新型傳感器第四章課件

光纖傳感器第4章/v_show/id_XMTU5OTQ4MzUy.html光纖激光切割機(jī)

光纖熔接機(jī)

光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來(lái)測(cè)量多種物理量，比如聲場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)難以完成的測(cè)量任務(wù)。在狹小的空間里，在強(qiáng)電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨(dú)特的能力。近年來(lái)，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過(guò)程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無(wú)感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對(duì)人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纖溫度傳感器

光纖加速度計(jì)

光纖陀螺儀

按傳感原理分為{傳光型光纖傳感器（非功能型光纖傳感器）傳感型光纖傳感器（功能型光纖傳感器）光纖僅作為傳播光的介質(zhì)，在傳感器中僅起傳光的作用，對(duì)外界信息的“感覺(jué)”功能是依靠對(duì)光的性質(zhì)加以調(diào)制的調(diào)制器來(lái)完成的它利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)功能的光纖作為傳感元件，是將“傳光”和‘感知”合為一體的傳感器。傳感型光纖傳感器在結(jié)構(gòu)上比傳光型光纖傳感器簡(jiǎn)單，因?yàn)楣饫w是連續(xù)的，可以少一些光耦合器件，但為了實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物理量變化的感知，往往需要采用特殊光纖來(lái)作探頭，這樣就增加了傳感器制造的難度。沿某一方向(如x方向)傳播的光波可以用平面波的波動(dòng)方程表示，即k為空間頻率光具有基本特性參量：

幅值A(chǔ)：光的振幅A決定了光的強(qiáng)度，光強(qiáng)度的極大值就是A2

振動(dòng)方向：由于振幅A是一個(gè)矢量，所以存在振動(dòng)方向，通常稱作偏振方向。頻率ω：ω為光的角頻率。在環(huán)境因素保持不變的條件下，光不論在什么介質(zhì)中傳播，其頻率ω總是不變的。光波頻率的外部特征就是光的顏色。

波長(zhǎng)λ：同樣的光波，在不同折射率的介質(zhì)中光的波長(zhǎng)是不相等的。初始相位φ：初始相位反映了光波的光程。

光波的上述特征參數(shù)，主要是以光強(qiáng)度與光的顏色兩個(gè)最直觀的特征表現(xiàn)出來(lái)的，或者說(shuō)，目前的光電傳感器只能測(cè)量光的強(qiáng)度與顏色，對(duì)其他特征的測(cè)量是通過(guò)測(cè)量光的強(qiáng)度或顏色而間接測(cè)量的。

光波作為光纖傳感器中的傳輸信號(hào)，受外界物理量的調(diào)制，從而反映出外界物理量的變化。外界物理量可能引起光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)(顏色)、頻率、相位、偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，從而構(gòu)成強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位或偏振態(tài)調(diào)制原理。光纖傳感器的調(diào)制器可以是功能光纖傳感器(FF)中的光纖本身(內(nèi)部調(diào)制)，也可以是非功能光纖傳感器(NFF)中用某種材料制成的敏感元件(外部調(diào)制)。幾乎所有的用于光纖傳感器中的光敏器件只能探測(cè)光的強(qiáng)度，而光的其它性能如偏振態(tài)、頻率、相位等的改變，必須通過(guò)適當(dāng)?shù)氖侄巫儞Q成光強(qiáng)度的變化之后才可以被光敏器件所探測(cè)。

傳輸光纖可采用多模光纖，光源可采用輸出穩(wěn)定的LED或高強(qiáng)度白熾燈等非相干光源，光敏器件一般用光電二極管(PD)、PIN和光電池等。構(gòu)成傳感器探頭的物理機(jī)理分為反射、透射、折射等。模在纖芯內(nèi)傳播的光波，可以分解為沿軸向傳播的平面波和沿垂直方向(剖面方向)傳播的平面波。沿剖面方向傳播的平面波在纖芯與包層的界面上將產(chǎn)生反射。如果次波在一個(gè)往復(fù)(入射和反射)中相位變化為2Π的整數(shù)倍，就會(huì)形成駐波。只有能形成駐波的那些以特定角度射入光纖的光才能在光纖內(nèi)傳播，這些波就稱為模。在光纖內(nèi)只能傳輸一定數(shù)量的模。相位調(diào)制和干涉測(cè)量技術(shù)并用，構(gòu)成相位調(diào)制的干涉型光纖傳感器。相位調(diào)制的光纖傳感器，其基本原理是通過(guò)被測(cè)物理量的作用，使某段單模光纖內(nèi)傳播的光波發(fā)生相位變化，再用干涉技術(shù)把相位變化變換為振幅變化，從而還原所檢測(cè)的物理量。相位調(diào)制和干涉測(cè)量干涉：頻率相同的兩列波疊加，使某些區(qū)域的振動(dòng)加強(qiáng)，某些區(qū)域的振動(dòng)減弱，而且振動(dòng)加強(qiáng)的區(qū)域和振動(dòng)減弱的區(qū)域相互隔開(kāi)，這種現(xiàn)象叫做波的干涉現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)干涉測(cè)量的儀器很多，通常采用的干涉儀主要有四種：邁克爾遜干涉儀、馬赫—澤德干涉儀、塞格納克干涉儀和法布里—珀羅干涉儀。如果檢測(cè)到干涉光強(qiáng)的變化就可以確定兩光束間相位的變化，從而得到待測(cè)物理量的數(shù)值大小。在四種干涉儀中，以一個(gè)或兩個(gè)3dB耦合器取代了分光器，光纖光程取代了空氣光程，并且這些干涉儀中都是以光纖作為相位調(diào)制元件(傳感器)，被測(cè)物理量作用于光纖傳感器，導(dǎo)致其光纖中光相位的變化。偏振態(tài)調(diào)制通過(guò)檢測(cè)光的偏振態(tài)的變化來(lái)檢測(cè)各種物理量，稱為偏振態(tài)調(diào)制。在光纖傳感器中，偏振態(tài)調(diào)制主要基于人為旋光現(xiàn)象和人為雙折射，如法拉第效應(yīng)、克爾電光效應(yīng)及彈光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)偏振光通過(guò)某種透明介質(zhì)時(shí)，偏振光的偏振態(tài)將以光的傳播方向?yàn)檩S線旋轉(zhuǎn)一定的角度，這種現(xiàn)象稱為旋光效應(yīng)，在磁場(chǎng)作用下的旋光效應(yīng)稱為法拉第效應(yīng)。法拉第效應(yīng)克爾電光效應(yīng)當(dāng)一束單色光入射到各向同性介質(zhì)表面時(shí)，它的折射光只有一束光，但當(dāng)一束光入射到各向異性介質(zhì)表面時(shí)，一般產(chǎn)生兩束折射光，這種現(xiàn)象稱為雙折射。雙折射得到的兩束光中一束總是遵守折射定律，這束光稱為尋常光（O光），另一束不遵守折射定律，稱為非常光（E光）。1875年英國(guó)物理學(xué)家J.克爾發(fā)現(xiàn)，玻璃板在強(qiáng)電場(chǎng)作用下具有雙折射性質(zhì)，稱克爾效應(yīng)。后來(lái)發(fā)現(xiàn)多種液體和氣體都能產(chǎn)生克爾效應(yīng)。觀察克爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。內(nèi)盛某種液體（如硝基苯）的玻璃盒子稱為克爾盒，盒內(nèi)裝有平行板電容器，加電壓后產(chǎn)生橫向電場(chǎng)。

克爾盒放置在兩正交偏振片之間。無(wú)電場(chǎng)時(shí)液體為各向同性，光不能通過(guò)P2。存在電場(chǎng)時(shí)有光通過(guò)P2。實(shí)驗(yàn)表明，在電場(chǎng)作用下，盒內(nèi)液體變成了雙折射物質(zhì)。光壓效應(yīng)光壓效應(yīng)又稱為應(yīng)力雙折射，其原理如圖。沿MN方向存在壓力或拉力時(shí)，則MN方向的折射率和其他方向不同。設(shè)對(duì)應(yīng)MN方向上的偏振光的折射率為nE，對(duì)應(yīng)垂直MN方向上偏振光的折射率為nO，則折射率的變化與外加壓強(qiáng)P的關(guān)系為

K為物質(zhì)的壓強(qiáng)光學(xué)系數(shù)

若光波通過(guò)的物質(zhì)厚度為L(zhǎng)，則產(chǎn)生的光程差為

由此引起的相位差為相應(yīng)的出射光強(qiáng)為

按測(cè)量對(duì)象的不同，光纖傳感器可分為：光纖溫度傳感器、光纖位置傳感器、光纖流量傳感器、光纖力傳感器、光纖速度傳感器、光纖磁場(chǎng)傳感器、光纖電流傳感器、光纖電壓傳感器、光纖圖像傳感器和光纖醫(yī)用傳感器等等。二、常見(jiàn)光纖傳感器偏振式光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器是工業(yè)中開(kāi)發(fā)最早、應(yīng)用最多、發(fā)展最快的光纖傳感器之一，其工作原理一般可分為兩類，即相干型和非相干型。偏振式光纖溫度傳感器屬于非相干型結(jié)構(gòu)。如圖a所示，激光源發(fā)出A＝0.6328微米的光，一部分經(jīng)粗芯徑的多模光纖注入測(cè)溫探頭，入射光經(jīng)透鏡準(zhǔn)直成平行光束，然后分別穿過(guò)偏振棱鏡、石英晶體、1/4波片。波片是用各向異性透明材料按一定方式切割的、具有一定厚度的平行平板。當(dāng)垂直入射的線偏振光進(jìn)入波片后，分解為O光(尋常光）和E光（非常光，不遵守折射定律），它們的光矢量相互垂直且方向一致，但傳播速度不同。這樣，光通過(guò)波片后，O光和E光將產(chǎn)生一定的相位差。設(shè)波片的厚度為d，O和E光的光程差為相位差為

這樣兩束光矢量互相垂直且有一定相位差的線偏振光，疊加結(jié)果一般為橢圓偏振光，橢圓的形狀、方位、旋轉(zhuǎn)方向均隨相位差而改變。光矢量端點(diǎn)在垂直于光傳播方向的截面內(nèi)描繪出橢圓軌跡。檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，光強(qiáng)兩強(qiáng)兩弱。如果波片產(chǎn)生的光程差為：

這樣的波片稱為1/4波片。當(dāng)入射的線偏振光的矢量與波片產(chǎn)生的E光(或O光)的光矢量成角時(shí)，通過(guò)1/4波片后得到圓偏振光。反之，1/4波片能將偏振光或橢圓偏振光變成線偏振光。所謂1/4波片、半波片或全波片都是針對(duì)某一特定波長(zhǎng)而言的。波片只能產(chǎn)生固定的相位差，如果需要產(chǎn)生連續(xù)改變的相位差則需要采用補(bǔ)償器。m為整數(shù)透過(guò)1/4波片的光束由反射鏡反射后再經(jīng)1/4波片、石英晶體、偏振棱鏡返回。并由透鏡匯聚后注入接收光束，光敏探測(cè)器2接收由接收光纖出射的光，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。另一方面，激光器發(fā)出的光束的另一部分直接由光敏探測(cè)器l接收，作為參考電信號(hào)。這兩部分信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理后，便可測(cè)得溫度。圖為偏振測(cè)溫傳感器的探頭原理結(jié)構(gòu)。

為了便于理解偏振測(cè)溫傳感器的工作原理，我們首先需要了解傳感器中幾個(gè)主要部件的作用。將光線入射方向與光學(xué)界面(具有不同折射率的兩種光學(xué)介質(zhì)的分界面，例如玻璃與空氣的光學(xué)界面就是玻璃表面)法線方向構(gòu)成的平面稱作“入射面”，并且把入射光線的光矢量分解為平行于入射面的分量(P分量)和垂至于入射面的分量(S分量)兩個(gè)部分，如圖所示。偏振分光棱鏡一般情況下，經(jīng)光學(xué)界面折射和反射的光線中，既包含P分量又包含S分量。在折射或反射光線中，所包含的兩個(gè)分量的光強(qiáng)比例可以由菲涅耳公式推導(dǎo)。菲涅耳公式是描述光波在界面處的反射與透射特性的經(jīng)典公式。菲涅耳按照菲涅耳公式推導(dǎo)，存在一個(gè)十分獨(dú)特的入射角，當(dāng)光線沿著這個(gè)角度入射時(shí)，入射光線將被分解為兩個(gè)純粹的偏振光：反射光中只有S分量的光矢量、透射光中只有P分量的光矢量(b)。這個(gè)角度稱作布儒斯特角。布儒斯特式中各項(xiàng)分別如圖所示：

利用光的這一特性，將多片玻璃疊合成玻璃片堆(實(shí)際為薄膜)，并使光的入射角等于布儒斯特角，這樣，經(jīng)過(guò)多次的反射和折射，可以得到光強(qiáng)足夠大、偏振度足夠高的偏振分光棱鏡。圖中棱鏡的斜面(粗線)就是由多層介質(zhì)膜構(gòu)成的所謂“玻璃片堆”。光線自左向右入射至偏振分光棱鏡的分光面上，透射光線的光矢量方向只有一個(gè)，即平行于紙面的方向(P分量)，反射光線的光矢量方向也只有一個(gè)，即垂直于紙面的方向(S分量)。另外，若線偏振光入射至偏振分光棱鏡，如果入射光的光矢量與紙面平行，則只有透射光而無(wú)反射光；相反，如果入射光的光矢量與紙面垂直，則只有反射光而無(wú)透射光。如入射光的光矢量既不平行也不垂直于紙面，則反射與透射光都有，各自的光強(qiáng)大小取決于入射光的光矢量在垂直和平行于紙面方向的分量。用于光纖溫度傳感器的偏振分光棱鏡既起到起偏器的作用，又起到檢偏器的作用(對(duì)于一束自然光，其光矢量的振動(dòng)方向是360度的，為了獲得只有一個(gè)振動(dòng)方向的光（偏振光），就需要借助于起偏器。起偏器一般是用具有二相色性的介質(zhì)制作而成，這種介質(zhì)只讓某一振動(dòng)方向的光矢量透過(guò)，這個(gè)方向叫做“透光軸”，而垂直于透光軸方向的光矢量或光矢量的分量被吸收。檢偏器與起偏器實(shí)質(zhì)上是同一種器件（統(tǒng)稱偏振片，只是所起的作用不同)。設(shè)從偏振分光棱鏡透射的偏振光的光矢量的光強(qiáng)度為，透射的偏振光經(jīng)后面的一系列光學(xué)元件后原路返回，若光線的光矢量被旋轉(zhuǎn)了角，那么按照馬呂斯定律，返回光線透過(guò)偏振分光棱鏡后的光強(qiáng)度I與原來(lái)的光強(qiáng)之間的關(guān)系為：波長(zhǎng)為的光線經(jīng)過(guò)石英晶體時(shí)，光矢量受到旋轉(zhuǎn)。按照菲涅耳的解釋，進(jìn)入石英晶體的線偏振光可以分解為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。設(shè)左、右旋圓偏振光在石英晶體中的折射率分別為，，則線偏振光穿過(guò)石英晶體后其光矢量的旋轉(zhuǎn)角為石英晶體式中的d為光線穿過(guò)石英晶體的幾何長(zhǎng)度。光矢量的旋轉(zhuǎn)角與溫度有關(guān)，究其原因，只能是石英晶體的折射率，受溫度的調(diào)制。迎著光的入射方向觀看，若光矢量被順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則稱該石英晶體為右旋晶體，否則稱作左旋晶體。光纖式溫度傳感器光纖式溫度傳感器用于測(cè)量帶電物體表面的溫度，如高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的裸露觸點(diǎn)和母線連接處的運(yùn)行溫度。Optic-3000光纖式溫度傳感器光纖溫度傳感器是由測(cè)溫點(diǎn)、光纖調(diào)制器和光纖接口三部分組成，測(cè)溫點(diǎn)用于測(cè)量溫度，并將溫度信號(hào)傳到光纖調(diào)制器，光纖調(diào)制器將溫度信號(hào)調(diào)制成光信號(hào)，并將光信號(hào)通過(guò)光纖傳導(dǎo)到光纖監(jiān)測(cè)儀的主機(jī)。測(cè)溫點(diǎn)具有小巧的體積，當(dāng)與被測(cè)物體表面直接接觸時(shí)，能保證快速測(cè)量溫度的變化。測(cè)溫范圍：-30℃～+1２５℃測(cè)溫誤差：小于0.5℃（全量程范圍）測(cè)溫分辨率：±0.1℃光纖長(zhǎng)度：小于50m（多模光纖）接口方式：標(biāo)準(zhǔn)ST接口外觀尺寸：6.0(長(zhǎng))cm×3.2(寬)cm×2.2(高)cmOptic-3000光纖式溫度傳感器有一個(gè)側(cè)面是感溫面，傳感器測(cè)到的溫度就是該感溫面的溫度，若傳感器放置在空氣中，則測(cè)到的