1、第9章 光纤传感器及其应用,灵敏度较高； 几何形状具有良好的适应性，可制成任意形状的光纤传感器； 可以传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件； 抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等恶劣环境。 容易实现对被测信号的远距离监控。,优点：,光纤传感器：将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位等）发生变化，再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。,应用：磁、声、压力、温度、加速度、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量 。,一、光导纤维结构和导光原理 光纤的结构如图所示。纤芯,由某种类型的玻璃或塑料制成；
2、包层,由特性与纤芯略有不同的玻璃或塑料制成,9.1 光导纤维基本知识,纤芯：石英玻璃，直径575um，以二氧化硅为主，掺杂微量元素； 包层：直径100200um，也是玻璃，但折射率略低于纤芯； 涂敷层：硅酮，隔离杂光；,在光纤中, 光的传输限制在光纤中, 并随光纤能传送到很远的距离, 光纤的传输是基于光的全内反射。 根据斯涅尔定律,光线在两种不同介质的分界面上会产生折射现象,折射定律为,（a）折射角大于入射角： （b）临界状态： （c）全反射 ：,根据全内反射原理,设计光纤纤芯的折射率n1要大于包层的折射率n2。 掠射角(入射角的余角)c的光线:纤芯折射到包层中,不能传播很远； 掠射角c（临界
3、角）的光线：发生全反射,各种装饰性光导纤维,二、光纤的几个重要参数1.数值孔径(NA)数值孔径是反映纤芯接收光量的多少,标志光纤接收性能的一个重要参数。定义为:光从空气入射到光纤输入端面时,处在某一角锥内的光线一旦进入光纤,就将被截留在纤芯中,此光锥半角()的正弦称为数值孔径。可导出,反映纤芯接收光量的多少，标志光纤的接收性能。 意义：无论光源发射功率有多大，只有入射角处于2c的光椎角内，光纤才能导光。,大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。,如入射角过大， 光线便从包层逸出而产生漏光。 光纤的NA越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，因为大的
4、数值孔径有利于光纤的聚光能力，有利于光源和光纤之间耦合效率的提高。 如石英光纤数值孔径0.2NA0.4。,2. 传播模式,式中,a为纤芯半径,0为入射光在真空中的波长,根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程，考虑到光纤圆柱形波导和纤芯-包层界面处的几何边界条件，则只存在波动方程的特定(离散)解。允许存在的不同的解代表许多离散的沿波导轴传播的波。每一个允许传播的波称为一个模。,实际中常用由麦克斯韦方程导出的归一化频率n作为确定光纤传输模数的参数。n的值可以由纤芯半径r、传输光波波长l及光纤的数值孔径NA确定，即,光纤V值越大,则光纤所能允许传输的模式(不同的离散波)数越多。当V值低于2.404时,只允
5、许一个波或模式在光纤中传输。即圆柱波导的“单模条件”是,在光导纤维中传播模式很多对信息传输是不利的。因为同一光信号采取很多模式传播,就会使这一光信号分为不同时间到达接收端的多个小信号,从而导致合成信号的畸变。,3.传播损耗光在光纤的传播过程中由于材料的吸收、散射和弯曲处的辐射损耗等的影响,不可避免地要有损耗。通常用衰减率A表示传播损耗。,式中,l为光纤长度,I0为输入端光强,I1为输出端光强。,在一根衰减率为10dB/km的光纤中,当光传输1km后,光强将下降到入射光强的1/100,3dB/km衰减率相当于经过1km后,光强减小到入射光强的一半(因为lg0.5=-0.3)。目前传播损耗可达0.
6、16dB/km。,三、 光纤的类型 1.按折射率变化类型分类,光纤的类型（折射率、传输模式） 1）按折射率 a）阶跃型纤芯与包层的折射率是突变的； b）渐变型纤芯中心处折射率最大，由中心向外折射率逐渐变小到包层折射率。,传输模式：光沿光纤传播的途径和方式。 单模光纤指阶跃型光纤中，内芯直径很小，光纤的传播模式很少，原则上只能传递一种模式的光纤。,2. 按传播模式分类,这类光纤传输性能好(常用于干涉型传感器),制成的传感器较多模传感器有更好的线性、更高的灵敏度和动态测量范围。但单模光纤由于纤芯太小、制造、连接和耦合都很困难,多模光纤:通常是指阶跃光纤中纤芯尺寸较大(大部分为几十微米)、传播模式很
7、多的光纤。这类光纤性能较差,带宽较窄,但由于芯子的截面大,容易制造,连接耦合也比较方便。这种光纤常用于强度型传感器。,3.按用途分类普通光纤:是指用于光纤通信的单模和多模光纤。非通信光纤:是指特殊用途的非通信光纤。如低双折射率光纤、高双折射率光纤、涂层光纤、激光光纤和红外光纤等。,4、按材料：,玻璃光纤 塑料光纤,9.2 光纤传感器的工作原理,光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件，直接接收外界的被测量。被测量可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变化，从而使得在光纤内传输的光被调制。,用被测量调制入射光波的某一参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测。,系统组成部件：,光发送器（LED
8、、LD等） 光接收器（PD） 光纤耦合器：分路/合路器件 信号处理系统 光纤,光纤终端盒,尾纤，只有一端有连接头，而另一端是一根光缆纤芯的断头，通过熔接与其他光缆纤芯相连，常出现在光纤终端盒内，用于连接光缆与光纤收发器。,强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长(颜色)调制光纤传感器。 光纤传感器可以探测的物理量很多，已实现的光纤传感器所测量的物理量达70余种。,光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为：,光纤传感器分类：,一、强度调制型光纤传感器,待测物理量引起光纤中的传输光强变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量 。,光源强度为Ii传感头被测
9、信号的作用使强度发生变化(受到了外场的调制) 输出光强I0的包络线与被测信号的形状一样信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号。,1、反射式光纤位移传感器：,光纤分为两部分：输入光纤和输出光纤，亦可称为发送光纤和接收光纤。 这种传感器的调制机理：输入光纤将光源的光射向被测物体表面，再从被测面反射到另一根输出光纤中，其光强的大小随被被测表面与光纤间的距离而变化。,非功能型光纤传感器，光纤本身只起着传光作用,光纤位移传感器的结构和工作原理,当光纤探头端部紧贴被测件时,发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去,接收光纤中无光信号;当被测表面逐渐远离光纤探头时,发射光纤照亮被测表面的面积越来越大,于
10、是相应的发射光锥和接收光锥重合面积B1越来越大,因而接收光纤端面上被照亮的B2区也越来越大,有一个线性增长的输出信号;,结构及原理:,光纤 探头,当整个接收光纤被全部照亮时,输出信号就达到了位移-输出信号曲线上的“光峰点”,光峰点以前的这段曲线叫前坡区;当被测表面继续远离时, 被反射光照亮的B2面积大于C, 部分反射光没有反射进接收光纤, 接收到的光强逐渐减小,光敏输出器的输出信号逐渐减弱,进入曲线的后坡区。,微米级的位移测量,可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量,测量表面状态,发射光纤与接收光纤的分布,光纤探头的端部,发射光纤与接收光纤分布: 随机分布;半球形对开分布;共轴内发
11、射分布;,光纤位移传感器的一个典型范例：发射、接收各300根光纤组成一根0.762mm的光缆。光纤内芯是折射率为1.62的火石玻璃,包层是折射率为1.52的玻璃。光缆的后部被分成两支,一支用于发射光,一支用于接收光。光源是2.5V的白炽灯泡,而接收光信号的敏感元件是光电池。光敏检测器输出与接收到的光强成正比的电信号。对于每0.25m位移产生1V的电压输出,分辨率是0.025m。,2、光纤测压传感器,在光纤位移传感器探头前加上一个膜片构成的。,光源发射光纤膜片位移发生变化反射接收光纤PD,3、微弯光纤传感器(功能型光纤传感器)根据光纤弯曲(微弯)时纤芯中的光注入包层的原理研制成的。这类传感器的敏
12、感元件是由一个能引起光纤产生微弯的变形器。,光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。,压力光纤微弯光的全反射受到一定的破坏光传输损耗,亮视场微弯传感器系统：激光束射入穿过变形器的阶跃折射率多模光纤,作用力借助于变形器调制光强,用光敏元件对到达光纤端部的纤芯光光强进行监测。 模式去除器：吸收可能在光纤包层中传播的光，保证只有纤芯光才能到达变形器中的光纤段；吸收掉因采用变形器而进入包层中的任何纤芯光,使它们不能到达检测器。,不同入射角传输光强与作用在 传感器上力的函数关系,暗视场微弯传感器：与亮视场传感器相似，不同之处在于:它使用从纤芯进入包层的光产生输出信号。,移动光
13、栅光纤传感器水听器,两个光栅发生相对移动时,光的透射强度就随之发生变化,二、相位调制型光纤传感器,原理：通过被测物理场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。,L：光纤长度 n1：纤芯折射率 ：光波波长, ：光波相位的变化量；L：光纤长度变化量 n1：纤芯折射率变化量；L：光纤轴向应变,干涉测量,目前光纤传感器中采用四种不同的干涉测量结构： 迈克尔逊干涉仪: 马赫-泽德干涉仪： 萨格奈克干涉仪： 法布里珀罗干涉仪：,迈克尔逊(Michelson)干涉仪,分束器: 光程差:小于激光器的相干长度, 透射到光检测器的两束光就可能互相发
14、生干涉。每当活动平面镜移动1/2光波长的距离时,检测器的输出就从最大值变到最小值,然后再变回最大值。,用于检测小到10-7m,即0.6310-13 m的位移,马赫泽德(MachZehnder)干涉仪,分束器把激光器的输出光束分成两束。它们经上、下光路的传输之后又重新合路,使它们在光检测器处互相发生干涉。,应用：可用于检测可动平面镜小到10-13 m的位移。,优点：少量或者没有光直接返回激光器,避免反馈光使激光器不稳定和产生噪声。,萨格奈克(Sagnac)干涉仪,如果某块平面镜沿与反射面垂直的方向移动,那么两个光程的长度必然改变同样的数量,故在光检测器上不会检测到干涉过程中的变化。 如果使固定该
15、干涉仪的台子绕着垂直于光束平面的轴作顺时针旋转,则沿顺时针方向传输的光束必须追赶在同一方向运动的终端,而逆时针传输的光束则迎头撞向反方向运动的终端,因此,顺时针方向传输的光束就必然滞后于逆时针方向传输的光束。,顺、反两光束之间的光程差为,式中,A为光路系统围成的面积,c为光速,为光路系统旋转的角速度。若由光检测器测得L,则可得干涉仪的台子相对惯性空间的转动角速度。可见,萨格奈克干涉仪可用作灵敏的旋转检测器。 从原理上讲,它是目前许多惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。,法布里珀罗(FabryPerol)干涉仪,由两块平行的部分透射平面镜组成。假定平面镜反射率为95%,那么在任何
16、情况下,激光器输出光的95%将朝着激光器反射回来,余下的5%的光将透过平面镜而进入干涉仪的谐振腔。,上面介绍的几种干涉仪,是由空气光路和多个光学器件(分束器和平面镜)组合而成的。这些干涉仪型传感器可用于检测位移,还可用于测量应变和应力。 缺点： 改进：单模光纤作为干涉仪的光路,“全光纤”干涉仪结构,“全光纤”干涉仪结构,1、 光纤声传感器,锁相环零差检测马赫泽德干涉仪型声传感器。,LD3dB耦合器干涉仪两臂上3dB耦合器汇合相位调制转换为强度调制。3dB耦合器的两个光输出端口各接有一个光电二极管,将光信号转换为电信号。,差动放大器将两个光电二极管的输出电信号放大,并使共模噪声(如激光振幅的波动
17、)得到抑制。为了消除低频噪声,差动放大器的输出信号经过低通滤波器滤波。积分器输出一信号通过参考臂上的移相器来补偿相位的大幅度漂移,并使零差检测处于正交工作状态。 该系统稍加改进,将干涉仪的两个臂都设计成有一部分光纤对声场敏感,并使这两部分在空间保持一定距离,也可用于测量声场声压梯度(声速)。,光纤声（或其他物理场）传感器的关键是检测臂的传感部分要设计得对待测声场（或其他物理场）敏感,而检测臂的其余部分和参考臂要对声场不敏感。为使检测臂对声场（或其他物理场）敏感要研制对声场敏感的特种光纤或光纤元件。,2、 光纤磁传感器,原理：磁场磁致伸缩效应材料尺寸变化作成光纤磁传感器。 光纤磁传感器主要用于测
18、量非常弱及变化非常缓慢的磁场。,法布里珀罗干涉仪型磁传感器,两段在一端粘有反射镜的镍管由环氧树脂粘结于空心管中。透镜1将光纤发出的光变成平行光,透镜2将腔的透射光耦合进输出光纤,再由电路进行信号检测和处理。,3、 光纤电流传感器,第一种结构：把一段被覆镍的光纤放在受待测电流激励的螺旋管中央。通过测量磁场强度,确定电流的大小。利用这种方法,在1005000Hz的频率范围内,每一米敏感光纤测出最小电流为310-8A。,4、 光纤线性加速度计,干涉仪一条臂中有一段光纤被固定在外壳的上端与悬挂物体之间。而干涉仪另一条臂中一段相同长度的光纤则固定在悬挂物体与外壳的下端之间。如果让加速度计的外壳以加速度a向上运动,那么在加速该物体所需的作用力F的作用下,上面的一段光纤将伸长L,下面的一段光纤则缩短L。检测相差可得加速度。,双光纤线性加速度计,标志孔,电路板标志检测,当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。,光纤 耦合器,传输光纤,出射光纤,5、光纤式光电开关应用,6、光纤式光电开关应用,采用遮断型光纤光电开关对IC 芯片引脚进行检测,7、光纤的医学应用,光纤内窥镜,光学纤维胃镜,
