第九章 第2節(jié) 光纖傳感原理與技術(shù)

1、第九章新型敏感材料及器件第2節(jié) 光纖傳感原理與技術(shù)1、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)1.1 反射式強(qiáng)度調(diào)制反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感原理與技術(shù)1、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)1.2 透射式強(qiáng)度調(diào)制透射式強(qiáng)度調(diào)制位移x （D為芯徑）-0.9D-0.5D00.5D0.9D0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0輸出光強(qiáng)相對(duì)變化值發(fā)射光纖接收光纖可移動(dòng)遮光鏡圖46 帶有遮光屏和透鏡的透射式光強(qiáng)調(diào)制結(jié)構(gòu)發(fā)射光纖接收光纖可移動(dòng)遮光鏡圖47 帶有遮光屏的透射式光強(qiáng)調(diào)制結(jié)構(gòu)光纖傳感原理與技術(shù)1、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)1.3

2、 光模式強(qiáng)度調(diào)制光模式強(qiáng)度調(diào)制多模光纖光輸入光輸出變形器L 光纖由變形器引起微彎變形時(shí)，有些導(dǎo)波模變成了輻射模，纖芯中的光有一部分逸出到包層，從而引起損耗。若采取適當(dāng)?shù)姆绞教綔y(cè)光強(qiáng)的變化，則可知道位移變化量，據(jù)此可以制作出溫度、振動(dòng)、位移、應(yīng)變等光纖傳感器。 光纖傳感原理與技術(shù)1、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)1.4 折射率強(qiáng)度調(diào)制折射率強(qiáng)度調(diào)制（1）光纖折射率變化型）光纖折射率變化型 1n一般光纖的纖芯和包層的折射率溫度系數(shù)不同。在溫度恒定時(shí)，包層折射率與纖芯折射率之間的差值是恒定的。當(dāng)溫度變化時(shí)，兩者之間的差發(fā)生變化。選擇具有不同折射率溫度系數(shù)的材料做纖芯和包層，如圖所

3、示。2n包層折射率纖芯折射率光纖傳感原理與技術(shù)1、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)1.4 折射率強(qiáng)度調(diào)制折射率強(qiáng)度調(diào)制（2）倏逝場(chǎng)）倏逝場(chǎng) 當(dāng)光在一界面產(chǎn)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(zhǎng)，因此被稱為倏逝場(chǎng)。倏逝場(chǎng)型光纖傳感器也可分為功能型和非功能型兩類。非功能型一般使用棱鏡作為傳感元件。 這種傳感原理可以用于納米級(jí)別的位移測(cè)量和光譜分析，以及高靈敏度的水聲或液位傳感器等。 光纖傳感原理與技術(shù)1、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)1.5 光吸收強(qiáng)度調(diào)制光吸收強(qiáng)度調(diào)制圖416 光吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制輻射量傳感器射

4、線輻射會(huì)使光纖材料的吸收損耗增加，使光纖的輸出功率降低，從而構(gòu)成強(qiáng)度調(diào)制輻射量傳感器。 Fiber Fiber Porcelain bushingGasket cementCeramic pinGaAs圖3 光纖傳感器傳感探頭具體的結(jié)構(gòu)形式Fig.3 Diagram of the fiber-optic temperature sensor probeProtective bushing光纖傳感原理與技術(shù)2、相位調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、相位調(diào)制型光纖傳感器技術(shù) 相位調(diào)制型光纖傳感器的基本傳感機(jī)理是：通過(guò)被測(cè)能量場(chǎng)的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再利用干涉測(cè)量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，

5、從而檢測(cè)出待測(cè)的物理量。 光纖中光波的相位，一方面由光纖的物理長(zhǎng)度、折射率及其分布、波導(dǎo)橫向幾何尺寸所決定。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等外界物理量能直接改變上述三個(gè)波導(dǎo)參數(shù)，從而產(chǎn)生相位變化，實(shí)現(xiàn)光波的相位調(diào)制。另一方面也可以由Sagnac效應(yīng)產(chǎn)生。 光纖傳感原理與技術(shù)2、相位調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、相位調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)2.1 光纖相位調(diào)制的普通干涉測(cè)量光纖相位調(diào)制的普通干涉測(cè)量 （1）光相干條件）光相干條件兩列光波疊加在一起能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，但并非任意兩列光波相遇都能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 必要條件：頻率相同的兩光波在相遇點(diǎn)有相同的振動(dòng)方向和固定的相位差。 補(bǔ)充條件：A-兩光波在相遇點(diǎn)所產(chǎn)生的振動(dòng)的

6、振幅相差不懸殊。 B-兩束光波在相遇點(diǎn)的光程差不能太大。 光纖傳感原理與技術(shù)2.2 四種常見(jiàn)的光纖干涉儀四種常見(jiàn)的光纖干涉儀（1）邁克爾遜）邁克爾遜(Michelson)光纖干涉儀光纖干涉儀(Fiber Interferometer)LD光探測(cè)器可移動(dòng)反射鏡固定反射鏡分光鏡光探測(cè)器LD固定反射鏡可動(dòng)端S(t)3dB光纖干涉儀與普通的光學(xué)干涉儀相比，優(yōu)點(diǎn)在于：（1）容易準(zhǔn)直；（2）可以通過(guò)增加光纖長(zhǎng)度來(lái)增加光程，以提高干涉儀的靈敏度；（3）封閉式的光路，不受外界干擾；（4）測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍大。 02kL光纖傳感原理與技術(shù)2.2 四種常見(jiàn)的光纖干涉儀四種常見(jiàn)的光纖干涉儀（2）馬赫）馬赫 曾德曾德(M

7、ach Zehnder)光纖干涉儀光纖干涉儀(Fiber Interferometer) 光纖干涉儀與普通的光學(xué)干涉儀相比，優(yōu)點(diǎn)在于：（1）容易準(zhǔn)直；（2）可以通過(guò)增加光纖長(zhǎng)度來(lái)增加光程，以提高干涉儀的靈敏度；（3）封閉式的光路，不受外界干擾；（4）測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍大。 LD光探測(cè)器可移動(dòng)反射鏡固定反射鏡分光鏡1分光鏡2圖420馬赫曾德干涉儀原理圖LDS(t)信號(hào)處理PD1PD2DC1DC2光纖傳感原理與技術(shù)2.2 四種常見(jiàn)的光纖干涉儀四種常見(jiàn)的光纖干涉儀（3）薩格納克）薩格納克(Sagnac)光纖干涉儀光纖干涉儀(Fiber Interferometer) 21光纖陀螺儀光纖陀螺儀是近20年來(lái)

8、發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)，除了在航空航天技術(shù)中用于導(dǎo)航、制導(dǎo)、定位外，也可用于石油鉆井中跟蹤鉆頭位置、機(jī)器人控制、汽車以及在其他測(cè)量角度的系統(tǒng)中應(yīng)用。與傳統(tǒng)的機(jī)電陀螺相比，光纖陀螺具有啟動(dòng)快、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此它更具有競(jìng)爭(zhēng)力。 08 Ac光纖傳感原理與技術(shù)2.2 四種常見(jiàn)的光纖干涉儀四種常見(jiàn)的光纖干涉儀（4）法布里）法布里 珀羅（珀羅（Fabry Perot）光纖干涉儀）光纖干涉儀 (c)光纖傳感原理與技術(shù)3、偏振調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、偏振調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)當(dāng)線偏振光沿磁場(chǎng)方向通過(guò)置于磁場(chǎng)中的磁光介質(zhì)時(shí)，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。如圖312所示，假設(shè)有一圓柱

9、形磁光介質(zhì)，沿著軸線方向外加一穩(wěn)恒磁場(chǎng)H。在這種情況下，將發(fā)生法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，光波的偏振面繞傳輸軸連續(xù)右旋（相對(duì)于H 而言），直至磁光介質(zhì)的終端，偏振面右旋了某一角度VHL，比例系數(shù)V 叫做維爾德（Verdet）系數(shù)。IrVLsin12103.1 基于磁光效應(yīng)的偏振調(diào)制型光纖傳感器基于磁光效應(yīng)的偏振調(diào)制型光纖傳感器光纖傳感原理與技術(shù)3、偏振調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、偏振調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)3.1 基于彈光效應(yīng)的偏振調(diào)制型光纖傳感器基于彈光效應(yīng)的偏振調(diào)制型光纖傳感器光纖傳感原理與技術(shù)4、波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)4.1 光纖熒光探測(cè)技術(shù)光纖熒光探測(cè)技術(shù)-光纖熒光溫度計(jì)光纖熒光

10、溫度計(jì) 熒光測(cè)溫法的工作機(jī)理建立在光致發(fā)光這一基本物理現(xiàn)象上。當(dāng)某些熒光材料受到紫外光激發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)出熒光，其熒光強(qiáng)度與熒光材料所處的溫度環(huán)境及激發(fā)光強(qiáng)度有關(guān)。 系統(tǒng)采用稀土 材料作為熒光傳感材料，其激勵(lì)光譜和熒光光譜如圖所示，在波長(zhǎng)為365nm的紫外光激發(fā)下，發(fā)出的熒光峰值有兩個(gè)，分別在540nm和630nm附近。測(cè)量源于不同激發(fā)態(tài)的兩條譜線（540 nm和630nm）的發(fā)光強(qiáng)度，就可以從光強(qiáng)比導(dǎo)出被測(cè)溫度。22:vY O S E光纖傳感原理與技術(shù)4、波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)4.2 光纖黑體輻射探測(cè)技術(shù)光纖黑體輻射探測(cè)技術(shù)-黑體輻射式光纖溫度計(jì)黑體輻射式光纖溫度計(jì) 黑體

11、是指能完全吸收入射輻射，并具有最大發(fā)射率的物體。絕對(duì)黑體是不存在的，所有的物質(zhì)受熱時(shí)均發(fā)出一定量的熱輻射，這種熱輻射的量取決于該物質(zhì)的溫度及其材料的輻射系數(shù)。對(duì)于理想黑體，輻射源發(fā)射的光譜能量可用普朗克(Planck)公式表述如下： 2/5101( , )(1)CTETCe普朗克公式闡明了黑體光譜輻射通量密度與溫度及波長(zhǎng)三者之間的關(guān)系。對(duì)于高溫物體，往往是通過(guò)測(cè)量物體的熱輻射能量來(lái)確定其表面溫度的，即非接觸式測(cè)溫技術(shù)。 光纖傳感原理與技術(shù)4、波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)4.2 光纖黑體輻射探測(cè)技術(shù)光纖黑體輻射探測(cè)技術(shù)-黑體輻射式光纖溫度計(jì)黑體輻射式光纖溫度計(jì) 藍(lán)寶石為人工

12、生長(zhǎng)的氧化鋁，其熱穩(wěn)定性好，強(qiáng)度高，本質(zhì)絕緣，耐腐蝕，熔點(diǎn)很高，可達(dá)2045攝氏度，對(duì)0.146.5微米波長(zhǎng)范圍的光有良好的透光性，可與探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍匹配，是一種優(yōu)良的近紅外耐高溫光學(xué)材料。藍(lán)寶石單晶光纖的一端涂覆高發(fā)射率的感溫介質(zhì)陶瓷薄層，并經(jīng)高溫?zé)Y(jié)形成微型光纖感溫腔。 藍(lán)寶石高溫光纖傳感器的測(cè)溫范圍為6001800，在800以上時(shí)，靈敏度優(yōu)于1，在1000以上時(shí)，分辨率優(yōu)于0.1，具有高溫優(yōu)越性。 光纖傳感原理與技術(shù)1、光纖光柵溫度傳感技術(shù)、光纖光柵溫度傳感技術(shù)neffg2入射透射反射1530153215341536153815400.00.20.40.60.81.0反射率 / d

13、B波長(zhǎng) / nm 1535.050nm，25C1535.150nm，35C圖110 光纖光柵中心波長(zhǎng)隨溫度變化情況TssggeffsnTs1T光纖傳感原理與技術(shù)2、裸光纖光柵溫度傳感技術(shù)、裸光纖光柵溫度傳感技術(shù)圖51 裸光纖布喇格光柵溫度測(cè)量原理圖圖52 裸光纖布喇格光柵溫度測(cè)量結(jié)果（B=1550.190nm，T=2549）靈敏度是11.46pm/ 實(shí)驗(yàn)室OSA分辨力0.01nm。 測(cè)量靈敏度低！光纖傳感原理與技術(shù)3、聚合物封裝光纖光柵溫度傳感技術(shù)、聚合物封裝光纖光柵溫度傳感技術(shù)將光纖光柵粘貼于溫度靈敏度比較高的基底材料上 90.74pm/ 99.06pm/ 聚四氟乙烯本身的溫度使用范圍為：2

14、00260 光纖傳感原理與技術(shù)4、套管結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度傳感技術(shù)、套管結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度傳感技術(shù)在16到20之間的溫度靈敏度是8.8nm/ 光纖傳感原理與技術(shù)5、具有金屬結(jié)構(gòu)的光纖光柵高溫傳感技術(shù)、具有金屬結(jié)構(gòu)的光纖光柵高溫傳感技術(shù)圖514 雙金屬結(jié)構(gòu)的光纖光柵高溫傳感器該傳感器有一個(gè)光纖布喇格光柵FBG和兩個(gè)不同長(zhǎng)度（分別用L1和L2表示）并且具有不同熱致伸縮效應(yīng)（分別用1和2表示）的金屬條。兩個(gè)金屬條各自的一端都固定到一個(gè)絕熱的板上，而另一端則要分別與一個(gè)絕熱條緊固連接，如圖中金屬條左端所示。對(duì)FBG施加一定的預(yù)應(yīng)力并在這時(shí)將其粘到兩個(gè)絕熱條表面，即圖中的點(diǎn)A和點(diǎn)B。在FBG上套上絕熱套筒，圖

15、中用點(diǎn)劃線表示，其作用是隔絕FBG，使其不受室溫影響和避免絕熱板的輻射影響。兩個(gè)金屬條上也附有絕熱套筒是為了保證其不進(jìn)行橫向的熱輻射，而只進(jìn)行縱向的熱傳導(dǎo)。 光纖傳感原理與技術(shù)6、光纖光柵壓力傳感技術(shù)、光纖光柵壓力傳感技術(shù)2122KKEPcc2122KKEPDDcPcEK為被測(cè)壓力，為圓筒材料的楊氏彈性模量，為圓筒外徑與內(nèi)徑之比，圓筒材料的泊松比。 光纖傳感原理與技術(shù)6、光纖光柵壓力傳感技術(shù)、光纖光柵壓力傳感技術(shù)hLxLx36yxJELF33LhxLbhbJy1212303)(41)2(30422aLhbELFKEKDPxc12662323KLEaLhDKPhLxLcx100020406080Pressure / MPa00.20.40.60.81.0W avelength shift / nm* DM RT SM 30 SM 10Fig. 7 Relations of fiber Bragg fiber wavelength shift vs. measured pressure光纖傳感原理與技術(shù)7、光纖光柵多參數(shù)傳感實(shí)驗(yàn)儀、光纖光柵多參數(shù)傳感實(shí)驗(yàn)儀29 121317141624 25 28 23 11182126 27