光纖傳感技術(shù)

光纖傳感技術(shù)第一頁，共六十三頁，2022年，8月28日光纖發(fā)展歷史21870年，英國物理學(xué)家丁達爾的實驗

1960-光纖發(fā)明1966-華裔科學(xué)家“光纖之父”高錕預(yù)言光纖將用于通信。1970-美國康寧公司成功研制成傳輸損耗只有20dm/km的光纖。1977-首次實際安裝電話光纖網(wǎng)路1978-FORT在法國首次安裝其生產(chǎn)之光纖電1979-趙梓森拉制出我國自主研發(fā)的第一根實用光纖，被譽為“中國光纖之父”1990-區(qū)域網(wǎng)路及其他短距離傳輸應(yīng)用之光纖2005FTTH(FiberToTheHome)光纖直接到家庭2009高錕獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

第二頁，共六十三頁，2022年，8月28日3光纖傳感器始于1977年，目前已進入研究與應(yīng)用并重階段。主要優(yōu)點：靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、可撓性強、可實現(xiàn)不帶電的全光型探頭。頻帶寬、動態(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算機和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的遙測和控制可用高溫、高壓、強電磁干擾、腐蝕等惡劣環(huán)境。結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗能少。第三頁，共六十三頁，2022年，8月28日4一次涂覆層纖芯

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，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。4、尼龍或其他有機材料，提高機械強度，保護光纖。2.光纖傳感器的基礎(chǔ)第四頁，共六十三頁，2022年，8月28日5光纖的光波導(dǎo)原理①②n1n2n2n2n1光纖的臨界角對應(yīng)光纖的入射角臨界值為：第五頁，共六十三頁，2022年，8月28日漸變光纖的導(dǎo)光原理示意圖6在漸變光纖中光線傳播的軌跡近似于正弦波。第六頁，共六十三頁，2022年，8月28日光纖的分類7

石英系列光纖（以SiO2為主要材料）按光纖組成材料劃分多組分光纖（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）第七頁，共六十三頁，2022年，8月28日光纖的纖芯折射率剖面分布82b2b2b2c2a2a2a

nnnn1n1n1n2n2n2n3

0abr0abr0acbr

（a）階躍光纖（b）漸變光纖（c）W型光纖

第八頁，共六十三頁，2022年，8月28日9光纖的類型第九頁，共六十三頁，2022年，8月28日光纖中的重要參數(shù)10為表示光纖的集光能力大小，定義光纖波導(dǎo)臨界入射角的正弦值為光纖的數(shù)值孔徑（NA），即：1、數(shù)值孔徑（NA,NumericalAperture）當(dāng)光線在纖芯與包層界面上發(fā)生全反射時，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？？第十頁，共六十三頁，2022年，8月28日2、光纖中的模式(FiberMode)11

電磁波的傳播遵從麥克斯韋方程，而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，可求得滿足波動方程的特定的離散的解，而某一個解代表許多允許沿光纖波導(dǎo)傳播的波，每個允許傳播的解稱為光纖的模式，每個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。光纖中的重要參數(shù)第十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日3、光纖的歸一化頻率V

12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；

λ——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)V<2.405時，光纖中只允許一個模式傳播，即基模。第十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日模式特性

當(dāng)0＜V＜2.405時,光纖中除主模（或基模）HE11模以外，其余模式均截止，此時可實現(xiàn)單模傳輸。13單模傳輸條件多模傳輸?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)為第十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日14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時的波長。4、截止波長λc第十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日光纖的損耗特性15損耗的定義當(dāng)光在光纖中傳輸時，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)α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。第十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日光纖的損耗16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-

離子彎曲損耗第十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日17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)墓庑盘枺S傳輸距離增加，由于不同成分的光傳輸時延不同引起的脈沖展寬的物理效應(yīng)。色散主要影響系統(tǒng)的傳輸容量，也對中繼距離有影響。色散的大小常用時延差表示，時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。第十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日18

波導(dǎo)色散和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?？梢院雎?。采用激光光源可有效減小材料色散的影響。第十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日19光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器（FunctionFiberOpticSensor），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-FunctionFiberOpticSensor），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)。光纖傳感器的分類第十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日20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、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)換元件實現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用。第二十頁，共六十三頁，2022年，8月28日21光纖傳感器的分類列表第二十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日222光纖的光波調(diào)制技術(shù)強度調(diào)制相位調(diào)制偏振調(diào)制頻率調(diào)制

波長調(diào)制第二十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日231、強度調(diào)制：IDttIS信號入射光強度調(diào)制光源出射光輸出ID光探測器強度調(diào)制原理IOtIit第二十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日24強度調(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)致光強度發(fā)生變化來實現(xiàn)敏感測量的。第二十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日25光是一種橫波。光振動的電場矢量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：檢偏器第二十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日26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，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；λ—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)用第二十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日27法拉第效應(yīng)（磁光效應(yīng)）某些物質(zhì)在磁場作用下，線偏振光通過時其振動面會發(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θ與光在物質(zhì)中通過的距離L和磁場強度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。第二十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日28光彈效應(yīng)在垂直于光波傳播方向上施加應(yīng)力，被施加應(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；L—

光波通過材料的長度。此時出射光強為：光彈效應(yīng)示意圖第二十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日29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No.2時，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，ne<n0，所以兩光束分開。偏振角為θ。光束傳播示意圖eooe45o第二十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日30

偏振角與光分量的關(guān)系：

偏振角θ與光源強度和通道能量衰減無關(guān)，只與兩分光束的光強有關(guān)系。由偏振角θ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：第三十頁，共六十三頁，2022年，8月28日31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：光外差檢測原理第三十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日32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實現(xiàn)的干涉型光纖傳感器。第三十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日331.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，射到光檢測器上的兩相干光束即產(chǎn)生干涉，且相位差為：傳感器第三十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日34傳感器2.馬赫－澤德爾干涉儀由移動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：沒有激光返回激光器，噪聲小，穩(wěn)定性好。對干涉影響小。第三十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日353.薩格納克干涉儀激光器輸出的兩束光沿著一條由一個分束器和三個平面鏡構(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，兩方向相反的光束到達檢測器的延遲不同，從而產(chǎn)生相位變化。若平臺以角速度Ω順時針旋轉(zhuǎn)時，則在順時針方向傳播的光較逆時針方向傳播的光延遲大。這個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)計基礎(chǔ)。第三十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日364.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，其干涉光強度的變化為：第三十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日375.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第三十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日384、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)實現(xiàn)頻率調(diào)制。如圖所示,P點物體的運動將S點光源發(fā)出的光散射到Q點被觀察到，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。第三十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日393光纖傳感器實例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度的變化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。第三十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日40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，無光接收沒有電信號。2、被測表面逐漸遠離探頭時，有一個線性增長的輸出信號。有一最大輸出值—“光峰點”。3、繼續(xù)遠離時，輸出信號越來越弱，與距離平方成反比。第四十頁，共六十三頁，2022年，8月28日41第四十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日42第四十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日內(nèi)調(diào)制式位移傳感器43

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，纖芯中的光部分透入包層，造成傳輸損耗。微彎程度不同，泄漏光波的強度也不同、從而實現(xiàn)了光強度的調(diào)制。由于光強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.第四十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日44He—Ne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長的光纖上涂上黑色涂料，以便消除包層模中的光。第四十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日45變形器由兩塊有機玻璃波紋板組成，每塊波紋板共有5個波紋，每個波紋的長度為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)生動態(tài)位移。第四十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日用體積為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個內(nèi)表面安裝著6個太陽能電池。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。46第四十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日相位干涉式位移傳感器47

Mach-Zehnder光纖干涉儀是應(yīng)用較為廣泛的一種干涉儀。可以用于測量位移，其工作原理如圖第四十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日

48第四十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日49

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，通常在包層外再涂覆一層特殊材料。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)光纖表面涂覆對其它物理量敏感的材料時，例如磁致伸縮材料、鋁導(dǎo)電膜和壓電材料等，則可以實現(xiàn)對其它物理量，如磁場、電流、電壓等的檢測。第四十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日50光纖液面位移傳感器光纖液面位移傳感器還可作為濃度計測量液體濃度，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)第五十頁，共六十三頁，2022年，8月28日51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第五十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日52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、遮光式光纖溫度計第五十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日53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