光纖式傳感器課件

電氣測試技術(shù)電氣測試技術(shù)電子信息與自動化學(xué)院賀曉蓉10/17/20221電氣測試技術(shù)電氣測試技術(shù)電子信息與自動化學(xué)院10/15/20光纖作為遠(yuǎn)距離傳輸光波信號的媒質(zhì)，最初的研究是用于光通信技術(shù)中。用于傳感器技術(shù)始于1977年，至今光纖傳感器已日趨成熟。光纖傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比具有許多優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、電絕緣性能好、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、不受電磁干擾、光路可彎曲、便于實(shí)現(xiàn)遙測、耐腐蝕、耐高溫等特點(diǎn)?？蓮V泛用于位移、速度、加速度、壓力、溫度、液位、流量、水聲、電流、磁場、放射性射線等物理量測量，發(fā)展極為迅速，在制造業(yè)、軍事、航天、航空、航海和其他科學(xué)技術(shù)研究中有著廣泛的應(yīng)用。4.9光纖傳感器

4.9.1概述10/17/20222光纖作為遠(yuǎn)距離傳輸光波信號的媒質(zhì)，最初的研究是用于光通信技術(shù)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)簡單和溫度對發(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。10/17/20223光纖傳感器一般由光源、光纖、光電元件等組成。根據(jù)光纖傳感器的光纖檢測型光電傳感器作業(yè)件檢測顏色檢測10/17/20224光纖檢測型光電傳感器作業(yè)件檢測顏色檢測10/15/20224光纖是用光透射率高的電介質(zhì)(如石英、玻璃、塑料等)構(gòu)成的光通路。光纖的結(jié)構(gòu)如圖所示，它由折射率n1較大(光密介質(zhì))的纖芯，和折射率n2較小(光疏介質(zhì))的包層構(gòu)成的雙層同心圓柱結(jié)構(gòu)。光纖的基本結(jié)構(gòu)與波導(dǎo)4.9.2結(jié)構(gòu)及類型1.結(jié)構(gòu)10/17/20225光纖是用光透射率高的電介質(zhì)(如石英、玻璃、塑料等)構(gòu)成的光通2.分類單模光纖的折射率分布是階躍型的，但光纖的光學(xué)尺寸很小，只能傳輸單模光波，是一種超寬帶光纖；多模光纖能傳輸數(shù)百種模式。按照光從纖芯到包層的折射率的變化規(guī)律，光纖可分為階躍型、漸變型和單模型三種。圖4-128光纖的類型10/17/202262.分類單模光纖的折射率分布是階躍型的，但光纖的光學(xué)尺寸物性型光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。1）物性型（功能型）光纖傳感器光纖一方面起傳輸光的作用，另一方面是敏感元件，是靠被測物理量調(diào)制或影響光纖的傳輸特性，把被測物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)制的光信號。因此光纖具有“傳”和“感”的功能。光纖的輸出端采用光電器件，所接受的光信號便是被測量調(diào)制后的信號，并使之轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。此類傳感器的?yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高，但是，它需用特殊光纖和先進(jìn)的檢測技術(shù)，因此成本高。其典型例子如光纖陀螺、光纖水聽器等。按照光的作用分類信號處理光受信器光纖敏感元件光發(fā)送器10/17/20227物性型光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變圖所示為施加均衡壓力和施加點(diǎn)壓力的兩種光纖壓力傳感器形式。圖(a)所示為光纖在均衡壓力作用下，由于光彈性效應(yīng)而引起光纖折射率、形狀和尺寸的變化，從而導(dǎo)致光纖傳播光的相位變化和偏振面旋轉(zhuǎn);圖(b)所示為光纖在點(diǎn)壓力作用下，引起光纖局部變形，使光纖由于折射率不連續(xù)變化導(dǎo)致傳播光散亂而增加損耗，從而引起光振幅變化。在光纖的輸出端采用適當(dāng)?shù)墓怆姍z測元件檢出光強(qiáng)的變化，就可以制作溫度、壓力、振動、位移等傳感器。強(qiáng)度調(diào)制10/17/20228圖所示為施加均衡壓力和施加點(diǎn)壓力的兩種光纖壓力傳感器形式。圖

結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。2）結(jié)構(gòu)型（非功能型）光纖傳感器在非功能型傳感器中，光纖不是敏感元件，即只“傳”不“感”。它是利用在光纖的端面或在兩根光纖中間，放置光學(xué)材料及機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件，感受被測物理量的變化。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，應(yīng)用于對靈敏度要求不太高的場合。目前，已實(shí)用化或尚在研制中的光纖傳感器，大都是非功能型的。信號處理光受信器敏感元件光發(fā)送器光纖10/17/20229結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖傳輸3）拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對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。

信號處理光受信器光發(fā)送器光纖耦合器被測對象10/17/2022103）拾光型光纖傳感器信號光受光發(fā)送器光纖耦合器被測對象10/分為：強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。1）強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實(shí)現(xiàn)敏感測量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動膜或液晶的反射光強(qiáng)度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機(jī)械的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：受光源強(qiáng)度波動和連接器損耗變化等影響較大。根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式10/17/202211根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式10/15/2022112）偏振調(diào)制光纖傳感器是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的傳感器。有利用光在磁場中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流、磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡爾效應(yīng)做成的電場、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動等傳感器。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物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進(jìn)行監(jiān)測的傳感器。有利用運(yùn)動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、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)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器等。10/17/2022122）偏振調(diào)制光纖傳感器10/15/202212圖所示為激光多普勒效應(yīng)速度傳感器測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由激光光源、分光器、光接收器、頻率檢測器及振動物體等部分組成。當(dāng)光源和反射體或散射體之間存在相對運(yùn)動時(shí)，接收到的聲波頻率與入射聲波頻率存在差別的現(xiàn)象稱為光學(xué)多普勒效應(yīng)，是奧地利學(xué)者多普勒于1842年發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)單色光束人射到運(yùn)動體上某點(diǎn)時(shí)，光波在該點(diǎn)被運(yùn)動體散射，散射光頻率與入射光頻率相比，產(chǎn)生了正比于物體運(yùn)動速度的頻率偏移，稱為多普勒頻移。10/17/202213圖所示為激光多普勒效應(yīng)速度傳感器測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由激光光其工作原理為:由激光光源(氫-氦激光)發(fā)出的光(頻率為fi)導(dǎo)入光導(dǎo)纖維，經(jīng)過分光鏡后，光線通過光纖射向振動物體，由于振動物體(被測體)振動，產(chǎn)生散射(頻率為fs)，被測物體的運(yùn)動速度與多普勒頻率之間的關(guān)系為

式中，fi為入射光頻率，即激光源頻率；fs為散射光頻率；n為發(fā)生散射介質(zhì)的折射率；λ為入射光在空氣中的波長；ν為被測物體的運(yùn)動速度。上式表明，多普勒頻率△f與被測物體運(yùn)動速度ν成比例變化關(guān)系，從頻率分檢器中測得△f后，即可得到物體的運(yùn)動速度。頻率調(diào)制10/17/202214其工作原理為:由激光光源(氫-氦激光)發(fā)出的光(頻率為fi)多普勒測速儀應(yīng)用：衛(wèi)星跟蹤測軌系統(tǒng)多普勒測速儀的工作原理是利用相對運(yùn)動的物體頻率的變化。電磁波的傳播同樣有多普勒特性。當(dāng)一個發(fā)出固定頻率的波的物體，相對于觀察地點(diǎn)有相對運(yùn)動時(shí)，在觀察地點(diǎn)收到的頻率隨著它們的相對速度而變化。即當(dāng)物體向著觀察點(diǎn)接近時(shí)，波長就變短，頻率就變高；而遠(yuǎn)離觀察點(diǎn)時(shí)，波長就變長，頻率就變低,這樣通過頻率的變化就能計(jì)算出衛(wèi)星的高度、速度和方位。若用此法連續(xù)測量，就可得到精確的衛(wèi)星實(shí)際軌道數(shù)據(jù)。

10/17/202215多普勒測速儀應(yīng)用：衛(wèi)星跟蹤測軌系統(tǒng)多普勒測速儀4）相位調(diào)制傳感器

其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（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系統(tǒng)，因此成本高。

10/17/2022164）相位調(diào)制傳感器10/15/202216由激光器發(fā)出的激光經(jīng)3dB光纖耦合器分為兩路:一路構(gòu)成光纖干涉儀的傳感臂,接受聲波的調(diào)制,另一路則構(gòu)成參考臂,提供參考相位.兩束波經(jīng)后端反射膜反射后返回光纖耦合器,發(fā)生干涉,干涉的光信號經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)過信號處理就可以拾取聲波的信息。Michelson光纖干涉儀10/17/202217由激光器發(fā)出的激光經(jīng)3dB光纖耦合器分為兩路:一路構(gòu)激光經(jīng)3dB光纖耦合器分為兩路,分別經(jīng)過傳感臂與參考臂,由另一個耦合器合束發(fā)生干涉,經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換后拾取聲信號。Mach-Zehnder光纖干涉儀10/17/202218激光經(jīng)3dB光纖耦合器分為兩路,分別經(jīng)過傳感臂與參考臂,由兩個反射鏡或一個光纖布拉格光柵等形式構(gòu)成一個Fabry－Perot干涉儀，激光經(jīng)該干涉儀時(shí)形成多光束干涉，通過解調(diào)干涉的信號得到聲信號。Fabry-Perot光纖干涉儀10/17/202219由兩個反射鏡或一個光纖布拉格光柵等形式構(gòu)成一個Fabry－P該型光纖水聽器的核心是由一個3×3光纖耦合器構(gòu)成的Sagnac光纖環(huán)，順時(shí)針或逆時(shí)針傳播的激光經(jīng)信號臂時(shí)對稱性被破壞,形成相位差,返回耦合器時(shí)干涉,解調(diào)干涉信號得到聲信號。Sagnac光纖干涉儀10/17/202220該型光纖水聽器的核心是由一個3×3光纖耦合器構(gòu)成的SagSagnac效應(yīng)是指在任意幾何形狀的閉合光路中，從某一點(diǎn)觀察點(diǎn)發(fā)出的一對光波沿相反方向運(yùn)行一周后又回到該觀察點(diǎn)時(shí)，這對光波的相位（或它們經(jīng)歷的光程）將由于該閉合環(huán)形光路相對于慣性空間的旋轉(zhuǎn)而不同，其相位差（光程差）的大小與閉合光路的轉(zhuǎn)速速率成正比。

相位調(diào)制10/17/202221Sagnac效應(yīng)是指在任意幾何形狀的閉合光路中，從某一點(diǎn)觀光纖流速傳感器：光纖流速傳感器由多模光纖、光源、銅管、光電二極管及測量電路所組成。多模光纖插入順流而置的銅管中，由于流體流動而使光纖發(fā)生機(jī)械變形，從而使光纖中傳播的各模式光的相位發(fā)生變化，光纖的發(fā)射光強(qiáng)出現(xiàn)強(qiáng)弱變化。其振幅的變化與流速成正比。4.9.3應(yīng)用案例1.光纖流速傳感器10/17/202222光纖流速傳感器：光纖流速傳感器由多模光纖、光源、銅管、光電二案例2.光纖液位傳感器(a)Y型光纖；(b)U型光纖；(c)棱鏡耦合

圖所示為基于全內(nèi)反射原理研制的液位傳感器。它由LED光源，光電二極管，多模光纖等組成。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在光纖測頭端有一個圓錐體反射器。當(dāng)測頭置于空氣中，沒有接觸液面時(shí)，光線在圓錐體內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射而返回到光電二極管。當(dāng)測頭接觸液面時(shí)，由于液體折射率與空氣不同，全內(nèi)反射被破壞，將有部分光線透入液體內(nèi)，使返回到光電二極管的光強(qiáng)變?nèi)酰环祷毓鈴?qiáng)是液體折射率的線性函數(shù)。返回光強(qiáng)發(fā)生突變時(shí)，表明測頭已接觸到液位。光纖液位計(jì)可用于易燃、易爆場合，但不能探測污濁液體以及會粘附在測頭表面的粘稠物質(zhì)。10/17/202223案例2.光纖液位傳感器(a)Y型光纖；(b)U型光纖；(c案例3.測量壓力或溫度的相位調(diào)制型光纖傳感器動畫壓力：為基于全內(nèi)反射破壞原理，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制的一種高靈敏度光纖壓力傳感器結(jié)構(gòu)。溫度：測量光纖受到溫度場作用后，產(chǎn)生相位偏移，引起干涉條紋移動。相位調(diào)制。10/17/202224案例3.測量壓力或溫度的相位調(diào)制型光纖傳感器動畫壓力：為基案例4.光纖水聽器電磁波和光波能在空間有效地傳播,是空中信息傳遞的有效載體。但它們在水中的傳播損耗比聲波大3個數(shù)量級。因此不能成為水中遠(yuǎn)距離信息傳遞的有效載體。迄今為止，聲波仍然是水中遠(yuǎn)距離傳輸信息的最有效的載體。光纖水聽器是通過接收聲波對水下目標(biāo)進(jìn)行探測、定位和識別的傳感器。光纖水聽器是一種建立在光纖、光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下聲信號傳感器。它通過高靈敏度的光纖相干檢測，將水聲信號轉(zhuǎn)換成光信號，并通過光纖傳至信號處理系統(tǒng)提取聲信號信息。光纖水聽器主要用于海洋聲學(xué)環(huán)境中的聲傳播、噪聲、混響、海底聲學(xué)特性、目標(biāo)聲學(xué)特性等的監(jiān)測。它既可用于海洋、陸地石油天然氣勘探，也可用于海洋、陸地地震波檢測以及海洋環(huán)境檢測，也可以制作成魚探儀，用于海洋捕撈，它同時(shí)又是現(xiàn)代海軍反潛作戰(zhàn)及水下兵器試驗(yàn)的先進(jìn)檢測手段。

10/17/202225案例4.光纖水聽器電磁波和光波能在空間有效地傳播,是空隨著核潛艇技術(shù)及潛射導(dǎo)彈技術(shù)的迅速發(fā)展,潛艇的噪聲日益降低。常規(guī)探測潛艇壓電聲納的靈敏度已接近極限值,使電纜連接的海底聲納警戒系統(tǒng)的探潛能力大大降低。鑒于光纖技術(shù)為信息傳輸和信息傳感帶來了革命性的變革,美國和歐共體各國都對水聽器進(jìn)行了深入研究,獲得了很多有價(jià)值的研究成果。我國的光纖水聽器研究已取得較大進(jìn)