第七章光電設計

1光纖傳感器始于1977年，目前已進入研究與應用并重階段。主要優(yōu)點：靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、可撓性強、可實現不帶電的全光型探頭。頻帶寬、動態(tài)范圍大。可用很相近的技術基礎構成傳感不同物理量的傳感器便于與計算機和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實現系統(tǒng)的遙測和控制可用高溫、高壓、強電磁干擾、腐蝕等惡劣環(huán)境。結構簡單、體積小、重量輕、耗能少。2一次涂覆層纖芯

包層套層一次涂覆層包層纖芯套層光纖波導的結構多層介質結構：1、纖芯：石英玻璃，直徑5-75um，材料以二氧化硅為主，摻雜微量元素。2、包層：直徑100-200um，折射率略低于纖芯。3、涂敷層：硅酮或丙烯酸鹽，隔離雜光，保護。4、尼龍或其他有機材料，提高機械強度，保護光纖。7.1光纖傳感器的基礎3

石英系列光纖（以SiO2為主要材料）

按光纖組成材料劃分多組分光纖（材料由多組成分組成）

液芯光纖（纖芯呈液態(tài)）

塑料光纖（以塑料為材料）

階躍型光纖（SIF）光纖種類按光纖纖芯折射率分布劃分漸變型光纖（GIF）

W型光纖

單模光纖（SMF）

按光纖傳輸模式數劃分

多模光纖（MMF）光纖的分類4為表示光纖的集光能力大小，定義光纖波導孔徑角的正弦值為光纖的數值孔徑（NA），即：光纖中的重要參數1、數值孔徑（NA,NumericalAperture）當光線在纖芯與包層界面上發(fā)生全反射時，相應的端面入射角為光纖波導的孔徑角（或端面臨界角）。即只有光纖端面入射角大于的光線才能在光纖中傳播，故光纖的受光區(qū)域是一個圓錐形區(qū)域，圓錐半錐角的最大值就等于孔徑角。光纖參數數值孔徑的意義？？52、光纖中的模式(FiberMode)

電磁波的傳播遵從麥克斯韋方程，而在光纖中傳播的電磁場根據由光纖結構決定的邊界條件，可求得滿足波動方程的特定的離散的解，而某一個解代表許多允許沿光纖波導傳播的波，每個允許傳播的解稱為光纖的模式，每個波具有不同的振幅和傳播速度。光纖中可能傳播的模式有橫電波、橫磁波和混合波。（1）橫電波TEmn：縱軸方向只有磁場分量；橫截面上有電場分量的電磁波。中下標m表示電場沿圓周方向的變化周數，n表示電場沿徑向方向的變化周數。（2）橫磁波TMmn:縱軸方向只有電分量；橫截面上有磁場分量的電磁波。（3）混合波HEmn或EHmn:縱軸方向既有電分量又有磁場分量，是橫電波和橫磁波的混合。無論哪種模式，當m和n的組合不同，表示的模式也不同。光纖中的重要參數63、光纖的歸一化頻率V歸一化頻率是為表征光纖中所能傳播的模式數目多少而引入的一個特征參數。其定義為：光纖中的重要參數其中，r——是光纖的纖芯半徑；

λ——是光纖的工作波長；

n1和n2——分別是光纖的纖芯和包層折射率；

k0——真空中的波數；

?——光纖的相對折射率差。歸一化頻率越大，光纖所允許傳播的模式越多，當V<2.405時，光纖中只允許一個模式傳播，即基模。74、傳播常數β傳播常數β是描述光纖中各模式傳輸特性的一個參數，光纖中各模式的傳輸或截止都可以由該參數決定。光纖中的重要參數當β<k0n2

時，包層中的電磁場不再衰減，而成為振蕩函數，這時傳導模已不能集中于光纖纖芯中傳播，此時的模式稱為輻射模，即傳導模截止。當β=k0n2時，傳導模處于臨界截止狀態(tài)，光線在纖芯和包層的界面掠射。光纖通信中信息就是由傳導模傳送的。傳導模的傳播常數是限制在纖芯到包層之間的，即8截止波長是單模光纖特有的參數，對應于第一高階模的歸一化截止頻率Vc=2.405時的波長。5、截止波長λc9光纖的損耗特性損耗的定義當光在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸減小，這種現象即稱為光纖的損耗。損耗一般用損耗系數α表示：(單位：dB/km)

損耗大小影響光纖的傳輸距離長短和中繼距離的選擇。損耗的種類吸收損耗：來源于光纖物質和雜質的吸收作用；散射損耗：光纖材料的不均勻性和尺寸缺陷，如瑞利散射；其他損耗：如光纖彎曲也引起散射損耗。部分光纖傳感器利用了光纖的損耗特性。10光纖的損耗損耗散射損耗制作缺陷折射率分布不均勻芯-涂層界面不理想氣泡、條紋、結石本征散射及其他瑞利散射布里淵散射拉曼散射吸收損耗本征吸收紫外吸收紅外吸收雜質離子的吸收過渡族金屬離子OH-

離子彎曲損耗11光纖的色散特性色散的定義色散的種類光纖的色散是在光纖中傳輸的光信號，隨傳輸距離增加，由于不同成分的光傳輸時延不同引起的脈沖展寬的物理效應。色散主要影響系統(tǒng)的傳輸容量，也對中繼距離有影響。色散的大小常用時延差表示，時延差是光脈沖中不同模式或不同波長成分傳輸同樣距離而產生的時間差。模式色散：模式色散是由于光纖不同模式在同一波長下傳播速度不同，使傳播時延不同而產生的色散。只有多模光纖才存在模式色散，它主要取決于光纖的折射率分布。材料色散：材料色散是由于光纖的折射率隨波長變化而使模式內不同波長的光時間延遲不同產生的色散。取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度。波導色散：波導色散是由于波導結構參數與波長有關而產生的色散。取決于波導尺寸和纖芯包層的相對折射率差。12

波導色散和材料色散都是模式的本身色散，也稱模內色散。對于多模光纖，既有模式色散，又有模內色散，但主要以模式色散為主。梯度型光纖中模式色散大為減少。而單模光纖不存在模式色散，只有材料色散和波導色散，由于波導色散比材料色散小很多，通?？梢院雎?。采用激光光源可有效減小材料色散的影響。13光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器（FunctionFiberOpticSensor），又稱FF型光纖傳感器；利用光纖本身感受被測量變化而改變傳輸光的特性，光纖既是傳光元件，又是敏感元件。另一類是非功能型傳感器（Non-FunctionFiberOpticSensor），又稱NF型光纖傳感器。利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光信號的傳輸介質。7.1.4光纖傳感器的分類14功能型光纖傳感器這類傳感器利用光纖本身對被測對象具有敏感能力和檢測功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測對象作用下，如光強、相位、偏振態(tài)等光特性得到調制，調制后的信號攜帶了被測信息。非功能型光纖傳感器傳光型光纖傳感器的光纖只當作傳播光的媒介，待測對象的調制功能是由其它光電轉換元件實現的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用。15光纖傳感器的分類列表167.2光纖的光波調制技術強度調制相位調制偏振調制頻率調制

波長調制171、強度調制：IDttIS信號入射光強度調制光源出射光輸出ID光探測器強度調制原理IOtIit18強度調制是利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數的變化，而導致光強度發(fā)生變化來實現敏感測量的。調制原理：19光是一種橫波。光振動的電場矢量E和磁場矢量H和光線的傳播方向s正交。按照光的振動矢量E、H在垂直于光線平面內矢量軌跡的不同，又可分為線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光和部分偏振光。偏振調制就是利用光偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象的信息。2、偏振調制調制原理：普克爾Pockels效應(電光效應)法拉第磁光效應光彈效應解調原理：檢偏器20偏振調制的解調原理渥拉斯頓棱鏡解調原理

解偏過程：如圖為偏振光分束器，方解石組成。兩棱鏡光軸垂直，光線垂直入射到No.1，光束不分開，但o光1和e光1速度不同。到達No.2時，光軸垂直，o光1和e光1的角色互換，o光2對應的折射率從n0到ne，e光2對應的折射率從ne到n0，ne<n0，所以兩光束分開。偏振角為θ。光束傳播示意圖eooe45o21

偏振角與光分量的關系：

偏振角θ與光源強度和通道能量衰減無關，只與兩分光束的光強有關系。由偏振角θ值可推知需要傳感的物理量

兩光分量對應的振幅分別為：22相位調制的基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數發(fā)生變化，而導致光的相位變化，使兩束單色光所產生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。3、相位調制應力應變效應：光纖長度變化光彈效應:光纖芯折射率變化磁致伸縮效應：光纖芯直徑變化聲光效應光熱效應薩格納克(Sagnac)效應檢測原理相位解調原理：光外差檢測原理23典型干涉測量儀與光纖干涉?zhèn)鞲衅鳎厚R赫-澤德爾(Mach-Zender)干涉儀法布里-泊羅(Fabry-Perot)干涉儀邁克爾遜(Michelson)干涉儀薩格納克(Sagnac)干涉儀常用干涉儀常用光纖干涉?zhèn)鞲衅魇抢蒙鲜鲈碛晒饫w實現的干涉型光纖傳感器。241.邁克爾遜干涉儀干涉原理：當激光束分得的兩光束的光程差小于激光的相干長度時，射到光檢測器上的兩相干光束即產生干涉，且相位差為：傳感器25傳感器2.馬赫－澤德爾干涉儀由移動平面鏡的位移獲得兩相干光束的相位差，在光檢測器是產生干涉。優(yōu)點：沒有激光返回激光器，噪聲小，穩(wěn)定性好。對干涉影響小。263.薩格納克干涉儀激光器輸出的兩束光沿著一條由一個分束器和三個平面鏡構成的閉合光路反方向傳輸,它們重新合路后再入射到光檢測器,同時一部分光又返回到激光器。當平臺沿垂直于光束平面旋轉時，兩方向相反的光束到達檢測器的延遲不同，從而產生相位變化。若平臺以角速度Ω順時針旋轉時，則在順時針方向傳播的光較逆時針方向傳播的光延遲大。這個相位延遲量可表示為：通過檢測干涉條紋的變化，就知道旋轉速度，它是目前許多慣性導航系統(tǒng)所用的環(huán)形激光陀螺和光線陀螺的設計基礎。274.法布里-珀羅干涉儀傳感器它是由兩塊平行的部分透射平面鏡組成的。這兩塊平面鏡的反射率(反射系數)通常是大于95%。假定反射率為95%,那么在任何情況下,激光器輸出光的95%將朝著激光器反射回來,余下的5%的光將透過平面鏡而進入干涉儀的諧振腔內。其干涉原理是多光束干涉，其干涉光強度的變化為：285.光纖干涉儀傳感器A:邁克爾遜干涉儀；b：馬赫-澤德干涉儀；c:塞格納克干涉儀；d：法布里-珀羅干涉儀敏感器敏感器敏感器敏感器部分透射反射鏡294、頻率調制及解調利用外界因素改變光的頻率，通過檢測光的頻率變化來測量外界物理量。目前主要是利用光學多普勒效應實現頻率調制。如圖所示,P點物體的運動將S點光源發(fā)出的光散射到Q點被觀察到，設光頻為f1，由雙重多普勒頻移原理可得：解調過程：與相位調制的解調相同，需要兩束光干涉，在檢測器上產生差頻，光電流經頻譜分析器處理，求出頻率變化。307.3光纖傳感器實例7.3.1光纖位移傳感器反射式光纖位移傳感器結構如圖所示。根據被測目標表面光反射至接收光纖束的光強度的變化來測量被測表面距離的變化。所使用光纖束的特性是影響這種類型光纖傳感器的靈敏度的主要因素之一。在光纖探頭的端部,發(fā)射光纖與接收光纖一般有四種分布:(a)隨機分布;(b)半球形對開分布;(c)共軸內發(fā)射分布;(d)共軸外發(fā)射分布，如圖所示。31典型位移－輸出曲線如圖所示。在輸出曲線的前坡區(qū)I,輸出信號強度增加得很快,這一區(qū)域可以用于微米級的位移測量。在后坡區(qū)II,信號的減弱約與探頭和被測表面之間的距離平方成反比,可用于距離較遠而靈敏度、線性度和精度要求不高的測量。反射式光纖位移傳感器的原理如右圖。1、探頭緊貼被測件時，無光接收沒有電信號。2、被測表面逐漸遠離探頭時，有一個線性增長的輸出信號。有一最大輸出值—“光峰點”。3、繼續(xù)遠離時，輸出信號越來越弱，與距離平方成反比。32相位干涉式位移傳感器

Mach-Zehnder光纖干涉儀是應用較為廣泛的一種干涉儀?？梢杂糜跍y量位移，其工作原理如圖33

34

外施力可以直接產生傳感臂光纖長度L和直徑d變化以及折射率n變化。為了改善光纖對壓力的傳感靈敏度，通常在包層外再涂復一層特殊材料。傳感臂上涂復材料具有“增敏”特性，而參考光纖涂復材料對傳感量具有“去敏”特性。這樣可以有效提高檢測信噪比。當光纖表面涂復對其它物理量敏感的材料時，例如磁致伸縮材料、鋁導電膜和壓電材料等，則可以實現對其它物理量，如磁場、電流、電壓等的檢測。35DSFF變形器光纖Aθ1θn0n2n1θ2θ3微彎光纖壓力傳感器光纖被夾在一對鋸齒板中間，當光纖不受力時，光線從光纖中穿過，沒有能量損失。當鋸齒板受外力作用而產生位移時，光纖則發(fā)生許多微彎，這時在纖芯中傳輸的光在微彎處有部分散射到包層中.光纖微彎增大，散射掉的光隨之增加，纖芯輸出光強度相應減小。因此，通過檢測纖芯或包層的光功率，就能測得引起微彎的壓力、聲壓，或檢測由壓力引起的位移等物理量。36光纖應變傳感器采用脈沖傳輸時間法可以測量自由空間光路的長度。這種方法通過測量光信號到達靶體又反射回來所占用的時間來確定光經過的距離。用光纖做測量光路，傳輸時間法可適用于任意彎曲光路及其變化的測量。37

分布式光纖傳感器是一種本征型的光纖傳感器，所有敏感點均分布于一根傳感光纖上。目前有兩種方式發(fā)展比較快，一種是以光纖的后向散射光或前向散射光損耗時域檢測技術為基礎的光時域分布式，另一種是以光波長檢測為基礎的波長域分布式。時域分布式光纖傳感器的物理基礎是光學時域反射技術（OpticalTime-domainReflectometry），簡稱OTDR。其基本原理是利用分析光纖中后向散射光或前向散射光的方法測量因散射、吸收等原因產生的光纖傳輸損耗和各種結構缺陷引起的結構性損耗，當分布式光纖傳感器38

光纖某一點受溫度或應力作用時，該點的散射特性將發(fā)生變化，因此通過顯示損耗與光纖長度的對應關系來檢測外界信號分布于傳感光纖上的擾動信息。圖給出了一種基于后向散射光檢測的OTDR原理圖?；诤笙蛏⑸涔鈾z測的OTDR原理圖

脈沖激光光源后向散射回波傳感光纖3dB光電檢測與信號處理系統(tǒng)39由于外界因素引起的沿光纖長度上的某一點散射信號的變化，可以通過OTDR方法獨立地探測出來，而不受其他點散射信號改變的影響，因此可以采用OTDR方法實現對光纖的分布式測量。相對回波光功率初始脈沖作用點終端費涅爾回波長度Z后向散射光檢測波形示意圖40*光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器(FBG)是利用

Bragg波長對溫度、應力的敏感特性而制成的一種新型的光纖傳感器。

41光纖光柵工作原理λ1λ2…λn芯層包層Λ包層折射率

n2芯層折射率

n1感光折射率

nλ1λ2…λn42芯層包層+1級-1級紫外掩模寫入法相位掩模板432、光纖布喇格光柵傳感原理

光纖光柵纖芯中的折射率調制周期由下式給出：這里λUV是紫外光源波長，θ是兩相干光束之間的夾角。44由于周期的折射率擾動僅會對很窄的一小段光譜產生影響。因此，如果寬帶光波在光柵中傳播時，入射光能在相應的頻率上被反射回來，其余的透射光譜則不受影響，光纖光柵就起到反射鏡的作用。這類調諧波長反射現象首先是由威廉?布喇格爵士給出解釋的，因而這種光纖光柵被稱為布喇格光纖光柵，其反射條件被稱為布喇格條件。在Bragg光柵中，反射的中心波長由下式確定：45

其中neff

是光纖芯區(qū)有效折射率。Λ是光纖光柵的柵距即周期。只有滿足布拉格條件的光波才能被布喇格光柵反射。對上式取微分可得：

從式中可以看出，當外界的應力發(fā)生改變時，將會導致光纖光柵的Λ或者neff的改變，因而檢測光纖光柵中心反射波長的變化，可以獲知外界應力的變化。46則這個光波的能量可以耦合到沿它的反方向傳播的具有相同波長的反射光中去。設β0=2πneff/λ0，其中λ0為輸入光的波長，neff為波導或光纖的有效折射率。也就是說，如果λ0=2neffΛ，光波將發(fā)生反射，這個波長λ0就稱作布喇格波長。47光纖光柵的柵距Λ可通過改變寫入光柵的兩相干紫外光束的相對角度得到調整，從而可以制作出不同反射波長的Bragg光柵。48

光纖光柵應變傳感器的基本原理是：當光柵周圍的應力或者應變發(fā)生變化時，將導致光柵周期或纖芯折射率發(fā)生變化，從而產生光柵Bragg信號的波長位移△λ，通過監(jiān)測Bragg波長位移情況，即可獲得柵周圍的應力或者應變變化情況。由外界應力引起光纖光柵軸向應變和折射率變化造成光柵布拉格反射波長移動，由下式給出：這里λB是光柵布拉格反射波長，△λB為在外界應力作用下光柵布拉格反射波長移動量，ε是光纖軸向應變，可表示為：49在實際應用中，ε是個很小的量，為此引入應變量的10-6，με作為光纖光柵度量單位。50FBG所具有的多傳感器復用能力，使它在準分布測量、多參數組合測量等方面顯現了非常誘人的前景，因而在復合材料固化監(jiān)控、大型土建結構內部應變分布及大型電力設備內部溫度分布狀態(tài)監(jiān)控等方面具有廣泛的應用前景。

51光連接器調制解調器顯示儀表計算機使用現場控制室內傳輸光纜連接光纜FBG探頭光纖光柵監(jiān)測報警系統(tǒng)結構示意圖523、光纖布喇格光柵解調原理光纖布喇格光柵的解調有多種方法，下面介紹匹配光纖光柵解調法。匹配光纖光柵檢測信號的基本原理如下圖所示，其中左圖為傳感光柵與解調光柵的配置，右圖為兩光柵的反射譜及檢測到的信號．53選用一個與傳感光纖光柵FBG1

參數相近的光纖光柵FBG2（匹配光柵）作為檢測光柵，使兩個光柵的反射譜部分重疊，即設置合適的偏置．傳感光纖光柵的輸出信號為檢測光纖光柵的輸入信號。輸出信號、輸入信號都隱含在光纖光柵的反射譜和透射譜中。

54當傳感光纖光柵受到應變的微擾時，其輸出的反射譜在一定范圍內漂移，如左圖所示；解調光柵的反射譜是相對固定的，傳感光柵的輸出反射譜輸入給解調光柵時，只有與兩光柵的反射譜重疊部分相對應的范圍內的光波才可能被反射，而重疊部分的面積與反射譜的光強度成正比．

55當兩光柵反射譜重疊面積較大時，探測器探測到的光信號較大，反之則較小，即檢測器檢測到的光強是檢測光纖光柵FBG1和匹配光纖光柵FBG2兩個光譜函數的卷積。隨著FBG1上的微擾，在FBG2的反射譜中可檢測到相對應的一定光強度的光信號。56光纖光柵分布傳感技術是先進傳感技術發(fā)展的新階段，它滿足了現代結構監(jiān)測的高精度、遠距離、分布式和長期性的技術要求。

光纖光柵不僅具有光纖的小巧、柔軟、抗干