光纖傳感技術(shù)光學(xué)工程,

1、光纖傳感技術(shù)姓名：李子忠 專(zhuān)業(yè)：光學(xué)工程 學(xué)號(hào)：6121203010目錄一、概述二、光纖的傳光原理及特性三、傳輸光的調(diào)制技術(shù)四、強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器五、相位調(diào)制光纖傳感器六、偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器七、頻率調(diào)制光纖傳感器八、分布式光纖傳感器一、 概述光纖傳感器始于1977年，經(jīng)過(guò)20多年，目前已進(jìn)入研究與應(yīng)用并重階段。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、可繞性、可實(shí)現(xiàn)不帶電的全光型探頭頻帶寬,動(dòng)態(tài)范圍大可用很相近的技術(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成傳感不同物理量的傳感器便于與計(jì)算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)相連,易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙測(cè)和控制可用于高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾、腐蝕等惡劣環(huán)境結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、耗能少二、光纖的傳光原

2、理及特性1、光纖的結(jié)構(gòu)2、光在光纖中的傳播3、光纖的重要參數(shù)4、光纖的分類(lèi)1、光纖的結(jié)構(gòu)多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)：1.纖芯：石英玻璃，直徑575um，材料以二氧化硅為主，摻雜微量元素2.包層：直徑100200um，折射率略低于纖芯,使光的傳輸性能相對(duì)穩(wěn)定3.涂敷層：硅酮或丙烯酸鹽，隔離雜光4.護(hù)套：尼龍或其他有機(jī)材料，提高機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖2、光在光纖中的傳播1.斯涅爾定理(Snells law)光由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，如圖(a)，其折射角大于入射角，即n1n2時(shí)， ri。n1、n2、r、i間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：n1sini=n2sinr當(dāng)r=90時(shí)，i仍90，此時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D（b），

3、稱(chēng)為臨界狀態(tài)。臨界角i0為：i0=arcsin(n2/n1)當(dāng)ii0并繼續(xù)增大時(shí)，r90，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖(c) ，其出射光不再折射而全部反射回來(lái)。光在光纖中的傳輸3、光纖的重要參數(shù)1.數(shù)值孔徑式中,n1為纖芯折射率,n2為包層折射率, 為纖芯和包層的相對(duì)折射率2. 傳播模式根據(jù)電介質(zhì)中電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程,考慮到光纖圓柱波導(dǎo)和纖芯-包層界面處的幾何邊界條件時(shí),則只存在波動(dòng)方程的特定(離散)的解。不同的允許存在的解代表許多離散的沿波導(dǎo)軸傳播的波。每一個(gè)允許傳播的波稱(chēng)為模式。每個(gè)波具有不同的離散的振幅和速度。采用“V值”表述光在階躍型折射率光纖中的傳播特性:式中,a為纖芯半徑,0為入射

4、光在真空中的波長(zhǎng)(真空中的光波長(zhǎng)近似等于光在空氣中的波長(zhǎng))。光纖V值越大,則光纖所能擁有的,即允許傳輸?shù)哪Ｊ?不同的離散波)數(shù)越多。當(dāng)V值低于2.404時(shí),只允許一個(gè)波或模式在光纖中傳輸。即圓柱波導(dǎo)的“單模條件”是：在光導(dǎo)纖維中傳播模式很多對(duì)信息傳輸是不利的。因?yàn)橥还庑盘?hào)采取很多模式傳播,就會(huì)使這一光信號(hào)分為不同時(shí)間到達(dá)接收端的多個(gè)小信號(hào),從而導(dǎo)致合成信號(hào)的畸變。在信息傳輸中一般希望模式數(shù)量越少越好。希望V小,纖芯直徑d=2a不能太大,一般為幾個(gè)微米,不能超過(guò)幾十微米。另外,n1與n2之差很小(例如,一般纖芯折射率n1可能是1.46,而包層折射率n2可能是1.44)。一般要求n2與n1之差不

5、大于1.4%6.2%。3. 傳播損耗光從光纖一端射入，從光纖另一端射出，光強(qiáng)發(fā)生衰減，單位長(zhǎng)度傳輸線的損耗即損耗系數(shù)定義為:式中L光線長(zhǎng)度Pi、Po分別為光纖輸入輸出功率光纖傳播損耗分類(lèi)：吸收損耗： 與組成光纖的材料的電子受激躍遷和分子共振有關(guān)。散射損耗： 由于材料密度的微觀變化，成分起伏，以及在制造光纖過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)上的不均勻性或缺陷引起的。輻射損耗： 當(dāng)光纖受到具有一定曲率半徑的彎曲時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生輻射損耗。4.色散材料色散：材料的折射率隨光波長(zhǎng)的變化而變化，使光信號(hào)中各波長(zhǎng)分量的光的群速度不同而引起的色散。波導(dǎo)色散：由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不同，某一波導(dǎo)模式的傳播常數(shù)隨著信號(hào)角頻率變化而引起色散。多模

6、色散： 在多模光纖中，由于各個(gè)模式在同一角頻率下的傳播常數(shù)不同、群速度不同而產(chǎn)生的色散。4、光纖的分類(lèi)1.按折射率變化類(lèi)型分類(lèi)三、傳輸光的調(diào)制技術(shù) 強(qiáng)度調(diào)制 相位調(diào)制 偏振態(tài)調(diào)制 頻率解調(diào)四、強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器利用外界因素改變光纖中光的強(qiáng)度，通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)的變化來(lái)檢測(cè)外界物理量的傳感器。光纖微彎傳感器反射式光纖位移傳感器反射式光纖壓力傳感器半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器折射率調(diào)制光纖傳感器1、光纖微彎傳感器：能引起光纖產(chǎn)生微彎的變形器光纖微彎傳感器是利用光纖的微彎損耗來(lái)檢測(cè)外界物理量的變化。一根多模光纖從一對(duì)機(jī)械變形器中間通過(guò)，如上圖所示。當(dāng)變形器受到壓力作用時(shí)，光纖沿軸線產(chǎn)生周期性微彎曲。光纖的彎

7、曲會(huì)引起光纖中的傳導(dǎo)模與輻射模之間產(chǎn)生耦合，從而使一部分導(dǎo)模泄漏到包層中去。通過(guò)檢測(cè)纖芯中的傳導(dǎo)光功率，就能測(cè)量出與之成一定關(guān)系的壓力的大小2、反射式光纖位移傳感器光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理反射式光纖是一種傳輸型光纖傳感器。光纖采用型結(jié)構(gòu)，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖。光從光源耦合到光源光纖，通過(guò)光纖傳輸，射向反射片，再被反射到接收光纖，最后由光電轉(zhuǎn)換器接收，轉(zhuǎn)換器接受到的光源與反射體表面性質(zhì)、反射體到光纖探頭距離有關(guān)。當(dāng)反射表面位置確定后，接收到的反射光光強(qiáng)隨光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。 顯然，當(dāng)光纖探頭緊貼反射片時(shí)，接收器接收到

8、的光強(qiáng)為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強(qiáng)逐漸增加，到達(dá)最大值點(diǎn)后又隨兩者的距離增加而減小。反射式光纖的輸出特性曲線，利用這條特性曲線可以通過(guò)對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)得到位移量。反射式光纖位移傳感器是一種非接觸式測(cè)量，具有探頭小，響應(yīng)速度快，測(cè)量線性化等優(yōu)點(diǎn)，可在小位移范圍內(nèi)進(jìn)行高速位移檢測(cè)。一個(gè)典型位移輸出曲線如下圖所示。在位移-輸出曲線的前坡區(qū),輸出信號(hào)的強(qiáng)度增加得非?？?這一區(qū)域可以用來(lái)進(jìn)行微米級(jí)的位移測(cè)量。在后坡區(qū),信號(hào)的減弱約與探頭和被測(cè)表面之間的距離平方成反比,可用于距離較遠(yuǎn)而靈敏度、線性度和精度要求不高的測(cè)量。位移-輸出信號(hào)曲線利用反射式光纖傳感器測(cè)量微小位移的原理,通過(guò)測(cè)量輸

9、出電壓與位移的關(guān)系確定工作點(diǎn),測(cè)得表面柤糙程度不同的真假鈔的輸出信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)紙幣的真假識(shí)別.3、反射式光纖壓力傳感器這種傳感器是在前面介紹的光纖位移傳感器的探頭前面加上一個(gè)膜片構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)如上圖所示。光源發(fā)出的光經(jīng)發(fā)射光纖傳輸并投射到膜片的內(nèi)表面上,反射光由接收光纖接收并傳回光敏元件。 光纖測(cè)壓傳感器4、半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器原理：利用半導(dǎo)體材料的光吸收與溫度的關(guān)系，結(jié)構(gòu)示意圖如下。5、折射率調(diào)制光纖傳感器利用折射率的不同進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。原理 ：利用被測(cè)物理量引起傳感材料折射率發(fā)生變化 利用折射率不同的介質(zhì)之間的折射和反射典型應(yīng)用：用于溫度報(bào)警系統(tǒng)的溫度傳感器、光纖液位傳感器等。五、相

10、位調(diào)制光纖傳感器馬赫澤德干涉儀馬赫澤德?tīng)柛缮鎯x的典型結(jié)構(gòu)如上圖所示，下方的分束器把激光器的輸出光束分成兩束。它們經(jīng)上、下光路的傳輸之后又重新合路,使它們?cè)诠鈾z測(cè)器處互相發(fā)生干涉。優(yōu)點(diǎn)：只有少量的或者沒(méi)有光直接返回激光器,這就避免了反饋光使激光器不穩(wěn)定和產(chǎn)生噪聲。具體應(yīng)用：光纖壓力傳感器光纖力傳感器光纖加速度傳感器光纖磁傳感器法布里珀羅干涉儀法布里 珀羅干涉儀原理如上圖所示。它是由兩塊平行的部分透射平面鏡組成的。這兩塊平面鏡的反射率(反射系數(shù))通常是非常大的,一般大于或等于95%。假定反射率為95%,那么在任何情況下,激光器輸出光的95%將朝著激光器反射回來(lái),余下的5%的光將透過(guò)平面鏡而進(jìn)入干涉

11、儀的諧振腔內(nèi)。主要特點(diǎn)：精細(xì)度高；光譜分辨率高；調(diào)整精度要求低。邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的基本原理如上圖所示。用一塊部分反射、部分透射的平面鏡作分束器。分束器使激光器輸出的一部分光向上反射到固定平面鏡。這些光被固定平面鏡反射回分束器,于是一部分光透射到光檢測(cè)器,另一部分光被反射回激光器。激光器輸出的另一部分光透過(guò)該分束器,被活動(dòng)平面鏡反射回分束器,一部分光被該分束器反射到光檢測(cè)器。薩格奈克干涉儀上圖為薩格奈克干涉儀的結(jié)構(gòu)。激光器輸出的兩束光沿著一條由一個(gè)分束器和三個(gè)平面鏡構(gòu)成的閉合光路反方向傳輸,它們重新合路后再入射到光檢測(cè)器,同時(shí)一部分光又返回到激光器?？梢郧蟮?順、反兩光束之間的光程差

12、為其中,A為光路系統(tǒng)圍成的面積,c為光速,為光路系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的角速度。它是目前許多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所用的環(huán)形激光陀螺和光線陀螺的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。六、偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器原理：利用外界因素改變光的偏振特性，通過(guò)檢測(cè)光的偏振態(tài)的變化來(lái)檢測(cè)各種物理量。檢測(cè)原理： 法拉第效應(yīng) 普克爾效應(yīng)(電光效應(yīng)) 光彈效應(yīng)偏振調(diào)制型光纖電流傳感器，其基本原理是前述介紹的法拉第效應(yīng)（磁光效應(yīng)）。當(dāng)平面偏振光在強(qiáng)度為H 的磁場(chǎng)作用下，線偏振光在物質(zhì)中通過(guò)的距離L時(shí)電矢量E旋轉(zhuǎn)角為：。如果這個(gè)磁場(chǎng)是由長(zhǎng)直載流導(dǎo)線產(chǎn)生的，根據(jù)安培環(huán)路定律：式中：I 載流導(dǎo)線中的電流強(qiáng)度；r 導(dǎo)線外任一觀測(cè)點(diǎn)到導(dǎo)線的垂直距離。由此可見(jiàn)，只要根據(jù)磁光效應(yīng)，

13、利用光纖傳感器測(cè)量出導(dǎo)線外任一點(diǎn)r的磁場(chǎng)強(qiáng)度H，即可得到導(dǎo)線中的電流I。七、頻率調(diào)制光纖傳感器原理：利用外界因素改變光的頻率，通過(guò)檢測(cè)光的頻率變化來(lái)測(cè)量外界物理量。頻率調(diào)制是基于光學(xué)多普勒效應(yīng)。如果一束頻率為f 的光入射到相對(duì)于探測(cè)器速度為v 的運(yùn)動(dòng)物體上，則從運(yùn)動(dòng)物體上反射的光頻率為fs ，根據(jù)多普勒效應(yīng)，得到 其中，c是光在介質(zhì)中的傳播速度八、分布式光纖傳感器隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的日益廣泛，僅僅依靠單點(diǎn)式測(cè)量，已難以滿(mǎn)足需求，并且不能充分發(fā)揮光纖傳感器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。分布式光纖傳感器一般是指：具有一個(gè)公共數(shù)據(jù)通道并能與控制中心實(shí)施通信聯(lián)絡(luò)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。分布式光纖傳感器測(cè)量是運(yùn)用光纖的一維特性進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)，它可同時(shí)獲得被測(cè)量的空間分布狀態(tài)和隨時(shí)間變化的信息。它可以在整個(gè)光纖上對(duì)沿光纖分布的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。在理論上，它可以把被測(cè)量作為光纖位置長(zhǎng)度的函數(shù)，能得到任意大小的分辨率。1、反射法：利用光纖在外部擾動(dòng)作用