息所占空間尺寸可以非常小（小于1nm）因而信息存儲密度很大。CD唱片是用聲音調(diào)制了的激光束刻制光盤，由于在讀寫光盤時光點與光盤無機械接觸，就不存在由摩擦引起的

21、雜音，同時也無磨損，因而光盤音質(zhì)佳、壽命長。5.生物應(yīng)用：生物育種上可以采用“誘發(fā)育種”方法培育良種，誘發(fā)育種也有化學(xué)誘變、核輻射誘變、光誘變等，激光照射屬光誘變。生物組織吸收激光能量后，將會使生物體發(fā)生光-生物熱效應(yīng)、生物光壓效應(yīng)、生物光化學(xué)效應(yīng)、生物電磁效應(yīng)和生物刺激效應(yīng)，由此引起生物遺傳異變。我國已用激光照射種子培育新品種，改善品質(zhì)。光無源器件光纖連接器（固定、活動,FC/PC,FC/APC）光纖耦合器/分路器光分插復(fù)用器（OADM)光波分/密集波分復(fù)用器（WDM/DWDM)光衰減器（固定、連續(xù)）光濾波器（帶通、帶阻）光纖隔離器與環(huán)行器（偏振有關(guān)、無關(guān)）光偏振態(tài)控制器、光纖光柵光纖傳感的重要器件：二常用連接器類型常用連接器類型FC Type常用連接器類型SC Type常用連接