《光導纖維傳感器》PPT課件.ppt

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1、第十二章 光導纖維傳感器,Fiber optic sensors,光纖傳感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎的傳感器有本質(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，它同時具有光纖及光學測量的特點。,12.1概論,一、光纖傳感器的特點,二、常用光纖類型及參數(shù),電絕緣性能好。 抗電磁干擾能力強。 非侵入性。 高靈敏度。 容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。 光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應變、壓力、流量、振動、溫度、電

2、流、電壓、磁場等物理量,常用光纖類型及參數(shù),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,單模光纖:Mono-mode fiber; 多模光纖: Poly- mode fiber,三、光纖傳感器結構原理及分類,1、光纖傳感器結構原理 以電為基礎的傳統(tǒng)傳感器是一種把測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的電信號的裝置。它的電源、敏感元件、信號接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導線連接，見圖(a)。光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖的)、光接收器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構成，見圖(b)。,光纖,信號處理,光接收器,敏感元件,光發(fā)送器,（b）光纖傳感器

3、,信號處理,電 源,信號接收,敏感元件,,,,,（a）傳統(tǒng)傳感器,導線,由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導至敏感元件。這時，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng)信號處理得到所期待的被測量。,,,,,,,,,,,可見,光纖傳感器與以電為基礎的傳統(tǒng)傳感器相比較，在測量原理上有本質(zhì)的差別。傳統(tǒng)傳感器是以機電測量為基礎，而光纖傳感器則以光學測量為基礎。 光是一種電磁波，其波長從極遠紅外的lmm到極遠紫外線的10nm。它的物理作用和生物化學作用主要因其中的電場而引起。因此，討論光的敏感測量必須考慮光的電矢量E的振動，即 A電場E的振幅矢量；光波的振動頻

4、率； 光相位；t光的傳播時間。 可見，只要使光的強度、偏振態(tài)(矢量A的方向)、頻率和相位等參量之一隨被測量狀態(tài)的變化而變化，或受被測量調(diào)制，那么，通過對光的強度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進行解調(diào)，獲得所需要的被測量的信息。,,傳感器,,光學現(xiàn)象,,被測量,,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 光彈效應 干涉,,電流、磁場 電場、電壓 角速度 振動、壓力、加速度、位移 溫度,,SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM,,a a a a a,,非 干 涉 型,,強度調(diào)制光纖溫度傳感器,,遮光板遮斷光

5、路 半導體透射率的變化 熒光輻射、黑體輻射 光纖微彎損耗 振動膜或液晶的反射 氣體分子吸收 光纖漏泄膜,,溫度、振動、壓力、加速度、位移 溫度 溫度 振動、壓力、加速度、位移 振動、壓力、位移 氣體濃度 液位,,MM MM MM SM MM MM MM,,b b b b b b b,,偏振調(diào)制光纖溫度傳感器,,法拉第效應 泡克爾斯效應 雙折射變化 光彈效應,,電流、磁場 電場、電壓、 溫度 振動、壓力、加速度、位移,,SM MM SM MM,,b,a b b b,,頻率調(diào)制光纖溫度傳感器,,多普勒效應 受激喇曼散射 光致發(fā)光,,速度、流速、振動、加速度 氣體濃度 溫度,,MM MM MM,,c

6、 b b,,,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,2、光纖傳感器的分類,,1）功能型（全光纖型）光纖傳感器 利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(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，其光學特性(光強、相位、偏振態(tài)等)的變化來實現(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)，增加其長度，可提高靈敏度。,信號處理,光受信器,,光纖敏感元件,光發(fā)送器,,,,,,,,（1）根據(jù)光纖在傳感器中的作用 光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三大類。,2）

7、非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器 光纖僅起導光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“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，比較容易實現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。,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、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,,（2）根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式 形式：強度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。 1）強度調(diào)制型光纖傳感器 是一種利

8、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，而導致光強度變化來實現(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度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學、機械的激勵而發(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成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強度調(diào)制型光纖傳感器。 優(yōu)點：結構簡單、容易實現(xiàn)，成本低。 缺點：受光源強度波動和連接器損耗變化等影響較大 。,2）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)傳播的泡爾效應做成的電場、

9、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應構成的壓力、振動或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構成溫度、壓力、振動等傳感器。這類傳感器可以避免光源強度變化的影啊，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)生變化來進行監(jiān)測的傳感器。有利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強光照射時的喇曼散射構成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。,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，而導致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)

10、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的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應的電流、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。,光的全反射實驗,,,,12.2光纖傳感器的基本知識,光的反射、折射,當一束光線以一定的入射角1從介質(zhì)1射到介質(zhì)2的分界面上時，一部分能量反射回原介質(zhì)；另一部分能量則透過分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。,光的全反射,當減小入射角時，進入介質(zhì)2的折射光與分界

11、面的夾角將相應減小，將導致折射波只能在介質(zhì)分界面上傳播。對這個極限值時的入射角，定義為臨界角c。當入射角小于c時，入射光線將發(fā)生全反射。,,,12.2.1光線理論 一、均勻纖芯光纖傳光的光線理論,1、子午光線的傳播,光纖數(shù)值孔徑NA:,2、斜光線的傳播,,,,,,,,,,最大端面入射角 斜 子午；,斜光線在纖芯內(nèi)呈螺旋狀全反射折線向前傳播；,斜光線與 =0的光線時差很大，即斜光線的色散很大，所以斜光線的傳輸帶寬很窄；,二、非均勻纖芯光纖傳光的光線理論,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,包層,非均勻纖芯光纖的折射率分布表示為： n(r)= n(0) f

12、(r) 當n (r)滿足雙曲正割分布時，即：n(r)= n(0) sech(r) 不同入射角的子午光線將同周期傳播，傳播波長為： =2/ 且光纖內(nèi)光線的傳播軌跡為正弦波，稱之為自聚焦光纖,,,,,,,,,,,12.2.2波動理論,一、傳播模式的定義,光在光纖中傳播時電磁場的不同分布形式稱為模式。,采用圓柱坐標，各模式的定義如下：,磁場分量:HZ0（軸向）；H=0；Hr=0； 電場分量:E0； Er 0； EZ =0； m、n分別表示、r方向的波節(jié)數(shù)，均為整數(shù)；,1、TEmn 模：,當在軸向即有電場分量又有磁場分量時，稱為混合模；電場分量占優(yōu)勢而磁場分量較弱時，記為EHmn模，反之，為HE

13、mn 模；,2、TMmn 模：,磁場分量:HZ = 0；H0；Hr0； 電場分量:E=0； Er =0； EZ0 （軸向）；,3、HEmn 模和EHmn 模：,二、特征方程的解,指在一定邊界條件下，麥克斯韋方程的解，它是一系 列離散值，其大小取決于光纖參數(shù)：a , n1 ,n2 ,0;,則值為歸一化頻率 的函數(shù)。,定義歸一化頻率：,截止條件：當減小歸一化頻率 值，使得某個模式的值等于2n2 / 0時，該模式就不能在光纖中傳輸了，稱該模截止了。截止時的 值稱為該模式的截止頻率。,三、截止條件和單模傳輸,HE11模的截止頻率最小，為零；其次為TE01、TM01模的截止頻率=2.405;,單模傳輸:

14、當2.405時，光纖中傳輸?shù)碾姶挪ㄖ?有一個HE11模式，稱為單模傳輸；,當 值在2.4053.8范圍，特征方程有四個解， 既有四個模式在光纖中傳播，它們是：HE11、TE01、 TM01、HE21,單模光纖：能實現(xiàn)單模傳輸?shù)墓饫w；條件為： 2.405,單模光纖的直徑很小，一般為：510m； 多模光纖的直徑一般為：50150 m；,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,12.3光纖傳感器,一、強度調(diào)制型光纖傳感器,光源,光探測器,z,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,光源,光探測器,與光纖耦合的電光與光電轉(zhuǎn)換器件,實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的元件通常是發(fā)光二

15、極管或激光二極管。,,,,,,激光二極管的外形,,專用的光纖連接頭及光纖插座,光纖與電光轉(zhuǎn)換元件耦合時，兩者的軸心必須嚴格對準并固定，可使用專用的連接頭及光纖插座來完成。,,,機械應變引起光纖的機械尺寸變化； 某些物體內(nèi)部存在應力時，會產(chǎn)生折射率在不同方向有不同變化的現(xiàn)象；,二、相位調(diào)制型光纖傳感器（干涉型）,相位變化干涉光強變化 檢測靈敏度極高，一般可測10 -6rad的相位變化,例：1100 rad的相位變化（1米光纖），測溫 分辨率可達10 -8 ；,常見相位調(diào)制方法： 1、機械應變及光彈性效應,反射鏡1 光源 分光鏡 反射鏡2 激光器 光探測器,,,,,,,,

16、,,,,,,,,,,,,,,,,,分光鏡 反射鏡1,,,,,,,,,,,,,,,,,反射鏡2,分光鏡,保護管內(nèi)為高溫光纖,低溫光纖,光纖溫度傳感器,,,氦氖激光器 擴束器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,單模光纖,2、溫度效應 溫度變化引起光纖的尺寸及折射率變化：,3、磁致伸縮、電致伸縮效應 將單模光纖表面鍍上磁致伸縮、電致伸縮材料，則當磁場、電場作用于光纖時，使光纖長度變化，從而相位變化；,光探測器,被測溫度場,I 待測電流 信號光纖 磁致伸縮管,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,待測磁場,耦合器,參考光纖,磁敏感臂,信號光纖,激光器,

17、耦合器,光探 測器,信號光纖,待測電壓U,,壓電陶瓷PZT,,,,,,,偏振方向轉(zhuǎn)動角度： =V H L 式中：V韋德耳系數(shù)； H外加磁場強度； L物體的長度；,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,三、偏振調(diào)制型光纖傳感器,常見偏振調(diào)制方法：,1、法拉第旋光效應,線偏光,磁場,,nx= n0 + n0E /2 ny= n0 - n0E /2 式中： n0沒有外電場時的折射率； 系數(shù)； 相位差： =2 n0E L /,,,,,,,,,,2、電光效應,物體在外電場的作用下，其各方向的折射率發(fā)生不同的 變化,且變化的大小與外加電場成正比；,橢圓偏振光,線偏振光,Z（電

18、場方向）,X,Y,3、光彈性效應 指某些物體內(nèi)部存在應力時，會產(chǎn)生折射率在不同方向有不同變化的現(xiàn)象；當線偏振光通過時，輸出將變?yōu)橐粰E圓偏振光，可用于壓力、振動、聲場的測量。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,單模光纖,顯微鏡,起偏器,激光器,光探測器,渥拉斯頓棱鏡,光探測器,信 號 處 理,輸 出,高壓輸電線,光纖式光電開關,,,,,,反射型,,,,,遮斷型,,,,反射鏡反射型,,光纖式光電開關應用,標志孔,電路板標志檢測,當光纖發(fā)出的光穿過標志孔時，若無反射，說明電路板方向放置正確。,,,光纖 耦合器,傳輸光纖,出射光纖,,,,,,,,光纖式光電開關應用,,采用遮斷型光纖光電開關對IC 芯片引腳進行檢測,定位 條形碼檢測 芯片引腳檢測,