第6章光纖傳感器

第六章光纖傳感器

光纖陀螺傳統(tǒng)方法進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)測(cè)N個(gè)傳感單元N條信號(hào)傳輸線,N

次校準(zhǔn)分布式光纖傳感器光纖光柵傳感器6.1技術(shù)基礎(chǔ)光纖傳感器（OpticalFiberSensor）是利用光纖技術(shù)和有關(guān)光學(xué)原理，將被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。光纖傳感技術(shù)內(nèi)涵光為信息載體、光纖為傳感或傳輸手段探測(cè)光波一種或多種屬性的變化：

強(qiáng)度、波長、相位、偏振等多學(xué)科融合的新一代傳感技術(shù)光纖傳感的核心技術(shù)

新型光敏材料是研發(fā)新一代光纖傳感技術(shù)的基礎(chǔ)

新型器件加工制備是推動(dòng)光纖傳感技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵

多種技術(shù)集成是實(shí)現(xiàn)光纖傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的要求光纖傳感技術(shù)特點(diǎn)6.1.1光纖結(jié)構(gòu)和類型1.光纖結(jié)構(gòu)光纖（OpticalFiber）由纖芯、包層和護(hù)套三部分組成。單模光纖多模光纖稀土摻雜光纖保偏光纖雙包層光纖雙芯光纖光子晶體光纖光敏光纖塑料光纖。。。。。光纖歷史2.光纖類型⑴突變型多模光纖（Step-IndexFiber，SIF）⑵漸變型多模光纖（Graded-IndexFiber，GIF）⑶單模光纖（Single-ModeFiber，SMF）6.1.2光纖傳輸原理

一、幾何光學(xué)方法⑴當(dāng)θ<θc時(shí)⑵當(dāng)θ=θc時(shí) 折射角為90°⑶當(dāng)θ>θc時(shí)數(shù)值孔徑NA: 臨界角θc的正弦值。斜射光線的傳播

二、波動(dòng)光學(xué)理論

1.光波表述方程2.波動(dòng)方程和電磁場(chǎng)表達(dá)式將上式在圓柱坐標(biāo)中展開，得到電場(chǎng)的z分量的波動(dòng)方程為：

3.模式求解方程的數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖所示橫坐標(biāo)的V稱為歸一化頻率，圖中每一條曲線表示一個(gè)傳輸模式的β隨V的變化。低階模式和相應(yīng)的V值范圍見表所示。

1）導(dǎo)模導(dǎo)模的結(jié)構(gòu)有三種形式：⑴橫電模電場(chǎng)強(qiáng)度矢量集中在光纖橫截面上，在縱軸方向上無電場(chǎng)強(qiáng)度分量，只有磁場(chǎng)強(qiáng)度分量。⑵橫磁模磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量集中在光纖橫截面上，在縱軸方向上無磁場(chǎng)強(qiáng)度分量，只有電場(chǎng)強(qiáng)度分量。⑶混合模2）漏模漏模的場(chǎng)分布特點(diǎn)是：在纖芯內(nèi)為傳播場(chǎng)的光波，其場(chǎng)功率可透過一定厚度的“隧道”泄漏到包層之中。3）輻射模輻射模在纖芯和包層之中均為傳播場(chǎng)，光纖失去了對(duì)光波場(chǎng)功率的限制作用。6.1.3光纖的傳輸特性1.光纖色散模式色散材料色散波導(dǎo)色散2.光纖損耗⑴吸收損耗⑵散射損耗⑶光纖輻射損耗損耗曲線

大曲率半徑彎曲：是曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲（如在敷設(shè)時(shí)）。大曲率半徑的彎曲光纖比直光纖中傳輸?shù)哪?shù)量要少，有一部分模輻射到光纖外引起損耗。微彎曲：光纖微彎曲將使光纖中產(chǎn)生模式耦合，耦合模不能在纖芯中傳播，而將泄漏到包層中去，從而造成能量的輻射損耗。6.1.4光纖傳感器的結(jié)構(gòu)與分類一、光纖傳感器的結(jié)構(gòu)光纖傳感器由光發(fā)送器、敏感元件、光接收器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成。光的電矢量E的振動(dòng)特性：式中：A為電場(chǎng)E的振幅矢量；ω為光波的振動(dòng)頻率；φ為光波的相位；t為光的傳播時(shí)間。二、光纖傳感器的分類1.根據(jù)光纖在傳感器中的作用分類⑴功能型（全光纖型）光纖傳感器⑵非功能型(或稱傳光型)光纖傳感器⑶拾光型光纖傳感器2.根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式分類

傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量光纖強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器遮光板遮斷光路溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移多模半導(dǎo)體透射率的變化溫度多模熒光輻射、黑體輻射溫度多模光纖微彎損耗振動(dòng)、壓力、加速度、位移多模振動(dòng)膜或液晶的反射振動(dòng)、壓力、位移多模氣體分子吸收氣體濃度多模光纖泄漏膜液位多模相位調(diào)制光纖傳感器干涉（磁致伸縮）電流、磁場(chǎng)單模、偏振保持干涉（電致伸縮）電場(chǎng)、電壓單模、偏振保持Sagnac效應(yīng)角速度單模、偏振保持光彈效應(yīng)振動(dòng)、壓力、加速度、位移單模、偏振保持干涉溫度單模、偏振保持偏振調(diào)制光纖傳感器法拉第效應(yīng)電流、磁場(chǎng)單模泡克爾斯效應(yīng)電場(chǎng)、電壓多模雙折射變化溫度單模光彈效應(yīng)振動(dòng)、壓力、加速度、位移多模頻率調(diào)制光纖傳感器多普勒效應(yīng)速度、流速、振動(dòng)、加速度多模受激喇曼散射氣體濃度多模光致發(fā)光溫度多模6.2強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器定義：強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器是利用外界因素改變光纖中光的強(qiáng)度，通過測(cè)量光強(qiáng)的變化來測(cè)量外界物理量。類型：內(nèi)調(diào)制：光膜式外調(diào)制：反射式、透射式、折射率和吸收系數(shù)內(nèi)調(diào)制型：也稱為光模式強(qiáng)度調(diào)制，利用的是光纖的微彎損耗。微彎損耗：當(dāng)光纖之間的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起光纖中的模式耦合，其中有些導(dǎo)波模變成了輻射模，從而引起損耗。6.2.1.內(nèi)調(diào)制型光纖傳感器光纖微彎壓力傳感器原理圖

光纖的微彎變型函數(shù)：式中：D(t)為為外界信號(hào)導(dǎo)致的彎曲幅度；z為變形點(diǎn)到光纖入射端的距離；f為與波紋周期間隔Λ對(duì)應(yīng)的空間頻率。

微彎損耗系數(shù)α的一階近似表達(dá)式式中：K為比例系數(shù)；L為光纖產(chǎn)生微彎變形部位的長度；Δβ為光纖中光波傳播常數(shù)差。⑴α與光纖波狀彎曲幅度D(t)的平方成正比，即光纖微彎幅度越大，模式耦合越嚴(yán)重，光能輻射越強(qiáng)，損耗越大。⑵α與光纖微彎部位長度L成正比，發(fā)生微彎的部位越長，耦合越嚴(yán)重，但不如微彎幅度影響顯著。⑶α隨光纖微彎周期(或空間頻率)而變化，當(dāng)f=Δβ時(shí)產(chǎn)生諧振，微彎損耗最大，即調(diào)制最靈敏。相位匹配條件為：光纖的最佳微彎周期為：⑴對(duì)于階躍折射率分布光纖，g=∞，有

⑵對(duì)于漸變折射率分布光纖，g=2，有：6.2.2外調(diào)制型光纖傳感器反射式強(qiáng)度調(diào)制透射式強(qiáng)度調(diào)制折射率強(qiáng)度調(diào)制光吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制一、反射式強(qiáng)度調(diào)制反射式強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的特點(diǎn)：⑴結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用范圍廣。⑵RIM-FOS光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)不但與光纖到反射面的距離、反射面的斜度有關(guān)，而且與光纖的數(shù)值孔徑(NA)、芯徑、光纖的數(shù)目及端面排列方式等密切相關(guān)，其光強(qiáng)調(diào)制特性的數(shù)學(xué)建模比較復(fù)雜。⑶抗干擾能力差。環(huán)境光干擾、光源的功率波動(dòng)、光纖的特性變化、被測(cè)面的反射率變化等是影響傳感器精度和穩(wěn)定性的主要因素。雙光路強(qiáng)度檢測(cè)系統(tǒng)二、透射式強(qiáng)度調(diào)制⑴動(dòng)光纖式光強(qiáng)度調(diào)制結(jié)構(gòu)⑵遮光屏截?cái)喙饴贩āＨ?、折射率?qiáng)度調(diào)制利用光纖折射率的變化引起傳輸波損耗變化；利用折射率的變化引起漸逝波耦合度變化；利用折射率變化引起光纖光強(qiáng)反射系數(shù)改變。

1.光纖折射率變化型2.漸逝場(chǎng)型光在某一界面發(fā)生全反射時(shí)，在光疏介質(zhì)中仍存在電磁場(chǎng)，其強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律迅速衰減，透射深度一般約為幾個(gè)波長，這種現(xiàn)象稱為漸逝場(chǎng)。⑴受抑全反射光纖傳感器⑵衰減全反射光纖傳感器⑶功能型漸逝場(chǎng)光纖傳感器3.反射系數(shù)型當(dāng)被測(cè)量引起介質(zhì)折射率發(fā)生化時(shí)，光纖或其它光學(xué)元件(如棱鏡)的反射端面的反射系數(shù)隨被測(cè)參數(shù)而變化，反射光強(qiáng)發(fā)生相應(yīng)變化。四、光吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制1.利用光纖的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制2.利用半導(dǎo)體的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制6.2.3強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的信號(hào)檢測(cè)微彎傳感器的系統(tǒng)構(gòu)成(亮場(chǎng))微彎傳感器的系統(tǒng)構(gòu)成(暗場(chǎng))應(yīng)用一：微彎光纖高壓傳感器

微彎傳感器陣列(暗場(chǎng))6.3相位調(diào)制型光纖傳感器應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)溫度應(yīng)變效應(yīng)Sagnac效應(yīng)等1.應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)6.3.2光纖相位調(diào)制機(jī)理1.應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)

式中：對(duì)于石英材料制成的，可視為均勻、各向同性的介質(zhì)。3個(gè)基本軸方向的折射率ni

都可近似為n有：

⑴縱向應(yīng)變引起的相位變化⑵徑向應(yīng)變引起的相位變化⑶彈光效應(yīng)引起的相位變化⑷一般形式的相位變化對(duì)于單模光纖，m=1；單模石英光纖由泊松效應(yīng)引起的相位變化約為總量的0.026%

其中：2.溫度效應(yīng)3.薩古納克（Sagnac）效應(yīng)

⑴環(huán)形光路的情況根據(jù)相對(duì)論式中：C為真空中的光速；V為介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度相位調(diào)制方法6.3.2基于光纖相位調(diào)制的干涉測(cè)量光纖邁克爾遜干涉儀馬赫—澤德干涉儀薩古納克干涉儀法布里—泊羅干涉儀應(yīng)用一（相位調(diào)制）、光纖陀螺

應(yīng)用二：溫度檢測(cè)應(yīng)用：熒光光纖溫度傳感器

應(yīng)用三、懸臂梁測(cè)試裝置

6.4偏振調(diào)制型光纖傳感器

⑴法拉第效應(yīng)原理

直線方向輻射的極化光射入置于磁場(chǎng)中的光敏感器，此磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H的方向與極化光相并行。當(dāng)極化光在光敏感器行徑一段距離L后到達(dá)光敏感器出口時(shí)，會(huì)偏轉(zhuǎn)一角度。此偏轉(zhuǎn)角的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度H成正比

應(yīng)用：光纖電流傳感器

利用電磁感應(yīng)原理測(cè)量電流構(gòu)成：包括高壓側(cè)部分，光纖傳輸部分和低壓側(cè)部分

利用磁致伸縮效應(yīng)測(cè)量電流原理：利用法拉第效應(yīng)（FaradayEffect）測(cè)量電流ABB公司：光纖電流傳感器測(cè)量高達(dá)500KA電流，精度為±0.1%⑵基于泡克耳斯效應(yīng)的偏振調(diào)制光纖傳感器

系統(tǒng)圖

6.5光纖傳感器的應(yīng)用一、分布式光纖傳感技術(shù)利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦?，可沿光纖長度方向連續(xù)的傳感被測(cè)量（如溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變等）光纖既是傳感介質(zhì)，又是被測(cè)量的傳輸介質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)：可在很大的空間范圍內(nèi)連續(xù)的進(jìn)行傳感，是其突出優(yōu)點(diǎn)。傳感和傳光為同一根光纖，傳感部分結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。與點(diǎn)式傳感器相比，單位長度內(nèi)信息獲取成本大大降低，性價(jià)比高。分布式光纖傳感器的特征參量空間分辨率指分布式光纖傳感器對(duì)沿光纖長度分布的被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量時(shí)所能分辨的最小空間距離。時(shí)間分辨率指分布式光纖傳感器對(duì)被測(cè)量監(jiān)測(cè)時(shí)，達(dá)到被測(cè)量的分辨率所需的時(shí)間。被測(cè)量分辨率指分布式光纖傳感器對(duì)被測(cè)量能正確測(cè)量的程度。以上三個(gè)分辨率之間有相互制約的關(guān)系。102典型的分布式光纖傳感器⑴相位調(diào)制型傳感器Mach-Zehnder干涉式傳感器Sagnac干涉式傳感器⑵散射型傳感器布里淵散射型光纖傳感器拉曼散射型光纖傳感器103(1)M-Z干涉型光纖傳感器用作分布式振動(dòng)傳感隨機(jī)干擾干涉臂相位的隨機(jī)變化干涉儀輸出功率的隨機(jī)變化以M-Z干涉儀作為周界監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，入侵事件出現(xiàn)將導(dǎo)致接收信號(hào)功率的變化105M-Z干涉型光纖傳感器的信號(hào)處理信號(hào)處理的目標(biāo)——1).對(duì)干擾事件進(jìn)行定性通過解調(diào)獲得干擾臂的相位變化，進(jìn)而根據(jù)相位變化情況分析干擾產(chǎn)生原因。107利用3*3耦合器解調(diào)原理圖通過順時(shí)針和逆時(shí)針傳輸?shù)南辔皇芨蓴_光信號(hào)到達(dá)A點(diǎn)和B點(diǎn)的時(shí)延差可計(jì)算出產(chǎn)生干擾的位置。A點(diǎn)和B點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)M-Z干涉儀兩個(gè)耦合器的位置。P點(diǎn)是干擾發(fā)生的位置使用時(shí)使干涉儀兩臂中同時(shí)存在順時(shí)針和逆時(shí)針傳輸?shù)墓?08信號(hào)處理的目標(biāo)——2).對(duì)干擾事件進(jìn)行定位（適用于周界監(jiān)控及管道監(jiān)控等應(yīng)用）耦合器C2和C3構(gòu)成M-Z干涉儀在計(jì)算機(jī)中對(duì)PD1和PD2接收到的光信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，就可以獲得干擾出現(xiàn)的時(shí)延差，繼而實(shí)現(xiàn)干擾定位利用M-Z干涉儀進(jìn)行分布式傳感的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖109(2)光纖SAGNAC干涉型分布式傳感器激光器發(fā)出的光經(jīng)耦合器分為兩束分別耦合進(jìn)由同一光纖構(gòu)成的光纖環(huán)中，沿相反方向傳輸，并于耦合器處再次發(fā)生干涉。當(dāng)傳感光纖沒有受到干擾時(shí)，干涉現(xiàn)象趨于穩(wěn)定；受到外界干擾時(shí)，正反向兩光束會(huì)產(chǎn)生不同的相移，并于耦合器處發(fā)生干涉，干涉信號(hào)的光強(qiáng)與干擾發(fā)生位置具有一定關(guān)系。R1R2

Sagnac干涉儀的另一個(gè)典型應(yīng)用是光纖陀螺，即當(dāng)環(huán)形光路有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，順逆時(shí)針的光會(huì)有非互易性的光程差，可用于轉(zhuǎn)動(dòng)傳感111光纖SAGNAC干涉型分布式傳感器定位原理當(dāng)干擾源信號(hào)是正弦信號(hào)（或形如正弦信號(hào)）時(shí)，接收信號(hào)的功率幅值為零點(diǎn)頻率發(fā)生在

干擾源位置R1與第N個(gè)零頻之間的關(guān)系為通過分析接收光信號(hào)的零頻點(diǎn)位置即可獲得干擾源的位置（上）有干擾時(shí)光強(qiáng)信號(hào)的理論計(jì)算值（下）實(shí)驗(yàn)值113BOTDR——定位原理對(duì)一定頻譜范圍連續(xù)不斷的進(jìn)行循環(huán)掃描，獲得各個(gè)時(shí)間段上的光譜，并將時(shí)間與位置相對(duì)應(yīng)，即可獲得沿光纖各位置處的布里淵頻譜圖，并獲得異常的布里淵頻移量和散射光功率。114BOTDR——優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1.連續(xù)分布式測(cè)量溫度和應(yīng)變

2.高溫度和應(yīng)變分辨率

4.高空間分辨率

5.超長傳感范圍(超過80公里)

6.同一根光纖既可用于傳感，也可用于通信缺點(diǎn)：需要激光器的輸出穩(wěn)定、線寬窄，對(duì)光源和控制系統(tǒng)的要求很高；由于自發(fā)布里淵散射相當(dāng)微弱（比瑞利散射約小兩個(gè)數(shù)量級(jí)），檢測(cè)比較困難，要求信號(hào)處理系統(tǒng)具有較高的信噪比;由于在檢測(cè)過程中需進(jìn)行大量的信號(hào)加法平均、頻率的掃描等處理,因而實(shí)現(xiàn)一次完整的測(cè)量需較長的時(shí)間,實(shí)時(shí)性不夠好。115檢測(cè)30km光纖沿線的應(yīng)變，空間分辨力可達(dá)1m。應(yīng)變精度:20μe(0.002%)溫度精度:1°C取樣時(shí)間:20s至5min(典型值：2min)116（3）ROTDR——光時(shí)域拉曼散射光纖傳感器拉曼散射產(chǎn)生機(jī)理：在任何分子介質(zhì)中，光通過介質(zhì)時(shí)由于入射光與分子運(yùn)動(dòng)相互作用會(huì)引起的頻率發(fā)生變化的散射，此過程為拉曼散射量子力學(xué)描述：分子吸收頻率為V0的光子，發(fā)射V0-Vi的光子，同時(shí)分子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)（對(duì)應(yīng)斯托克斯光）；分子吸收頻率為V0的光子，發(fā)射V0+Vi的光子，同時(shí)分子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)（反斯托克斯光）。118ROTDR——傳感原理拉曼散射由分子熱運(yùn)動(dòng)引起，所以拉曼散射光可以攜帶散射點(diǎn)的溫度信息。反斯托克斯光的幅度強(qiáng)烈依賴于溫度，而斯托克斯光則不是。則通過測(cè)量斯托克斯光與反斯托克斯光的功率比，可以探測(cè)到溫度的變化。由于自發(fā)拉曼散射光一般很弱，比自發(fā)布里淵散射光還弱10dB，所以必須采用高輸入功率，且需對(duì)探測(cè)到的后向散射光信號(hào)取較長時(shí)間內(nèi)的平均值。此方法上世紀(jì)80年代就已被提出，并商用化。119ROTDR——傳感原理基于自發(fā)拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器原理光纖中自發(fā)拉曼散射的反斯托克斯光與溫度緊密相關(guān)。常溫下(T=300K)其溫敏系數(shù)為8‰/℃。采用反斯托克斯與斯托克斯比值的分布式光纖溫度測(cè)量，其結(jié)果消除了光源波動(dòng)、光纖彎曲等因素的影響，只與沿