《现代传感技术》PPT课件.ppt

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1、第五章 光纤传感技术,本章按光纤传感技术的调制方式分类，分别讲述强度调制、相位调制、波长调制、偏振调制和频率调制光纤传感技术的工作原理，并介绍一些相应的实用光纤传感器；此外，还简要介绍了近几年光纤传感技术领域的研究热点。,光纤传感技术,5.1 光纤的基础知识5.2 强度调制型光纤传感器5.3 相位调制型光纤传感器5.4 波长调制型光纤传感器5.5 偏振调制型光纤传感器5.6 频率调制型光纤传感器5.7 光子晶体光纤传感器5.8 分布式光纤传感器,光纤的基础知识,光纤传感器工作的实质是通过光调制器，将一个携带着待测信息（被测对象）的信号叠加到载波光波上，经光纤传输后由光探测系统解调、经信号处理系

2、统处理后检测出所需要的待测信号。而光调制器能使光纤的传输参数或载波光波参数随待测信号的变化而改变。这些参数包括：光纤的折射率、传播常数、光波的强度（振幅）、位相、频率、偏振以及波长等。,光纤的基础知识,1.光纤波导的原理,图 51 当光线从较高折射率介质向较低折射率介质传播时，在界面处的折射和反射,图 52 具有包层的纤维,光纤的基础知识,2.光纤的分类根据光纤能传输的模式数目单模光纤多模光纤根据纤芯径向折射率分布不同阶跃折射率光纤渐变折射率光纤,光纤的基础知识,3.光纤的特性光纤的特性主要包括传输特性、物理特性、化学特性和几何特性等。传输特性衰减衰减是描述光纤使光能在传输过程中沿着波导逐渐减

3、小或消失的特性。在给定信号和工作条件下，光纤的衰减决定信号无失真传输通路的最大距离。色散色散限制了光纤传输频响的上限。色散引起的脉冲展宽限制了脉冲调制或数据传输系统中给定长度光纤的最高脉冲或数据传输速度。,光纤的基础知识,3.光纤的特性光纤的特性主要包括传输特性、物理特性、化学特性和几何特性等。物理特性（1）弯曲性 光纤的弯曲性与光纤的机械强度有关。（2）抗拉强度（3）硬度（4）耐热性（5）热膨胀系数（6）电绝缘性能,光纤的基础知识,3.光纤的特性光纤的特性主要包括传输特性、物理特性、化学特性和几何特性等。化学特性（1）耐水性（2）耐酸性几何特性 标准规定光纤为圆对称结构，因此表征光纤几何特性

4、的参数是纤芯直径包层直径纤芯的圆度包层的圆度纤芯与包层的同心度误差,强度调制型光纤传感器,强度调制型光纤传感器的基本原理可以概括为：通过检测被测对象所引起的光强变化，来实现对被测对象的监测和控制。其基本结构主要由光源、调制区、光探测器三大部分组成。强度调制型光纤传感器的特点是：技术上比较容易实现，所采用光纤多为光通信用多模光纤，而相关的光纤接头和耦合器等部件，国内已有产品供应。强度调制分为非功能型光强调制功能型光强调制,非功能型光强调制,非功能型光强调制的基本原理是根据光束位移、遮挡、耦合及其他物理效应，通过一定的方式使进入接收光纤的光强随外界信号变化而改变。基本调制方式大致可分为4种类型：光

5、束切割型光闸型松耦合型物理效应型,非功能型光强调制,光束切割型光强调制,图 54 光束切割型光纤位移传感器简图,非功能型光强调制,遮光型光强调制,图 56 移动光栅式光纤压力传感器,非功能型光强调制,松耦合型光强调制,图 58 松耦合型光强调制原理示意图,非功能型光强调制,物理效应型光强调制,图 511 半导体光吸收型光纤温度传感器示意图,功能型光强调制,功能型光强调制是指光纤本身作为传感元件，被测量通过改变传感光纤的外形、纤芯与包层折射率比、吸收特性及模耦合特性等方法对光纤传输的光波强度进行调制。微弯损耗与光纤微弯光强调制变折射率型光强调制,功能型光强调制,微弯损耗与光纤微弯光强调制,图 5

6、12 微弯损耗强度调制传感器原理图,功能型光强调制,变折射率型光强调制,图 514 液体芯光纤传感器探头示意图,图 515 液体光纤温度传感器结构示意图,相位调制型光纤传感器,相位调制是光纤传感中最重要的传感技术，其基本的传感机理是，外界信号（被测量）按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生相应的变化，光相位的变化量即反映被测的外界量。光纤传感技术中使用的光相位调制大体有三种类型。功能型调制这类相位调制型传感器主要应用了光纤材料的晶体特性和物理效应晶体的电光效应晶体的弹光效应晶体的热光效应晶体的磁光效应萨格奈克（Sagnac）效应调制 非功能型调制,晶体的电光效应,晶体在外加电场E作用下，除了

7、固有的自然双折射外，还会产生附加的双折射，使立方晶体具有单轴晶体的性质，变成了光学各向异性。这样，有些单轴晶体则变为具有双轴晶体的性质，这种现象称为电光效应。电光效应实际上是一种在外加电场作用下产生的非线性极化过程。电光效应主要有线性电光效应（Pockels效应）二次电光效应（Kerr效应）,晶体的弹（声）光效应,各向同性材料或立方晶体，在机械应力作用下，其性质可以变为光学各向异性的现象称为弹光效应。弹光效应可以有两种写法,其中P 和P分别为压光系数张量和弹光系数张量，它们都是4阶张量，T 和S 分别为应力和应变。,晶体的热光效应,当温度变化时，晶体的折射率发生变化的现象称为热光效应。由于晶体

8、的各向异性，热光效应的表现是多种多样，假定晶体温度变化为T，则其中b为热光系数。,晶体的磁光效应,在磁场作用下，一些非旋光晶体可以变成具有旋光特性，这种现象称为磁光效应，其中最主要的是法拉第效应。当光在晶体中传播距离为L时，出射光的偏振态由两个新的左右旋圆偏振模合成，由此引起的线偏振方向旋转角度为 其中V为范尔德（Verdet）常数.利用磁光效应可以实现磁光调制器、磁光传感器、光隔离器以及光环形器等。前两者是利用磁光晶体调制特性的线性区域，而后两者是利用该特性的饱和区域。,相位调制型光纤传感器的特点,（1）灵敏度高 光学中的干涉法是目前最灵敏的探测技术之一。在光纤干涉仪中，由于以光纤代替空气光

9、程，光纤的长度可达数米且不受机械限制，比普通的光学干涉仪更加灵敏。（2）几何形状灵活多样 由于传感器的敏感部分由光纤本身构成，而光纤又十分柔软，可绕性能好，所以敏感部分的几何形状可根据使用要求设计成不同形式的传感元件，如平面式、线列阵式、梯度式等。（3）工作对象广泛 任何物理量，只要对干涉仪中的光程产生影响，即可用相位调制型光纤传感器探侧。（4）需要特殊类型的光纤 在光纤干涉仪中，为获得最佳干涉效应，应使同一模式的光叠加，且两相干光的振动方向必须一致，因此希望采用高双折射的单模光纤。,波长调制型光纤传感器,外界信号通过选频、滤波等方式改变光纤中传输光的波长，测量波长变化即可检测到被测量，这类调

10、制方式称为光波长调制。目前用于光波长调制的方法主要是光学选频和滤波。F-P干涉式滤光里奥特偏振双折射滤光各种位移式光谱选择等外调制技术光纤光栅滤光技术,光纤光栅滤光技术,光纤光栅调制原理光纤光栅的分类光纤光栅传感器布拉格光纤光栅长周期光纤光栅LPFG传感器,光纤光栅调制原理,光纤光栅是利用掺杂（如锗、磷等）光纤材料的光敏性。光纤的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性，它是光纤光栅周期性折射率变化的根本原因。外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化。在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。,光纤光

11、栅的分类,1.依据光栅周期分类短周期光纤光栅长周期光纤光栅2.依据波导结构分类均匀光纤光栅 啁啾光纤光栅 高斯变迹光纤光栅 升余弦变迹光纤光栅相移光纤光栅 超结构光纤光栅 倾斜光纤光栅 特殊折射率调制的光纤光栅,光纤光栅的分类,3.依据形成机理分类利用光敏性形成的光纤光栅 利用弹光效应形成的光纤光栅 4.依据材料分类石英玻璃光纤光栅聚合物光纤光栅光子晶体光纤光栅,布拉格光纤光栅,布拉格光纤光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）周期约为几百纳米。主要特性是将某一频段的光反射回去，形成以谐振波长为中心的窄带光学滤波器。FBG光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光通过传输

12、光纤射入时，它与光场发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并沿原传输光纤返回；其余宽带光则直接透射过去。,图 518 BRAGG（布拉格）光纤光栅,布拉格光纤光栅,1.FBG的传感原理FBG是纤芯折射率沿轴向呈周期化变化，使前向传输的能量耦合到反向导模中，形成反射波长周期变化的尖锐的反射峰的光波导器件。FBG传感器测量的是FBG反射波长的漂移量，当环境因素发生变化时，光纤光栅的反射波长发生漂移，通过检测波长漂移量就可以获得被测温度、应力等物理量。,布拉格光纤光栅,2.FBG的特点（1）多个不同类型的传感器可以在一条光纤上串接复用，构成传感器阵列，实现多参量的准分布式实时测量。

13、（2）施工方便，潜在故障点大大低于传统技术，可维护性强。（3）全光测量，在监测现场无电气设备，不受电磁及核辐射干扰。（4）以反射光的中心波长表征被测量，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响。（5）绝对量测量，系统安装及长期使用过程中无需定标。（6）使用寿命长。（7）光纤传输线路具有自愈功能，可靠性高。但FBG在传感应用中也存在一定的局限性，如灵敏度不高，对单位应力或温度的改变所引起的波长漂移较小。此外由于FBG是反射型光栅，以致FBG传感系统通常需要隔离器来抑制反射光对测量系统的干扰。,长周期光纤光栅,长周期光纤光栅（Long Period Fiber Grating,LPFG

14、)周期通常为几十到几百微米。主要特性是将导波中某频段的光耦合到光纤包层中损耗掉，是一种透射型光纤器件。LPFG是一种透射型光纤光栅，无后向反射，在传感测量系统中不需要隔离器，测量精度较高。与FBG不同，LPFG的周期相对较长，满足相位匹配条件的是同向传输的纤芯基模和包层模，这一特点导致了LPFG的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感，对于温度、应力、外界折射率等参数的变化都有很高的响应灵敏度。,长周期光纤光栅,图 519 LPFG模式耦合原理图,LPFG传感器,应用光纤光栅进行传感是近年来传感领域的一大热点，基于光纤光栅的传感器在整个光纤传感领域中的比重超过了40%。由于LPFG传感器不仅具

15、有传统布拉格光纤光栅传感器的绝大多数优点，而且还具有插入损耗小、制造成本低、灵敏度高等优于FBG传感器的优点。因此，LPFG在传感器领域里有着更好的应用发展潜力。,LPFG传感器,1.温度传感LPFG传感器的温度灵敏度不仅会受到LPFG的周期的影响，还会受到发生耦合的包层模的阶数及光纤的成分等因素的影响。通过调节各种参数可以制造出不同温度灵敏度的长周期光纤光栅。2.应力传感LPFG的应力灵敏度同样会受到很多因素的影响，通过适当地选择参数也可以制作出各种具有不同灵敏度的LPFG。3.折射率传感当外界介质的折射率改变时，包层模的有效折射率也将发生变化，从而引起LPFG谐振波长的改变。4.弯曲量及扭

16、曲量传感当光栅弯曲时，光栅的透射谱会发生相应的变化，LPFG的弯曲灵敏度可以通过谐振波长的偏移和谐振峰的分裂两种方法表现出来。其中波长分离之间的间距将随着曲率的增加而增加。,LPFG传感器,图 521 刻槽LPFG简图以及实验装置,偏振调制型光纤传感器,在许多光学系统中，尤其是包含有单模光纤的系统中，光波的偏振特性起着重要作用。理解光纤系统中的偏振现象是讨论光纤偏振元件和传感器的中心问题。许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态。光纤传感器中的偏振调制器普遍采用的物理效应有旋光效应、磁光效应、普克尔效应、克尔效应及光弹效应等。,偏振调制型光纤传感器,1.基于旋光效应的偏振调制,图 522 石英晶

17、体的旋光性实验系统,偏振调制型光纤传感器,2.基于磁光效应的偏振调制 在光学各向同性的透明介质上，外加磁场H，可以使穿过它的平面偏振光的偏振方向发生旋转，这种现象称为磁致旋光效应或法拉第效应。处于磁场中的光纤会使在光纤中传播的偏振光发生偏振面的旋转，其旋转角度与磁场强度H、磁场中光纤的长度L成正比：,偏振调制型光纤传感器,2.基于磁光效应的偏振调制,图 524 光纤电流传感器实验装置 1 激光器 2 起偏器 3 显微物镜 4 压载流导线 5 光纤6 渥拉斯顿棱镜 7 光探测器 8 信号处理系统 9 记录仪,偏振调制型光纤传感器,3.基于普克尔效应的偏振调制各向异性晶体中的普克尔效应是一种很有用

18、的电光效应，当电场施加到光正在其中传播的各向异性晶体时，所引起的感应双折射正比于所加电场的一次方，故普克尔效应又称为线性电光效应。如果在晶体两端接上电极，两极间加一个电场，通光方向平行于外加电场时，称为纵向运用，也叫纵向调制。对于KDP类晶体，这种情况下晶体折射率的变化Dn与电场E的关系为折射率变化引起的相位差为 同理，横向运用时产生的电光效应称横向电光效应，这时，晶体中两正交的平面偏振光由于电光效应而产生的相位差为,偏振调制型光纤传感器,3.基于普克尔效应的偏振调制,图 525 偏振调制型光纤电压传感器,偏振调制型光纤传感器,4.基于克尔效应的偏振调制 克尔效应又称平方电光效应，是一种分子对

19、称性的微观畸变，是在施加电场的作用下，电子云产生轻度的排列取向的结果，发生在一切物质中。由感应双折射引起的寻常光折射率no和异常光折射率ne与外加电场E之间的关系为 两光波间的相位差为,偏振调制型光纤传感器,4.基于克尔效应的偏振调制,图 526 光克尔调制器结构示意图,偏振调制型光纤传感器,5.基于光弹效应的偏振调制设单轴晶体的主折射率ne对应于MN方向上振动光的折射率；主折射率no对应于垂直于MN方向上的振动光的折射率，则由光弹效应产生的相位差与压强 p 的关系为式中，k 为 物质的常数；none为表征光弹效应的强弱；l 为光波通过材料的长度。,偏振调制型光纤传感器,5.基于光弹效应的偏振

20、调制,图 527 形变应力双折射实验装置,偏振调制型光纤传感器,图 528 偏振调制传感探头,5.基于光弹效应的偏振调制在实用的光纤压力传感器中，为了加大光束在光弹材料中的光路长度，往往把光纤卷绕在一个小的圆柱体上，以在光纤中产生大的双折射而获得较大的线圈张力。双折射产生两个独立传播的线偏振本征模。采用适当的分析仪，检测光纤中传播光的偏振面旋转与强度变化相关。,频率调制型光纤传感器,光频率调制，是指用被测量对光纤中传输的光波频率进行调制，频率偏移即反映被测量的变化。目前使用的调制方法为多普勒（Doppler）法，即外界信号通过多普勒效应对接收光纤中的光波频率进行调制，它是一种非功能型调制，即光

21、纤只起传光作用。,频率调制型光纤传感器,光学多普勒概念 多普勒频移是最有代表性的一种光频率调制。当频率为 f 的光入射到相对于观察者速度为u 的运动物体上时，从运动物体反射到观察者的光的频率变成 f1，f1与 f 之间有如下关系：式中，c为真空中的光速；q 为光源至观察者方向与运动方向的夹角。多普勒频移为,频率调制型光纤传感器,光纤多普勒系统,图 530 激光多普勒光纤测速系统,光子晶体光纤传感器,光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）是一种新型光纤，其概念最早由Russell等人在1992年提出，在它的包层区域有许多平行于光纤轴向的微孔，是一种带有线缺陷的二维光

22、子晶体。光子晶体光子晶体光纤的结构与制备光子晶体光纤的特性光子晶体光纤传感器,光子晶体,光子晶体的概念“光子晶体”是一个新的物理概念，是与电子晶体相比较而提出的，可看作是电子晶体在光学领域的对应概态。自然晶体（如半导体）中的电子由于受到晶格的周期性势场散射，部分波段会因破坏性干涉而形成带隙，导致电子的能量呈带状分布，从而形成电子能带（Electronic Band）。如果将具有不同折射率（介电系数）的介质材料按照自然晶体的周期结构排布，类似的现象也存在于光子系统中。,光子晶体,图 532 钻有许多圆柱形空气孔的玻璃的截面图,光子晶体的概念,光子晶体,光子晶体的特征光子晶体最根本特征是频率处于禁

23、带范围内的光子都不能在光子晶体中传播。光子晶体的另一个主要特征是光子局域态，即光子晶体引入杂质或缺陷（主要分为线缺陷和点缺陷）时，与缺陷态频率符合的光子会被局限在缺陷位置，一旦偏离缺陷位置能量将迅速衰减。光子晶体还具有负折射效应。,光子晶体,图 533 一维、二维、三维光子晶体光子带隙示意图,图 534 光子晶体结构电镜图,光子晶体光纤的结构与制备,图 535 全内反射光子晶体光纤结构示意图,光子晶体光纤的结构与制备,1.蜂窝(Honeycomb)状PBG光纤,图 537 蜂窝型PBG光纤,光子晶体光纤的结构与制备,2.空心(Hollow-core)PBG光纤,图 538 空心(Hollow-

24、core)PBG光纤结构示意图,光子晶体光纤的结构与制备,3.高折射率棒(High-Index Rods)PBG光纤 4.全导向(Omniguide)PBG光纤,图 539 全导向PBG光纤,光子晶体光纤的特性,1.永无休止的单模传输特性对光子晶体光纤来说，只要满足空气孔直径足够小，且空气孔径与孔间距之比（简称孔比率）小于0.2，便具备永无休止的单模传输特性。光子晶体光纤不存在截止波长。2.奇异的色散特性纤芯和包层间的折射率差不会因为材料的不相容而受到限制，从而可以在非常宽的波长范围内获得较大的色散。零色散点可调，只要改变光子晶体光纤的空气孔几何尺寸，便可在几百纳米带宽范围内得到零色散光纤。3

25、.高的双折射特性 与普通保偏光纤相似，通过改变光子晶体光纤的包层结构参数可以制作出具有高双折射效应的光子晶体光纤，这是传统保偏光纤所不及的。只要破坏光子晶体光纤截面的圆对称性使其成为二维结构即可。,光子晶体光纤传感器,1.光子晶体光纤气体传感器 2.光子晶体光纤填充型传感器 3.高双折射光子晶体光纤传感器 4.双模光子晶体光纤传感器,分布式光纤传感器,当人们所关心的被测物不是一个点，而是一个空间分布的场时（如温度场、应力场、磁场等），要获得这些场的完整信息，就需要采用分布调制的光纤传感系统。所谓分布调制，就是指被测场以一定的空间分布方式对光纤中的光波进行调制，在一定的测量域中形成调制信号谱带，

26、通过检测调制信号谱带即可测量出外界信号场的大小及空间分布。分布式光纤传感器根据光纤总线的功能分为非本征式光纤传感器本征式光纤传感器,非本征式光纤传感器,1.时分复用传感原理,图 540 时分复用传感原理示意图,非本征式光纤传感器,2.时分复用传感原理 3.频分复用传感原理 4.空分复用传感原理,图 541 时分复用传感原理示意图,本征式光纤传感器,1.光时域分布式光纤传感器 时域分布式光纤传感系统的技术基础是光学时域反射技术（Optical Time-domain Reflectometry，OTDR）。OTDR是一种光纤参数的测量技术，也是光学时域反射计（Optical Time-domain Reflectometer）的简称，其基本原理是利用分析光纤中后向散射光或前向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，通过显示损耗与光纤长度的关系来检测外界信号场分布于传感光纤上的扰动信息。2.光波域分布式光纤传感器 波域分布式光纤光栅传感系统是在一根传感光纤上制作许多个布喇格光栅，每个光栅的工作波长相互分开，经3dB耦合器取出反射光后，用波长探测解调系统测出每个光栅的波长或波长偏移，从而检测出相应被测量的大小和空间分布。,结束,