光纖光學(xué)第10專題

1、第六章光纖傳感技術(shù)及其應(yīng)用光纖傳感器(FOS)光纖傳感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時(shí)具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)。光纖傳感技術(shù)是伴隨著光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。光纖傳感器可以這樣定義：一種用來檢測(cè)光在光纖中 傳播時(shí)，因光纖的全部或部分環(huán)節(jié)所在環(huán)境(物理量或化學(xué)量或 生物量等)的變化帶來的光傳輸特性改變的裝置。光纖傳感系統(tǒng)的基本原理就是光纖中的光波參數(shù)如光強(qiáng)I、頻率、

2、波長(zhǎng)、 相位以及偏振態(tài)等隨外界被測(cè)參數(shù)變化而變化, 通過檢測(cè)光纖中光波參數(shù)的變化達(dá)到檢測(cè)外界被測(cè)物理量的目的。光纖傳感器的發(fā)展與動(dòng)態(tài) 70年代末，美最先發(fā)表FOS文章 1981年美召開光纖陀螺會(huì)議 1981年英第一屆國(guó)際FOS會(huì)議 1984年西德第一屆FOS會(huì)議 1986年美第三屆FOS會(huì)議 1988年日本第四屆FOS會(huì)議 1989年美第五屆FOS會(huì)議 2000年意大利第十四屆FOS會(huì)議 光纖傳感器的特點(diǎn)光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高，抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性好，防爆，光路有可撓曲性，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，耗電少等。光纖傳感器可測(cè)量位移

3、、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場(chǎng)等物理量光纖傳感器技術(shù)是一門多學(xué)科性科學(xué)，它涉及知識(shí)面廣泛，如纖維光學(xué)、光電技術(shù)、彈性力學(xué)、電磁學(xué)、電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用等。光纖傳感器的原理光纖的結(jié)構(gòu)n1n2n2n1n2纖芯包層涂覆層護(hù)套開發(fā)某種目的新型光纖傳惑器時(shí)，首先要掌握關(guān)于光纖本身 的基礎(chǔ)知識(shí) 光纖傳感器的原理光纖傳光原理 全反射 n1 n2 入射角法線n1n2光纖傳感器的原理光纖傳光與數(shù)值孔徑n0200n2n1光纖的種類光纖按纖芯和包層材料性質(zhì)分類，有玻璃光纖和塑料光纖兩類；按折射率分有階躍型和漸變型二種按光纖的傳播模式來分，可分為多模光纖和單模光纖二類。光纖模

4、式及其對(duì)光信號(hào)傳輸?shù)挠绊憂2n1多模階躍光纖nr多模漸變光纖n2n1單模梯度光纖光纖的特性 信號(hào)通過光纖時(shí)的損耗和色散是光纖的主要特性。傳輸損耗，由材料吸收和雜質(zhì)散射等因素引起。有三個(gè)低損耗窗口：（1）0.85m附近，損耗24dB/km;（2）1.31 m附近，損耗約0.5dB/km;（3）1.55 m附近，損耗約0.2dB/km。色散（Dispersion）：一般包括材料色散、模式色散、波導(dǎo)色散等，引起接收的信號(hào)脈沖展寬，從而限制了信息傳輸速率。光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)1. 數(shù)值孔徑（NA）2. 光纖模式3. 傳播損耗上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回1. 數(shù)值孔徑（NA）反映纖芯接收光量的多少

5、，標(biāo)志光纖接收性能。意義：無論光源發(fā)射功率有多大，只有2i張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。大的數(shù)值孔徑：有利于耦合效率的提高。但數(shù)值孔徑太大，光信號(hào)畸變也越嚴(yán)重。2. 光纖模式光波沿光導(dǎo)纖維傳播的途徑和方式在光導(dǎo)纖維中傳播模式很多對(duì)信息的傳輸是不利的，導(dǎo)致合成信號(hào)的畸變，因此我們希望模式數(shù)量越少越好。 階躍型的圓波柱導(dǎo)內(nèi)傳播的模式數(shù)量表示為 希望V小：d不能太大，n2與n1之差很小 3. 傳播損耗損耗原因：光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗等的影響 傳播損耗（單位為dB） 式中, I光纖長(zhǎng)度； a單位長(zhǎng)度的衰減； I0光導(dǎo)纖維輸入端光強(qiáng)； I光導(dǎo)纖維輸出端光強(qiáng)。光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理

6、把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置 光纖傳感器的工作原理，可以歸納為這樣一個(gè)過程：通過置 于光路中的光調(diào)制器，將一個(gè)攜帶著待測(cè)信息(被測(cè)對(duì)象)的信 號(hào)疊加到載波光波上，承載信息的調(diào)制光波在光纖中傳輸，最后 由光探測(cè)系統(tǒng)解調(diào)，經(jīng)信號(hào)處理后檢測(cè)出所需要的待側(cè)信號(hào)。光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理及分類 1、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的電信號(hào)的裝置。它的電源、敏感元件、信號(hào)接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導(dǎo)線連接，見圖(a)。信號(hào)處理電 源信號(hào)接收敏感元件（a）傳統(tǒng)傳感器 導(dǎo)線光纖信號(hào)處理光接收器敏感元件光發(fā)送器（b）光纖傳感器光纖傳感器則是一種把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

7、可測(cè)的光信號(hào)的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖的)、光接收器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，見圖(b)。由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時(shí)，光的某一性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，最后經(jīng)信號(hào)處理得到所期待的被測(cè)量。光纖信號(hào)處理光接收器敏感元件光發(fā)送器（b）光纖傳感器 光是一種電磁波，其波長(zhǎng)從極遠(yuǎn)紅外的lmm到極遠(yuǎn)紫外線的10nm。它的物理作用和生物化學(xué)作用主要因其中的電場(chǎng)而引起。因此，討論光的敏感測(cè)量必須考慮光的電矢量E的振動(dòng)，即A電場(chǎng)E的振幅矢量；光波的振動(dòng)頻率；光初相位；t光的傳播時(shí)間?？梢姡灰构獾膹?qiáng)度、偏振態(tài)(矢量A的方向)、頻

8、率和相位等參量之一隨被測(cè)量狀態(tài)的變化而變化，或受被測(cè)量調(diào)制，那么，通過對(duì)光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進(jìn)行解調(diào)，獲得所需要的被測(cè)量的信息。 光纖傳感器一般由光源、光纖、光電元件等組成。根據(jù)光纖傳感器的用途和光纖的類型，對(duì)光源一般要提出功率和調(diào)制的要求。常用的光源有激光二極管和發(fā)光二極管。激光二極管具有亮度高，易調(diào)制，尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。而發(fā)光二極管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和溫度對(duì)發(fā)射功率影響小等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，還有采用白熾燈等作光源。 光纖傳感器與電類傳感器對(duì)比電 量電量檢測(cè)電類傳感器被測(cè)參量電纜電類傳感器光 源光量檢測(cè)光纖傳感器被測(cè)參量光纖光纖傳感器以機(jī)電測(cè)量為基礎(chǔ)以光學(xué)測(cè)量為基礎(chǔ)光纖傳感器與電

9、類傳感器對(duì)比分類 內(nèi)容 光纖傳感器電類傳感器調(diào)制參量振幅：吸收、反射等相位：偏振電阻、電容、電感等敏感材料溫-光敏、力-光敏、磁-光敏 溫-電敏、力-電敏、磁-電敏 傳輸信號(hào)光電傳輸介質(zhì)光纖、光纜電線、電纜 從對(duì)比可見光纖傳感器與電類傳感器是并行互補(bǔ)的一類新型傳感器光纖傳感器在易燃易爆場(chǎng)合的應(yīng)用控 制 室光 纖各類油罐參數(shù)檢測(cè)壓力容器參數(shù)檢測(cè)核工業(yè)環(huán)境參數(shù)檢測(cè)煤礦中CH4等參數(shù)檢測(cè)光纖傳感器在高電壓、強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾場(chǎng)合的應(yīng)用控 制 室光 纖高壓變壓器高壓電動(dòng)機(jī)強(qiáng)電磁干擾電氣設(shè)備微波設(shè)備光纖傳感器在實(shí)時(shí)在線檢測(cè)中的應(yīng)用取樣送檢樣品光譜儀被測(cè)物傳統(tǒng)光譜儀物質(zhì)成分檢測(cè)光纖光纖光譜儀被測(cè)物光纖光譜儀物質(zhì)

10、成分檢測(cè)光纖光譜儀在線檢測(cè) CH4傳統(tǒng)分布測(cè)量光纖傳感技術(shù)在分布測(cè)量中的應(yīng)用（時(shí)域變換技術(shù)）檢測(cè)儀表S1S2S3Sn電纜OTDR技術(shù)用于分布檢測(cè)光纖傳感技術(shù)在分布測(cè)量中的應(yīng)用（時(shí)域變換技術(shù)）光纖S1T1S2T2S3T3SnTn傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量光纖分類干涉型相位調(diào)制光纖傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓角速度振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa非干涉型強(qiáng)度調(diào)制光纖溫度傳感器遮光板遮斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動(dòng)膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動(dòng)、壓力

11、、加速度、位移溫度溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移振動(dòng)、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振調(diào)制光纖溫度傳感器法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓、溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb頻率調(diào)制光纖溫度傳感器多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動(dòng)、加速度氣體濃度溫度MMMMMMcbb注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型光纖傳感器的分類 光纖傳感器的組成與分類功能型（全光纖型）光纖傳感器非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器拾光型光纖傳感器 1）功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對(duì)外界信息具

12、有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學(xué)特性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等)的變化來實(shí)現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長(zhǎng)度，可提高靈敏度。信號(hào)處理光接收器光纖敏感元件光發(fā)送器 2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，對(duì)外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對(duì)靈敏度要求不太高的場(chǎng)合。信號(hào)處理光接收器敏感元

13、件光發(fā)送器光纖3）拾光型光纖傳感器 用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。 被測(cè)對(duì)象信號(hào)處理光受信器光發(fā)送器光纖耦合器光纖傳感器的光源光纖傳感器的光源的要求光纖傳感器的光源的分類光纖傳感器的光源的要求 由于光纖傳感器中光纖細(xì)而長(zhǎng)，若使光波能在其中正常傳播，并滿足測(cè)量要求，則對(duì)光源的結(jié)構(gòu)與性能有一定要求：(1)由于光纖傳感器結(jié)構(gòu)所限，要求光源的體積小，便于與光纖耦合；(2)光源要有足夠的亮度，以提高傳感器輸出的光功率； (3)光源發(fā)出的光波長(zhǎng)應(yīng)適合，以減少光波在光纖中傳播時(shí)的能量損耗； (4)光源工作時(shí)穩(wěn)定性好、噪聲

14、小，能在室溫下連續(xù)長(zhǎng)期工作； (5)光源要便于維護(hù)，使用方便。光纖傳感器的光源的分類非相干光源包括白幟光源與發(fā)光二極管；相干光源包括各種激光器：半導(dǎo)體激光器、氦氖激光器、固體激光器在大多數(shù)光纖傳感器中希望使用相干光源。光纖傳感器用光探測(cè)器光纖傳感器用光探測(cè)器的要求光纖傳感器用光探測(cè)器的分類光纖傳感器用光探測(cè)器的要求(1)線性好，按比例地將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；(2)靈敏度高，能敏感微小的輸入光信號(hào)，并輸出較大的電信號(hào)；(3)響應(yīng)頻帶寬、響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)特性好；(4)性能穩(wěn)定，噪聲小等。光調(diào)制技術(shù) 按照調(diào)制方式分類，光調(diào)制可以分為強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制和波長(zhǎng)調(diào)制等。光的調(diào)制過程就是

15、將一攜帶信息的信號(hào)疊加到載波光波上；完成這一過程的器件叫做調(diào)制器。在光纖傳感器中，光的解調(diào)過程通常是將載波光攜帶的信號(hào)轉(zhuǎn)換成光的強(qiáng)度變化，然后由光電探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。1）強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器可以概括為：通過檢測(cè)被測(cè)對(duì)象所引起的光強(qiáng)變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)和控制。主要分為光源、調(diào)制區(qū)、光探測(cè)器三 大部分優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：受光源強(qiáng)度波動(dòng)和連接器損耗變化等影響較大 。傳感過程實(shí)際上分為兩個(gè)階段使被 測(cè)對(duì)象與光強(qiáng)度調(diào)制器發(fā)生相互作用；進(jìn)而把信號(hào)傳遞給載波光 波，并進(jìn)行探測(cè)。強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的特點(diǎn)是：技術(shù)上比較 容易實(shí)現(xiàn)，所采用光纖多為光通信用多模光纖而相關(guān)的光纖接 頭和耦合器

16、等部件國(guó)內(nèi)已有產(chǎn)品供應(yīng)。 2）偏振調(diào)制光纖傳感器在許多光學(xué)系統(tǒng)中，尤其是包含有單模光纖的系統(tǒng)中，光波的偏振特性起著重要作用。理解光纖系統(tǒng)中的偏振現(xiàn)象是討論光纖偏振元件和傳感器的中心問題。許多物理效應(yīng)都會(huì)影響或改變光的偏振狀態(tài)。光纖傳感器中的偏振調(diào)制器普遍采用的物理效應(yīng)有旋光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、普克爾效應(yīng)、克爾效應(yīng)及光彈效應(yīng)等偏振調(diào)制光纖傳感器是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測(cè)對(duì)象信息的傳感器。利用光在磁場(chǎng)中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用光在電場(chǎng)中的壓電晶體內(nèi)傳播的克爾效應(yīng)做成的電場(chǎng)、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動(dòng)或聲傳感器；利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動(dòng)等

17、傳感器。這類傳感器可以避免光源強(qiáng)度變化的影啊，因此靈敏度高。 3）頻率調(diào)制光纖傳感器 是一種利用單色光射到被測(cè)物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。利用運(yùn)動(dòng)物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動(dòng)、壓力、加速度傳感器利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時(shí)的喇曼散射構(gòu)成的測(cè)量氣體濃度或監(jiān)測(cè)大氣污染的氣體傳感器；利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。 4）相位調(diào)制傳感器 相位調(diào)制是光纖傳感中最重要的傳感技術(shù)，其基本的傳感機(jī)理是，在待測(cè)場(chǎng)能量的作用下，使光纖中傳播的光波發(fā)生相位變化，再以干涉測(cè)量技術(shù)把相位變化變換為振幅變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè) 物理量的檢測(cè)。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸

18、縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用電致伸縮的電場(chǎng)、電壓傳感器以及利用光學(xué)賽格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，因此成本高。 相位調(diào)制光纖傳感器邁克爾遜干涉 馬赫澤德干涉 賽格納克干涉 法布里珀羅干涉 ）波長(zhǎng)分布(顏色調(diào)制)傳感器 光纖傳感器中的顏色調(diào)制，主要是利用傳感探頭的光頻譜特 性隨外界物理量變化的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的?？梢宰鞒筛鞣N光纖傳感 器來檢測(cè)物質(zhì)的種類、濃度等化學(xué)量。通常的測(cè)試方法為；通過測(cè)量物質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)時(shí)放出的光， 以及光入射到某種物質(zhì)上時(shí)反射、折射光和透射光的強(qiáng)度隨波長(zhǎng) 的變化情況，可以得到組成物質(zhì)的原子、分子的固有結(jié)構(gòu)圖案， 即物質(zhì)的發(fā)光光譜、吸收光譜等。對(duì)光譜進(jìn)行測(cè)量和分析，可以 研究材料的化學(xué)性質(zhì)，這種光譜分析是化學(xué)分析的重要內(nèi)容之一 傳感信號(hào)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)010mA0 5V光電變換計(jì)算機(jī)電 阻電 容光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)光纖 傳輸量大 傳