光纖傳感檢測技術

第七章光纖傳感檢測技術光纖傳感器的根底光纖的光波調(diào)制技術光纖傳感器實例分布式光纖傳感器7.1光纖傳感器的根底1、光纖的結構光導纖維〔OpticalFiber簡稱光纖〕又纖芯、包層及外套組成。纖芯折射率大于包層折射率。光纖具有使光封閉在纖芯里面?zhèn)鬏數(shù)墓δ?。外套起保護作用。2、光纖的種類1〕按制作材料高純度石英玻璃纖維多組分玻璃光纖塑料光纖2〕按傳輸模式分單模光纖多模光纖3〕按折射率分布特點分階躍光纖梯度光纖階躍光纖梯度光纖4〕按用途分通信光纖特殊光纖5〕按制作方法分化學氣相沉積法、雙坩堝/三坩堝法。3、光纖的傳輸原理1〕光線傳播解釋將光看作光線。光由光密介質向光疏介質傳播，在滿足一定條件時發(fā)生全反射。全反入射角：可得：NA稱為數(shù)值孔徑(NumericalAperture)。NA是光纖受光能力的標度。標準多模光纖的NA公稱值一般為0.2，孔徑角為11.5o；標準單模光纖的NA公稱值一般為0.1~0.15，孔徑角約5.7o~8.6o在梯度光纖中：在梯度光纖中的折射在梯度光纖中的傳播自聚焦效應2〕波導傳播解釋將光看作電磁波。用麥克斯韋方程解表示光波。滿足麥克斯韋方程的任一特解稱為一種模式，簡稱模。任意電磁波可以看作多個模式的線性組合，同樣滿足麥克斯韋方程。電磁波主要有橫模和縱模。光波在光纖中傳播存在三類模式：傳輸?！矊！?、泄漏?！猜┠！?、輻射模導模：光功率限制在纖芯內(nèi)傳播的光波場，又稱為芯模。包括橫電模、橫磁模和混合模。漏模：在纖芯內(nèi)及距纖壁一定距離的包層中傳播的光波場，又稱為包層模。輻射模：在纖芯和包層中均為傳輸場，不滿足全反射條件，模場能量向包層外溢出，光纖失去對光波場功率的限制作用。三種模式：a〕TEmn模。在軸向只有磁場分量H，而橫截面上只有電場分量E。稱為橫電模。b〕TMmn模。在軸向只有電場分量E，而橫截面上只有磁場分量H。稱為橫磁模。c〕HEmn模〔EHmn?！场］S向同時存在電場分量和磁場分量。稱為混合模。m,n表示貝塞爾函數(shù)的階及相應的根數(shù)。代表不同的模式。不同模式的傳輸特性不同。假設光纖中僅傳播HE11基模，那么因該模在芯心處最強，所以光纖輸出的光斑是一個外圍光強較弱的圓光斑。TE01模那么因芯心處電場最弱，所以光纖輸出光斑將在芯心處出現(xiàn)暗區(qū)。電磁波可表示為：β為傳播常數(shù)。β決定了在傳播過程中等效在z方向上引入的相位變化值。光纖軸向相速度由ω/β決定。歸一化頻率為：歸一化頻率是表征光纖中模式傳播特性的重要參數(shù)。在一個給定結構參數(shù)的光纖中，允許存在的導模數(shù)目取決于v，v越大，允許存在的導模越多，反之亦然。當時，只允許一個模式〔HE11〕。梯度型階躍型歸一化頻率與傳輸模式之間的關系4、光纖的特性損耗和色散1〕損耗定義為：光波在光纖中傳輸1km產(chǎn)生的功率衰減分貝數(shù)。式中Pi——光纖輸入端光功率；

Po——光纖輸出端光功率；

L——光纖長度；損耗隨波長的增大而減小。光纖損耗主要有：吸收損耗由于光纖材料的量子躍遷致使一局部光功率轉換為熱量造成的傳輸損耗。本征吸收、雜質吸收和原子缺陷吸收。本征吸收是物質固有的，主要是由紫外和紅外波段電子躍遷和振動躍遷引起的吸收。本征損耗一般很小，約0.01~0.05dB/Km。雜質吸收是由于光纖材料中的正過渡金屬離子的電子躍遷和氫陽根負離子的分子振動躍遷引起的吸收。原子缺陷吸收是由于強烈的熱、光或射線輻射使光纖材料受激出現(xiàn)原子缺陷產(chǎn)生的損耗。散射損耗瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射等瑞利散射是由于光纖中遠小于光波長的物質密度不均勻性和摻雜濃度不均勻引起的散射。分為斯托克斯散射〔波長向長波方向偏移〕和反斯托克斯散射〔向短波方向偏移〕散射光正比于1/λ4。用長波可減小瑞利散射。彎曲損耗曲率半徑遠大于光纖直徑的彎曲所產(chǎn)生的附加損耗。產(chǎn)生彎曲損耗的效應主要有：空間濾波、模式泄漏、模式耦合空間濾波：光纖彎曲局部高階模因全反射條件破壞而折射到包層中，將所攜帶的能量輻射到光纖之外的一中物理效應。彎曲半徑越小，損耗越大。是彎曲損耗中的主要損耗。模式泄漏：光場遠離纖芯的局部因彎曲不再滿足模式傳輸要求而輻射出光纖。模式耦合：纖芯中的導模和包層中的輻射模發(fā)生模式耦合，使導模能量減小。2〕色散光波的群速度不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象。不同波長、不同模式下的β值不同。光纖色散主要有：材料色散、模式色散、波導色散。幾種色散：a〕材料色散又稱折射率色散。不同波長的折射率不同引起。發(fā)射光譜寬度越窄，材料色散越小。是單模光纖的主要色散。b〕模式色散梯度光纖中模式間傳播速度不同引起。是梯度型多模光纖的主要色散。單模光纖中不存在模式色散。自聚焦光纖中理論上也不存在模式色散。c〕波導色散又稱結構色散。光纖結構不同，同一模式的傳播常數(shù)隨頻率變化引起。5、光纖傳感器分類1〕功能型傳感器〔functionfiberopticalsensorFF〕光纖作為傳感元件2〕非功能型傳感器〔nonfunctionfiberopticalsensorNF〕光纖作為傳光元件6、光纖傳感器的特點檢測精度和靈敏度高。響應速度快，頻響寬，可實現(xiàn)非接觸高速檢測。環(huán)境適應性強。體積小、重量輕、具有可集成的潛力。光纖傳感器的根底光纖的光波調(diào)制技術光纖傳感器實例分布式光纖傳感器外界信號可能引起光的強度、波長〔顏色〕、頻率、相位、偏振態(tài)等性質發(fā)生變化，從而構成強度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)的調(diào)制原理。調(diào)制方式：強度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、光譜調(diào)制等。1、強度調(diào)制1〕微彎損耗強度調(diào)制多模光纖〔或單模光纖〕微彎時，一局部芯模能量會轉化為包層模式能量，通過測量包層模式的能量或芯模能量的變化就能測量外界物理量。以模式耦合造成的損耗為主。梯度型光纖中：階躍型光纖中：2〕折射率變化強度調(diào)制溫度變化可引起光纖折射率變化，外界環(huán)境折射率變化，都可以實現(xiàn)強度調(diào)制。3〕線位移或角位移強度調(diào)制光強分布4〕光閘強度調(diào)制5〕反射式強度調(diào)制2、偏振調(diào)制振動方向對于傳播方向的不對稱性叫做偏振。光按偏振態(tài)可分為：自然光、偏振光、局部偏振光。自然光：偏振光：線偏振光、橢圓偏振光、圓偏振光〔a〕線偏振光光矢量端點的軌跡為直線，即光矢量只沿著一個確定的方向振動，其大小、方向不變，稱為線偏振光?！瞓〕橢圓偏振光光矢量端點的軌跡為一橢圓，即光矢量不斷旋轉，其大小、方向隨時間有規(guī)律的變化。〔c〕圓偏振光光矢量端點的軌跡為一圓，即光矢量不斷旋轉，其大小不變，但方向隨時間有規(guī)律地變化。局部偏振光：雙折射：一束自然光入射于單軸晶體時，會變成兩束折射光，其中一束遵守折射定律稱為o光，另一束不遵守折射定律，稱為e光。o光、e光都是線偏振光，o光的振動方向垂直于o光的主平面，e光的振動方向在e光的主平面內(nèi)。偏振調(diào)制就是利用電光、磁光和光彈等物理效應，改變光的偏振態(tài)，實現(xiàn)調(diào)制。1〕調(diào)制原理a〕泡克爾斯〔Pockels〕效應〔感應雙折射〕壓電晶體在電場作用下表現(xiàn)出雙折射現(xiàn)象。兩正交偏振光的相位變化為：b〕法拉第磁光效應光通過帶磁性的物體時，偏振方向發(fā)生旋轉。光傳播方向與磁場一致時，V>0，迎著光傳播方向看，偏振面順時針方向偏轉光傳播方向與磁場一致時，V<0，迎著光傳播方向看，偏振面逆時針方向偏轉d〕光彈效應〔壓力雙折射〕晶體在壓力作用下表現(xiàn)出雙折射性質。相位變化可表示為：折射率變化為：ρ——物質常數(shù)σ——施加的應力光程差：c〕其他方式〔非功能型〕透射式反射式d〕光偏振態(tài)的檢測偏振態(tài)光強單光路法輸出光強：雙光路法WP：沃拉斯登棱鏡D1，D2的輸出：偏轉角為：3、相位調(diào)制利用外界因素改變光纖中光波的相位通過檢測相位變化來測量物理量的原理稱為相位調(diào)制。相位調(diào)制的靈敏度極高。1〕應力應變效應當光纖受到縱向〔橫向〕的機械應力時，光纖的長度〔應變效應〕、光纖芯的直徑〔泊松效應〕、纖芯折射率〔光彈效應〕都將變化，從而引起光波相位變化。2〕塞格納克效應順時針一周的實際光程：逆時針一周的實際光程：光程差：相位差：3〕溫度應變效應溫度應變效應與應力應變相似。同時引起長度和折射率的變化。相位改變值與待測場中光纖長度L成正比，具有很高的靈敏度。4〕相位解調(diào)相位表現(xiàn)在復振幅的復數(shù)局部，只有通過干預將其轉換為光強才能被探測器接收到。5〕幾種光纖干預儀a〕雙光束光纖干預儀邁克爾遜光纖干預儀、馬赫-澤德爾光纖干預儀、斐索光纖干預儀邁克爾遜光纖干預儀馬赫-澤德爾光纖干預儀優(yōu)點：不帶纖端反射鏡，克服了回波干擾的問題。斐索光纖干預儀P1、P2:偏振片M1、M2:反射鏡，構成斐索干預腔b〕三光束光纖干預儀優(yōu)點：形成多光束干預，清晰度、銳度比雙光束干預好，可提高測量精度。c〕塞格納克光纖干預儀多饒可提高精度d〕法布里-泊羅光纖干預儀本征F-P腔和非本征F-P腔非本征F-P干預儀〔EFPI〕透射式反射式輸出的光強：優(yōu)點是靈敏度高本征F-P干預儀〔FFPI〕e〕光強探測常采用光電二極管〔PIN〕、光電三極管和雪崩二極管〔APD〕作為光電探測器。輸出的電流為：可采用單探測器法、雙探測器法和三探測器法三探測器法可采用單探測器法雙探測器法4、頻率調(diào)制利用外界因素改變光的頻率，通過檢測光的頻率變化來測量外界物理量的原理，稱為頻率調(diào)制。頻率調(diào)制基于多普勒效應。SQPθ2θ1多普勒光纖測速儀光纖傳感器的根底光纖的光波調(diào)制技術光纖傳感器實例分布式光纖傳感器1、光纖位移傳感器7.3光纖傳感器實例反射式光纖位移傳感器液面測量2、光纖溫度傳感器1〕輻射溫度傳感器輻射曲線2〕半導體吸收式溫度傳感器半導體材料吸收的波長隨溫度增加向長波移動。透過率隨溫度增加而減小。a〕雙光纖參考基準通道法b〕雙光源參考基準通道法3〕熱色效應光纖溫度傳感器4〕光纖角速度傳感器5〕光纖壓力傳感a〕快門式b〕動柵式光柵常數(shù)越小，靈敏度越高。c〕光彈壓力傳感d〕微彎式壓力傳感e〕膜調(diào)制光纖壓力傳感6〕光纖電流傳感器兩類：單模光纖：利用法拉第效應，用于測量高壓大電流；金屬被覆多模光纖：利用微彎效應，用于測量小電流。金屬被覆光纖電流傳感器傳感元件光纖傳感器的根底光纖的光波調(diào)制技術光纖傳感器實例分布式光纖傳感器被測量呈空間分布時，將傳感光纖沿場排布，對場的空間分布和隨時間變化的信息進行測量或監(jiān)控。分布式光纖傳感可獲得多點信息，性價比高，信息容量大?？煞譃楸菊餍秃头潜菊餍汀矞史植际健?.4分布式光纖傳感器1、準分布式光纖傳感原理將呈一定空間分布的相同調(diào)制類型的光纖傳感器耦合到一根或多根光纖總線上，通過尋址、解調(diào)，檢測出被測量的大小及空間分布?？偩€光纖僅起傳光作用?？煞譃椋簳r分復用(TimeDivisionMultiplexTDM)波分復用(WavelengthDivisionMultiplexWDM)頻分復用〔FrequencyDivisionMultiplexFDM)空分復用(SpaceDivisionMultiplexSDM)偏分復用(PolarizationDivisionMultiplexPDM)a)時分復用(TDM)反射式透射式不