光纖傳感器的基礎(chǔ)一課件

第7章光纖傳感檢測技術(shù)第7章光纖傳感檢測技術(shù)1關(guān)于光纖傳感器：從原理上看，以光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，將測量對象的狀態(tài)變成光信號的形式取出；從材料上看以石英為主，適于在高電壓、電磁干擾、海水下以及化學(xué)腐蝕氣氛等環(huán)境條件下使用。2.光纖是優(yōu)越的低損耗傳輸線，使用時可不必考慮測量設(shè)備與被測對象的相對位置，可用于一般電子傳感器難以適應(yīng)的場合。3.光纖傳感器與光電檢測器件、電子裝置有良好的兼容。關(guān)于光纖傳感器：從原理上看，以光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，將測量對象的狀2光纖有很多的優(yōu)點，用它制成的光纖傳感器（FOS）與常規(guī)傳感器相比也有很多特點：抗電磁干擾能力強、高靈敏度、耐腐蝕、可撓曲、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、以及與光纖傳輸線路相容等。光纖傳感器可應(yīng)用于位移、振動、轉(zhuǎn)動、壓力、彎曲、應(yīng)變、速度、加速度、電流、磁場、電壓、濕度、溫度、聲場、流量、濃度、pH值等70多個物理量的測量，且具有十分廣泛的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。光纖有很多的優(yōu)點，用它制成的光纖傳感器（FOS）與常規(guī)傳感器37.1光纖傳感器的基礎(chǔ)一、光纖波導(dǎo)原理斯涅爾(Snell)定律臨界角7.1光纖傳感器的基礎(chǔ)一、光纖波導(dǎo)原理斯涅爾(Snell)4存在的問題：表面污染引起能量損耗解決方案：存在的問題：表面污染引起能量損耗解決方案：5完整光纖模型：光線由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射入纖芯時實現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射角)為NA——定義為“數(shù)值孔徑”。它是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。完整光纖模型：光線由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射6光纖運動路徑不同，使得光脈沖沿光纖展寬——色散改善方法：階躍光纖梯度光纖速度補償二、光纖的特性與分類1.光纖運動路徑不同，使得光脈沖沿光纖展寬——色散改善方法：階躍7階躍光纖梯度光纖階躍光纖梯度光纖82.損耗①吸收損耗：紫外吸收、紅外吸收、雜質(zhì)吸收②散射損耗：瑞利（Rayleigh）散射、拉曼（Raman）散射瑞利散射2.損耗①吸收損耗：②散射損耗：瑞利散射9菲涅耳反射③其它損耗：菲涅耳（Fresnel）反射菲涅耳反射③其它損耗：103.其它分類方式按纖芯和包層材料性質(zhì)分類：玻璃光纖塑料光纖按傳輸模式分類：單模光纖多模光纖按用途分類：通信光纖特殊光纖低雙折射光纖高雙折射光纖涂層光纖液芯光纖激光光纖紅外光纖3.其它分類方式按纖芯和包層材料性質(zhì)分類：按傳輸模式分類：11三、光纖傳感器分類光纖傳感器一般可分為兩大類：①功能型傳感器(FunctionFiberOpticSensor)，又稱FF型光纖傳感器利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件，所以又稱傳感型光纖傳感器。三、光纖傳感器分類光纖傳感器一般可分為兩大類：12②非功能傳感器(Non-FunctionFiberOpticSensor)，又NF型光纖傳感器利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，用以傳輸來自遠(yuǎn)處或難以接近場所的光信號，因此，也稱傳光型光纖傳感器。②非功能傳感器(Non-FunctionFiberOp13

光纖傳感器分類

光纖傳感器分類14光纖傳感器的基礎(chǔ)一課件15光纖傳感器的基礎(chǔ)一課件16四.光纖傳感器的發(fā)展趨勢1.當(dāng)前應(yīng)以傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題作為光纖傳感器的主要研究對象。2.集成化光纖傳感器。3.多功能全光纖控制系統(tǒng)。4.充分發(fā)揮光纖的低傳輸損耗特性，發(fā)展遠(yuǎn)距離監(jiān)測系統(tǒng)。5.開辟新領(lǐng)域。四.光纖傳感器的發(fā)展趨勢177.2光纖的光波調(diào)制技術(shù)光的調(diào)制和解調(diào)可分為：強度、相位、偏振、頻率和波長等方式。光的調(diào)制過程就是將一攜帶信息的信號疊加到載波光波上；完成這一過程的器件叫做調(diào)制器。在光纖傳感器中，光的解調(diào)過程通常是將載波光攜帶的信號轉(zhuǎn)換成光的強度變化，然后由光電探測器進(jìn)行檢測。7.2光纖的光波調(diào)制技術(shù)光的調(diào)制和解調(diào)可分為：強度、相位、18一、強度調(diào)制與解調(diào)光纖傳感器中光強度調(diào)制是被測對象引起載波光強度變化，從而實現(xiàn)對被測對象進(jìn)行檢測的方式。光強度變化可以直接用光電探測器進(jìn)行檢測。強度調(diào)制與解調(diào)原理圖一、強度調(diào)制與解調(diào)光纖傳感器中光強度調(diào)制是被測19當(dāng)垂直于光纖軸線的應(yīng)力使光纖發(fā)生彎曲時，傳輸光有一部分會泄漏到包層中去。1.幾種常用的光強調(diào)制技術(shù)（1）微彎效應(yīng)當(dāng)垂直于光纖軸線的應(yīng)力使光纖發(fā)生彎曲時，傳輸光有一部分20（2）反射式光強度調(diào)制光強大小與光纖端面和被測物體間距離有關(guān)探頭結(jié)構(gòu)（2）反射式光強度調(diào)制光強大小與光纖端面和被測物體間距離有關(guān)21（3）透射式光強度調(diào)制利用透射實現(xiàn)的光強度調(diào)制途徑：①線性位移、角位移②利用光閘（遮光板）進(jìn)行強度調(diào)制光閘類型：光開關(guān)、光劈、可動透鏡、光柵、莫爾條紋（3）透射式光強度調(diào)制利用透射實現(xiàn)的光強度調(diào)制途徑：②利用22

利用折射不同進(jìn)行光強度調(diào)制的原理包括：①利用被測物理量引起傳感材料折射率的變化；②利用漸逝場耦合；③利用折射率不同的介質(zhì)之間的折射與反射。（4）利用折射率變化的光強度調(diào)制利用折射不同進(jìn)行光強度調(diào)制的原理包括：①利用被測物理23（5）光纖的吸收實現(xiàn)光強度調(diào)制

在光纖芯中摻入特殊材料，改變光纖的吸收特性。如摻入產(chǎn)生吸收光譜的材料，由于光纖的吸收損耗的增大導(dǎo)致輸出功率的降低；或摻入產(chǎn)生熒光的雜質(zhì)，利用外來輻射激發(fā)光纖，檢測熒光。（5）光纖的吸收實現(xiàn)光強度調(diào)制在光纖芯中摻入特殊材料242.強度調(diào)制的解調(diào)強度調(diào)制型光纖傳感器的關(guān)鍵是信號功率與噪聲功率之比要足夠大功率信噪比信號電流光信號噪聲電流光電檢測器噪聲電流前置放大器輸入端等效電阻熱噪聲電流PL總光功率Ps信號功率2.強度調(diào)制的解調(diào)強度調(diào)制型光纖傳感器的關(guān)鍵是信號功率與噪25利用外來因素改變光的偏振特性，通過檢測光的偏振面的旋轉(zhuǎn)（即偏振態(tài)的變化）來檢測物理量，稱為偏振調(diào)制。二、偏振調(diào)制與解調(diào)光波是橫波。自然光線偏振光（平面偏振光）圓偏振光橢圓偏振光部分偏振光光纖傳感器中的偏振調(diào)制器常利用電光、磁光、光彈等物理效應(yīng)。利用外來因素改變光的偏振特性，通過檢測光的偏振面的旋轉(zhuǎn)（即偏26當(dāng)壓電晶體受光照射并在其正交方向上加以高電壓，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象——普克耳效應(yīng)。1.調(diào)制原理（1）普克耳（Pockels）效應(yīng)兩正交的偏振光的相位變化：當(dāng)壓電晶體受光照射并在其正交方向上加以高電壓，晶體將27普克耳效應(yīng)的應(yīng)用普克耳效應(yīng)的應(yīng)用28平面偏振光通過帶磁性的物體（或磁場）時，其偏振光面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光矢量旋轉(zhuǎn)角：（2）法拉第磁光效應(yīng)法拉第磁光旋轉(zhuǎn)是一種磁感應(yīng)旋光性費爾德常數(shù)，表征法拉第效應(yīng)的大小H：磁場強度L：作用距離平面偏振光通過帶磁性的物體（或磁場）時，其偏振光面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，29采用YIG的光學(xué)式磁場傳感器采用YIG的光學(xué)式磁場傳感器30（3）光彈效應(yīng)光彈效應(yīng)又稱應(yīng)力雙折射：在垂直于光波傳播方向施加應(yīng)力，材料將產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其強弱正比于應(yīng)力。偏振光的相位變化：（3）光彈效應(yīng)光彈效應(yīng)又稱應(yīng)力雙折射：在垂直于光波傳播方向施31三、相位調(diào)制與解調(diào)基本原理：通過被測能量場的作用，使能量場中的一段敏感單模光纖內(nèi)傳播的光波發(fā)生相位變化，利用干涉測量技術(shù)把相位變化變換為振幅變化，再通過光電探測器進(jìn)行檢測。相位調(diào)制技術(shù)實質(zhì)上是產(chǎn)生光波相位變化的物理機制和光的干涉技術(shù)的綜合應(yīng)用。☆壓力、張力和溫度等外因能直接改變光纖波導(dǎo)的長度、折射率及其分布以及波導(dǎo)的橫向幾何尺寸等，若這些波導(dǎo)參數(shù)發(fā)生變化，則必然發(fā)生光波的相位變化，從而實現(xiàn)了光纖的相位調(diào)制。三、相位調(diào)制與解調(diào)基本原理：通過被測能量場的作用，使能量場中32（1）邁克爾遜干涉儀1.實現(xiàn)干涉測量的儀器（1）邁克爾遜干涉儀1.實現(xiàn)干涉測量的儀器33特點：沒有或很少有光返回到激光器。

返回到激光器的光會造成激光器的不穩(wěn)定噪聲，對干涉測量不利。（2）馬赫－澤德爾（Mach-Zehnder）干涉儀特點：沒有或很少有光返回到激光器。（2）馬赫－澤德爾（Mac34兩束光均形成傳播方向相反的閉合光路，并在分束器上會合，送入光探測器。（3）塞格納克（Sagnac）干涉儀當(dāng)把這種干涉儀裝在一個可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺上時，若平臺以角速度Ω順時針旋轉(zhuǎn)，則在順時針方向傳播的光較逆時針方向傳播的光有相位延遲：兩束光均形成傳播方向相反的閉合光路，并在分束器上會合，送入光35（4）法布里—帕羅（Fabry-Perot）干涉儀根據(jù)多光束干涉原理，探測器探測到干涉光強度的變化：☆多光束干涉（4）法布里—帕羅（Fabry-Perot）干涉儀根據(jù)多光束362.四種類型光纖干涉儀結(jié)構(gòu)2.四種類型光纖干涉儀結(jié)構(gòu)37目前主要是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)實現(xiàn)頻率調(diào)制。四、頻率調(diào)制與解調(diào)頻率調(diào)制時光纖往往只起傳輸光信號的作用，而不作為敏感元件。f1f2解調(diào)原理同相位調(diào)制的解調(diào)。（外差檢測）目前主要是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)實現(xiàn)頻率調(diào)制。四、頻率調(diào)制與解387.3光纖傳感器實例一、光纖位移傳感器1.反射式光纖位移傳感器7.3光纖傳感器實例一、光纖位移傳感器1.反射式光纖39利用2個探頭獲得的平均輸出可以提供靈敏度，并可獲得目標(biāo)移動方向的信息兩探頭置于目標(biāo)同側(cè)兩探頭置于目標(biāo)兩側(cè)利用2個探頭獲得的平均輸出可以提供靈敏度，并可獲得目標(biāo)移動方40光纖液位傳感器基于全反射原理光纖液位傳感器412.集成光學(xué)微位移傳感器2.集成光學(xué)微位移傳感器42半導(dǎo)體的吸收光譜與材料的Eg有關(guān)，而Eg卻隨溫度的不同而不同。Eg與溫度t的關(guān)系可表示為：t↑Eg↓即本征吸收波長λg∝t二、光纖溫度傳感器1.半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器相對發(fā)光強度透射率LED發(fā)光光譜半導(dǎo)體透射率T1<T2<T3T3T1T2波長透射光強度將隨著溫度的升高而減小，通過檢測透射光的強度或透射率，即可檢測溫度變化。半導(dǎo)體的吸收光譜與材料的Eg有關(guān)，而Eg卻隨溫度的不同而不同432.熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器熱色效應(yīng)：自然界有很多無機溶液的顏色隨溫度升降而變化，因此溶液的光吸收譜線也隨溫度升降而變化。(CH3)3CHOH+CoCl32.熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器熱色效應(yīng)：自然界有很多無機溶液的443.開關(guān)型光纖溫度傳感器1234水銀柱式光纖溫度開關(guān)1浸液；2自聚焦透鏡；3光纖；4水銀采用各種與溫度有關(guān)的遮斷機構(gòu)和材料（可以是石蠟、鐵氧體及水銀柱）響應(yīng)時間長，適用于火災(zāi)報警及溫度設(shè)備監(jiān)視系統(tǒng)3.開關(guān)型光纖溫度傳感器1234水銀柱式光纖溫度開關(guān)45熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)1遮光板；2雙金屬片接收光源12當(dāng)溫度升高時，雙金屬片的變形量增大，帶動遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強發(fā)生變化。4.遮光式光纖溫度傳感器熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)接收光源12當(dāng)溫度升高時，雙金465.其它類型的溫度傳感器①光纖輻射溫度傳感器②熒光輻射溫度傳感器③光纖液體溫度傳感器④光纖偏振溫度傳感器利用硅的旋光性隨溫度調(diào)制的偏振傳感器⑤相位調(diào)制型光纖溫度傳感器如馬赫－澤德爾光纖溫度傳感器5.其它類型的溫度傳感器①光纖輻射溫度傳感器47三、光纖角速度傳感器（光纖陀螺）物理基礎(chǔ)：賽格納克效應(yīng)傳輸時間：N匝光纖，且A=πR2：則相移：三、光纖角速度傳感器（光纖陀螺）物理基礎(chǔ)：賽格納克效應(yīng)傳輸時48光纖傳感器的基礎(chǔ)一課件49四、光纖壓力（振動）傳感器1.光纖壓力（振動）傳感器優(yōu)點：體積小，抗電磁和射頻干擾好，精度高，非接觸性測量①透射式（或反射式）光纖壓力（振動）傳感器四、光纖壓力（振動）傳感器1.光纖壓力（振動）傳感器優(yōu)點：50膜片反射式光纖壓力傳感器光源接收Y形光纖束殼體P彈性膜片Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器如圖。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當(dāng)膜片受壓變形時，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強受到調(diào)制。膜片反射式光纖壓力傳感器光源接收Y形光纖束殼體P彈性膜片Y形51②微彎式光纖壓力傳感器亮場檢測②微彎式光纖壓力傳感器亮場檢測522.光纖水聽器原理：當(dāng)光纖上加以周期性的微彎曲引起的擾動時，光纖內(nèi)的光傳輸損耗將根據(jù)所施加的壓力而產(chǎn)生十分靈敏的變化。2.光纖水聽器原理：當(dāng)光纖上加以周期性的微彎曲引起的擾動時533.光纖加速度傳感器框架的縱向振動會使重物位移而導(dǎo)致光纖伸縮，這種變化可以以光的傳輸時間變化即相位變化的形式加以觀察3.光纖加速度傳感器框架的縱向振動會使重物位移而導(dǎo)致光纖伸54五、光纖電流、電壓傳感器由于光纖本身是很好的絕緣體，采用光纖傳感技術(shù)檢測電流、電壓不受外界電磁干擾，有利于保護(hù)整個系統(tǒng)1.光纖電流傳感器五、光纖電流、電壓傳感器由于光纖本身是很好的絕緣552.光纖電壓傳感器偏振調(diào)制型當(dāng)晶體放在被測電壓（或電場）位置，由于單晶體的折射率系數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致單晶體發(fā)生附加線性雙折射相位調(diào)制型2.光纖電壓傳感器偏振調(diào)制型當(dāng)晶體放在被測電壓（或電場）位56光纖磁場傳感器光纖放射性射線傳感器光纖光譜傳感器光纖圖像傳感器……六、其它類型光纖傳感器光纖磁場傳感器六、其它類型光纖傳感器577.4分布式光纖傳感器隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的日益廣泛，僅僅依靠單點式測量，已難以滿足需求，并且不能充分發(fā)揮光纖傳感器的技術(shù)優(yōu)勢?！罘植际絺鞲衅饕话闶侵福壕哂幸粋€公共數(shù)據(jù)通道并能與控制中心實施通信聯(lián)絡(luò)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。一、概述☆分布式光纖傳感器測量是運用光纖的一維特性進(jìn)行測量的技術(shù)，可同時獲得被測量的空間分布狀態(tài)和隨時間變化的信息。它可以在整個光纖上對沿光纖分布的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測量。在理論上，它可以把被測量作為光纖位置長度的函數(shù)，能得到任意大小的分辨率。7.4分布式光纖傳感器隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)581、反射法：利用光纖在外部擾動作用下產(chǎn)生的Reyleigh、Raman、Brillouin等效應(yīng)進(jìn)行測量的方法。二、分布式光纖傳感器主要技術(shù)測量沿光纖長度上的基本損耗或散射(1)光時域反射法OpticalTime-DomainReflectometry（OTDR）1、反射法：利用光纖在外部擾動作用下產(chǎn)生的Reyleigh59基于瑞利散射或拉曼散射的原理基于瑞利散射或拉曼散射的原理60(2)偏振光時域反射法(POTDR)利用后向散射光的偏振態(tài)信息進(jìn)行分布式測量的技術(shù)(2)偏振光時域反射法(POTDR)612、波長掃描法(WLS)用白光照射保偏光柵，運用快速Fourier算法來確定模式耦合系數(shù)的分布。3、干涉法利用各種形式的干涉裝置把被測參量對干涉光路中光波的相位調(diào)制進(jìn)行解調(diào)，從而得到被測參量信息的方法。4、連續(xù)波調(diào)頻法（FMCW）2、波長掃描法(WLS)62光纖光柵的制作原理：利用光纖材料的光敏性，即外界入射光子和纖芯相互作用而引起后者折射率的永久性變化，用紫外激光直接寫入法在單模光纖（直徑為0.125mm～0.25mm）的纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其實質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的濾光器或反射鏡。其制作方法如下圖所示：制作完成后的光纖光柵相當(dāng)于在普通光纖中形成了一段長度為10mm左右的敏感區(qū)，可以準(zhǔn)確感測溫度、應(yīng)力的變化。三、光纖光柵傳感器光纖光柵的制作原理：利用光纖材料的光敏性，即外界入射光子和纖63光纖光柵屬于反射型工作器件，當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光通過傳輸光纖射入時，它與光場發(fā)生耦合作用，對該寬帶光有選擇地反射回相應(yīng)的一個窄帶光，并沿原傳輸光纖返回；其余寬帶光則直接透射過去。光纖光柵的測量原理光纖光柵屬于反射型工作器件，當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶64光纖光柵傳感技術(shù)特點全光型高精度組網(wǎng)靈活實時性好兼容性強光纖光柵傳感技術(shù)特點65智能材料－航空、航天領(lǐng)域的應(yīng)用采用了FBG傳感器陣列的自適應(yīng)機翼DaimlerChryslerAG裝有FBG氣體溫度傳感器陣列的太空船模型CL-75四、光纖傳感器的應(yīng)用智能材料－航空、航天領(lǐng)域的應(yīng)用采用了FBG傳感器陣列的自適應(yīng)66太空飛船X-38的再入式實驗飛行器（NASA圖片）傳感器布測區(qū)域a.分布式溫度傳感方案b.分布式應(yīng)力傳感方案輸出信號沿光纖傳輸光的背向散射分量光纖溫度傳感元平面溫度場分布輸入信號埋入光纖應(yīng)力傳感元輸入信號光纖監(jiān)測網(wǎng)損傷探測輸出信號太空飛船X-38的再入式實驗飛行器傳感器布測區(qū)域a.分布式溫67智能材料－智能型士兵在服裝材料紡織的同時，實現(xiàn)了光纖和導(dǎo)線織入的全自動化。智能材料－智能型士兵在服裝材料紡織的同時，實現(xiàn)了光纖和導(dǎo)線織68智能型降落傘測試現(xiàn)場錄像智能型降落傘測試現(xiàn)場錄像69橋梁、大壩的監(jiān)測picoWaveReferenceDETECTORFFP-TFCOUPLERDAQ-CARDPCorLAPTOP橋梁、大壩的監(jiān)測picoWaveReferenceDETE70－鉆井平臺的監(jiān)測－鉆井平臺的監(jiān)測71光纖陀螺及慣導(dǎo)系統(tǒng)

日本：MitsubishiprecisionCo.&空間及宇航所M-V火箭系統(tǒng)光纖陀螺及慣導(dǎo)系統(tǒng)

日本：M-V火箭系統(tǒng)72工業(yè)工程傳感器安裝嵌入式FBG溫度傳感器陣列的發(fā)電機定子法國Alstom公司的鐵路部TransportS.A.領(lǐng)導(dǎo)研制的一種安裝了FBG的智能型新型復(fù)合材料的轉(zhuǎn)向架。工業(yè)工程傳感器安裝嵌入式FBG溫度法國Alstom公司的73工業(yè)工程類傳感器－結(jié)構(gòu)和機械類傳感FBG加速度計固定在測試和定標(biāo)用電磁震動臺和振蕩感應(yīng)器上。三軸FBG加速度計的工作原理工業(yè)工程類傳感器－結(jié)構(gòu)和機械類傳感FBG加速度計固定在測試和74石油行業(yè)的地震采集Sabeus公司的光纖聲探測陣列石油行業(yè)的地震采集Sabeus公司的光纖聲探測陣列75第7章光纖傳感檢測技術(shù)第7章光纖傳感檢測技術(shù)76關(guān)于光纖傳感器：從原理上看，以光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，將測量對象的狀態(tài)變成光信號的形式取出；從材料上看以石英為主，適于在高電壓、電磁干擾、海水下以及化學(xué)腐蝕氣氛等環(huán)境條件下使用。2.光纖是優(yōu)越的低損耗傳輸線，使用時可不必考慮測量設(shè)備與被測對象的相對位置，可用于一般電子傳感器難以適應(yīng)的場合。3.光纖傳感器與光電檢測器件、電子裝置有良好的兼容。關(guān)于光纖傳感器：從原理上看，以光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，將測量對象的狀77光纖有很多的優(yōu)點，用它制成的光纖傳感器（FOS）與常規(guī)傳感器相比也有很多特點：抗電磁干擾能力強、高靈敏度、耐腐蝕、可撓曲、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、以及與光纖傳輸線路相容等。光纖傳感器可應(yīng)用于位移、振動、轉(zhuǎn)動、壓力、彎曲、應(yīng)變、速度、加速度、電流、磁場、電壓、濕度、溫度、聲場、流量、濃度、pH值等70多個物理量的測量，且具有十分廣泛的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。光纖有很多的優(yōu)點，用它制成的光纖傳感器（FOS）與常規(guī)傳感器787.1光纖傳感器的基礎(chǔ)一、光纖波導(dǎo)原理斯涅爾(Snell)定律臨界角7.1光纖傳感器的基礎(chǔ)一、光纖波導(dǎo)原理斯涅爾(Snell)79存在的問題：表面污染引起能量損耗解決方案：存在的問題：表面污染引起能量損耗解決方案：80完整光纖模型：光線由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射入纖芯時實現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射角)為NA——定義為“數(shù)值孔徑”。它是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。完整光纖模型：光線由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射81光纖運動路徑不同，使得光脈沖沿光纖展寬——色散改善方法：階躍光纖梯度光纖速度補償二、光纖的特性與分類1.光纖運動路徑不同，使得光脈沖沿光纖展寬——色散改善方法：階躍82階躍光纖梯度光纖階躍光纖梯度光纖832.損耗①吸收損耗：紫外吸收、紅外吸收、雜質(zhì)吸收②散射損耗：瑞利（Rayleigh）散射、拉曼（Raman）散射瑞利散射2.損耗①吸收損耗：②散射損耗：瑞利散射84菲涅耳反射③其它損耗：菲涅耳（Fresnel）反射菲涅耳反射③其它損耗：853.其它分類方式按纖芯和包層材料性質(zhì)分類：玻璃光纖塑料光纖按傳輸模式分類：單模光纖多模光纖按用途分類：通信光纖特殊光纖低雙折射光纖高雙折射光纖涂層光纖液芯光纖激光光纖紅外光纖3.其它分類方式按纖芯和包層材料性質(zhì)分類：按傳輸模式分類：86三、光纖傳感器分類光纖傳感器一般可分為兩大類：①功能型傳感器(FunctionFiberOpticSensor)，又稱FF型光纖傳感器利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件，所以又稱傳感型光纖傳感器。三、光纖傳感器分類光纖傳感器一般可分為兩大類：87②非功能傳感器(Non-FunctionFiberOpticSensor)，又NF型光纖傳感器利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，用以傳輸來自遠(yuǎn)處或難以接近場所的光信號，因此，也稱傳光型光纖傳感器。②非功能傳感器(Non-FunctionFiberOp88

光纖傳感器分類

光纖傳感器分類89光纖傳感器的基礎(chǔ)一課件90光纖傳感器的基礎(chǔ)一課件91四.光纖傳感器的發(fā)展趨勢1.當(dāng)前應(yīng)以傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題作為光纖傳感器的主要研究對象。2.集成化光纖傳感器。3.多功能全光纖控制系統(tǒng)。4.充分發(fā)揮光纖的低傳輸損耗特性，發(fā)展遠(yuǎn)距離監(jiān)測系統(tǒng)。5.開辟新領(lǐng)域。四.光纖傳感器的發(fā)展趨勢927.2光纖的光波調(diào)制技術(shù)光的調(diào)制和解調(diào)可分為：強度、相位、偏振、頻率和波長等方式。光的調(diào)制過程就是將一攜帶信息的信號疊加到載波光波上；完成這一過程的器件叫做調(diào)制器。在光纖傳感器中，光的解調(diào)過程通常是將載波光攜帶的信號轉(zhuǎn)換成光的強度變化，然后由光電探測器進(jìn)行檢測。7.2光纖的光波調(diào)制技術(shù)光的調(diào)制和解調(diào)可分為：強度、相位、93一、強度調(diào)制與解調(diào)光纖傳感器中光強度調(diào)制是被測對象引起載波光強度變化，從而實現(xiàn)對被測對象進(jìn)行檢測的方式。光強度變化可以直接用光電探測器進(jìn)行檢測。強度調(diào)制與解調(diào)原理圖一、強度調(diào)制與解調(diào)光纖傳感器中光強度調(diào)制是被測94當(dāng)垂直于光纖軸線的應(yīng)力使光纖發(fā)生彎曲時，傳輸光有一部分會泄漏到包層中去。1.幾種常用的光強調(diào)制技術(shù)（1）微彎效應(yīng)當(dāng)垂直于光纖軸線的應(yīng)力使光纖發(fā)生彎曲時，傳輸光有一部分95（2）反射式光強度調(diào)制光強大小與光纖端面和被測物體間距離有關(guān)探頭結(jié)構(gòu)（2）反射式光強度調(diào)制光強大小與光纖端面和被測物體間距離有關(guān)96（3）透射式光強度調(diào)制利用透射實現(xiàn)的光強度調(diào)制途徑：①線性位移、角位移②利用光閘（遮光板）進(jìn)行強度調(diào)制光閘類型：光開關(guān)、光劈、可動透鏡、光柵、莫爾條紋（3）透射式光強度調(diào)制利用透射實現(xiàn)的光強度調(diào)制途徑：②利用97

利用折射不同進(jìn)行光強度調(diào)制的原理包括：①利用被測物理量引起傳感材料折射率的變化；②利用漸逝場耦合；③利用折射率不同的介質(zhì)之間的折射與反射。（4）利用折射率變化的光強度調(diào)制利用折射不同進(jìn)行光強度調(diào)制的原理包括：①利用被測物理98（5）光纖的吸收實現(xiàn)光強度調(diào)制

在光纖芯中摻入特殊材料，改變光纖的吸收特性。如摻入產(chǎn)生吸收光譜的材料，由于光纖的吸收損耗的增大導(dǎo)致輸出功率的降低；或摻入產(chǎn)生熒光的雜質(zhì)，利用外來輻射激發(fā)光纖，檢測熒光。（5）光纖的吸收實現(xiàn)光強度調(diào)制在光纖芯中摻入特殊材料992.強度調(diào)制的解調(diào)強度調(diào)制型光纖傳感器的關(guān)鍵是信號功率與噪聲功率之比要足夠大功率信噪比信號電流光信號噪聲電流光電檢測器噪聲電流前置放大器輸入端等效電阻熱噪聲電流PL總光功率Ps信號功率2.強度調(diào)制的解調(diào)強度調(diào)制型光纖傳感器的關(guān)鍵是信號功率與噪100利用外來因素改變光的偏振特性，通過檢測光的偏振面的旋轉(zhuǎn)（即偏振態(tài)的變化）來檢測物理量，稱為偏振調(diào)制。二、偏振調(diào)制與解調(diào)光波是橫波。自然光線偏振光（平面偏振光）圓偏振光橢圓偏振光部分偏振光光纖傳感器中的偏振調(diào)制器常利用電光、磁光、光彈等物理效應(yīng)。利用外來因素改變光的偏振特性，通過檢測光的偏振面的旋轉(zhuǎn)（即偏101當(dāng)壓電晶體受光照射并在其正交方向上加以高電壓，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象——普克耳效應(yīng)。1.調(diào)制原理（1）普克耳（Pockels）效應(yīng)兩正交的偏振光的相位變化：當(dāng)壓電晶體受光照射并在其正交方向上加以高電壓，晶體將102普克耳效應(yīng)的應(yīng)用普克耳效應(yīng)的應(yīng)用103平面偏振光通過帶磁性的物體（或磁場）時，其偏振光面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光矢量旋轉(zhuǎn)角：（2）法拉第磁光效應(yīng)法拉第磁光旋轉(zhuǎn)是一種磁感應(yīng)旋光性費爾德常數(shù)，表征法拉第效應(yīng)的大小H：磁場強度L：作用距離平面偏振光通過帶磁性的物體（或磁場）時，其偏振光面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，104采用YIG的光學(xué)式磁場傳感器采用YIG的光學(xué)式磁場傳感器105（3）光彈效應(yīng)光彈效應(yīng)又稱應(yīng)力雙折射：在垂直于光波傳播方向施加應(yīng)力，材料將產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其強弱正比于應(yīng)力。偏振光的相位變化：（3）光彈效應(yīng)光彈效應(yīng)又稱應(yīng)力雙折射：在垂直于光波傳播方向施106三、相位調(diào)制與解調(diào)基本原理：通過被測能量場的作用，使能量場中的一段敏感單模光纖內(nèi)傳播的光波發(fā)生相位變化，利用干涉測量技術(shù)把相位變化變換為振幅變化，再通過光電探測器進(jìn)行檢測。相位調(diào)制技術(shù)實質(zhì)上是產(chǎn)生光波相位變化的物理機制和光的干涉技術(shù)的綜合應(yīng)用?！顗毫Α埩蜏囟鹊韧庖蚰苤苯痈淖児饫w波導(dǎo)的長度、折射率及其分布以及波導(dǎo)的橫向幾何尺寸等，若這些波導(dǎo)參數(shù)發(fā)生變化，則必然發(fā)生光波的相位變化，從而實現(xiàn)了光纖的相位調(diào)制。三、相位調(diào)制與解調(diào)基本原理：通過被測能量場的作用，使能量場中107（1）邁克爾遜干涉儀1.實現(xiàn)干涉測量的儀器（1）邁克爾遜干涉儀1.實現(xiàn)干涉測量的儀器108特點：沒有或很少有光返回到激光器。

返回到激光器的光會造成激光器的不穩(wěn)定噪聲，對干涉測量不利。（2）馬赫－澤德爾（Mach-Zehnder）干涉儀特點：沒有或很少有光返回到激光器。（2）馬赫－澤德爾（Mac109兩束光均形成傳播方向相反的閉合光路，并在分束器上會合，送入光探測器。（3）塞格納克（Sagnac）干涉儀當(dāng)把這種干涉儀裝在一個可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺上時，若平臺以角速度Ω順時針旋轉(zhuǎn)，則在順時針方向傳播的光較逆時針方向傳播的光有相位延遲：兩束光均形成傳播方向相反的閉合光路，并在分束器上會合，送入光110（4）法布里—帕羅（Fabry-Perot）干涉儀根據(jù)多光束干涉原理，探測器探測到干涉光強度的變化：☆多光束干涉（4）法布里—帕羅（Fabry-Perot）干涉儀根據(jù)多光束1112.四種類型光纖干涉儀結(jié)構(gòu)2.四種類型光纖干涉儀結(jié)構(gòu)112目前主要是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)實現(xiàn)頻率調(diào)制。四、頻率調(diào)制與解調(diào)頻率調(diào)制時光纖往往只起傳輸光信號的作用，而不作為敏感元件。f1f2解調(diào)原理同相位調(diào)制的解調(diào)。（外差檢測）目前主要是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)實現(xiàn)頻率調(diào)制。四、頻率調(diào)制與解1137.3光纖傳感器實例一、光纖位移傳感器1.反射式光纖位移傳感器7.3光纖傳感器實例一、光纖位移傳感器1.反射式光纖114利用2個探頭獲得的平均輸出可以提供靈敏度，并可獲得目標(biāo)移動方向的信息兩探頭置于目標(biāo)同側(cè)兩探頭置于目標(biāo)兩側(cè)利用2個探頭獲得的平均輸出可以提供靈敏度，并可獲得目標(biāo)移動方115光纖液位傳感器基于全反射原理光纖液位傳感器1162.集成光學(xué)微位移傳感器2.集成光學(xué)微位移傳感器117半導(dǎo)體的吸收光譜與材料的Eg有關(guān)，而Eg卻隨溫度的不同而不同。Eg與溫度t的關(guān)系可表示為：t↑Eg↓即本征吸收波長λg∝t二、光纖溫度傳感器1.半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器相對發(fā)光強度透射率LED發(fā)光光譜半導(dǎo)體透射率T1<T2<T3T3T1T2波長透射光強度將隨著溫度的升高而減小，通過檢測透射光的強度或透射率，即可檢測溫度變化。半導(dǎo)體的吸收光譜與材料的Eg有關(guān)，而Eg卻隨溫度的不同而不同1182.熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器熱色效應(yīng)：自然界有很多無機溶液的顏色隨溫度升降而變化，因此溶液的光吸收譜線也隨溫度升降而變化。(CH3)3CHOH+CoCl32.熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器熱色效應(yīng)：自然界有很多無機溶液的1193.開關(guān)型光纖溫度傳感器1234水銀柱式光纖溫度開關(guān)1浸液；2自聚焦透鏡；3光纖；4水銀采用各種與溫度有關(guān)的遮斷機構(gòu)和材料（可以是石蠟、鐵氧體及水銀柱）響應(yīng)時間長，適用于火災(zāi)報警及溫度設(shè)備監(jiān)視系統(tǒng)3.開關(guān)型光纖溫度傳感器1234水銀柱式光纖溫度開關(guān)120熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)1遮光板；2雙金屬片接收光源12當(dāng)溫度升高時，雙金屬片的變形量增大，帶動遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強發(fā)生變化。4.遮光式光纖溫度傳感器熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)接收光源12當(dāng)溫度升高時，雙金1215.其它類型的溫度傳感器①光纖輻射溫度傳感器②熒光輻射溫度傳感器③光纖液體溫度傳感器④光纖偏振溫度傳感器利用硅的旋光性隨溫度調(diào)制的偏振傳感器⑤相位調(diào)制型光纖溫度傳感器如馬赫－澤德爾光纖溫度傳感器5.其它類型的溫度傳感器①光纖輻射溫度傳感器122三、光纖角速度傳感器（光纖陀螺）物理基礎(chǔ)：賽格納克效應(yīng)傳輸時間：N匝光纖，且A=πR2：則相移：三、光纖角速度傳感器（光纖陀螺）物理基礎(chǔ)：賽格納克效應(yīng)傳輸時123光纖傳感器的基礎(chǔ)一課件124四、光纖壓力（振動）傳感器1.光纖壓力（振動）傳感器優(yōu)點：體積小，抗電磁和射頻干擾好，精度高，非接觸性測量①透射式（或反射式）光纖壓力（振動）傳感器四、光纖壓力（振動）傳感器1.光纖壓力（振動）傳感器優(yōu)點：125膜片反射式光纖壓力傳感器光源接收Y形光纖束殼體P彈性膜片Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器如圖。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當(dāng)膜片受壓變形時，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強受到調(diào)制。膜片反射式光纖壓力傳感器光源接收Y形光纖束殼體P彈性膜片Y形126②微彎式光纖壓力傳感器亮場檢測②微彎式光纖壓力傳感器亮場檢測1272.光纖水聽器原理：當(dāng)光纖上加以周期性的微彎曲引起的擾動時，光纖內(nèi)的光傳輸損耗將根據(jù)所施加的壓力而產(chǎn)生十分靈敏的變化。2.光纖水聽器原理：當(dāng)光纖上加以周期性的微彎曲引起的擾動時1283.光纖加速度傳感器框架的縱向振動會使重物位移而導(dǎo)致光纖伸縮，這種變化可以以光的傳輸時間變化即相位變化的形式加以觀察3.光纖加速度傳感器框架的縱向振動會使重物位移而導(dǎo)致光纖伸129五、光纖電流、電壓傳感器由于光纖本身是很好的絕緣體，采用光纖傳感技術(shù)檢測電流、電壓不受外界電磁干擾，有利于保護(hù)整個系統(tǒng)1.光纖電流傳感器五、光纖電流、電壓傳感器由于光纖本身是很好的絕緣1302.光纖電壓傳感器偏振調(diào)制型當(dāng)晶體放在被測電壓（或電場）位置，由于單晶體的折射率系數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致單晶體發(fā)生附加線性雙折射相位調(diào)制型2.光纖電壓傳感器偏振調(diào)制型當(dāng)晶體放在被測電壓（或電場）位131光纖磁場傳感器光纖放射性射線傳感器光纖光譜傳感器光纖圖像傳感器……六、其它類型光纖傳感器光纖磁場傳感器六、其它類型光纖傳感器1327.4分布式光纖傳感器隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的日益廣泛，僅僅依靠單點式測量，已難以滿足需求，并且不能充分發(fā)揮光纖傳感器的技術(shù)優(yōu)勢?！罘植际絺鞲衅饕话闶侵福壕哂幸粋€公共數(shù)據(jù)通道并能與控制中心實施通信聯(lián)絡(luò)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。一、概述☆分布式光纖傳感器測量是運用光纖的一維特性進(jìn)行測量的技術(shù)，可同時獲得被測量的空間分布狀態(tài)和隨時間變化的信息。它可以在整個光纖上對沿光纖分布的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測量。在理論上，它可以把被測量作為光纖位置長度的函數(shù)，能得到任意大小的分辨率。7.4分布式光纖傳感器隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)1331、反射法：利用光纖在外部擾動作用下產(chǎn)生的Reyleigh、Raman、Brillouin等效應(yīng)進(jìn)行測量的方法。二、分布式光纖傳感器主要技術(shù)測量沿光纖長度上的基本損耗或散射(1)光時域反射法OpticalTime-DomainReflectometry（OTDR）1、反射法：利用光纖在外部擾動作用下產(chǎn)生的