光電檢測系統(tǒng)：7- 光纖傳感檢測

第七章光纖傳感檢測技術(shù)光纖傳感器基礎(chǔ)光纖的光波調(diào)制技術(shù)光纖傳感器實例1光纖傳感器一般可分為兩大類：功能型傳感器（FunctionFiberOpticSensor），又稱FF型光纖傳感器；利用光纖本身感受被測量變化，并改變傳輸光波特性—光纖既是傳光元件，又是敏感元件。非功能型傳感器（Non-FunctionFiberOpticSensor），又稱NF型光纖傳感器。利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光信號的傳輸介質(zhì)。

光纖傳感器分類7.1光纖傳感器基礎(chǔ)2功能型光纖傳感器光纖本身具有敏感能力和檢測功能，光纖不僅有傳光作用，而且在被測對象作用下光波參量：光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等得到調(diào)制，被調(diào)制信號攜帶了被測信息。非功能型光纖傳感器光纖只當(dāng)作傳光介質(zhì)，被測量感知功能由其它光電轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)，光纖只起傳光作用，光纖是不連續(xù)的。37.2光纖的光波調(diào)制技術(shù)強(qiáng)度調(diào)制相位調(diào)制偏振調(diào)制頻率調(diào)制波長調(diào)制41、強(qiáng)度調(diào)制：IDttIS信號入射光強(qiáng)度調(diào)制光源出射光輸出ID光探測器強(qiáng)度調(diào)制原理IOtIit5強(qiáng)度調(diào)制是利用被測對象的變化引起敏感元件的某一特征參數(shù)變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度發(fā)生變化，實現(xiàn)被測量的測量。調(diào)制原理：6光波的電場矢量E和磁場矢量H與光傳播方向正交。按照光振動矢量E、H在垂直于光線平面內(nèi)矢量軌跡的不同，分為線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光和部分偏振光。偏振調(diào)制就是利用光偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象的信息。2、偏振調(diào)制調(diào)制原理：普克爾Pockels效應(yīng)(電光效應(yīng))法拉第磁光效應(yīng)光彈效應(yīng)解調(diào)原理：檢偏器7普克爾效應(yīng)（電光效應(yīng)）當(dāng)壓電晶體受光照射，且與光照正交的方向上加以高壓電場時，晶體呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為Pockels效應(yīng)。雙折射正比于所加電場的一次方，在晶體中，兩正交偏振光的相位變化為：其中：n0—正常折射率；re—電光系數(shù)；U—加在晶體片上的橫向電壓；λ—光波長；L—光傳播方向晶體長度；d—電場方向晶體厚度。Pockels效應(yīng)及應(yīng)用8法拉第效應(yīng)（磁光效應(yīng)）某些物質(zhì)在磁場作用下，線偏振光通過時其振動面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。光的電矢量E旋轉(zhuǎn)角θ與光在物質(zhì)中通過的距離L和磁場強(qiáng)度H成正比，即式中V為物質(zhì)的韋爾德常數(shù)。利用法拉第效應(yīng)可以測量磁場，電流。9光彈效應(yīng)在垂直于光波傳播方向上施加應(yīng)力，被施加應(yīng)力的材料將會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其折射率的變化與應(yīng)力材關(guān)，這被稱為光彈效應(yīng)。由光彈效應(yīng)產(chǎn)生的偏振光的相位變化為：式中：K—物質(zhì)光彈性常數(shù)；P—施加在物體上的壓強(qiáng)；L—光波通過材料的長度。此時出射光強(qiáng)為：光彈效應(yīng)示意圖10相位調(diào)制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。3、相位調(diào)制應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)：光纖長度變化光彈效應(yīng):光纖芯折射率變化磁致伸縮效應(yīng)：光纖長度變化聲光效應(yīng)：光頻率變化光熱效應(yīng)：光纖長度變化薩格納克(Sagnac)效應(yīng)檢測原理相位解調(diào)原理：光零差檢測原理頻率解調(diào)原理：光外差檢測原理11典型干涉測量儀與光纖干涉?zhèn)鞲衅鳎厚R赫-澤德爾(Mach-Zender)干涉儀法布里-泊羅(Fabry-Perot)干涉儀邁克爾遜(Michelson)干涉儀薩格納克(Sagnac)干涉儀常用干涉儀常用光纖干涉?zhèn)鞲衅魇抢蒙鲜鲈碛晒饫w干涉儀實現(xiàn)干涉測量的光纖傳感器。121.邁克爾遜干涉儀干涉原理：當(dāng)激光束分得的兩光束的光程差小于激光的相干長度時，射到光檢測器上的兩相干光束即產(chǎn)生干涉，且相位差為：傳感器13傳感器2.馬赫－澤德爾干涉儀由移動平面鏡的位移獲得兩相干光束的相位差，在光檢測器是產(chǎn)生干涉。優(yōu)點(diǎn)：沒有激光返回激光器，噪聲小，穩(wěn)定性好。對干涉影響小。143.薩格納克干涉儀激光器輸出的兩束光沿著一條由一個分束器和三個平面鏡構(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器,同時一部分光又返回到激光器。當(dāng)平臺沿垂直于光束平面旋轉(zhuǎn)時，兩方向相反的光束到達(dá)檢測器的延遲不同，從而產(chǎn)生相位變化。若平臺以角速度Ω順時針旋轉(zhuǎn)時，則在順時針方向傳播的光較逆時針方向傳播的光延遲大。這個相位延遲量可表示為：通過檢測干涉條紋的變化，就知道旋轉(zhuǎn)速度，它是目前許多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所用的環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺的設(shè)計基礎(chǔ)。15164.法布里-珀羅干涉儀傳感器它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))通常是大于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,余下的5%的光將透過平面鏡而進(jìn)入干涉儀的諧振腔內(nèi)。其干涉原理是多光束干涉，其干涉光強(qiáng)度的變化為：175.光纖干涉儀傳感器A:邁克爾遜干涉儀；b：馬赫-澤德干涉儀；c:塞格納克干涉儀；d：法布里-珀羅干涉儀敏感器敏感器敏感器敏感器部分透射反射鏡18電流互感器或電流傳感器-CT光纖電流互感器-OCT光纖電流傳感器優(yōu)點(diǎn)：絕緣性能好、抗電磁干擾強(qiáng)、測量精度高、動態(tài)范圍大、體積小、易于組網(wǎng)。1.光纖電流傳感器-光學(xué)互感器7.3光纖傳感器實例19光的偏振特性通光方向腰橫別扁擔(dān)進(jìn)不了城門光纖電流傳感器的基本原理20光學(xué)電流傳感器

磁光玻璃21塊狀玻璃型OCT傳感頭結(jié)構(gòu)塊狀玻璃型OCT22根據(jù)法拉第效應(yīng)和安培環(huán)路定律，有理論關(guān)系式：θ為法拉第旋轉(zhuǎn)角，V為磁光材料的維爾德常數(shù)，H為光傳播方向上的磁場強(qiáng)度，L為光路長度，I為被測電流。塊狀玻璃型OCT傳感原理23

設(shè)起偏器、檢偏器偏振軸之間的夾角為45度，根據(jù)Malus定律，通過檢偏器的光功率為：由于是利用光功率進(jìn)行電流的測量，因此光源的波動會對測量精度產(chǎn)生非常大的影響。24信號檢測的光路結(jié)構(gòu)利用模擬電路把直流與交流信號分開，并實現(xiàn)除法運(yùn)算，得到25雙光路結(jié)構(gòu)26一種塊狀玻璃電流傳感系統(tǒng)27實驗用傳感頭光路結(jié)構(gòu)磁光材料直角棱鏡直角棱鏡起偏器檢偏器自聚焦透鏡自聚焦透鏡傳感頭28監(jiān)測電流工作方式：脈沖、連續(xù)最大檢測電流：30kA；測量精度：3%；響應(yīng)時間：≤10us；隔離電壓：≥60kA；數(shù)據(jù)輸出接口：RS232C；供電方式：AC220V/50Hz；電源功耗：50W；光纖電流傳感器參數(shù)29光纖電流傳感器的應(yīng)用30光纖電流傳感器的應(yīng)用31光纖光柵工作原理l1

l2

…

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…

lnl1l1l1l1l1l1l1

光纖光柵是放置在不同掩膜板下用紫外光曝光的光敏光纖，使其纖芯中形成周期折射率擾動?？逃泄鈻诺墓饫w會對入射的寬帶光進(jìn)行選擇性反射，其反射的中心波長將滿足布喇格條件：2.光纖光柵傳感器321.00.80.60.40.20.0R1549.51550.01550.5(nm)

Bragg光纖光柵的反射譜

33光纖光柵的傳感原理：布拉格光柵的布拉格反射波長受溫度和應(yīng)力的影響會發(fā)生偏移:

為有效彈光系數(shù)

為熱膨脹系數(shù)

為熱光系數(shù)(應(yīng)變量)34在溫度不變的情況下，如果光纖光柵的拉伸是各向同性且均勻的，則光纖光柵的布拉格波長變化和光纖的單位伸長量的關(guān)系：K為材料的拉伸系數(shù)，G為所加應(yīng)力。

在不加應(yīng)力時，如果溫度變化，光纖光柵的布拉格波長也會發(fā)生偏移，波長偏移量和溫度的變化的關(guān)系：

布拉格波長的變化量與溫度變化量或所加應(yīng)力成線性關(guān)系。光纖光柵的傳感原理：35布拉格光柵傳感器的一階應(yīng)變靈敏度為：

布拉格光柵傳感器的二階應(yīng)變靈敏度為：

由于應(yīng)變引起的布拉格波長變化量為

應(yīng)變靈敏度：36溫度靈敏度為：

為光纖的熱膨脹系數(shù)

為光纖的熱光系數(shù)式中表明溫度靈敏度與材料的熱膨脹系數(shù)有關(guān)。如果布拉格光柵牢固地粘接在或埋置于另一種材料中，則這種材料的熱膨脹系數(shù)會引起光柵周期的改變，利用這種特性可以提高布拉格光柵的溫度靈敏度。

37光纖光柵傳感系統(tǒng)的組成38光纖光柵傳感系統(tǒng)的解調(diào)方法：

參考光柵匹配法可調(diào)諧波長激光器

M-Z干涉儀法

F-P濾波器法39參考光柵匹配法40可調(diào)諧波長激光器法BroadbandsourceBragggratingsatdifferentwavelengthsSawtoothdrivevoltagegiveslinearfrequencyscan

DriveOpticalfilterDetectorComputer41M-Z干涉儀法42F-P濾波器法BroadbandsourceBragggratingsatdifferentwavelengthsSawtoothdrivevoltagegiveslinearfrequencyscan

DriveFabryPerotDetectorComputer43FBG傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)FasttuneableopticalsourceDetectorFBGBroadbandsourceFabryPerot44FBG傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

45光纖光柵傳感系統(tǒng)的應(yīng)用目前光纖光柵能監(jiān)測的量：應(yīng)力、應(yīng)變溫度壓力、位移振動、加速度濕度46

應(yīng)力、應(yīng)變測量封裝結(jié)構(gòu)點(diǎn)焊式光纖光柵鋼板應(yīng)變計混凝土表面式光纖光柵應(yīng)變計埋入式應(yīng)變計鋼筋計應(yīng)變計47

溫度測量封裝結(jié)構(gòu)表面粘貼式溫度傳感器浸入式溫度傳感器埋入式溫度傳感器光柵溫度傳感器48

壓力、位移測量封裝結(jié)構(gòu)49

振動、加速度測量封裝結(jié)構(gòu)50

濕度測量封裝結(jié)構(gòu)513.分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感器能對沿光纖軸向分布物理量的空間與時間分布進(jìn)行連續(xù)測量，即可以把被測量作為光纖長度位置的函數(shù)，理論上可實現(xiàn)連續(xù)分布的測量。遠(yuǎn)距離定位測量。實現(xiàn)方法：后向散射型透射型

52主要利用激光在光纖中激發(fā)的瑞利、布里淵、拉曼散射等的后向散射光譜信號進(jìn)行傳感。瑞利散射—強(qiáng)度探測—光纖損耗-應(yīng)變、應(yīng)力拉曼散射—強(qiáng)度探測—溫度布里淵散射—頻率或強(qiáng)度—應(yīng)變、應(yīng)力、溫度

后向散射型分布式光纖傳感器53光時域探測法：OTDR、POTDR、ROTDR、BOTDR光頻域探測法：OFDR、POFDR、ROFDR光時域相干探測法：COTDR、?-OTDR后向散射型分布式光纖傳感器為了實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的定位測量，通常要采用光時域反射探測技術(shù)或光頻域反射探測技術(shù)，為進(jìn)一步提高探測靈敏度，往往還結(jié)合光相干檢測技術(shù)。54SystemcanbeoperatedfromoneendOpticalPulsedTZ?lOscilloscopeDetectorPulselaunchIt光時域反射探測技術(shù)—時間反映距離55令后向散射光時域反射探測原理

到此得到了光纖中后向散射功率方程與時間或是與距離有關(guān)的兩種表達(dá)式。

56如果能夠測得z1、z2處的后向散射光回傳入射端的光功率，就可求得z1和z2間的平均衰減系數(shù)：

因此OTDR可以測量損耗。在測量中，距離的確定是通過時間來得到的，即測量出脈沖注入與接收到某點(diǎn)后向散射光所經(jīng)歷的時間，就能得到距離：

后向散射光時域反射探測原理57動態(tài)范圍：始端的后向散射功率與噪聲的峰值功率或接收靈敏度間的dB差。

空間分辨率：是指儀器能分辨的兩相鄰事件點(diǎn)間的最短距離。它和測量脈沖寬度、折射率參數(shù)有關(guān)。

光時域反射探測主要的技術(shù)指標(biāo)58脈沖光源光電探測信號處理OscilloscopePulsel