光纤传感技术重点课件.ppt
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1、2022年12月1日,1,第七章 光纤传感技术,光纤的基本概述功能型光纤传感器非功能型光纤传感器光纤传感器的应用举例,光导纤维传感器(简称光纤传感器)是20世纪七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤最早用于通讯,随着光纤技术的发展,光纤传感器得到进一步发展。 与其它传感器相比较,光纤传感器有如下特点: 1.不受电磁干扰,防爆性能好,不会漏电打火; 2.可根据需要做成各种形状,可以弯曲; 3.可以用于高温、高压,绝缘性好,耐腐蚀。,基本采用石英玻璃, 主要由三部分组成 中心纤芯; 外层包层; 护套尼龙料。 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质, 纤芯折射率n1略大于包层折射率n2( n1
2、 n2 )。,第一节 光纤的结构与传光原理,(一)光纤的结构,单模:8 10m多模:大于50m,包层,玻璃纤维,尼龙外层,涂敷层,纤芯,外层直径1mm,一、结构和种类,2022年12月1日,4,阶跃折射率光纤,(二) 光纤的种类,光纤按纤芯和包层材料的性质分类,有玻璃光纤和塑料光纤两类;按折射率分有阶跃型和梯度型二种 。,右图所示为阶跃型光纤,纤芯的折射率n1分布均匀,不随半径变化。包层内的折射率n2分布也大体均匀。可是纤芯与包层之间折射率的变化呈阶梯状。在纤芯内,中心光线沿光纤轴线传播。通过轴线平面的不同方向入射的光线(子午光线)呈锯齿形轨迹传播。,2022年12月1日,5,渐变 剖面n(r
3、),梯度折射率光纤,右图所示为梯度型光纤,纤芯的折射率n1不是常数,从中心轴线开始沿径向大致按抛物线规律逐渐减小。因此光在传播中会自动地从折射率小的界面处向中心会聚。光线偏离中心轴线越远,则传播路程越长。传播的轨迹类似正弦波曲线。这种光纤又称自聚焦光纤。右下图所示为经过轴线的子午光线传播的轨迹。,2022年12月1日,6,名词解释:子午光线,当入射光线通过光纤轴线,且入射角1大于界面临界角 时,光线将在柱体界面上不断发生全反射,形成曲折回路,而且传导光线的轨迹始终在光纤的主截面内。这种光线称为子午光线,包含子午光线的平面称为子午面。,2022年12月1日,7,子午平面,光纤的另一种分类方法是按
4、光纤的传播模式来分,可分为多模光纤和单模光纤两类。多模光纤多用于非功能型(NF)光纤传感器;单模光纤多用于功能型(FF)光纤传感器。下面介绍模的概念,模的概念,在纤芯内传播的光波,可以分解为沿轴向传播的平面波和沿垂直方向(剖面方向)传播的平面波。沿剖面方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上将产生反射。如果此波在一个往复(入射和反射)中相位变化为2的整数倍,就会形成驻波。只有能形成驻波的那些特定角度射入光纤的光才能在光纤内传播,这些光波就称为模。在光纤内只能传输一定数量的模。通常纤芯直径较粗(几十微米以上)时,能传播几百个以上的模,而纤芯很细(510微米),只能传播一个模。前者称为多模光纤,后者为
5、单模光纤。,2022年12月1日,10,光进入光学纤维后,多次在内壁上发生全内反射,光从纤维的一端传向另一端.,光学纤维:中央折射率大,表层折射率小的透明细玻璃丝.,二、 光纤的传光原理,图7-3 (a) 光线入射角小于临界角,当光线以较小的入射角,由光密媒质进入光疏媒质时,一部分光线被反射,另一部分折射入光疏媒质。如图所示。折射角满足斯奈尔(Snell)定律则,图7-3 (b) 光线入射角等于临界角,当逐渐加大入射角1,一直到c,折射光就会沿着界面传播,此时如右图所示折射角190o。这时,入射角1 c, c称为临界角,由下式决定:,2,图7-3 (c) 光线入射角大于临界角,折射率 n1,当
6、继续加大入射角1,(即1c), 光不再产生折射,只有反射,形成光的全反射现象,如右图所示。,外反射:,入射角大于临界角的光线发生全反射,内反射,全内反射:,图7-4 光纤导光示意图,阶跃型多模光纤的传光原理,光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时,在端面发生折射后进入光纤; 光线在光纤端面入射角减小到某一角度 c时,光线全部反射。 只要c,光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播,最后从另一端面射出。,由斯奈尔(Snell)定律:,若满足,即,就能产生全反射。可见,光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质(n1、n2)决定的,与光纤的几何尺寸无关。,入射角的最大值 为:,将
7、sinc定义为光导纤维的数值孔径,用NA表示,则,NA意义讨论: 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2c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。,2008-10-17,2022年12月1日,22,三、传光损耗,在实际上,光纤传光中,存在费涅耳反射损耗、光吸收损耗、全反射损耗以及弯曲损耗等。下面简要分析阶跃型多模光纤的损耗。,当n0 n1入射角小于临界角时,在界面上将产生反射和折射光束。,1,折射率
8、n1,折射率 n0,2,1 c,入射光 Ii,反射光 Ir,折射光,设入射光束的光强为Ii,反射光束的光强为Ir,定义R= Ir / Ii为费涅耳反射损耗,由费涅耳公式可以推导出费涅耳反射损耗为,(一)费涅耳反射损耗,光强的透射系数T1应为,光通过媒体时,或多或少要被媒体吸收。 由普通物理学可知,透过媒体的光强I与入射光强I0之间有以下关系:,(二)光吸收损耗,入射光强I0,式中:a光纤纤芯的吸收系数,x光透过媒体层的距离,(7-6),当子午光线沿光纤传播时,光路的长度x和实际光纤长度L不相同,由上图可知,与光程AB相对应的光纤长度是AC,所以光纤单位长度上的几何程长lm为,入射光强I0,这样
9、,光路长度为,lm,将,由上式可知,光在光纤全程传播中,因光吸收损耗,透过光将受到衰减。光纤越长,光能量衰减越大。将透过光与入射光强的比值定义为透射系数T2,即,代入式,则得,(三)全反射损耗,全反射损耗纤层和包层之间的界面不平滑引起散射和包层媒体的光吸收作用所引起的损耗。由下图可以看出,光路在2AC长的光纤中反射一次。当光纤长度为L时,总反射次数N为L/2AC。当光纤的直径为d时,,入射光强I0,lm,则,2022年12月1日,28,由上式可知,随着入射角的增加,光路长度和反射次数也会增加,光的衰减也会越来越严重。考虑每次全反射的损耗率为A,则光强的透射系数T3为,2022年12月1日,29
10、,将三种损耗综合考虑,可以得出光纤的总透射率T为:,式中: T光纤的总透射率R费涅耳反射损耗率a光纤纤芯的吸收系数L光纤总长度d光纤纤芯的直径1光线在光纤端面上的折射率,四、光纤传感器的分类,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。,2022年12月1日,31,四种相位调制类型的光纤干涉仪的结构,A:迈克尔逊干涉仪;b:马赫-泽德干涉仪;c:塞格纳克干涉仪;d:法布里-珀罗干涉仪,功能型光纤传感器,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
11、态等光学特性得到调制,调制后的信号携带了被测信息。优点:结构紧凑、灵敏度高。缺点:须用特殊光纤,成本高,典型例子:光纤陀螺、光纤水听器等。,非功能型光纤传感器,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,光纤只起传光作用。优点:无需特殊光纤及其他特殊技术,比较容易实现,成本低。缺点:灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。,(一) 相位调制的原理,相位调制的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用,使敏感元件的折射率或传播常数发生变化,而导致光的相位变化,使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化,通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量,从而得
12、到被测对象的信息。,第二节 功能型光纤传感器,一、相位调制型光纤传感器,当一束波长为的相干光在光纤中传播时,光波的相位角与光纤的长度L、纤芯折射率n1和纤芯直径d的关系为:,当光纤受到外界物理量的作用,则光波的相位角变化为:,利用光的相位变化可测量出温度、压力、加速度、电流等物理量。,2022年12月1日,36,光纤温度传感器,干涉仪包括激光器、扩束器、分束器、两个显微物镜、两根单摸光纤(其中一根为测量臂,一根为参考臂)、光探测器等。,(二)应用举例,2022年12月1日,37,原 理,干涉仪工作时激光器发出的激光束经分束器分别送入长度基本相同的测量光纤与参考光纤,将两根光纤的输出端汇合在一起
13、,则两束光即产生干涉,从而出现了干涉条纹。当测量臂光纤受到温度场的作用时,产生相位变化,从而引起干涉条纹的移动。显然干涉条纹移动的数量将反映出被测温度的变化。光探测器接收干涉条纹的变化信息并输入到适当的数据处理系统,最后得到测量结果。例如,一米长的石英光纤,温度变化1,干涉条纹移动17条,而压力变化154kPa,才移动一根干涉条纹。加长光纤长度可以提高灵敏度。,输出ID,入射光,强度调制,t,光源,出射光,光探测器,二、光强调制型光纤传感器,强度调制原理,2022年12月1日,39,(一)微弯曲损耗原理,当光线在光纤的直线段以大于临界角入射界面(1c),则光线在界面上产生全反射。当光线射入微弯
14、曲段的界面上时,入射角将小于临,界角(1c)。此时,一部分光在纤芯和包层的界面上反射;另一部分光则透射进入包层,从而导致光能的损耗。基于这一原理,研制成光纤微弯曲传感器。,2022年12月1日,40,光纤微弯曲位移(压力)传感器由两块波形板(变形器)构成。其中一块是活动板;另一块是固定板。一根阶跃多模光纤(或渐变型多模光纤)从一对波形板之间通过。当活动板受到微扰(位移或压力作用)时,光纤就会发生周期性微弯曲,引起传播光的散射损耗,使光在芯模中再分配:一部分光从芯模(传播模)耦合导包层模(辐射模);另一部分光反射回芯模。当活动板的位移或所加的压力增加时,泄漏到包层的散射光随之增大;相反,光纤芯模
15、的输出光强就减少。光纤芯透射光强度与外力的关系如下图所示。,2022年12月1日,41,这样光强受到了调制。通过检测泄漏出包层的散射光强度或光纤芯透射光强度,就能测出位移(或压力)信号。光纤微弯曲传感器,灵敏度高,结构简单,动态范围宽,线性度较好,性能稳定。,2022年12月1日,42,(二)临界角光纤压力传感器,临界角光纤压力传感器也是光强调制型传感器。如右图所示,在一根单模光纤的段部切割一个反射面。切割角刚小于临界角。,临界角c由纤芯折射率n1和光纤端部介质的折射率n3决定:,如果临界角部接近45,那么就需要在端面再切割一个反射面。,2022年12月1日,43,入射光线在界面上的入射角是一
16、定的。由于入射角小于临界角,一部分光折射入周围介质;另一部分则返回光纤。返回的反射光被分束器偏转到光电探测器输出。当被测介质的压力(或温度)变化时,将使纤芯的折射率n1和介质的折射率n3发生不同程度的变化,引起临界角发生改变,返回纤芯的反射光强度也就变化。基于这一原理,有可能设计出一种微小探针压力传感器。这种传感器的缺点是灵敏度较低。然而频率响应高、尺寸小却是它的独特优点。,三、偏振态调制型光纤传感器,平面偏振光通过带磁性的物体时,其偏振光面将发生偏转,这种现象称为法拉第磁光效应。,光矢量旋转角 :,式中 V正常光折射率; L物质中的光程; H磁场强度。,(7-16),法拉第磁光效应,磁场,偏
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