第九章 第2節(jié) 光纖傳感原理與技術(shù)

1、第九章新型敏感材料及器件第2節(jié) 光纖傳感原理與技術(shù)1、強度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、強度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)1.1 反射式強度調(diào)制反射式強度調(diào)制光纖傳感原理與技術(shù)1、強度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、強度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)1.2 透射式強度調(diào)制透射式強度調(diào)制位移x （D為芯徑）-0.9D-0.5D00.5D0.9D0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0輸出光強相對變化值發(fā)射光纖接收光纖可移動遮光鏡圖46 帶有遮光屏和透鏡的透射式光強調(diào)制結(jié)構(gòu)發(fā)射光纖接收光纖可移動遮光鏡圖47 帶有遮光屏的透射式光強調(diào)制結(jié)構(gòu)光纖傳感原理與技術(shù)1、強度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、強度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)1.3

2、 光模式強度調(diào)制光模式強度調(diào)制多模光纖光輸入光輸出變形器L 光纖由變形器引起微彎變形時，有些導(dǎo)波模變成了輻射模，纖芯中的光有一部分逸出到包層，從而引起損耗。若采取適當?shù)姆绞教綔y光強的變化，則可知道位移變化量，據(jù)此可以制作出溫度、振動、位移、應(yīng)變等光纖傳感器。 光纖傳感原理與技術(shù)1、強度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、強度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)1.4 折射率強度調(diào)制折射率強度調(diào)制（1）光纖折射率變化型）光纖折射率變化型 1n一般光纖的纖芯和包層的折射率溫度系數(shù)不同。在溫度恒定時，包層折射率與纖芯折射率之間的差值是恒定的。當溫度變化時，兩者之間的差發(fā)生變化。選擇具有不同折射率溫度系數(shù)的材料做纖芯和包層，如圖所

3、示。2n包層折射率纖芯折射率光纖傳感原理與技術(shù)1、強度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、強度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)1.4 折射率強度調(diào)制折射率強度調(diào)制（2）倏逝場）倏逝場 當光在一界面產(chǎn)生全反射時，在光疏介質(zhì)中仍存在電磁場，其強度按指數(shù)規(guī)律迅速衰減，透射深度一般約為幾個波長，因此被稱為倏逝場。倏逝場型光纖傳感器也可分為功能型和非功能型兩類。非功能型一般使用棱鏡作為傳感元件。 這種傳感原理可以用于納米級別的位移測量和光譜分析，以及高靈敏度的水聲或液位傳感器等。 光纖傳感原理與技術(shù)1、強度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、強度調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)1.5 光吸收強度調(diào)制光吸收強度調(diào)制圖416 光吸收系數(shù)強度調(diào)制輻射量傳感器射

4、線輻射會使光纖材料的吸收損耗增加，使光纖的輸出功率降低，從而構(gòu)成強度調(diào)制輻射量傳感器。 Fiber Fiber Porcelain bushingGasket cementCeramic pinGaAs圖3 光纖傳感器傳感探頭具體的結(jié)構(gòu)形式Fig.3 Diagram of the fiber-optic temperature sensor probeProtective bushing光纖傳感原理與技術(shù)2、相位調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、相位調(diào)制型光纖傳感器技術(shù) 相位調(diào)制型光纖傳感器的基本傳感機理是：通過被測能量場的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再利用干涉測量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強變化，

5、從而檢測出待測的物理量。 光纖中光波的相位，一方面由光纖的物理長度、折射率及其分布、波導(dǎo)橫向幾何尺寸所決定。一般來說，應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等外界物理量能直接改變上述三個波導(dǎo)參數(shù)，從而產(chǎn)生相位變化，實現(xiàn)光波的相位調(diào)制。另一方面也可以由Sagnac效應(yīng)產(chǎn)生。 光纖傳感原理與技術(shù)2、相位調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、相位調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)2.1 光纖相位調(diào)制的普通干涉測量光纖相位調(diào)制的普通干涉測量 （1）光相干條件）光相干條件兩列光波疊加在一起能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，但并非任意兩列光波相遇都能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 必要條件：頻率相同的兩光波在相遇點有相同的振動方向和固定的相位差。 補充條件：A-兩光波在相遇點所產(chǎn)生的振動的

6、振幅相差不懸殊。 B-兩束光波在相遇點的光程差不能太大。 光纖傳感原理與技術(shù)2.2 四種常見的光纖干涉儀四種常見的光纖干涉儀（1）邁克爾遜）邁克爾遜(Michelson)光纖干涉儀光纖干涉儀(Fiber Interferometer)LD光探測器可移動反射鏡固定反射鏡分光鏡光探測器LD固定反射鏡可動端S(t)3dB光纖干涉儀與普通的光學(xué)干涉儀相比，優(yōu)點在于：（1）容易準直；（2）可以通過增加光纖長度來增加光程，以提高干涉儀的靈敏度；（3）封閉式的光路，不受外界干擾；（4）測量的動態(tài)范圍大。 02kL光纖傳感原理與技術(shù)2.2 四種常見的光纖干涉儀四種常見的光纖干涉儀（2）馬赫）馬赫 曾德曾德(M

7、ach Zehnder)光纖干涉儀光纖干涉儀(Fiber Interferometer) 光纖干涉儀與普通的光學(xué)干涉儀相比，優(yōu)點在于：（1）容易準直；（2）可以通過增加光纖長度來增加光程，以提高干涉儀的靈敏度；（3）封閉式的光路，不受外界干擾；（4）測量的動態(tài)范圍大。 LD光探測器可移動反射鏡固定反射鏡分光鏡1分光鏡2圖420馬赫曾德干涉儀原理圖LDS(t)信號處理PD1PD2DC1DC2光纖傳感原理與技術(shù)2.2 四種常見的光纖干涉儀四種常見的光纖干涉儀（3）薩格納克）薩格納克(Sagnac)光纖干涉儀光纖干涉儀(Fiber Interferometer) 21光纖陀螺儀光纖陀螺儀是近20年來

8、發(fā)展起來的一門新技術(shù)，除了在航空航天技術(shù)中用于導(dǎo)航、制導(dǎo)、定位外，也可用于石油鉆井中跟蹤鉆頭位置、機器人控制、汽車以及在其他測量角度的系統(tǒng)中應(yīng)用。與傳統(tǒng)的機電陀螺相比，光纖陀螺具有啟動快、體積小、成本低等優(yōu)點，因此它更具有競爭力。 08 Ac光纖傳感原理與技術(shù)2.2 四種常見的光纖干涉儀四種常見的光纖干涉儀（4）法布里）法布里 珀羅（珀羅（Fabry Perot）光纖干涉儀）光纖干涉儀 (c)光纖傳感原理與技術(shù)3、偏振調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、偏振調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)當線偏振光沿磁場方向通過置于磁場中的磁光介質(zhì)時，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。如圖312所示，假設(shè)有一圓柱

9、形磁光介質(zhì)，沿著軸線方向外加一穩(wěn)恒磁場H。在這種情況下，將發(fā)生法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，光波的偏振面繞傳輸軸連續(xù)右旋（相對于H 而言），直至磁光介質(zhì)的終端，偏振面右旋了某一角度VHL，比例系數(shù)V 叫做維爾德（Verdet）系數(shù)。IrVLsin12103.1 基于磁光效應(yīng)的偏振調(diào)制型光纖傳感器基于磁光效應(yīng)的偏振調(diào)制型光纖傳感器光纖傳感原理與技術(shù)3、偏振調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、偏振調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)3.1 基于彈光效應(yīng)的偏振調(diào)制型光纖傳感器基于彈光效應(yīng)的偏振調(diào)制型光纖傳感器光纖傳感原理與技術(shù)4、波長調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、波長調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)4.1 光纖熒光探測技術(shù)光纖熒光探測技術(shù)-光纖熒光溫度計光纖熒光

10、溫度計 熒光測溫法的工作機理建立在光致發(fā)光這一基本物理現(xiàn)象上。當某些熒光材料受到紫外光激發(fā)時會發(fā)出熒光，其熒光強度與熒光材料所處的溫度環(huán)境及激發(fā)光強度有關(guān)。 系統(tǒng)采用稀土 材料作為熒光傳感材料，其激勵光譜和熒光光譜如圖所示，在波長為365nm的紫外光激發(fā)下，發(fā)出的熒光峰值有兩個，分別在540nm和630nm附近。測量源于不同激發(fā)態(tài)的兩條譜線（540 nm和630nm）的發(fā)光強度，就可以從光強比導(dǎo)出被測溫度。22:vY O S E光纖傳感原理與技術(shù)4、波長調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、波長調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)4.2 光纖黑體輻射探測技術(shù)光纖黑體輻射探測技術(shù)-黑體輻射式光纖溫度計黑體輻射式光纖溫度計 黑體

11、是指能完全吸收入射輻射，并具有最大發(fā)射率的物體。絕對黑體是不存在的，所有的物質(zhì)受熱時均發(fā)出一定量的熱輻射，這種熱輻射的量取決于該物質(zhì)的溫度及其材料的輻射系數(shù)。對于理想黑體，輻射源發(fā)射的光譜能量可用普朗克(Planck)公式表述如下： 2/5101( , )(1)CTETCe普朗克公式闡明了黑體光譜輻射通量密度與溫度及波長三者之間的關(guān)系。對于高溫物體，往往是通過測量物體的熱輻射能量來確定其表面溫度的，即非接觸式測溫技術(shù)。 光纖傳感原理與技術(shù)4、波長調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)、波長調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)4.2 光纖黑體輻射探測技術(shù)光纖黑體輻射探測技術(shù)-黑體輻射式光纖溫度計黑體輻射式光纖溫度計 藍寶石為人工

12、生長的氧化鋁，其熱穩(wěn)定性好，強度高，本質(zhì)絕緣，耐腐蝕，熔點很高，可達2045攝氏度，對0.146.5微米波長范圍的光有良好的透光性，可與探測器的光譜響應(yīng)范圍匹配，是一種優(yōu)良的近紅外耐高溫光學(xué)材料。藍寶石單晶光纖的一端涂覆高發(fā)射率的感溫介質(zhì)陶瓷薄層，并經(jīng)高溫?zé)Y(jié)形成微型光纖感溫腔。 藍寶石高溫光纖傳感器的測溫范圍為6001800，在800以上時，靈敏度優(yōu)于1，在1000以上時，分辨率優(yōu)于0.1，具有高溫優(yōu)越性。 光纖傳感原理與技術(shù)1、光纖光柵溫度傳感技術(shù)、光纖光柵溫度傳感技術(shù)neffg2入射透射反射1530153215341536153815400.00.20.40.60.81.0反射率 / d

13、B波長 / nm 1535.050nm，25C1535.150nm，35C圖110 光纖光柵中心波長隨溫度變化情況TssggeffsnTs1T光纖傳感原理與技術(shù)2、裸光纖光柵溫度傳感技術(shù)、裸光纖光柵溫度傳感技術(shù)圖51 裸光纖布喇格光柵溫度測量原理圖圖52 裸光纖布喇格光柵溫度測量結(jié)果（B=1550.190nm，T=2549）靈敏度是11.46pm/ 實驗室OSA分辨力0.01nm。 測量靈敏度低！光纖傳感原理與技術(shù)3、聚合物封裝光纖光柵溫度傳感技術(shù)、聚合物封裝光纖光柵溫度傳感技術(shù)將光纖光柵粘貼于溫度靈敏度比較高的基底材料上 90.74pm/ 99.06pm/ 聚四氟乙烯本身的溫度使用范圍為：2

14、00260 光纖傳感原理與技術(shù)4、套管結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度傳感技術(shù)、套管結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度傳感技術(shù)在16到20之間的溫度靈敏度是8.8nm/ 光纖傳感原理與技術(shù)5、具有金屬結(jié)構(gòu)的光纖光柵高溫傳感技術(shù)、具有金屬結(jié)構(gòu)的光纖光柵高溫傳感技術(shù)圖514 雙金屬結(jié)構(gòu)的光纖光柵高溫傳感器該傳感器有一個光纖布喇格光柵FBG和兩個不同長度（分別用L1和L2表示）并且具有不同熱致伸縮效應(yīng)（分別用1和2表示）的金屬條。兩個金屬條各自的一端都固定到一個絕熱的板上，而另一端則要分別與一個絕熱條緊固連接，如圖中金屬條左端所示。對FBG施加一定的預(yù)應(yīng)力并在這時將其粘到兩個絕熱條表面，即圖中的點A和點B。在FBG上套上絕熱套筒，圖

15、中用點劃線表示，其作用是隔絕FBG，使其不受室溫影響和避免絕熱板的輻射影響。兩個金屬條上也附有絕熱套筒是為了保證其不進行橫向的熱輻射，而只進行縱向的熱傳導(dǎo)。 光纖傳感原理與技術(shù)6、光纖光柵壓力傳感技術(shù)、光纖光柵壓力傳感技術(shù)2122KKEPcc2122KKEPDDcPcEK為被測壓力，為圓筒材料的楊氏彈性模量，為圓筒外徑與內(nèi)徑之比，圓筒材料的泊松比。 光纖傳感原理與技術(shù)6、光纖光柵壓力傳感技術(shù)、光纖光柵壓力傳感技術(shù)hLxLx36yxJELF33LhxLbhbJy1212303)(41)2(30422aLhbELFKEKDPxc12662323KLEaLhDKPhLxLcx100020406080Pressure / MPa00.20.40.60.81.0W avelength shift / nm* DM RT SM 30 SM 10Fig. 7 Relations of fiber Bragg fiber wavelength shift vs. measured pressure光纖傳感原理與技術(shù)7、光纖光柵多參數(shù)傳感實驗儀、光纖光柵多參數(shù)傳感實驗儀29 121317141624 25 28 23 11182126 27