光纖傳感檢測

1、光纖傳感檢測1第1頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖傳感器始于1977年，目前已進(jìn)入研究與應(yīng)用并重階段。主要優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、可撓性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)不帶電的全光型探頭。頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大。可用很相近的技術(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成傳感不同物理量的傳感器便于與計(jì)算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙測和控制可用高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾、腐蝕等惡劣環(huán)境。結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗能少。2第2頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一一次涂覆層纖芯 包層套層一次涂覆層 包層 纖芯 套層光纖波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)：1、纖芯：石英玻璃，直徑5-75um，

2、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(hù)。4、尼龍或其他有機(jī)材料，提高機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖。7.1 光纖傳感器的基礎(chǔ)3第3頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖的光波導(dǎo)原理n1n2n2n2n1光纖的臨界角對應(yīng)光纖的入射角臨界值為：4第4頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一漸變光纖的導(dǎo)光原理示意圖在漸變光纖中光線傳播的軌跡近似于正弦波。5第5頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一 石英系列光纖（以SiO2為主要材料） 按光纖組成材料劃分 多

3、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(shù)劃分 多模光纖（MMF ）光纖的分類6第6頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖的纖芯折射率剖面分布 2b 2b 2b 2c 2a 2a 2a n n n n1 n1 n1 n2 n2 n2 n3 0 a b r 0 a b r 0 a c b r （a）階躍光纖 （b） 漸變光纖 （c）W型光纖 7第7頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光

4、纖的類型8第8頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一為表示光纖的集光能力大小，定義光纖波導(dǎo)孔徑角的正弦值為光纖的數(shù)值孔徑（NA），即：光纖中的重要參數(shù) 1、數(shù)值孔徑（NA,Numerical Aperture）當(dāng)光線在纖芯與包層界面上發(fā)生全反射時(shí)，相應(yīng)的端面入射角為光纖波導(dǎo)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(gè)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(shù)數(shù)值孔徑的意義？9第9頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一2、光纖中的模式(Fiber Mode) 電磁波的傳播遵從麥克斯韋方程，而

5、在光纖中傳播的電磁場根據(jù)由光纖結(jié)構(gòu)決定的邊界條件，可求得滿足波動(dòng)方程的特定的離散的解，而某一個(gè)解代表許多允許沿光纖波導(dǎo)傳播的波，每個(gè)允許傳播的解稱為光纖的模式，每個(gè)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(biāo)m表示電場沿圓周方向的變化周數(shù)，n表示電場沿徑向方向的變化周數(shù)。（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(dāng)m和n的組合不同，表示的模式也不同。光纖中的重

6、要參數(shù) 10第10頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一3、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(shù)目多少而引入的一個(gè)特征參數(shù)。其定義為：光纖中的重要參數(shù) 其中， r是光纖的纖芯半徑； 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(shù)； 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(dāng)V2.405時(shí)，光纖中只允許一個(gè)模式傳播，即基模。11第11頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一4、傳播常數(shù) 傳播常數(shù)是描述光纖中各模式傳輸特性的 一個(gè)參數(shù)，光纖中各模式的傳輸或截止都可以由該參數(shù)決

7、定。光纖中的重要參數(shù) 當(dāng) k0n2 時(shí)，包層中的電磁場不再衰減，而成為振蕩函數(shù)，這時(shí)傳導(dǎo)模已不能集中于光纖纖芯中傳播，此時(shí)的模式稱為輻射模，即傳導(dǎo)模截止。當(dāng)= k0n2時(shí)，傳導(dǎo)模處于臨界截止?fàn)顟B(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(dǎo)模傳送的。傳導(dǎo)模的傳播常數(shù)是限制在纖芯到包層之間的，即12第12頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一歸一化傳播常數(shù)/k0與歸一化頻率V的關(guān)系曲線13第13頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一模式特性 當(dāng)0V2.405時(shí),光纖中除主模（或基模）HE11 模以外，其余模式均截止，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)單模傳輸。單模傳輸

8、條件多模傳輸?shù)臄?shù)目對于階躍型光纖，光纖中的傳輸模式數(shù)為 對于漸變型光纖，光纖中的傳輸模式數(shù)為14第14頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一截止波長是單模光纖特有的參數(shù)，對應(yīng)于第一高階模的歸一化截止頻率Vc=2.405時(shí)的波長。5、截止波長c15第15頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖的損耗特性損耗的定義當(dāng)光在光纖中傳輸時(shí)，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸減小，這種現(xiàn)象即稱為光纖的損耗。損耗一般用損耗系數(shù)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(zhì)和雜質(zhì)的吸收作用；散射損耗：光

9、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。16第16頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一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(jié)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(zhì)離子的吸收過渡族金屬離子OH- 離子彎曲損耗17第17頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一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?shù)墓庑盘?，隨傳輸距離增加，由于不同成分的光傳輸時(shí)延不同引起的脈沖展寬的物理效應(yīng)。色散主要影

10、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(shí)延差表示，時(shí)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(chǎn)生的時(shí)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(shí)延不同而產(chǎn)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(nèi)不同波長的光時(shí)間延遲不同產(chǎn)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(dǎo)色散：波導(dǎo)色散是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長有關(guān)而產(chǎn)生的色散。取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯包層的相對折射率差。18第18頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一 波導(dǎo)色散和

11、材料色散都是模式的本身色散，也稱模內(nèi)色散。對于多模光纖，既有模式色散，又有模內(nèi)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(dǎo)色散，由于波導(dǎo)色散比材料色散小很多，通常可以忽略。采用激光光源可有效減小材料色散的影響。19第19頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器（Function Fiber Optic Sensor），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-Function Fi

12、ber Optic Sensor），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(zhì)。7.1.4 光纖傳感器的分類20第20頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一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(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光特性得到調(diào)制，調(diào)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(dāng)作傳播光的媒介，待測對象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用。21第21頁，共114頁，2022年，5月20日，17

13、點(diǎn)51分，星期一光纖傳感器的分類列表22第22頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一7.2 光纖的光波調(diào)制技術(shù)強(qiáng)度調(diào)制 相位調(diào)制 偏振調(diào)制 頻率調(diào)制 波長調(diào)制23第23頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一1、強(qiáng)度調(diào)制：IDttIS信號入射光強(qiáng)度調(diào)制光源出射光輸出ID光探測器強(qiáng)度調(diào)制原理IOtIit24第24頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一強(qiáng)度調(diào)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(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度發(fā)生變化來實(shí)現(xiàn)敏感測量的。調(diào)制原理：25第25頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，

14、星期一光是一種橫波。光振動(dòng)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(dòng)矢量E、H 在垂直于光線平面內(nèi)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(diào)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(diào)制調(diào)制原理：普克爾Pockels效應(yīng)(電光效應(yīng))法拉第磁光效應(yīng)光彈效應(yīng)解調(diào)原理：檢偏器26第26頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一普克爾效應(yīng)（電光效應(yīng)）當(dāng)壓電晶體受光照射，并在與光照正交的方向上加以高壓電場時(shí)，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為Pockels效應(yīng)，如下圖所示。并且，這種雙折射正比于所加電場的一次方在晶體

15、中，兩正交的偏振光的相位變化為其中：n0 正常折射率；re 電光系數(shù)；U 加在晶體片上的橫向電壓； 光波長；L 光傳播方向晶體長度；d 電場方向晶體厚度。Pockels效應(yīng)及應(yīng)用27第27頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一法拉第效應(yīng)（磁光效應(yīng)）某些物質(zhì)在磁場作用下，線偏振光通過時(shí)其振動(dòng)面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。光的電矢量E旋轉(zhuǎn)角與光在物質(zhì)中通過的距離L和磁場強(qiáng)度H成正比，即式中V為物質(zhì)的弗爾德常數(shù)。利用法拉第效應(yīng)可以測量磁場。其測量原理如圖所示。28第28頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光彈效應(yīng)在垂直于光波傳播方向上施加應(yīng)力，被

16、施加應(yīng)力的材料將會使光產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其折射率的變化與應(yīng)力材關(guān)，這被稱為光彈效應(yīng)。由光彈效應(yīng)產(chǎn)生的偏振光的相位變化為： 式中：K 物質(zhì)光彈性常數(shù)；P 施加在物體上的壓強(qiáng)；L 光波通過材料的長度。此時(shí)出射光強(qiáng)為：光彈效應(yīng)示意圖29第29頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一偏振調(diào)制的解調(diào)原理渥拉斯頓棱鏡解調(diào)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(dá)No.2時(shí)，光軸垂直，o光1和e光1的角色互換，o光2對應(yīng)的折射率從n0到ne，e光2對應(yīng)的折射率從ne到n0，nen0，所以兩光束分開。偏振

17、角為。光束傳播示意圖eooe45o30第30頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一 偏振角與光分量的關(guān)系： 偏振角與光源強(qiáng)度和通道能量衰減無關(guān)，只與兩分光束的光強(qiáng)有關(guān)系。由偏振角值可推知需要傳感的物理量 兩光分量對應(yīng)的振幅分別為：31第31頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一相位調(diào)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(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)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(diào)制應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)：光纖長度變化光彈效應(yīng):光纖芯折射率變

18、化磁致伸縮效應(yīng)：光纖芯直徑變化聲光效應(yīng)光熱效應(yīng)薩格納克(Sagnac)效應(yīng)檢測原理相位解調(diào)原理：光外差檢測原理32第32頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一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(shí)現(xiàn)的干涉型光纖傳感器。33第33頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一1. 邁克爾遜干涉儀干涉原理：當(dāng)激光束分得的兩光束的光程差小于激光的相干長度時(shí)，射到光檢測器

19、上的兩相干光束即產(chǎn)生干涉，且相位差為：傳感器34第34頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一傳感器2. 馬赫澤德爾干涉儀由移動(dòng)平面鏡的位移獲得兩相干光束的相位差，在光檢測器是產(chǎn)生干涉。優(yōu)點(diǎn)：沒有激光返回激光器，噪聲小，穩(wěn)定性好。對干涉影響小。35第35頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一3. 薩格納克干涉儀激光器輸出的兩束光沿著一條由一個(gè)分束器和三個(gè)平面鏡構(gòu)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(shí)一部分光又返回到激光器。當(dāng)平臺沿垂直于光束平面旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩方向相反的光束到達(dá)檢測器的延遲不同，從而產(chǎn)生相位變化。若平臺以角速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)

20、時(shí)，則在順時(shí)針方向傳播的光較逆時(shí)針方向傳播的光延遲大。這個(gè)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(zhuǎn)速度，它是目前許多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所用的環(huán)形激光陀螺和光線陀螺的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。36第36頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一4. 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(shù))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(jìn)入干涉儀的諧振腔內(nèi)。其干涉原理是多光束干涉，其干涉光強(qiáng)度的變化為：37第37頁，共114頁，2022年，5月20日，17

21、點(diǎn)51分，星期一5. 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38第38頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一4、頻率調(diào)制及解調(diào)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(xué)多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。如圖所示,P點(diǎn)物體的運(yùn)動(dòng)將S點(diǎn)光源發(fā)出的光散射到Q點(diǎn)被觀察到，設(shè)光頻為f1，由雙重多普勒頻移原理可得：解調(diào)過程：與相位調(diào)制的解調(diào)相同，需要兩束光干涉，在檢測器上產(chǎn)生差頻，光電流經(jīng)頻譜分析器處理，求出頻率變化。39第39頁，共114頁，202

22、2年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一激光多譜勒光纖測速系統(tǒng)激光沿著光纖入射到測速點(diǎn)A上，然后后向散射光與光纖端面的反射或散射光起沿著光纖返回，其中纖維端面的反射或散射光是作為參考光使用。于是信號光與參考光起經(jīng)光探測器進(jìn)入頻譜分析器處理，最后分析器給出測量結(jié)果。同時(shí)為了區(qū)別并消除從發(fā)射透鏡和光纖前端面反射回來的光，在光探測器前裝一塊偏振片R，從而使光探測器只能檢測出與原光束偏振方向相垂直的偏振光。40第40頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一7.3 光纖傳感器實(shí)例7.3.1 光纖位移傳感器反射式光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示。根據(jù)被測目標(biāo)表面光反射至接收光纖束的光強(qiáng)度的變化

23、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(jī)分布;(b)半球形對開分布;(c)共軸內(nèi)發(fā)射分布;(d)共軸外發(fā)射分布，如圖所示。41第41頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一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(qiáng)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(yuǎn)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(shí)，無光接收沒有電信

24、號。2、被測表面逐漸遠(yuǎn)離探頭時(shí)，有一個(gè)線性增長的輸出信號。有一最大輸出值“光峰點(diǎn)”。3、繼續(xù)遠(yuǎn)離時(shí)，輸出信號越來越弱，與距離平方成反比。42第42頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一43第43頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一44第44頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一內(nèi)調(diào)制式位移傳感器 利用微彎效應(yīng)制作的位移傳感器是一種典型的內(nèi)調(diào)制式光纖傳感器。微彎效應(yīng)即待測物理量變化引起微彎器位移，從而使光纖發(fā)生微彎變形，改變模式耦合，纖芯中的光部分透人包層，造成傳輸損耗。微彎程度不同，泄漏光波的強(qiáng)度也不同、從而實(shí)現(xiàn)了光強(qiáng)度的調(diào)制

25、。由于光強(qiáng)與位移之間有一定的函數(shù)關(guān)系，所以利用微彎效應(yīng)可以制成光纖位移傳感器.45第45頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一理論和實(shí)驗(yàn)都已證明，使光纖沿軸向產(chǎn)生周期性微彎時(shí)，傳播常數(shù)為 和 的模之間就會產(chǎn)生光功率的耦合。波紋板周期的長度 與傳播常數(shù)間滿足下式：46第46頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一HeNe激光器發(fā)射出來的光聚焦到階躍型多模光纖的一端。此光纖沒有涂覆層，數(shù)值孔徑等于0.22。 在變形器前5cm長的光纖上除上黑色涂料，以便消除包層模中的光。47第47頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一變形器由兩塊有機(jī)玻

26、璃波紋板組成，每塊波紋板共有5個(gè)波紋，每個(gè)波紋的長度為3mm。變形器的一塊波紋板可通過千分表用手動(dòng)調(diào)節(jié)的方法使它相對另一塊產(chǎn)生位移。另一塊板可用壓電式變換器產(chǎn)生動(dòng)態(tài)位移。48第48頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一用體積為1cm3的灌滿甘油的檢測器檢測包層模中的光信號。該檢測器的6個(gè)內(nèi)表面安裝著6個(gè)太陽能電池。檢測器的直流輸出用數(shù)字式毫伏表讀數(shù)、而交流輸出用鎖相放大器檢測并由記錄儀記錄放大器的輸出。49第49頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一相位干涉式位移傳感器 Mach-Zehnder光纖干涉儀是應(yīng)用較為廣泛的一種干涉儀?？梢杂糜跍y量位移，

27、其工作原理如圖50第50頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一 51第51頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一 外施力可以直接產(chǎn)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(fù)一層特殊材料。傳感臂上涂復(fù)材料具有“增敏”特性，而參考光纖涂復(fù)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(dāng)光纖表面涂復(fù)對其它物理量敏感的材料時(shí)，例如磁致伸縮材料、鋁導(dǎo)電膜和壓電材料等，則可以實(shí)現(xiàn)對其它物理量，如磁場、電流、電壓等的檢測。52第52頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖液

28、面位移傳感器光纖液面位移傳感器還可作為濃度計(jì)測量液體濃度，液位傳感器可用于易燃、易爆場合，但不能檢測污濁液體及會粘附在測頭表面的粘稠性物質(zhì)。LEDPD12傳感器光纖探頭結(jié)構(gòu)53第53頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一傳感器光纖探頭的不同結(jié)構(gòu)防液滴附著的方法 反射膜 突出物光纖耦合器單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)光纖光纖棱鏡斜面反射式光纖液位傳感器54第54頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一浸液自聚透鏡光纖水銀接收光源遮光板雙金屬片簡單類型的光纖溫度傳感器1、水銀式光纖溫度開關(guān)2、遮光式光纖溫度計(jì)55第55頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)5

29、1分，星期一原理：半導(dǎo)體材料的光吸收與禁帶寬度Eg有關(guān)，光子能量大于Eg的光被吸收，光子能量等于Eg的是半導(dǎo)體吸收的“紅限波長g”，被稱為半導(dǎo)體吸收端，在吸收端，波長的增加半導(dǎo)體吸收呈線性遞減特性，超過這一波長范圍的光幾乎不產(chǎn)生吸收。當(dāng)溫度增加時(shí)，禁帶寬度變窄，紅限波長線性地變長，光吸收端線性地向長波方向平移。 這個(gè)性質(zhì)反映在半導(dǎo)體的透光性上則表現(xiàn)為：當(dāng)溫度升高時(shí)，其透射率曲線將向長波方向移動(dòng)。若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的g相匹配的發(fā)光二極管作為光源，則透射光強(qiáng)度將隨著溫度的升高而減小，即通過檢測透射光的強(qiáng)度或透射率，即可檢測溫度變化。半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器圖 光吸收溫度特性56第56頁，共

30、114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一圖1 半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖。光纖環(huán)氧膠半導(dǎo)體反射膜圖2 一種光纖溫度單端式探頭57第57頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一反射式光纖壓力傳感器這種傳感器是在前面介紹的光纖位移傳感器的探頭前面加上一個(gè)膜片構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)如圖所示。光源發(fā)出的光經(jīng)發(fā)射光纖傳輸并投射到膜片的內(nèi)表面上,反射光由接收光纖接收并傳回光敏元件。58第58頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一DSFF變形器光纖A1n0n2n123微彎光纖壓力傳感器光纖被夾在一對鋸齒板中間，當(dāng)光纖不受力時(shí)，光線從光纖

31、中穿過，沒有能量損失。當(dāng)鋸齒板受外力作用而產(chǎn)生位移時(shí)，光纖則發(fā)生許多微彎，這時(shí)在纖芯中傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁糠稚⑸涞桨鼘又? 光纖微彎增大，散射掉的光隨之增加，纖芯輸出光強(qiáng)度相應(yīng)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。59第59頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一線偏振光光源起偏器/4波片Pyrex玻璃檢偏器p圓偏振光橢圓偏振光p光纖G-lens起偏器波片晶體檢偏器光彈式光纖壓力傳感器60第60頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一全內(nèi)反射光纖壓力傳惑器61第61頁，共114頁，2022年

32、，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一微彎曲光纖水聲傳感器62第62頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一動(dòng)態(tài)壓力傳感器 這種壓力傳感器的靈敏度極高，有很大的實(shí)用價(jià)值尤其適用于微聲壓的測量，對測量空間尺寸受限場合應(yīng)用更是優(yōu)越。它的工作帶寬從直流可到20 MHz.63第63頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一偏振調(diào)制光纖壓力和水聲傳感器64第64頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖應(yīng)變傳感器采用脈沖傳輸時(shí)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(dá)靶體又反射回來所占用的時(shí)間來確定光經(jīng)過的距離。用光纖做測量光路，傳

33、輸時(shí)間法可適用于任意彎曲光路及其變化的測量。65第65頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一系統(tǒng)的振蕩周期為式中L是光纖長度；Ng=c/Vg是光纖群速度折射率；el是放大器、鑒別器和導(dǎo)線產(chǎn)生的電延遲時(shí)間，66第66頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一如果忽略材料色散，即NgN，由彈性光學(xué)理論可以求得式中Pij是平均應(yīng)變光彈系數(shù)；是材料的泊松比。67第67頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖表面粗糙度傳感器 用光纖測量表面粗糙度，主要是利用它對光信導(dǎo)的傳輸特性。68第68頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分

34、，星期一69第69頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一70第70頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一71第71頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖加速度傳感器 加速度有各種形式如直線加速度，曲線加速度及振動(dòng)加速度等。光纖加速度傳感器最適合測量微小振動(dòng)加速度。72第72頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一振動(dòng)加速度傳感器原理當(dāng)?shù)皖l振動(dòng)時(shí)，x與慣性力成比例即與物體的振動(dòng)加速度成比例。 當(dāng)振動(dòng)頻率提高到振動(dòng)子的固有振動(dòng)頻率時(shí)，產(chǎn)生共振。這時(shí)距離x與加速度不存在比例關(guān)系。如果振動(dòng)頻率再進(jìn)一步提高重物就停

35、止振動(dòng)，呈現(xiàn)相對靜止?fàn)顟B(tài)。只有位移。73第73頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一相位調(diào)制光纖加速度傳感器74第74頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一讓加速度計(jì)的外殼以加速度a垂直向上運(yùn)動(dòng)，那么在加速該物體所需的作用力F的作用下，上面的一段光纖伸長L，下面的光纖則縮短L。這一過程可表示為式中A是光纖的橫截面積。 T是每根光纖中拉應(yīng)力變化的幅度；系數(shù)2是由于存在兩根伸長和縮短光纖。E是光纖的楊氏模量。75第75頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一 光束通過光程L的相移可用下式表示76第76頁，共114頁，2022年，5月2

36、0日，17點(diǎn)51分，星期一77第77頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一78第78頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖振動(dòng)傳感器 光纖振動(dòng)傳感器常用于現(xiàn)場監(jiān)測，測量的頻率范圍為20200Hz，測量的振幅為數(shù)微米到百分之幾微米，79第79頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一相位調(diào)制光纖振動(dòng)傳感器80第80頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一81第81頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一偏振調(diào)制型光纖電流傳感器，其基本原理是前述介紹的法拉第效應(yīng)（磁光效應(yīng)）。如果這個(gè)磁場是由長

37、直載流導(dǎo)線產(chǎn)生的，根據(jù)安培環(huán)路定律：偏振調(diào)制型光纖電流傳感器式中：I-載流導(dǎo)線中的電流強(qiáng)度；R-光纖纏繞半徑。根據(jù)法拉第旋光效應(yīng)，引起光纖中線偏振光的偏轉(zhuǎn)角為：由檢測及信號處理后得輸出信號為：V為費(fèi)爾德常數(shù)；l為受磁場作用光纖長度，N為光纖圈數(shù)。 測量范圍：0-1000A82第82頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一 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(diǎn)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(shí)域檢測技術(shù)為基礎(chǔ)的光時(shí)域分布式，另一種是以光波長檢測為基礎(chǔ)的波長域分布式。 時(shí)域分布式光纖傳感器的物理基礎(chǔ)是光學(xué)

38、時(shí)域反射技術(shù)（Optical Time-domain Reflectometry），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(chǎn)生的光纖傳輸損耗和各種結(jié)構(gòu)缺陷引起的結(jié)構(gòu)性損耗，當(dāng)分布式光纖傳感器83第83頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一 光纖某一點(diǎn)受溫度或應(yīng)力作用時(shí)，該點(diǎn)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(yīng)關(guān)系來檢測外界信號分布于傳感光纖上的擾動(dòng)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)84第8

39、4頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一由于外界因素引起的沿光纖長度上的某一點(diǎn)散射信號的變化，可以通過OTDR方法獨(dú)立地探測出來，而不受其他點(diǎn)散射信號改變的影響，因此可以采用OTDR方法實(shí)現(xiàn)對光纖的分布式測量。 相對回波光功率初始脈沖作用點(diǎn)終端費(fèi)涅爾回波長度Z后向散射光檢測波形示意圖 85第85頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一* 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(yīng)力的敏感特性而制成的一種新型的光纖傳感器。 86第86頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖光柵工作原理1 2 n芯層包層

40、包層折射率 n2芯層折射率 n1感光折射率 n12 n87第87頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一芯層包層+1級-1級紫外掩模寫入法相位掩模板88第88頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一2 、光纖布喇格光柵傳感原理光纖光柵纖芯中的折射率調(diào)制周期由下式給出：這里UV是紫外光源波長， 是兩相干光束之間的夾角。89第89頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一由于周期的折射率擾動(dòng)僅會對很窄的一小段光譜產(chǎn)生影響。因此，如果寬帶光波在光柵中傳播時(shí)，入射光能在相應(yīng)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

41、。這類調(diào)諧波長反射現(xiàn)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：90第90頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一 其中 neff 是光纖芯區(qū)有效折射率。 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(dāng)外界的應(yīng)力發(fā)生改變時(shí)，將會導(dǎo)致光纖光柵的或者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(yīng)力的變化。91第91頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一設(shè)兩列波沿著同一方向傳播

42、，其傳播常數(shù)分別為0和1，如果滿足布喇格相位匹配條件： 其中為光柵周期， 則一個(gè)波的能量可以耦合到另一個(gè)波中去。 在反射型濾波器中，我們假設(shè)傳播常數(shù)為0的光波從左向右傳播，如果滿足條件：92第92頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一則這個(gè)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(shè)0=2neff/0，其中0為輸入光的波長，neff為波導(dǎo)或光纖的有效折射率。也就是說，如果0=2neff，光波將發(fā)生反射，這個(gè)波長0就稱作布喇格波長。93第93頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖光柵的柵距可通過改變寫入光柵的兩相干紫外光束的相

43、對角度得到調(diào)整，從而可以制作出不同反射波長的Bragg光柵。94第94頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一 光纖光柵應(yīng)變傳感器的基本原理是：當(dāng)光柵周圍的應(yīng)力或者應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折射率發(fā)生變化，從而產(chǎn)生光柵 Bragg 信號的波長位移 ，通過監(jiān)測 Bragg 波長位移情況，即可獲得柵周圍的應(yīng)力或者應(yīng)變變化情況。 由外界應(yīng)力引起光纖光柵軸向應(yīng)變和折射率變化造成光柵布拉格反射波長移動(dòng)，由下式給出：這里B是光柵布拉格反射波長，B為在外界應(yīng)力作用下光柵布拉格反射波長移動(dòng)量，是光纖軸向應(yīng)變，可表示為：95第95頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分

44、，星期一在實(shí)際應(yīng)用中， 是個(gè)很小的量，為此引入應(yīng)變量的10-6，作為光纖光柵度量單位。96第96頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一FBG所具有的多傳感器復(fù)用能力，使它在準(zhǔn)分布測量、多參數(shù)組合測量等方面顯現(xiàn)了非常誘人的前景，因而在復(fù)合材料固化監(jiān)控、大型土建結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變分布及大型電力設(shè)備內(nèi)部溫度分布狀態(tài)監(jiān)控等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。 97第97頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光連接器調(diào)制解調(diào)器顯示儀表計(jì)算機(jī) 使用現(xiàn)場控制室內(nèi)傳輸光纜連接光纜FBG探頭光纖光柵監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖98第98頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星

45、期一3 、光纖布喇格光柵解調(diào)原理光纖布喇格光柵的解調(diào)有多種方法，下面介紹匹配光纖光柵解調(diào)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(diào)光柵的配置，右圖為兩光柵的反射譜及檢測到的信號99第99頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一選用一個(gè)與傳感光纖光柵 FBG1 參數(shù)相近的光纖光柵 FBG2 （匹配光柵）作為檢測光柵，使兩個(gè)光柵的反射譜部分重疊，即設(shè)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。 100第100頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一當(dāng)傳感光纖光柵

46、受到應(yīng)變的微擾時(shí)，其輸出的反射譜在一定范圍內(nèi)漂移，如左圖所示；解調(diào)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(diào)光柵時(shí)，只有與兩光柵的反射譜重疊部分相對應(yīng)的范圍內(nèi)的光波才可能被反射，而重疊部分的面積與反射譜的光強(qiáng)度成正比 101第101頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一當(dāng)兩光柵反射譜重疊面積較大時(shí)，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(qiáng)是檢測光纖光柵 FBG1和匹配光纖光柵FBG2兩個(gè)光譜函數(shù)的卷積。隨著 FBG1上的微擾，在 FBG2的反射譜中可檢測到相對應(yīng)的一定光強(qiáng)度的光信號。102第102頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一F-P腔波長濾波解調(diào)原理法布里珀羅腔(F-P腔)的光學(xué)原理是多光束干涉，在一定波長范圍內(nèi)，若以平行光入射到F-P腔,則只有滿足相干條件的某些特定波長產(chǎn)生相干極大，原理如圖1所示,由于光的入射產(chǎn)生了多個(gè)反射光束1，2，3，.和多個(gè)透射光束，.，其透射光強(qiáng): 其中為相鄰兩光束相位差 103第103頁，共114頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一當(dāng)相位差=2k(k=1,2,3.)時(shí)，入射光完全透射，透射光最強(qiáng)。因此解調(diào)裝置多采用調(diào)諧腔長的方法，在透射光強(qiáng)達(dá)到最大值時(shí)可求出入射波長。 104第104頁，共114頁，2