《光纤传感器》课件.ppt

第9章 光纤传感器,信息载体光传递媒质光纤兼具光纤及光学测量的特点。,光线传感器与以电为基础的传感器有本质区别。,光纤传感器的特点：,优点：不受电磁干扰，可绕曲，耐腐蚀，高绝缘强度，防爆性好，灵敏度高，能与数字通信系统兼容等。被测量范围广：温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等70多个物理量；应用领域：自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面,一、光纤,1、基本原理1）几何光学的基本定义和定律光在均匀介质中：直线传播在两介质1和2的界面上发生：,反射角入射角1折射角2,2）斯乃尔定律（Snells Law)折射定律,折射定律：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：n1sin1=n2sin 2,光折射示意图 n1、n2 分别为介质1、2的折射率,3）光的全内反射原理,（1）当光由光密介质（大折射率n1）射向光疏介质（小折射率n2）时，2 1,（3）全反射：当1 c，2 90，在界面上发生全反射,（2）折射的临界状态：使2 90的入射角1 称为临界角c,光折射示意图,临界状态示意图,光全反射示意图,2、光导纤维光纤,纤芯：玻璃纤维，折射率n1包层：与纤芯同质，折射率n2 n1护套：塑料，,光线：非全反射，能量迅速衰减，消失光线：在纤芯-包层界面上全反射，不衰减导光原理：光线在纤芯中全反射传播,光纤端面入射角0与包层中折射角 2之间关系,n0sin0=n1sin1n1sin 1=n2sin 2 sin0=(n1/n0)sin1 sin 1=(n2/n1)sin 2,2）数值孔径NA光纤集光性能参数,当光线发生全反射时，2 90，则0c=arcsin NA，光线消失。数值孔径的意义是：无论光源发射功率有多大，只有2c 张角之内的光功率被光纤接受传播。数值孔径是反映纤芯集光性能的主要参数。,c=arc sin NA 为“数值孔径”NA(NumericalAperture)。,光线刚好不发生折射，即：2=90 则临界入射角：,数值孔径的大小由纤芯和包层材料性质决定,数值孔径NA对光传输的影响：大的数值孔径，有利于耦合效率的提高。但数值孔径大，光信号将产生大的“模色散”会使信号发生严重畸变典型的光纤10（sin 10 0.175）石英光纤的NA0.20.4,3）光纤的类型,（1）按折射率变化分类a)阶跃型（stepped）纤芯与包层之间的折射率是突变的，b)渐变型（graded）在纤芯横截面中心处折射率最大其值为n1，由中心向外逐渐变小到与包层交界处折射率n2，通常折射率变化为抛物线型式，又称为梯度型。,（2）光纤按传输模式分类,a）多模光纤纤芯直径在50200m，光信号在光纤中可多光线传输，以多个模式同时传输，由于模间色散较大，限制了传输数字信号的频率和传输距离。可使用LED光源 b）单模光纤纤芯直径很小（810m)，只能传输基模(最低阶模)，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。需要用激光源。现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。,3、光纤的特性指标,评价信号通过光纤的损耗和色散1）损耗特性评价指标：光强的衰减系数a,Pi、Po入射端和出射端光功率，L光纤长度（km）,一般光纤传感器中的光纤L4m，a10dB/km的光纤均可选用实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1.55m波长区的损耗可低到0.18dB/km,2）色散,特别在光纤通讯中，色散使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽,3）光纤的分布类型,影响光纤传感器灵敏度的有：光纤束的数量、尺寸和分布,以及每根光纤的数值孔径,(a)随机分布,(b)半球形对开分布,(c)共轴内发射分布,(d)共轴外发射分布,塑料光纤玻璃光纤,常规光纤与纱芯光纤,217纱芯光纤直径66 m613纱芯光纤直径42m,二、光纤传感器,1、光纤传感器分类及其工作原理A）功能型（元件型）光纤传感器光纤为敏感元件，光在光纤内受被测量调制。此类传感器要求高、成本也高。,光发送器,光受信器,光纤敏感元件,被测物理量,调制光,B）非功能型（传光型）光纤传感器,利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光传输介质，又称为传光型光纤传感器,光发送器,光受信器,传输光纤,被测物理量,调制光,敏感元件,2、光调制解调技术,光的调制：将信号叠加到光波上。调制原理：外界信号可引起光的强度、波长或频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制：分类：强度调制型、频率调制型、相位调制型、偏振调制型,3、几种常用的光强调制技术,1）微弯调制光纤的弯曲能够使光从纤芯射入包层而产生损耗。微弯光纤传感器敏感元件变形器。变形器如一对错开的带锯齿槽的平行板,能引起光纤产生微弯,2）光强度的外调制,调制环节在外部，光纤只起传光作用。分为：反射型和透光型,应用1：反射式光纤位移传感器,工作原理：根据被测目标表面光反射至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。,输入输出特性:,1)位移为零光纤探头端部紧贴被测件表面发射光锥和接收光锥无重合面积,接收光纤中无光信号;2)随着被测表面逐渐远离光纤探头发射光锥和接收光锥重合面积B1增大,接收光纤端面上被照亮的B2区也增大,有一个线性增长的输出信号;3)当接收光纤端面被全部照亮,输出信号达到了位移-输出信号曲线上的“光峰点”,4)当被测表面继续远离,反射光面积B2大于接收光纤端面积C,光纤探头更加远离被测表面使接收到的光强逐渐减小,光敏输出器的输出信号逐渐减弱,进入曲线的后坡区,位移-输出特性曲线,2)后坡区,信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比,可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。3)光峰区,信号达到最大值,其大小取决于被测表面的状态。所以这个区域可用于对表面状态进行光学测量。,1)前坡区输出信号的强度增加得非常快,这一区域可以用来进行微米级的位移测量。,反射型光纤位移传感器的一个典型例子,发射、接收各300根光纤组成一根0.762mm的光缆。光纤内芯是折射率为1.62的火石玻璃，包层是折射率为1.52的玻璃。光缆的后部被分成两支，一支用于发射光，一支用于接收光。光源是2.5V的白炽灯泡，而接收光信号的敏感元件是光电池。光敏检测器输出与接收到的光强成正比的电信号。对于每0.25m位移产生1V的电压输出,分辨率是0.025m。,在压力的作用下，膜片产生挠曲引起膜片位移的微小变化光通量是膜片的形状尺寸以及探头到膜片的平均距离的函数。,构成：反射型光纤传感器的探头前面加上一个膜片,应用2：光纤测压传感器,应用3：光纤麦克风（光纤声音传感器）FOM1,FOM 基于独特的光学感应器技术。一个光束通过光纤被传送到MEMS 薄膜上。声音信号引起薄膜振动调整被反射的光的强度,然后被转换为电信号。,光纤加速度传感器,一个光束通过光纤被传送到硅膜上。加速度或振动信号引起硅膜的位置改变或振动，从而反射光的强度发生改变，通过检测反射光强的变化，可以检测出外界的加速度或振动信号。最后这些信号被转换为电压信号输出。,立体声光纤声音监听器,立体声光纤监听器应用在穿过墙壁进行声音监听等智能战术应用领域。专为特种部队执行监测声音特殊的军事任务设计,透光型：应用1：遮光式光强度调制器,光强度位移变化曲线,a）动光闸式b）动光纤式,应用2：移动光栅光纤传感器,间隙中放置一对光栅,光栅由等宽的全透射和全反射(不透光的)平行线无交替形成的栅格构成。,移动光栅光纤传感器原理图,当这两个光栅发生相对移动时,光的透射强度就随之发生变化。,两根光纤的端面间相隔一微小间隙,由左侧输入光纤的光束,经一小段渐变折射率自聚焦透镜准直后,一部分成为通过两个光栅传输的平行(准直)光束,再经第二个自聚焦透镜,把它们聚焦到输出光纤中。,应用3：在水听器方面应用,它的两光栅中有一个安装在外壳的刚性底板上,而另一个光栅则与一块弹性膜片相连。,三、光纤光栅传感器Brag光栅传感器,OFBGOptical fiber brag grating 光纤光栅：一段光纤，其纤芯具有周期性变化的折射率：其中：光纤光栅的周期（栅距），n 纤芯的平均折射率Brag波长：b=2n特性：入射光中光波長与光纤光柵的布拉格波長b相同的分量会被光纤光柵反射,光纤光栅特性,检测原理,当光纤受到轴伸长时（受应力、温度）栅距 0b=2n（0）b0其灵敏度：1.2pm/测量反射光的波长,检测原理,用一对光耦合器接上波長检测器來量測，可获得布拉格波长的变化利用光纤光栅布拉格波长随温度、应变变化特性，可进行温度、应变、应力、压力等的变化。,应用1：分布式光纤光栅多点测量,参数规格,应用2：光纤光栅应变传感器,为便于保护，传感器被封装于图示的盒子里，光纤从盒子的两侧的小孔引出。在图中，铜片上贴有光纤Bragg光栅的平面面向盒内，以便保护光纤光栅和光纤引线；而另一面则背向盒子，以便粘贴于被测物的表面。为防止潮湿对光纤的侵蚀和破坏，盒子内可注入柔性硅胶。,应用3：光纤光栅温度传感器,封装基本原理：将光纤Bragg光栅与应变隔绝，使之只能感受到环境温度的变化。制作方法首先是将光栅用外径为1.2mm、内径为0.8mm的钢管套装；然后用环氧树脂将套管与传输段光纤粘结在一起，使光栅的一端固定，一端自由；最后将套管的另一端密封。,设计原理图1 1 个固定在拉杆上的FBG 与气室相连。当气室感受到外部压力变化，通过拉杆拉动FBG 产生应力变化，2 1 个非受力FBG 作为温度补偿，抵消温度对测压FBG 的影响。,应用4：FBG 液压传感器,应用5：舰船推进器光纤传感系统,使用了FBG传感器阵列和Flat-Pack，21个应变传感器，3个温度传感器，采样频率2KHz。,作业,9-2 试求光纤数值孔径和最大入射角，并解释光纤数值孔径的物理意义。9-10 简述利用光纤光栅对大型复杂构件进行“健康监测”的原理。分析反射式光强调制器（图9-6）工作原理。,