光纖檢測技術(shù)

2023/12/12感測技術(shù)第七章光纖檢測技術(shù)2023/12/12§7.1光纖的傳光原理及特性§7.2光纖傳感器§7.3功能型光纖傳感器§7.4非功能型光纖傳感器2023/12/12

光纖傳感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時具有光纖及光學測量的特點。概述2023/12/12光纖傳感器的特點:靈敏度高電絕緣性能好抗電磁干擾耐腐蝕、耐高溫體積小、重量輕

光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量2023/12/12§7.1光纖的傳光原理及特性一、結(jié)構(gòu)纖芯保護套包層

光導纖維的導光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，纖芯折射率n1略大于包層折射率n2（n1＞n2）。2023/12/122023/12/12二、光纖的種類按纖芯材料分：玻璃光纖：用常規(guī)玻璃制成，損耗很低；塑料光纖：用人工合成導光塑料制成，其損耗較大，但重量輕，成本低，柔軟性好；石英光纖：光損耗比較小。2023/12/12二、光纖的種類根據(jù)纖芯到包層的折射率的變化規(guī)律分：階躍型光纖：梯度型光纖：2023/12/12二、光纖的種類按傳輸模式分：單模光纖：只能傳播一種模式，單模光纖性能最好，畸變小、容量大、線性好、靈敏度高，但制造、連接困難。多模光纖：

纖芯直徑較大，傳播模式較多，性能較差，帶寬較窄，制造容易，耦合容易。2023/12/12模的概念沿光纖傳輸?shù)墓饪梢苑纸鉃檠剌S向和沿截面的兩個平面波成分；如果沿截面?zhèn)鬏數(shù)牟ㄔ诶w芯和包層之間產(chǎn)生全反射，且每一往復傳輸?shù)南辔蛔兓?π的正數(shù)倍，就會形成駐波；只有能形成駐波的那些以特定角度射入光纖的光波才能在光纖中傳播，這些光波稱為模。2023/12/12三、傳光原理1、斯乃爾定理（Snell'sLaw）

當光由光密物質(zhì)(折射率大)入射至光疏物質(zhì)時，界面處光的傳輸滿足折射定理：n1n2(a)光的折射示意圖參考軸n1n2(b)臨界狀態(tài)示意圖

參考軸n1n2(c)光全反射示意圖參考軸2023/12/122、光纖導光原理全反射時的臨界角滿足：光纖的傳播基于光的全反射原理。當光線在光纖端面入射角增大到某一角度時，光線全部反射。光線全部被反射時的入射角稱臨界角，只要

>，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。2023/12/12產(chǎn)生全反射的最大入射角由斯乃爾定理得：n1n2θ0θ1參考軸參考軸2023/12/123、數(shù)值孔徑（NumericalAperture)只要在2θc張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會進入包層漏光。NA反映了光纖的集光能力；一般NA越大集光能力越強，光纖與光源間耦合會更容易。但NA越大光信號畸變越大，要選擇適當。產(chǎn)品光纖不給出折射率N只給數(shù)值孔徑NA，石英光纖的數(shù)值孔徑一般為：參考軸2023/12/12四、光纖的特性1、損耗

光從光纖一端射入，從光纖另一端射出，光纖的損耗定義為:α－光纖損耗；L－光纖長度；Pi、Po－分別為光纖輸入輸出功率。2023/12/12吸收損耗：物質(zhì)的吸收作用將使傳輸?shù)墓饽茏兂蔁崮?，造成光能的損失。與組成光纖的材料的電子受激躍遷和分子共振有關(guān)。散射損耗：由于材料密度的微觀變化，成分起伏，以及在制造光纖過程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)上的不均勻性或缺陷引起的。彎曲損耗：光纖彎曲時部分光纖內(nèi)的光會因散射而損失掉，造成損耗。傳播損耗分類：2023/12/122.色散

定義：輸入脈沖在光纖傳輸過程中由于光波的群速度不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象。意義：反映傳輸帶寬，關(guān)系到通訊信息的容量和質(zhì)量，光纖色散使傳輸?shù)男盘柮}沖發(fā)生畸變。2023/12/122.色散

分類：材料色散：材料的折射率隨光波長λ的變化而變化，使光信號中各波長分量的光的群速度不同而引起的色散。波導色散：由于波導結(jié)構(gòu)不同，某一波導模式的傳播常數(shù)隨著信號角頻率變化而引起色散。多模色散：在多模光纖中，由于各個模式在同一角頻率下的傳播常數(shù)不同、群速度不同而產(chǎn)生的色散。2023/12/12

3、容量輸入光纖的可能是強度連續(xù)變化的光束,也可能是一組光脈沖.因為色散現(xiàn)象，脈沖展寬，信號畸形，限制了光纖的信息容量和質(zhì)量。光脈沖的展寬程度可用延遲時間來反映。2023/12/124、抗拉強度

可彎曲是光纖的突出優(yōu)點。光纖的彎曲性與光纖的抗拉強度有關(guān)?？估瓘姸却蟮墓饫w,不僅強度高,可撓性也好,同時,其環(huán)境適應性能也強。光纖的抗拉強度取決于材料的純度、分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)、光纖的粗細及缺陷等因素。5、集光本領(lǐng)光纖的集光本領(lǐng)與數(shù)值孔徑有密切的關(guān)系。數(shù)值孔徑大，集光本領(lǐng)也大。2023/12/12五、光纖的耦合光纖耦合器是實現(xiàn)光信號分路/合路的功能器件。耦合分為強耦合和弱耦合兩種。有拼接式、熔融拉錐式和腐蝕光纖耦合器。各種光纖耦合器2023/12/12光纖強耦合是光纖纖芯間形成直通,傳輸模直接進入耦合臂。光纖弱耦合是通過光纖的彎曲,或使其耦合處成錐狀,于是,纖芯中的部分傳導模變?yōu)榘鼘幽?再由包層進入耦合臂中的纖芯,形成傳導模。2023/12/12(a)拼接型光纖耦合器將每根光纖埋入玻璃塊的弧形槽中,在光纖側(cè)面進行研磨拋光,使光纖耦合處的包層厚度達到一定的要求,然后將兩根光纖拼接在一起.2023/12/12（b）熔融拉錐型光纖耦合器將兩根光纖稍加扭絞,用微火炬對耦合部位進行加熱,在熔融過程中拉伸光纖,最后拉細成型。此時,在兩根光纖的耦合部位形成雙錐區(qū),兩根光纖包層合并在一起,纖芯變細,形成了一個新的合成光波通路,從而構(gòu)成弱耦合。2023/12/12(C)腐蝕光纖耦合器將要耦合的光纖的局部外套去掉,扭絞在一起,浸蝕光纖的耦合部位,腐蝕掉大部分包層,并將兩根光纖的纖芯緊緊接觸在一起,然后進行加固。還可通過控制扭力或張力,調(diào)節(jié)光纖間距,以達到調(diào)節(jié)光纖耦合強弱的目的。(a)剝離護套扭絞(b)腐蝕(c)固化2023/12/12傳感器原理及應用§7.2光纖傳感器的分類及構(gòu)成1、光纖傳感器

定義：光纖傳感器是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。由光源、敏感元件(光纖或非光纖的)、光探測器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成。原理：由光源發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導至敏感元件，這時，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光探測器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng)信號處理得到所期待的被測量。2023/12/12工作原理討論：

光是一種電磁波，它的物理作用和生物化學作用主要因其中的電場而引起。因此，討論光的敏感測量必須考慮光的電矢量E的振動，即：

A—

電場E的振幅矢量；φ—

光相位；

ω—

光波的振動頻率；

t—

光的傳播時間?？梢?，只要使光的強度、偏振態(tài)(矢量A的方向)、頻率和相位等參量之一隨被測量狀態(tài)的變化而變化，或受被測量調(diào)制，就可獲得所需要的被測量的信息。

2023/12/122、光纖傳感器的分類

功能型（或稱傳感型、探測型）光纖傳感器非功能型（或稱傳光型、結(jié)構(gòu)型、強度型、混合型）光纖傳感器（1）根據(jù)光纖在傳感器中的作用2023/12/12

功能型（或稱傳感型、探測型）光纖傳感器光纖不僅起傳光作用,又是敏感元件,即光纖本身同時具有傳、感兩種功能。功能型光纖傳感器是利用光纖本身的傳輸特性受被測物理量的作用而發(fā)生變化,使光纖中波導光的屬性（光強、相位、偏振態(tài)、波長等）被調(diào)制這一特點,而構(gòu)成的一類傳感器。加長光纖的長度,可以得到很高的靈敏度。缺點是技術(shù)難度大,結(jié)構(gòu)復雜,調(diào)整較困難。信號處理光探測器光源光纖耦合器被測對象2023/12/12

非功能型光纖傳感器：

光纖僅起導光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。它是在光纖的端面或在兩根光纖中間放置光學材料、機械式或光學式的敏感元件來感受被測物理量的變化,從而使透射光或反射光強度隨之發(fā)生變化。特點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠,技術(shù)上易實現(xiàn)。缺點是光纖不連續(xù),靈敏度較低。信號處理光探測器敏感元件光源光纖2023/12/12圖6.8光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)原理示意圖被測對象被測對象敏感元件被測對象敏感元件被測對象(a)功能型光纖傳感器(b)非功能型光纖傳感器(c)非功能型光纖傳感器(d)探針型光纖傳感器

(非功能型光纖傳感器)2023/12/12（2）根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式光強調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型、

頻率調(diào)制型、相位調(diào)制型

屬于功能型光纖傳感器典型例子：利用光纖在高電場下的泡克耳效應的光纖電壓傳感器,利用光纖法拉第效應的光纖電流傳感器,利用光纖微彎效應的光纖位移（壓力）傳感器等。2023/12/121）光強度調(diào)制型光纖傳感器是一種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，而導致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。2）偏振調(diào)制光纖傳感器是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的傳感器。2023/12/123）頻率調(diào)制光纖傳感器是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進行監(jiān)測的傳感器。4）相位調(diào)制傳感器利用各種干涉技術(shù)對光的相位變化進行測量的光纖傳感器。其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。2023/12/12傳感器光學現(xiàn)象被測量光纖分類干涉型相位調(diào)制光線傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應光彈效應干涉電流、磁場電場、電壓角速度振動、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非

干

涉

型

強度調(diào)制光纖溫度傳感器遮光板遮斷光路半導體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振調(diào)制光纖溫度傳感器法拉第效應泡克爾斯效應雙折射變化光彈效應電流、磁場電場、電壓、溫度振動、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb頻率調(diào)制光纖溫度傳感器多普勒效應受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動、加速度氣體濃度溫度MMMMMMcbb注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型光纖傳感器的分類2023/12/123、光纖傳感器所用器件光源：要求體積小、功率大、波長合適、工作穩(wěn)定激光器二極管、發(fā)光二極管、白熾燈等光電元件（光探測器）：要求靈敏度好、響應快、線性好光電二極管、雪崩光電二極管肖特基光電二極管、光電晶體管其他器件：光纖分路器、耦合器等2023/12/12§7.3功能型光纖傳感器相位調(diào)制型：利用應變、光彈效應的壓力、溫度、加速度傳感器。利用磁致伸縮效應的磁場傳感器。光強調(diào)制型：利用光纖微彎效應的位移、壓力傳感器。臨界角光纖壓力、液位傳感器。偏振光調(diào)制型：利用法拉第磁光效應的電流傳感器。頻率（波長）調(diào)制型2023/12/12一、相位調(diào)制型光纖傳感器1、相位調(diào)制的原理L：光纖長度n1：纖芯折射率λ：光波波長2023/12/12相關(guān)的物理效應應變效應——光纖長度變化光彈效應——光纖芯折射率變化泊松效應——光纖芯直徑變化2023/12/12△Φ：光波相位角的變化量△L：光纖長度變化量△n1：纖芯折射率變化量εL：光纖軸向應變當光纖受到物理量的作用時，相位角變化為：注：忽略纖芯直徑引起的光相位變化2023/12/122、干涉檢測原理光的頻率很高(1014Hz)，光電探測器不能響應如此高的頻率；光波的相位變化不能直接被檢測到。采用干涉測量技術(shù)將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為振幅調(diào)制干涉儀的形式：馬赫-澤德干涉儀邁克爾遜干涉儀塞格納克干涉儀法布里-泊羅干涉儀等2023/12/12結(jié)構(gòu)：分束器1把激光器的輸出光束分成兩部分，經(jīng)上、下光路的傳輸后又重新合路，使其在光檢測器處互相干涉。特點：這種干涉儀靈敏度可精確到10-13nm。但實現(xiàn)非常困難，限制在實驗室工作。馬赫——澤德干涉儀2023/12/12說明：上面介紹的干涉儀,是由空氣光路和多個光學器件(分束器和平面鏡)組合而成的。目前能用于惡劣環(huán)境的極小、長壽命的固體激光器和光檢測器，及一些光路元件，如腐蝕或搭接的光纖—光纖耦合器，以及與它們相應的集成光學元件都能夠從市場上買到。因而，光纖傳感器特別是相位型光纖傳感器的研究和應用得到了很大發(fā)展。一些小型的、穩(wěn)定性高的和非常牢固的干涉儀型光纖傳感器已經(jīng)開始得到應用。2023/12/12

“全光纖”干涉儀結(jié)構(gòu)“全光纖”干涉儀：在上圖所示馬赫―澤德干涉儀中,用兩只3dB耦合器代替兩只分束器。它們可以把激光器的輸出光束分成相等的兩束光,也可以使從兩個光路傳來的光重新合并。這樣就可以直接把激光器的輸出光束耦合到光纖內(nèi),也可以相似地把光纖輸出直接耦合到兩個光探測器中。因此,在光源和檢測器之間,該干涉儀只包含光纖元件。2023/12/12集成化：如果把集成電路技術(shù)和目前的電光技術(shù)能力結(jié)合起來,則可以把其他所有元件(包括激光器、檢測器和信號處理器等)組裝在一小塊與光纖可以對接、耦合簡單的小型集成片上。2023/12/12所有干涉儀型傳感器有個共同之處：在每種傳感器中,光源的輸出光束均被分成兩束或兩束以上的光。這些分開的光束沿不同光路傳輸之后,又重新合并激勵光敏檢測器。所有干涉儀有極高靈敏度,然而由于對使用環(huán)境的嚴格要求，限制了它們在實際條件下的應用。2023/12/123、實例與應用⑴相位調(diào)制型光纖壓力和溫度傳感器激光器擴束器分束器參考光纖測量光纖溫度(壓力)演示2023/12/12⑵光纖加速度傳感器m光纖1殼體質(zhì)量塊光纖2結(jié)構(gòu)特點：干涉儀一條臂中有一段光纖被固定在外殼的上端與懸掛物體之間。而另一段相同長度的光纖則固定在懸掛物體與外殼的下端之間。原理：如果讓加速度計的外殼以加速度a向上運動,那么在加速該物體所需的作用力F的作用下,上面的一段光纖將伸長ΔL,下面的一段光纖則縮短ΔL。檢測相差可得加速度。2023/12/12光纖加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡圖2023/12/12S:光纖截面積△T：每根光纖上張應力的變化量m：質(zhì)量塊質(zhì)量a:加速度2023/12/12E：光纖材料的彈性模量εL：光纖軸向應變2023/12/12⑶光纖磁場傳感器相關(guān)的物理效應：基于法拉第磁光效應

置于外磁場中的物體，在光與外磁場作用下，其光學特性（如吸光特性，折射率等）發(fā)生變化的現(xiàn)象。

基于磁致伸縮效應某些材料在變化的磁場中尺寸發(fā)生變化磁致伸縮效應使得光纖的長度、折射率發(fā)生變化，從而引起光的相移常見磁致伸縮材料：Fe,Ni,Co;Fe-Ni,Fe-Co2023/12/12三種基本結(jié)構(gòu)形式2023/12/12二、光強調(diào)制型光纖傳感器1、光纖微彎位移和壓力傳感器2023/12/12

這類傳感器的敏感元件是一個能引起光纖產(chǎn)生微彎的變形器（波形板）。波形板(變形器)2023/12/12

微彎光纖傳感器是根據(jù)光纖彎曲(微彎)時纖芯中的光注入包層的原理研制而成的。

光纖的彎曲能夠使光從纖芯射入包層而產(chǎn)生損耗，通過檢測纖芯中的傳導光功率，就能測量出與之成一定關(guān)系的壓力的大小。

2023/12/12三、偏振態(tài)調(diào)制型相關(guān)的物理效應：法拉第旋光效應（磁光效應）：某些介質(zhì)中傳播的線偏振光受到沿光傳播方向的磁場作用時，線偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。E介質(zhì)EH2023/12/12激光器I1I1-I2I1+I2I2起偏器檢偏器輸電線I應用：光纖電流傳感器如圖所示,從激光器發(fā)出的激光經(jīng)起偏器變成線偏振光,再經(jīng)顯微物鏡（×10）聚焦耦合到單模光纖中。檢測偏轉(zhuǎn)角的大小,就可得到相應的電流值。2023/12/12θ:偏轉(zhuǎn)角

V:費爾德常數(shù)

L：受磁場作用的光纖長度

H：導線距離為r處的磁場強度2023/12/12受磁場作用的光束由光纖出端經(jīng)顯微物鏡耦合到偏振棱鏡，并分解成振動方向相互垂直的兩束偏振光，它們的光強信號分別為：A—光的電場E的振幅矢量2023/12/12經(jīng)信號處理后輸出信號：N—光纖繞在輸電線上的匝數(shù)由此可見,只要系統(tǒng)的V和N一經(jīng)確定,就可通過輸出信號P的大小,獲得被測輸電線上的電流值。2023/12/127.4非功能型光纖傳感器在輸入光纖與輸出光纖之間放置敏感元件，敏感元件在物理量的作用之下對傳輸?shù)墓鈴娺M行調(diào)制，如：光纖相對位置改變遮斷光路吸收光能量一、傳輸光強調(diào)制型依據(jù)敏感元件對光強的調(diào)制工作，分為傳輸光強調(diào)制型和反射光強調(diào)制型。2023/12/121、改變光纖相對位置⑴受抑全內(nèi)反射光纖壓力傳感器輸出光纖膜片彈簧片輸入光纖支架演示2023/12/12光纖間隙（m)相對透射光強00.4760520xθ90-θ輸入光纖(n)輸出光纖(n)2023/12/12⑵光纖加速度傳感器輸出光纖輸入光支架懸臂光纖質(zhì)量塊阻尼油2023/12/122、遮斷光路的光強調(diào)制型光纖傳感器(1)光柵式光纖水聲傳感器纖芯包層輸入光輸出光可動柵固定柵

兩根光纖的端面間相隔一微小間隙,間隙中放置一對光柵,光柵由等寬的全透射和全反射(不透光的)交替形成的柵格構(gòu)成。當這兩個光柵發(fā)生相對移動時,光的透射強度就隨之發(fā)生變化。2023/12/12相對位移（m)相對光強0151.0輸出光纖輸入光纖光柵膜片2023/12/12(2)具有雙金屬片的光纖溫度傳感器雙金屬片：由兩種不同熱膨脹系數(shù)的金屬片粘合在一起組成。lxhb△T:溫度變化l：雙金屬片長度

K：常數(shù)2023/12/12光纖束光纖束雙金屬片遮光板溫度050光透射率2023/12/123、利用半導體光吸收的光纖溫度傳感器(P136)敏感元件：輸入光纖和輸出光纖兩端面間所夾的一片厚度約零點幾毫米的半導體光吸收片。工作過程：光源發(fā)出的穩(wěn)定光通過輸入光纖傳到半導體薄片,透射光強受到所測溫度的調(diào)制,并由輸出光纖接收,傳到光電探測器轉(zhuǎn)換成電信號輸出,從而達到測溫的目的。2023/12/12工作原理：半導體的禁帶寬度Eg隨溫度T增加近似線性地減小,半導體吸收邊的波長隨溫度增加而向長波長的方向移動。隨著吸收邊波長λg的變長,半導體的透光率增大。即在光源λ一定的情況下,通過半導體的透射光強隨溫度T的增加而減小。2023/12/12溫度K禁帶寬度06002.4GaPGaAsSiInP圖6.21半導體的禁帶寬度與溫度的關(guān)系波長μm相對光強透射率T1T2T3圖6.22半導體的透射光強與溫度的關(guān)系光源光譜吸收邊2023/12/12二、反射光強調(diào)制型光纖傳感器1、光纖位移傳感器發(fā)送光纖束接受光纖束被測物一般用來測量小位移演示2023/12/12位移X反射光強x發(fā)送光纖束接受光纖束反射面2023/12/122、光纖動態(tài)壓力傳感器(P137)發(fā)送光纖束接受光纖束補償光纖束膜片傳感頭整個系統(tǒng)由光源、壓力膜片、光敏二極管、Y形光纖束和放大器等組成。光的反射面是壓力敏感元件膜片,2023/12/12工作原理：當壓力增加（或減?。r,膜片與光纖端面之間的距離將線性地減?。ɑ蛟黾樱?。這樣,光纖接收的反射光強度就將隨壓力變化而線性變化。此時,隨壓力變化的光信號被光敏二極管接收,變成相應的微弱光電流,經(jīng)放大、濾波后輸出與壓力成正比的電壓信號。2023/12/12X（m)反射光強