传感器原理与应用(中).ppt

传感技术是信息产业的三大支柱之一。光纤传感技术一直处于传感技术发展的前沿。,光纤传感技术,光纤传感技术优点：,光纤不带电；抗电磁干扰;防爆、防燃；质量轻,体积小；可长期监测。,这些优点决定其在国家重大工程安全监测方面具有独特的优势。,光纤传感示意图,光纤传感技术,光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。,光纤传感分类,光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能型传感器，又称NF型光纤传感器。,功能型光纤传感,这类传感器利用光纤 本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。,全光纤型传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。,拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤探针、光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器光纤光栅传感器等。,非功能型光纤传感,传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。,“有关光在纤维中的传输以用于光学 通信方面”取得了突破性成就2009年 诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家 高锟 高锟-光纤之父 1966年，高锟发表了一篇题为光频率介质纤维表面波导的论文，开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理，描述了长路程及高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性。简单地说，只要解决好玻璃纯度和成分等问题，就能够利用玻璃制作光学纤维，从而高效传输信息。,光纤技术历史,1960年，梅曼发明第一台“红宝石激光器”。激光频谱窄；方向性好；相干性。（理想的光载波）1966年，高锟和霍克哈姆指出利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径。（理论基础）1970年，康宁公司研制光纤损耗20dB/km（光纤商用）1970年1979年，光纤损耗0.2dB/km以下1970年，光源取得实质性进展。研制成功室温下连续振荡的镓铝砷双异质结半导体激光器(短波长),光纤技术发展,光纤技术,1970-1980，主要以强度调制型光纤传感器的研究为主。1980-1990，开始大规模研究干涉型光纤传感技术。1990-2000，光纤光栅（FBG）传感技术进入一个研究热潮。2000-至今，光纤传感技术进入商业化进程。,光纤传感,光纤通信,1976年，美国在亚特兰大进行第一个光纤通信现场实验，速率44.7Mb/s1980年，美国铺设东西干线和南北干线，22个州1983年，日本南北光缆干线，全长3400km1989年，第一条横跨太平洋光缆建成，全长13200km90年代，我国光缆干线“八横八纵”，全长8万公里,光纤传感的形成,实际光纤通信过程中发现,光纤受到外界环境因素的影响。如压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。因此，测量出光波量变化的大小，就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小于是就出现了光纤传感器技术。,光纤传感优势,电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。光路可弯曲，对被测信号远距离监控。非侵入性。高灵敏度。,光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量,电绝缘性能好（不可能产生静电火花）,抗电磁干扰能力强：,辐射干扰,Electromagnetic Interference（EMI）,传导干扰,天电噪声宇宙射线,人为的干扰源,EMI是干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪音，EMI通常由电磁辐射发生源如马达和机器产生。在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。,包括,从干扰信号的频率范围来分，可以把干扰源分为工频干扰源（50Hz及其谐波）低频干扰源（30Hz以下）射频及视频干扰源（300kHz以上）微波干扰源（300MHz100GHz）,虽然光和电都属于电磁波，但频率范围相差很大。一般微波干扰频率在吉赫10GHz，光纤工作频率在 200THz,光路可弯曲，对被测信号远距离监控：,泄漏小，信息的保密性能好 光纤传输光泄漏非常微弱，弯曲地段无法窃听没有专用的特殊工具，光纤不能分接，信息在光纤中传输非常安全。？,（1）从光纤中折射出来的光线被设备中的光学检测设备拾取（2）然后发送给光电转换设备（3）光电转换装置将光信号转换为电信号，然后通过以太网线将数据传送到黑客的笔记本电脑上。黑客在笔记本电脑上运行某种sniffer软件，可以观察到目标光纤网络中传递的各种数据。,光纤的结构,光纤呈圆柱形，它由纤芯和包层两个同心圆柱的双层结构组成。,纤芯 core：折射率较高，用来传送光；包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件；保护套 jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。,光纤的尺寸,外径一般为125um(一根头发平均100um)内径：单模9um 多模50/62.5um,光纤的分类,按材料分类：石英光纤：纤芯与包层都是SiO2，损耗小，传输距离长，成本高；聚合物光纤（塑料光纤）：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。,Smart Clothing,光纤的分类,按照光纤的模式分类单模（Single-Mode）多模（Multi-Mode）,G.651：多模光纤，在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统。G.652：常规单模光纤，在波长1.31m色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。,光纤导光原理,斯乃尔定理（Snells Law）当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图(a),可见，入射角i增大时，折射角r也随之增大，,NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2i张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA,光纤的集光能力,数值孔径NA,光纤的传输特性,单模光纤中损耗的功率可用损耗系数来描述，它表示单位长度光纤的损耗功率。如果沿长度方向的损耗是均匀的，那么在知道输入功率Pi后，沿光纤长度方向上任一点z处的功率Po便可用损耗系数表示,损耗（Loss）,dB(Decibel):表征相对值的值，纯粹的比值，只表示两个量的相对大小关系，没有单位。,dBm:表示功率绝对值的值（也可以认为是以1mW功率为基准的一个比值）。,基础知识,损耗的机理吸收损耗：由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生。散射损耗：由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。,1550 nm:0.2 0.3dB/Km1310 nm:0.35 0.5 dB/Km850 nm:2.3 3.4 dB/Km光纤熔接点损耗：0.2dB/点,模间色散：只发生在多模光纤，因为不同模式的光沿着不同的路径传输。材料色散：不同波长的光行进速度不同。波导色散：发生原因是光能量在纤芯及包层中传输时，会以稍有不同的速度行进。在单模光纤中，通过改变光纤内部结构来改变光纤的色散非常重要。,光纤的传输特性,色散(Dispersion),由于光线的基本结构不完美，引起的光能量损失，此时光的传输不再具有很好的方向性。,光纤的传输特性,散射（Scattering）,光纤传感的重要器件：一,光源,光源的分类,非相干光源 包括白光源与发光二极管相干光源 包括各种激光器：半导体激光器、氦氖激光器、固体激光器,相干光源 原理,能级的跃迁：原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发生量子（能级）跃迁，对于大量原子组成的体系来说，同时存在光的受激吸收、自发辐射和受激辐射三个状态。,受激吸收和自发辐射,受激吸收过程：,自发辐射过程,受激辐射（1917年爱因斯坦提出）,激光(相干光源)的产生,1.粒子数反转,产生激光的必要条件：1.实现粒子数反转 2.具有谐振腔结构,2.光学谐振腔,谐振腔长度：,光纤传感常用激光器,半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、功耗低、驱动电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、使用安全、其应用领域非常广泛。,半导体激光器,半导体激光器工作原理,半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，并利用光学谐振腔的正反馈实现光放大而产生激光。,常用的半导体光源,FP谐振腔型（DH-LD）分布反馈型（DFB）超辐射发光二极管（SLD）发光二极管（LED）,F-P谐振腔激光器结构,FP谐振腔型LD,DFB激光器,由有源层发射的光，从一个方向向另一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)，另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。如果光线a和b匹配，相互叠加，则产生更强的反馈，而其他波长的光将相互抵消。,只有符合反射条件的光会得到强烈反射经历放大过程,DFB激光器与FP激光器相比，具有以下优点：,1.单纵模激光器 FP激光器谐振腔的长度较长，频率间隔小选频困难；DFB激光器的光栅周期相当于微型谐振腔，长度很小，因此频率间隔大，易于选频，形成单频振荡。2.波长稳定性好由于光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上，因而波长的稳定性得以改善,DFB激光器照片,发光二极管(LED),发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)有所不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。,激光器相比，发光二极管输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。,超辐射发光二极管(SLD),SLD光源是在激光二极管(LD)的基础上改造而成，通过对SLD施加较大的驱动电流，在双异质结处产生较强的粒子数反转，从而提高自发辐射光子的单程增益，因此,即便由于抑制激光效应而减少了光子在腔内的反馈次数,但SLD仍然具有相对较高的输出功率。主要应用于光纤陀螺,光纤陀螺的概述,光纤陀螺是一种轻便的由固体元件组成的全固态器件，作为新一代角速度敏感器件。,光纤陀螺实物：,光纤陀螺的概述,基本原理：Sagnac 效应,萨纳克效应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点。若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差及与之相应的相位差的信息，即可得到旋转角速度。,系统静止 系统旋转,传输相位差：,如何检测相位差？利用光的干涉：振动频 率相同、方向相同、相位差恒定,通过检测光强来检测相位差，进而检测转动角速率。,光纤陀螺的概述,光纤陀螺的概述,光纤陀螺的优点,与机电陀螺或激光陀螺相比，光纤陀螺具有如下特点：(1)较强的抗冲击和抗加速运动的能力;(2)检测灵敏度和分辨率高精度;(3)较长的使用寿命；(4)可以实现不同的精度，并具有较宽的动态范围;(5)瞬间启动，无需预热;(6)结构简单、价格低，体积小、重量轻,光纤陀螺的发展现状,美国,美国在光纤陀螺的研究方面一直保持领先地位。目前美国国内已经有多种型号的光纤陀螺投入使用。,日本,日本紧随美国之后，在中低精度陀螺实用化方面走在了世界前列。许多公司都开始批量生产多种中低精度的光纤陀螺。,中国,我国光纤陀螺的研究相对起步较晚，但是在广大科研工作者的努力下，已经逐步拉近了与发达国家间的差距。,光纤陀螺的发展现状,光纤陀螺应用级别划分,标度因数：陀螺仪输出量与输入角速度的比值，反映陀螺的灵敏度。,光纤陀螺的应用,速率级,机器人,地下建造隧道,管道路径勘测装置,汽车导航,光纤陀螺的应用,战术级,战术导弹 近程/中程导弹,装甲车和坦克,制导鱼雷,惯性级、战略级光纤陀螺主要是用于空间定位和潜艇导航，其开发和研制正逐步走向成熟，美国有关公司和研究机构是研制、生产该级别光纤陀螺的佼佼者，如Honeywell、Northrop等公司。,光纤陀螺的应用,最新应用：,天宫一号,光纤陀螺作用：,精确地感知自身的微小动作，从而更好地确保飞行姿态精确控制以及与飞船交会对接。,激光器的应用,激光，作为一种新类型的光登上舞台，带来光学应用技术的革命，已在生产、生活、国防的各个方面都有着应用，几乎成为所有现代技术依赖的手段。在此不可能加以详述，仅就一些常见的应用作简要介绍。,1.用激光固定原子：气态原子、分子处在永不停息的运动中（速度接近340m/s），且不断与其它原子、分子碰撞，要“捕获”操纵它们十分不易。1997年华裔科学家、美国斯坦福大学朱棣文等人，首次采用激光束将原子束冷却到极低温度，使其速度比通常作热运动时降低，达到“捕获”操纵的目的。,具体作法是，用六路两两成对的正交激光束，沿三个相互垂直的方向射向同一点，光束始终将原子推向这点，于是约106个原子形成的小区，其温度在240K以下。这样使原子的速度减至10m/s量级。后来又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在约1s内从控制区坠落后被捕获。,2.激光测距 激光雷达 激光准直 利用激光的高亮度和极好的方向性，做成激光测距仪、激光雷达和激光准直仪。激光制导的导弹，头部有四个排成十字形的激光接收器（四象限探测仪）。如果四个接收器收到的激光一样多，就按原来方向飞行，如果有一个接收器接收的激光少了，它就自动调整方向。另一类可用激光束照射要打击的目标，经目标反射的激光被导弹上的接收器收到，引导导弹击中目标。,3.全息技术是1948年英国科学家盖伯提出的一种新的成像原理，“全息”一词引处希腊语，是“完全”的意思。但由于当时没有好的相干光源，因而无法获得好的相干像片。激光的出现，使全息术飞速发展成为一个新领域，盖伯因此获1971年诺贝尔物理学奖。,普通照像是把从物体表面发出的光经过透镜，在感光底片上记录下物体的光强分布，再翻印到相纸上，呈现出物体的平面图像。普通照像只记录了物体表面的光强分布，没有记录到物体各部分到观察者的远近和角度，即没记录下物体发出光线的相位分布，这样的像没有立体感。全息照像是用相干光照射物体，从物体反射或漫射的光不是用透镜成像而是直接照射到全息底片上，用干涉现象把那些光的光强分布和相位记录下来。底片上没有被拍物体的形象，在显微镜下可看到的是一幅长短不一、间距不等、走向不同的复杂干涉条纹，称为全息图。,4.光刻技术：如光刻集成电路、光盘。光盘的外形有点像唱片，写入读出的原理也和机械唱片差不多，只是用激光束来代替唱针，因为激光的相干性很好，用聚光系统可以把激光聚焦成比针头还细小的光束，所以它在介质上写入信息所占空间尺寸可以非常小（小于1nm）因而信息存储密度很大。CD唱片是用声音调制了的激光束刻制光盘，由于在读写光盘时光点与光盘无机械接触，就不存在由摩擦引起的杂音，同时也无磨损，因而光盘音质佳、寿命长。,5.生物应用：生物育种上可以采用“诱发育种”方法培育良种，诱发育种也有化学诱变、核辐射诱变、光诱变等，激光照射属光诱变。生物组织吸收激光能量后，将会使生物体发生光-生物热效应、生物光压效应、生物光化学效应、生物电磁效应和生物刺激效应，由此引起生物遗传异变。我国已用激光照射种子培育新品种，改善品质。,光无源器件,光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC）光纤耦合器/分路器光分插复用器（OADM)光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM)光衰减器（固定、连续）光滤波器（带通、带阻）光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）光偏振态控制器、光纤光栅,光纤传感的重要器件：二,常用连接器类型,常用连接器类型,FC Type,常用连接器类型,SC Type,常用连接器类型,SC2 Type,常用连接器类型,FDD Type,常用连接器类型,BICONIC Type,D4 Type,SMA 905 Type,SMA 906 Type,MINI BNC Type,连接头端面类型,光纤熔接机,耦合器（coupler）,基本结构耦合器是双向无源器件基本形式有树型、星型与耦合器对应的有分路器（splitter）,光纤拉锥机,波分复用器（WDM）,WDM主要是把信号中的波长分开，耦合器是把信号中的能量分开。,隔离器,光隔离器的性能是光正向通过时衰减很小，但反向通过时衰减很大的器件。相当于一种光非互易传输耦合器，所依据的基本原理是法拉第旋光效应。,光隔离器原理,光衰减器,光衰减器是用来在光纤线路中产生可以控制的衰减的一种无源器件。在光纤测试系统中，则可用衰减器来取代一段长光纤以模拟长距离传输情形。这种衰减器使用的原理是当两根光纤端面间距和角度不同情况下相对时，引入的插损。,光环行器,光开关,光开关功能：转换光路,实现光交换。光开关可分两类：机械光开关，利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路转换。固体光开关：利用磁光效应、电光效应或声光效应实现光路转换。,光器件与电器件类比,光检测器,光纤传感的重要器件：三,“光照产生光电流”,原理：光电效应,光电二极管,太阳能电池,PIN光电二极管,雪崩光电二极管,