光纤传感器教学.pptx

1各种装饰性光导纤维各种装饰性光导纤维 2发光二极发光二极管产生多管产生多种颜色的种颜色的光线，通光线，通过光导纤过光导纤维传导到维传导到东方明珠东方明珠球体的表球体的表面。在计面。在计算机控制算机控制下，可产下，可产生动态图生动态图案。案。上海东方明上海东方明珠珠3一、光导纤维导光的基本原理一、光导纤维导光的基本原理 光光是是一一种种电电磁磁波波,一一般般采采用用波波动动理理论论来来分分析析导导光光的的基基本本原原理理，然然而而根根据据光光学学理理论论指指出出：在在尺尺寸寸远远大大于于波波长长而而折折射射率率变变化化缓缓慢慢的的空空间间,可可以以用用“光光线线”即即几几何何光光学学的的方方法法来来分分析析光光波波的的传传播播现现象象,这这对对于于光光纤纤中中的的多多模模光光纤纤是是完完全适用的。为此全适用的。为此,采用几何光学的方法来分析。采用几何光学的方法来分析。1 1、斯乃尔定理、斯乃尔定理（Snells LawSnells Law）当光由当光由光密物质光密物质(折射率大折射率大)入射至入射至光疏物质光疏物质时发生折射，时发生折射，其折射角大于入射角，即其折射角大于入射角，即n n1 1n n2 2时，时，r ri i。n1n2ri光的折射示意图 可可见见，入入射射角角i增增大大时时，折折射射角角r也随之增大，且始终也随之增大，且始终ri。n1、n2、r、i之间的数学关系为之间的数学关系为 n1sini=n2sinr4当当ii0并继续增大时，并继续增大时，r90，这时便发生全反射，这时便发生全反射现象，其出射光不再折射而全部反射回来。现象，其出射光不再折射而全部反射回来。式中：式中：i0临界角临界角i0=arcsin(n2/n1)sini0=n2/n1sinrsin901n1n2ri 光全反射示意图n1n2ri 临界状态示意图 当当r=90时时，i仍仍90，此此时时，出出射射光光线线沿沿界界面面传传播播，称称为为临临界界状态。状态。这时有这时有52 2、光纤结构、光纤结构光光纤纤呈呈圆圆柱柱形形，它它由由玻玻璃璃纤纤维维芯芯(纤纤芯芯)和和玻玻璃璃包包皮皮(包包层层)两个同心圆柱的双层结构以及护套组成。两个同心圆柱的双层结构以及护套组成。纤纤芯芯位位于于光光纤纤的的中中心心部部位位，光光主主要要在在这这里里传传输输。纤纤心心折折射射率率n1比比包包层层折折射射率率n2稍稍大大些些两两层层之之间间形形成成良良好好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。的光学界面，光线在这个界面上反射传播。n1n26光的全反射实验光的全反射实验 73 3、光纤导光原理及数值孔径、光纤导光原理及数值孔径NANA入入射射光光线线AB与与纤纤维维轴轴线线OO相相交交角角为为i，入入射射后后折折射射(折折射射角角为为j)至至纤纤芯芯与与包包层层界界面面C点点，与与C点点界界面面法法线线DE成成k角，并由界面折射至包层，角，并由界面折射至包层，CK与与DE夹角为夹角为r。则。则n0sini=n1sinjn1sink=n2sinrsini=(n1/n0)sinjsink=(n2/n1)sinr因因j=90k所以所以jikrABCDEFGKOOn0n2n1光纤导光示意图光纤导光示意图n0为入射光线为入射光线AB所在所在空间的折射率，一般为空间的折射率，一般为空气，故空气，故n01，nl为为纤芯折射率，纤芯折射率，n2为包层为包层折射率。当折射率。当n0=1时时8上上式式sini0为为“数数值值孔孔径径”NA(NumericalAperture)。由于由于n1与与n2相差较小，即相差较小，即n1+n22n1,故又可因式分解为故又可因式分解为=(n1-n2)/n1称为相对折射率差称为相对折射率差当当r=90的临界状态时，的临界状态时，i=i0当当rNA，iarcsinNA，光线消失。，光线消失。结结论论：arcsinNA是是一一临临界界角角,凡凡入入射射角角iarcsinNA的的光光线线进进入入光光纤纤都都不不能能传传播播而而在在包包层层消消失失；相相反反,只只有有入入射射角角iarcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播的光线才可进入光纤被全反射传播。当当r=90时时当当r90时，光线发生全反射，则时，光线发生全反射，则sini0=NAi0=arcsinNAii0=arcsinNA94 4、光纤的主要参数、光纤的主要参数（1 1）传播损耗）传播损耗光纤纤芯材料和包层物质的吸收、散射、畸变，以及光光纤纤芯材料和包层物质的吸收、散射、畸变，以及光纤弯曲处的辐射损耗等纤弯曲处的辐射损耗等,它表示光强度相对衰减与光纤长它表示光强度相对衰减与光纤长度的关系。度的关系。（2 2）光纤模式）光纤模式是光波沿光纤传播的途径和方式。单模光纤和多模光纤是光波沿光纤传播的途径和方式。单模光纤和多模光纤（3 3）色散）色散表征光纤传输特性的一个重要参数，在光纤通讯中反映表征光纤传输特性的一个重要参数，在光纤通讯中反映传输带宽，影响通讯信息的容量和质量。传输带宽，影响通讯信息的容量和质量。多模色散；多模色散；材料色散和波导结构色散材料色散和波导结构色散。（4 4）光纤强度）光纤强度材料纯度、结构状态、擦伤等有关。材料纯度、结构状态、擦伤等有关。10二、光纤传感器结构原理及分类二、光纤传感器结构原理及分类1 1、光纤传感器结构原理、光纤传感器结构原理以以电电为为基基础础的的传传统统传传感感器器是是一一种种把把测测量量的的状状态态转转变变为为可可测的电信号的装置。见图测的电信号的装置。见图(a)。光光纤纤传传感感器器是是一一种种把把被被测测量量的的状状态态转转变变为为可可测测的的光光信信号号的装置。见图的装置。见图(b)。信号处理信号处理电电源源信号接收信号接收敏感元件敏感元件（a）传统传感器）传统传感器导线导线光纤光纤信号处理信号处理光接收器光接收器敏感元件敏感元件光发送器光发送器（b）光纤传感器）光纤传感器可可见见,光光纤纤传传感感器器与与以以电电为为基基础础的的传传统统传传感感器器相相比比较较，在在测测量量原原理理上上有有本本质质的的差差别别。传传统统传传感感器器是是以以机机电电测测量量为基础，而光纤传感器则以为基础，而光纤传感器则以光学测量光学测量为基础。为基础。11光光是是一一种种电电磁磁波波，其其波波长长从从极极远远红红外外的的lmm到到极极远远紫紫外外线线的的10nm。它它的的物物理理作作用用和和生生物物化化学学作作用用主主要要因因其其中中的的电电场场而而引引起起。因因此此，讨讨论论光光的的敏敏感感测测量量必必须须考考虑虑光光的的电电矢量矢量E的振动，即的振动，即A电场电场E的振幅矢量；的振幅矢量；光波的振动频率；光波的振动频率；光相位；光相位；t光的传播时间。光的传播时间。可可见见，只只要要使使光光的的强强度度、偏偏振振态态(矢矢量量A的的方方向向)、频频率率和和相相位位等等参参量量之之一一随随被被测测量量状状态态的的变变化化而而变变化化，或或受受被被测测量量调调制制，那那么么，通通过过对对光光的的强强度度调调制制、偏偏振振调调制制、频频率率调调制制或或相相位位调调制制等等进进行行解解调调，获获得得所所需需要要的的被被测测量量的的信信息。息。光纤传感器光学测量基本原理光纤传感器光学测量基本原理12传感器传感器光学现象光学现象被测量被测量光纤光纤分类分类干干涉涉型型相位调相位调制光线制光线传感器传感器干涉（磁致伸缩）干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应效应光弹效应光弹效应干涉干涉电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压角速度角速度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移温度温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa非非干干涉涉型型强度调制强度调制光纤温度光纤温度传感器传感器遮光板遮断光路遮光板遮断光路半导体透射率的变化半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射振动膜或液晶的反射气体分子吸收气体分子吸收光纤漏泄膜光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度、振动、压力、加速度、位移温度温度温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移振动、压力、位移气体浓度气体浓度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调偏振调制光纤制光纤温度传温度传感器感器法拉第效应法拉第效应泡克尔斯效应泡克尔斯效应双折射变化双折射变化光弹效应光弹效应电流、磁场电流、磁场电场、电压、电场、电压、温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制频率调制光纤温度光纤温度传感器传感器多普勒效应多普勒效应受激喇曼散射受激喇曼散射光致发光光致发光速度、流速、振动、加速度速度、流速、振动、加速度气体浓度气体浓度温度温度MMMMMMcbb注：注：MM多模；多模；SM单模；单模；PM偏振保持；偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型功能型、非功能型、拾光型 2 2、光纤传感器的分类、光纤传感器的分类13（1 1）按光纤在传感器中的作用）按光纤在传感器中的作用功能型功能型、非功能型非功能型和和拾光型拾光型三类。三类。1 1）功能型（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器FF（FunctionFibreOptilSensor）光光纤纤在在其其中中不不仅仅是是导导光光媒媒质质，而而且且也也是是敏敏感感元元件件，光光在在光光纤纤内内受受被被测测量量调调制制。此此类类传传感感器器的的优优点点是是结结构构紧紧凑凑、灵灵敏敏度度高高。但但是是，它它须须用用特特殊殊光光纤纤和和先先进进的的检检测测技技术术。因因此此，成成本本高高，其其典典型型例例子子如如光光纤纤陀陀螺螺、光光纤纤水听器等。水听器等。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器142 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器）非功能型（或称传光型）光纤传感器NFF（Non-FunctionFibreOptilSensor）光纤仅起导光作用，光照在非光纤型敏感元件上受被测量光纤仅起导光作用，光照在非光纤型敏感元件上受被测量调制。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比调制。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。目前，已实用化或尚在研制中的光纤传求不太高的场合。目前，已实用化或尚在研制中的光纤传感器，大都是非功能型的。感器，大都是非功能型的。信号处理信号处理光受信器光受信器敏感元件敏感元件光发送器光发送器光纤光纤3 3）拾光型光纤传感器）拾光型光纤传感器 用用光光纤纤作作为为探探头头，接接收收由由被被测测对对象象辐辐射射的的光光或或被被其其反反射射、散散射射的的光光。其其典典型型例例子子如如光光纤纤激激光光多多普普勒勒速速度度计计、辐辐射射式式光光纤温度传感器等。纤温度传感器等。信号信号处理处理光受光受信器信器光发送器光发送器光纤光纤耦合器耦合器被测对象被测对象15（2 2）根据光受被测对象的调制形式）根据光受被测对象的调制形式强度调制型、偏振调制、频率调制、强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制相位调制 1 1）强度调制型光纤传感器）强度调制型光纤传感器 是是一一种种利利用用被被测测对对象象的的变变化化引引起起敏敏感感元元件件的的折折射射率率、吸吸收收或或反反射射等等参参数数的的变变化化，而而导导致致光光强强度度变变化化来来实实现现敏敏感感测测量量的的传传感感器器。有有利利用用光光纤纤的的微微弯弯损损耗耗，各各物物质质的的吸吸收收特特性性，振振动动膜膜或或液液晶晶的的反反射射光光强强度度的的变变化化，物物质质因因各各种种粒粒子子射射线线或或化化学学、机机械械的的激激励励而而发发光光的的现现象象，以以及及物物质质的的荧荧光光辐辐射射或或光光路路的的遮遮断断等等来来构构成成压压力力、振振动动、温温度度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点优点：结构简单、容易实现，成本低。：结构简单、容易实现，成本低。缺点缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。16 2 2）偏振调制光纤传感器）偏振调制光纤传感器是是一一种种利利用用光光偏偏振振态态变变化化来来传传递递被被测测对对象象信信息息的的传传感感器器。有有利利用用光光在在磁磁场场中中媒媒质质内内传传播播的的法法拉拉第第效效应应做做成成的的电电流流、磁磁场场传传感感器器，利利用用光光在在电电场场中中的的压压电电晶晶体体内内传传播播的的泡泡克克耳耳斯斯效效应应做做成成的的电电场场、电电压压传传感感器器，利利用用物物质质的的光光弹弹效效应应构构成成的的压压力力、振振动动或或声声传传感感器器，以以及及利利用用光光纤纤的的双双折折射射性性构构成成温温度度、压压力力、振振动动等等传传感感器器。这这类类传传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。3 3）频率调制光纤传感器）频率调制光纤传感器 是一种利用由被测对象引起的光频率的变化来进行是一种利用由被测对象引起的光频率的变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普多普勒效应勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的利用物质受强光照射时的喇曼散射喇曼散射构成的测量气体浓度构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光光致发光的温的温度传感器等。度传感器等。17 4 4）相位调制传感器）相位调制传感器 基基本本原原理理是是利利用用被被测测对对象象对对敏敏感感元元件件的的作作用用，使使敏敏感感元元件件的的折折射射率率或或传传播播常常数数发发生生变变化化，而而导导致致光光的的相相位位变变化化，使使两两束束单单色色光光所所产产生生的的干干涉涉条条纹纹发发生生变变化化，通通过过检检测测干干涉涉条条纹纹的的变变化化量量来来确确定定光光的的相相位位变变化化量量，从从而而得得到到被被测测对对象象的的信信息息。通通常常有有利利用用光光弹弹效效应应的的声声、压压力力或或振振动动传传感感器器；利利用用磁磁致致伸伸缩缩效效应应的的电电流流、磁磁场场传传感感器器；利利用用电电致致伸伸缩缩的的电电场场、电电压压传传感感器器以以及及利利用用光光纤纤赛赛格格纳纳克克（Sagnac）效效应应的的旋旋转转角角速速度度传传感感器器（光光纤纤陀陀螺螺）等等。这这类类传传感感器器的的灵灵敏敏度度很很高高。但但由由于于须须用用特特殊殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。光纤及高精度检测系统，因此成本高。18三、光纤传感器的应用三、光纤传感器的应用 （一）温度的检测（一）温度的检测光纤温度传感器有功能型和传光型两种。光纤温度传感器有功能型和传光型两种。1 1、遮光式光纤温度计、遮光式光纤温度计 下图为一种简单利用水银柱升降温度的光纤温度开下图为一种简单利用水银柱升降温度的光纤温度开关。用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。关。用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。1234水银柱式光纤温度开关1 浸液 2 自聚焦透镜 3 光纤 4 水银19 下下图图为为利利用用双双金金属属热热变变形形的的遮遮光光式式光光纤纤温温度度计计。当当温温度度升升高高时时，双双金金属属片片的的变变形形量量增增大大，带带动动遮遮光光板板在在垂垂直直方方向向产产生生位位移移从从而而使使输输出出光光强强发发生生变变化化。这这种种形形式式的的光光纤纤温温度度计计能能测测量量1050的的温温度度。检检测测精精度度约约为为0.5。它它的的缺缺点点是是输输出出光光强强受受壳壳体体振振动动的的影影响响，且且响响应应时间较长，一般需几分钟。时间较长，一般需几分钟。光源接收热双金属式光纤温度开关121 遮光板 2 双金属片20 2 2、透射型半导体光纤温度传感器、透射型半导体光纤温度传感器当当一一束束白白光光经经过过半半导导体体晶晶体体片片时时，低低于于某某个个特特定定波波长长g的的光光将将被被半半导导体体吸吸收收,而而高高于于该该波波长长的的光光将将透透过过半半导导体体。这这是是由由于于半半导导体体的的本本征征吸吸收收引引起起的的,g称称为为半半导导体体的的本本征征吸吸收收波波长长。电电子子从从价价带带激激发发到到导导带带引引起起的的吸吸收收称称为为本本征征吸吸收收。当当一一定定波波长长的的光光照照射射到到半半导导体体上上时时,电电子子吸吸收收光光能能从从价价带带跃跃迁迁入入导导带带,显显然然,要要发发生生本本征征吸吸收收,光光子子能能量必须大于半导体的禁带宽度量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即，即因因c/v，则产生本征吸收条件，则产生本征吸收条件h 普朗克常数；普朗克常数；v 光频率光频率因因此此，对对于于波波长长大大于于g的的光光，能能透透过过半半导导体体，而而波波长长小小于于g的的光光将将被被半半导导体体吸吸收收。不不同同种种类类的的半半导导体体材材料料具具有有不不同同的的本本征征吸吸收收波波长长，图图为为在在室室温温(20)时时,120m厚厚的的GaAs材料的透射率曲线。材料的透射率曲线。21由由图图看看出出，GaAs在在室室温温时时的的 本本 征征 吸吸 收收 波波 长长 约约 为为880nm左左右右，半半导导体体的的吸吸收收光光谱谱与与Eg有有关关，而而半半导导体体材材料料的的Eg随随温温度度的的不不同同而而不不同同，Eg与与温温度度t的的关关系系可表示为可表示为式中：式中：E Eg g（0 0）绝对零度时半导体的禁带宽度；绝对零度时半导体的禁带宽度；经验常数经验常数(eVeVK K)；经验常数经验常数(K)(K)。850800900 950 1000010203040t=20波长/nm砷化镓的光谱透射率曲线砷化镓的光谱透射率曲线透射率(%)对于对于GaAs材料，由实验得到材料，由实验得到=5.810-4eV/K =300K22由由此此可可见见，半半导导体体材材料料的的Eg随随温温度度上上升升而而减减小小，亦亦即即其其本本征征吸吸收收波波长长g随随温温度度上上升升而而增增大大。反反映映在在半半导导体体的的透透光光特特性性上上，即即当当温温度度升升高高时时，其其透透射射率率曲曲线线将将向向长长波波方方向向移移动动。若若采采用用发发射射光光谱谱与与半半导导体体的的g(t)相相匹匹配配的的发发光光二二极极管管作作为为光光源源，如如图图，则则透透射射光光强强度度将将随随着着温温度度的的升高而减小。升高而减小。LED发光光谱半导体透射率T1T20P=0P0(a)传感器结构(b)探头截面结构(c)测量原理PI2I1I02(外圈)1(内圈)I1I0I2I1I0I2I1I0I23(输入)26可可见见，输输出出光光强强比比I2Il与与膜膜片片的的反反射射率率、光光源源强强度度等等因因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。将将上上式式两两边边取取对对数数且且满满足足(Ap)21时时,等等式式右右边边展展开开后后取第一项，得到取第一项，得到这这表表明明待待测测压压力力与与输输出出光光强强比比的的对对数数呈呈线线性性关关系系。因因此此，若若将将I1、I2检检出出后后分分别别经经对对数数放放大大后后，再再通通过过减减法法器器即即可得到线性的输出。可得到线性的输出。若若选选用用的的光光纤纤束束中中每每根根光光纤纤的的芯芯径径为为70m,包包层层厚厚度度为为3.5m,纤纤芯芯和和包包层层折折射射率率分分别别为为1.52和和1.62,则则该该传传感感器器可可获获得得115dB的的动动态态范范围围,线线性性度度为为0.25。采采用用不不同同的尺寸、材料的膜片的尺寸、材料的膜片,即可获得不同的测量范围。即可获得不同的测量范围。两束输出光的光强之比为两束输出光的光强之比为A与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；p待测量压力。待测量压力。272 2、光弹性式光纤压力传感器、光弹性式光纤压力传感器 晶晶体体在在受受压压后后其其折折射射率率发发生生变变化化，呈呈现现双双折折射射的的现现象象称称为为光光弹弹性性效效应应。利利用用光光弹弹性性效效应应测测量量压压力力的的原原理理及及传传感感器器结结构构如如图图。发发自自LED的的入入射射光光经经起起偏偏器器后后成成为为直直线线偏偏振振光光。当当有有与与入入射射光光偏偏振振方方向向呈呈45的的压压力力作作用用于于晶晶体体时时，使使晶晶体体呈呈双双折折射射从从而而使使出出射射光光成成为为椭椭圆圆偏偏振振光光，由由检检偏偏器器检检测测出出与与入入射射光光偏偏振振方方向向相相垂垂直直方方向向上上的的光光强强，即即可可测测出出压压力力的的变变化化。其其中中1/4波波长长板板用用于于提提供供一一偏偏置置，使系统获得最大灵敏度。使系统获得最大灵敏度。(b)传感器结构传感器结构12345P(a)检测原理检测原理1光光源源2、8起起偏偏器器3、91/4波波长长板板4、10光光弹弹性性元元件件5、11检偏器检偏器6光纤光纤7自聚焦透镜自聚焦透镜P6789 1011偏振光偏振光线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光28为为了了提提高高传传感感器器的的精精度度和和稳稳定定性性，下下图图为为另另一一种种检检测测方方法法的的结结构构。输输出出光光用用偏偏振振分分光光镜镜分分别别检检测测出出两两个个相相互互垂垂直直方方向向的的偏偏振振分分量量；并并将将这这两两个个分分量量经经“差差和和”电电路路处处理理，即即可可得得到到与与光光源源强强度度及及光光纤纤损损耗耗无无关关的的输输出出。该该传传感感器器的的测测量量范范围围为为10103 3PaPa10106 6PaPa，精精度度为为11，理理论上分辨力可达论上分辨力可达1.4Pa1.4Pa。这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度。也可用于测量振动、加速度。输出前置放大前置放大I2I1I2+I1驱动123 4 56I1I2PD1PD2光弹性式光纤压力传感器的另一种结构1 光纤 2 起偏器 3 光弹性元件 4 1/4波长板 5 偏振分光镜 6 反射镜 p