光学工程 光纤传感技术.pptx

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光纤传感技术目录一、概述二、光纤的传光原理及特性三、传输光的调制技术四、强度调制光纤传感器五、相位调制光纤传感器六、偏振态调制光纤传感器七、频率调制光纤传感器八、分布式光纤传感器一、概述光纤传感器始于1977年，经过20多年，目前已进入研究与应用并重阶段。

优点：

灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可绕性、可实现不带电的全光型探头频带宽,动态范围大可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器便于与计算机和光纤传输系统相连,易于实现系统的遥测和控制可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境结构简单、体积小、重量轻、耗能少二、光纤的传光原理及特性1、光纤的结构2、光在光纤中的传播3、光纤的重要参数4、光纤的分类1、光纤的结构多层介质结构：

1.纤芯：

石英玻璃，直径575um，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素2.包层：

直径100200um，折射率略低于纤芯,使光的传输性能相对稳定3.涂敷层：

硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光4.护套：

尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤2、光在光纤中的传播1.斯涅尔定理（Snellslaw）光由光密介质入射到光疏介质时发生折射，如图（a），其折射角大于入射角，即n1n2时，ri。

n1、n2、r、i间的数学关系为：

n1sini=n2sinr当r=90时，i仍90，此时，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态。

临界角i0为：

i0=arcsin（n2/n1）当ii0并继续增大时，r90，这时便发生全反射现象，如图（c），其出射光不再折射而全部反射回来。

光在光纤中的传输3、光纤的重要参数1.数值孔径为纤芯和包层的式中,n1为纤芯折射率,n2为包层折射率,相对折射率2.传播模式根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程,考虑到光纤圆柱波导和纤芯-包层界面处的几何边界条件时,则只存在波动方程的特定（离散）的解。

不同的允许存在的解代表许多离散的沿波导轴传播的波。

每一个允许传播的波称为模式。

每个波具有不同的离散的振幅和速度。

采用“V值”表述光在阶跃型折射率光纤中的传播特性:

式中,a为纤芯半径,0为入射光在真空中的波长（真空中的光波长近似等于光在空气中的波长）。

光纤V值越大,则光纤所能拥有的,即允许传输的模式（不同的离散波）数越多。

当V值低于2.404时,只允许一个波或模式在光纤中传输。

即圆柱波导的“单模条件”是：

在光导纤维中传播模式很多对信息传输是不利的。

因为同一光信号采取很多模式传播,就会使这一光信号分为不同时间到达接收端的多个小信号,从而导致合成信号的畸变。

在信息传输中一般希望模式数量越少越好。

希望V小,纤芯直径d=2a不能太大,一般为几个微米,不能超过几十微米。

另外,n1与n2之差很小（例如,一般纤芯折射率n1可能是1.46,而包层折射率n2可能是1.44）。

一般要求n2与n1之差不大于1.4%6.2%。

3.传播损耗光从光纤一端射入，从光纤另一端射出，光强发生衰减，单位长度传输线的损耗即损耗系数定义为:

式中L光线长度Pi、Po分别为光纤输入输出功率光纤传播损耗分类：

吸收损耗：

与组成光纤的材料的电子受激跃迁和分子共振有关。

散射损耗：

由于材料密度的微观变化，成分起伏，以及在制造光纤过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起的。

辐射损耗：

当光纤受到具有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射损耗。

4.色散材料色散：

材料的折射率随光波长的变化而变化，使光信号中各波长分量的光的群速度不同而引起的色散。

波导色散：

由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数随着信号角频率变化而引起色散。

多模色散：

在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同、群速度不同而产生的色散。

4、光纤的分类1.按折射率变化类型分类三、传输光的调制技术强度调制相位调制偏振态调制频率解调四、强度调制光纤传感器利用外界因素改变光纤中光的强度，通过测量光强的变化来检测外界物理量的传感器。

光纤微弯传感器反射式光纤位移传感器反射式光纤压力传感器半导体吸收式光纤温度传感器折射率调制光纤传感器1、光纤微弯传感器：

能引起光纤产生微弯的变形器光纤微弯传感器是利用光纤的微弯损耗来检测外界物理量的变化。

一根多模光纤从一对机械变形器中间通过，如上图所示。

当变形器受到压力作用时，光纤沿轴线产生周期性微弯曲。

光纤的弯曲会引起光纤中的传导模与辐射模之间产生耦合，从而使一部分导模泄漏到包层中去。

通过检测纤芯中的传导光功率，就能测量出与之成一定关系的压力的大小2、反射式光纤位移传感器光纤位移传感器的结构和工作原理反射式光纤是一种传输型光纤传感器。

光纤采用型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。

光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接受到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。

当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。

显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。

随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。

反射式光纤的输出特性曲线，利用这条特性曲线可以通过对光强的检测得到位移量。

反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。

一个典型位移输出曲线如下图所示。

在位移-输出曲线的前坡区,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。

在后坡区,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。

位移-输出信号曲线利用反射式光纤传感器测量微小位移的原理,通过测量输出电压与位移的关系确定工作点,测得表面柤糙程度不同的真假钞的输出信号,从而实现对纸币的真假识别.3、反射式光纤压力传感器光纤测压传感器这种传感器是在前面介绍的光纤位移传感器的探头前面加上一个膜片构成的，其结构如上图所示。

光源发出的光经发射光纤传输并投射到膜片的内表面上,反射光由接收光纤接收并传回光敏元件。

4、半导体吸收式光纤温度传感器原理：

利用半导体材料的光吸收与温度的关系，结构示意图如下。

5、折射率调制光纤传感器利用折射率的不同进行强度调制。

原理：

利用被测物理量引起传感材料折射率发生变化利用折射率不同的介质之间的折射和反射典型应用：

用于温度报警系统的温度传感器、光纤液位传感器等。

五、相位调制光纤传感器马赫泽德干涉仪马赫泽德尔干涉仪的典型结构如上图所示，下方的分束器把激光器的输出光束分成两束。

它们经上、下光路的传输之后又重新合路,使它们在光检测器处互相发生干涉。

优点：

只有少量的或者没有光直接返回激光器,这就避免了反馈光使激光器不稳定和产生噪声。

具体应用：

光纤压力传感器光纤力传感器光纤加速度传感器光纤磁传感器法布里珀罗干涉仪法布里珀罗干涉仪原理如上图所示。

它是由两块平行的部分透射平面镜组成的。

这两块平面镜的反射率（反射系数）通常是非常大的,一般大于或等于95%。

假定反射率为95%,那么在任何情况下,激光器输出光的95%将朝着激光器反射回来,余下的5%的光将透过平面镜而进入干涉仪的谐振腔内。

主要特点：

精细度高；光谱分辨率高；调整精度要求低。

迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪的基本原理如上图所示。

用一块部分反射、部分透射的平面镜作分束器。

分束器使激光器输出的一部分光向上反射到固定平面镜。

这些光被固定平面镜反射回分束器,于是一部分光透射到光检测器,另一部分光被反射回激光器。

激光器输出的另一部分光透过该分束器,被活动平面镜反射回分束器,一部分光被该分束器反射到光检测器。

萨格奈克干涉仪上图为萨格奈克干涉仪的结构。

激光器输出的两束光沿着一条由一个分束器和三个平面镜构成的闭合光路反方向传输,它们重新合路后再入射到光检测器,同时一部分光又返回到激光器。

可以求得,顺、反两光束之间的光程差为其中,A为光路系统围成的面积,c为光速,为光路系统旋转的角速度。

它是目前许多惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。

六、偏振态调制光纤传感器原理：

利用外界因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏振态的变化来检测各种物理量。

检测原理：

法拉第效应普克尔效应（电光效应）光弹效应偏振调制型光纤电流传感器，其基本原理是前述介绍的法拉第效应（磁光效应）。

当平面偏振光在强度为H的磁场作用下，线偏振光在物质中通过的距离L时电矢量E旋转角为：

。

如果这个磁场是由长直载流导线产生的，根据安培环路定律：

式中：

I载流导线中的电流强度；r导线外任一观测点到导线的垂直距离。

由此可见，只要根据磁光效应，利用光纤传感器测量出导线外任一点r的磁场强度H，即可得到导线中的电流I。

七、频率调制光纤传感器原理：

利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率变化来测量外界物理量。

频率调制是基于光学多普勒效应。

如果一束频率为f的光入射到相对于探测器速度为v的运动物体上，则从运动物体上反射的光频率为fs，根据多普勒效应，得到其中，c是光在介质中的传播速度八、分布式光纤传感器随着光纤传感技术的发展和应用的日益广泛，仅仅依靠单点式测量，已难以满足需求，并且不能充分发挥光纤传感器的技术优势。

分布式光纤传感器一般是指：

具有一个公共数据通道并能与控制中心实施通信联络的传感器网络。

分布式光纤传感器测量是运用光纤的一维特性进行测量的技术，它可同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。

它可以在整个光纤上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量。

在理论上，它可以把被测量作为光纤位置长度的函数，能得到任意大小的分辨率。

1、反射法：

利用光纤在外部扰动作用下产生的Reyleigh、Raman、Brillouin等效应进行测量的方法。

2、偏振光时域反射法（POTDR）：

利用后向散射光的偏振态信息进行分布式测量的技术。

3、波长扫描法（WLS）：

用白光照射保偏光栅，运用快速Fourier算法来确定模式耦合系数的分布。

4、干涉法：

利用各种形式的干涉装置把被测参量对干涉光路中光波的相位调制进行解调，从而得到被测参量信息的方法。