第七章光纖傳感技術(shù)

7.1概述

背景介紹光導(dǎo)纖維光纖通信：通信質(zhì)量受干擾的原因光纖對(duì)外部因素十分敏感。外界環(huán)境溫度壓力電場(chǎng)磁場(chǎng)光波參量強(qiáng)度相位頻率偏振態(tài)光纖傳感

當(dāng)前第1頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)光纖結(jié)構(gòu)圖當(dāng)前第2頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)光纖的優(yōu)點(diǎn)長距離低損耗易彎曲體積小、重量輕、成本低防水、防火、耐腐蝕抗電磁干擾光纖傳感技術(shù)應(yīng)用航天：飛機(jī)及航天器各部位壓力、溫度傳感航海石油化工電力工業(yè)核工業(yè)醫(yī)療器械：血液流速、血壓及心音測(cè)量當(dāng)前第3頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)7.1.2光纖傳感器分類光纖傳感器原理：利用光纖將待測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠▍⒘窟M(jìn)行調(diào)制，并對(duì)調(diào)制過的光波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)檢測(cè)，從而獲得待測(cè)量值。

功能型（傳感型、全光纖）傳感器：光纖中傳輸?shù)墓獠ㄊ艿奖粶y(cè)對(duì)象的調(diào)制，空載波變?yōu)檎{(diào)制波，攜帶了被測(cè)對(duì)象信息。光纖直接作為敏感元件，既感且傳當(dāng)前第4頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)非功能型（傳光型、混合型）傳感器：光纖送來光波通過光轉(zhuǎn)換元件時(shí)光波參量發(fā)生相應(yīng)變化，空載波變成了調(diào)制波，攜帶了帶測(cè)量信息。其他敏感元件感知待測(cè)量的變化，只傳不感當(dāng)前第5頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)提問：光纖傳感器利用什么物理效應(yīng)來感知待測(cè)量？它能檢測(cè)哪些物理量？

功能型光纖傳感器光纖自身的結(jié)構(gòu)參量（尺寸和形狀）發(fā)生變化，光纖中的光波參量受到相應(yīng)控制光纖中傳輸?shù)墓獠ㄗ陨戆l(fā)生了某種變化

非功能型（傳光型、混合型）傳感器

光轉(zhuǎn)換元件自身的性能發(fā)生了變化由光纖的幾何位置排布實(shí)現(xiàn)光轉(zhuǎn)換功能當(dāng)前第6頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)當(dāng)前第7頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)光波調(diào)制技術(shù)：利用光波參量的調(diào)制實(shí)現(xiàn)待測(cè)信息提取。強(qiáng)度調(diào)制位相調(diào)制頻率調(diào)制偏振調(diào)制顏色調(diào)制（光纖傳感頭的光頻譜特性隨待測(cè)物理量變化）當(dāng)前第8頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)7.2光纖的傳輸特性

階躍光纖（包層光纖）漸變光纖（自聚焦光纖）纖芯包層當(dāng)前第9頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)7.2.1包層光纖中的傳輸光線傳輸條件：滿足全反射定律1.子午光線：傳播時(shí)在同一平面內(nèi)，且與光纖軸線相交。子午光線的傳輸當(dāng)前第10頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)入射角滿足的條件：表征光纖收光能力的重要參數(shù)——光纖的數(shù)值孔徑當(dāng)前第11頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)2.斜光線：傳播時(shí)不在同一平面內(nèi)，且不與光纖軸線相交。斜光線的傳輸入射角滿足的條件：當(dāng)前第12頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)7.2.2梯度折射率光纖與自聚焦透鏡

只討論子午光線的傳播規(guī)律：即子午光線的傳播方向與入射角的關(guān)系光線沿著一彎曲的路徑傳播，而且彎向折射率大的一方當(dāng)前第13頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)當(dāng)前第14頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)當(dāng)梯度折射率分布呈拋物線型分布時(shí)，梯度折射率光纖中的子午光線路徑是正弦曲線。說明：入射角不同時(shí)，各曲線的振幅不同，但周期相同。各入射角的光線自動(dòng)會(huì)聚到一點(diǎn)，故折射率梯度型光纖又稱為自聚焦光纖。當(dāng)前第15頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)透鏡和自聚焦透鏡靠球面的折射來彎曲曲線靠折射率的梯度變化來彎曲曲線當(dāng)前第16頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)7.2.3單模光纖和多模光纖

由現(xiàn)象到本質(zhì)送入光纖的光信號(hào)是一個(gè)完整的圓形光斑的激光束，光纖輸出端面上觀察到的光信號(hào)卻可能是分裂開的幾個(gè)小光斑。為什么會(huì)出現(xiàn)光斑分裂現(xiàn)象？（導(dǎo)波光學(xué)、模式）光波是光頻電磁波，光纖是介質(zhì)波導(dǎo)，上述現(xiàn)象可用電磁波導(dǎo)理論解釋。光纖波導(dǎo)中的麥克斯韋方程有許多獨(dú)立的特解，每一特解代表能獨(dú)立存在于波導(dǎo)中的一種模式或波型。光波導(dǎo)中總的電磁場(chǎng)分布可由這些可能存在的模式線性疊加來表示。當(dāng)前第17頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)光纖波導(dǎo)中的光波模式橫模和縱模橫電模（TE）和橫磁模(TH)EH模和HE模單模光纖：只允許一種模式在光纖中傳輸；多模光纖：允許多個(gè)模式在光纖中傳輸。單模光纖和多模光纖的區(qū)分——?dú)w一化頻率參量階躍光纖當(dāng)前第18頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)每根曲線對(duì)應(yīng)于麥?zhǔn)戏匠探M的一個(gè)特解；解得允許值在kn1和kn2之間（纖芯和包層中的波數(shù)）；隨V增大，不同模式的速度ω/β由高（β?。┑降停é麓螅┳兓浑SV增大，允許存在的模式數(shù)目增多?；文９饫w條件：V<2.405當(dāng)前第19頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)當(dāng)V值很大時(shí)，允許存在的模式總數(shù)：

折射率：光纖纖芯與包層的折射率差越大，光纖中允許存在的模式數(shù)目越多；引申：光纖端面的接收角越大，光纖中被激勵(lì)的模式數(shù)目越多；高階模式對(duì)應(yīng)大的入射角。

波長：短波長光激勵(lì)的模式多，存在截止工作波長；

光纖半徑：半徑越大允許存在的模式越多。當(dāng)前第20頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)7.2.4光纖中的模式耦合

光纖中的三類模式

傳導(dǎo)模：場(chǎng)能量集中在光纖纖芯中沿光纖傳播，在包層中迅速衰減；泄漏模：場(chǎng)能量一部分泄漏到包層中，包層中的場(chǎng)是恒定值；輻射模：能量從光纖包層向外輻射（不滿足全反射條件）存在條件當(dāng)前第21頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)模式耦合：不同模式間能量交換理想光纖V確定后，光纖中存在一定數(shù)目的傳導(dǎo)模式，這些導(dǎo)模都是麥?zhǔn)戏匠探M的特解，彼此獨(dú)立傳播，相互之間沒有能量交換，即沒有模式耦合。實(shí)際光纖存在缺陷（纖芯折射率不均、纖芯包層界面畸變等）破壞獨(dú)立傳播，導(dǎo)致各模式間能量交換，使模式幅度發(fā)生起伏變化。當(dāng)前第22頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)7.2.5光纖的傳輸損耗

產(chǎn)生衰減的因素材料吸收（雜質(zhì)離子）和散射（氣泡等缺陷）光纖彎曲時(shí)造成損耗：

改變傳播路徑，能量外泄光波導(dǎo)散射：

粗細(xì)不均、截面變形，能量輻射出去光在光纖中傳輸時(shí)會(huì)衰減，產(chǎn)生損耗。I(Z)=I0e-αZ當(dāng)前第23頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)包層損失損耗最低當(dāng)前第24頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)引起的結(jié)果：限制光纖傳輸光信號(hào)的光頻帶寬，從而限制光纖的傳輸信息容量；種類：模式色散（各模式傳輸速度不同）材料色散（不同波長的光傳播速度不同）波導(dǎo)色散（不同波長的光波使光纖V參數(shù)發(fā)生變化，相速變化）光纖的色散：脈沖展寬現(xiàn)象當(dāng)前第25頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)7.3單模光纖的偏振與雙折射

引言相位干涉調(diào)制型光纖傳感器：信號(hào)臂和參考臂中的光波必須同偏振；偏振調(diào)制型光纖傳感器：為了使光的偏振態(tài)隨待檢測(cè)信號(hào)線性變化，要求光波的原始偏振態(tài)保持不變。因此，為減小光纖本身相位和偏振態(tài)的有害擾動(dòng)，需采用單模光纖。當(dāng)前第26頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)1實(shí)際單模光纖的偏振特性

理想情況（圓截面、筆直、無缺陷）：兩個(gè)偏振分量傳播常數(shù)相等，相位差保持不變，始終合成為原來的偏振狀態(tài)。當(dāng)前第27頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)實(shí)際光纖（這里研究呈橢圓形界面的均勻筆直光纖）：兩個(gè)模傳播常數(shù)不同，傳播過程中不再保持同相，合成偏振態(tài)變化。當(dāng)前第28頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)產(chǎn)生雙折射偏振演變周期性重復(fù)偏振方向上輻射最小垂直于偏振方向泄漏最多當(dāng)前第29頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)2單模光纖的雙折射

光的偏振效應(yīng)與光的雙折射同是介質(zhì)光學(xué)各向異性的兩種表現(xiàn)形式。單模光纖雙折射：兩個(gè)本來簡并的模式的傳播常數(shù)出現(xiàn)差異。產(chǎn)生雙折射的原因：截面橢圓、光纖彎曲或扭曲、光纖電致或磁致效應(yīng)當(dāng)前第30頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)3偏振型單模光纖

低雙折射單模光纖：理想圓對(duì)稱光纖、自旋光纖。高雙折射單模光纖（偏振保持光纖，保偏光纖）絕對(duì)單模光纖：使一個(gè)模式截止或提高兩模式的消光比當(dāng)前第31頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)7.4光纖的光波調(diào)制技術(shù)

引言敏感頭或傳感臂的作用：通過與待測(cè)對(duì)象相互作用，將待測(cè)信息傳遞到光纖內(nèi)的導(dǎo)光波中，或?qū)⑿畔⒓虞d于光波之上。上述過程成為光波調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、光譜（顏色）調(diào)制當(dāng)前第32頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)7.4.1光強(qiáng)度調(diào)制

1透射機(jī)制光強(qiáng)度調(diào)制器組成：固定光纖+移動(dòng)光纖，隔開一小段距離。當(dāng)前第33頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)原理：光纖移動(dòng)導(dǎo)致透射到接收光纖中的光強(qiáng)發(fā)生規(guī)律變化。作用：測(cè)量能造成光纖移動(dòng)的物理量。當(dāng)前第34頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)受抑全反射透射光強(qiáng)調(diào)制X較大：光纖內(nèi)部光全反射X較?。ü獠ㄩL量級(jí)）：全反射受到抑制，大部分光功率耦合到另一光纖中去當(dāng)前第35頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)2反射機(jī)制光強(qiáng)度調(diào)制器組成：發(fā)送光纖+接收光纖+反射體。作用：探測(cè)反射體位置的變化。當(dāng)前第36頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)3周期微彎機(jī)制原理：將纖芯中的傳輸導(dǎo)模耦合入輻射模，光纖中的透射光強(qiáng)和逸出光纖的輻射光強(qiáng)發(fā)生變化。作用：探測(cè)位移。有效光強(qiáng)調(diào)制當(dāng)前第37頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)4光纖功能機(jī)制特點(diǎn)：無需借助外界變化；原理：利用光纖纖芯材料的化學(xué)性質(zhì)變化實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制；主要機(jī)制：吸收、散射、熒光、折射率變化和偏振。例如吸收機(jī)制，在光纖中摻入產(chǎn)生吸收光譜的材料，一些吸收峰對(duì)溫度敏感，另一些吸收峰對(duì)溫度不敏感，兩種波長處的光強(qiáng)之比可作為溫度的傳感函數(shù)。當(dāng)前第38頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)7.4.2光相位調(diào)制及干涉測(cè)量法

特點(diǎn)：靈敏度高相位調(diào)制機(jī)制

物理因素：應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)和由溫度變化引起的熱脹冷縮效應(yīng)。當(dāng)前第39頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)1應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)

施加于光纖縱向（軸向）的應(yīng)力產(chǎn)生三方面的相位調(diào)制效應(yīng)：光纖長度變化產(chǎn)生縱向應(yīng)變，直接導(dǎo)致光波相位變化；光纖直徑變化產(chǎn)生橫向泊松應(yīng)變，進(jìn)而導(dǎo)致波數(shù)變化，最終導(dǎo)致相位變化；光纖縱、橫向應(yīng)變產(chǎn)生二次效應(yīng)——光彈效應(yīng)，導(dǎo)致折射率變化，從而導(dǎo)致相位變化。2熱脹冷縮機(jī)制

當(dāng)前第40頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)干涉測(cè)量原理光波干涉條紋記錄了相位，相位變化時(shí)干涉條紋會(huì)運(yùn)動(dòng)，記錄干涉條紋的移動(dòng)數(shù)目，就測(cè)得了相位變化量，也就測(cè)得了導(dǎo)致相位變化物理量。干涉儀由兩臂組成：參考臂：提供相位基準(zhǔn)；傳感臂：敏感待測(cè)物理量（聲、力、電磁、溫度等）的變化，進(jìn)行光相位調(diào)制當(dāng)前第41頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)幾種干涉儀及其光纖結(jié)構(gòu)當(dāng)前第42頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)7.4.3偏振調(diào)制

調(diào)制機(jī)制：電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、光彈效應(yīng)作用：用于快速電場(chǎng)、電壓的傳感測(cè)量普克爾效應(yīng)——線性電光效應(yīng)克爾效應(yīng)——平方電光效應(yīng)法拉第效應(yīng)——磁致旋光效應(yīng)光彈效應(yīng)：光纖在正交方向上受到壓力差作用

當(dāng)前第43頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)7.4.4頻率調(diào)制

調(diào)制機(jī)制：光學(xué)多普勒效應(yīng)：光源和探測(cè)器都不動(dòng)，但探測(cè)器探測(cè)從運(yùn)動(dòng)體散射或反射來的光波頻率同樣也是變化的。光頻率的變化量稱為多普勒頻移。作用：感知流體速度當(dāng)前第44頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)原理：測(cè)得多普勒頻移，即可求得流體速度;典型應(yīng)用：醫(yī)學(xué)上對(duì)血液流動(dòng)的測(cè)量。當(dāng)前第45頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)7.4.5顏色（光譜）調(diào)制

顏色調(diào)制：傳感頭的光譜特性隨外界物理量變化的效應(yīng)。調(diào)制機(jī)制：熱色效應(yīng)：某些物質(zhì)的光吸收譜強(qiáng)烈地隨溫度而變化，溫度傳感元件；黑體輻射效應(yīng)：光纖中熱點(diǎn)本身的黑體熱輻射隨溫度變化而變化，在高溫傳感中廣泛應(yīng)用；熒光效應(yīng)：熒光特性與溫度相關(guān)，測(cè)量熒光特性的變化可檢測(cè)溫度；透明度效應(yīng)：某些化學(xué)指示劑的透明度在紅光區(qū)對(duì)溶液的pH值敏感。當(dāng)前第46頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)7.5光纖傳感器

7.5.1光纖溫度傳感器半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器（傳光型）當(dāng)前第47頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器（傳光型）熱色效應(yīng)：許多無機(jī)溶液的顏色隨溫度而變化，因而溶液的光吸收譜線也隨溫度而變化。敏感信號(hào)——655nm光透過率幾乎與溫度成線性關(guān)系參考信號(hào)——800nm幾乎與溫度無關(guān)當(dāng)前第48頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)當(dāng)前第49頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)光纖溫度開關(guān)傳感器（功能型）原理：若光纖纖芯和包層材料折射率隨溫度變化，且在某一溫度下出現(xiàn)交叉，光能進(jìn)入包層。溫度再升高，纖芯中光能量傳輸中斷，傳感器報(bào)警。優(yōu)點(diǎn)：傳感器電絕緣，不怕強(qiáng)電磁干擾，可用于大型發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)及變壓器中進(jìn)行溫度控制。當(dāng)前第50頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)摻雜光纖溫度傳感器（功能型）原理：摻雜稀土元素的玻璃光纖，產(chǎn)生溫度敏感的吸收光譜。840860當(dāng)前第51頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)7.5.2光纖壓力傳感器微彎式光纖壓力傳感器（功能型）剝模器作用：吸收進(jìn)入光纖包層的光，以免干擾測(cè)量結(jié)果。例如在幾厘米長的光纖外面涂上黑炭。當(dāng)前第52頁\共有59頁\編于星期五\8點(diǎn)7.5.3光纖流量流速傳感器壓