现代信息光电子学光纤传感技术pdf

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  光学传感技术 《现代信息电子学》 课程内容（四周） ① 光纤传感技术 分布式光纤传感技术及FBG传感技术 ② 光学无标记生化传感技术 ③ LCD显示技术 ① 光纤传感技术 1. 光纤 2. 光纤传感技术简介 3. 光纤传感器的分类 4. 光纤传感技术的发展 5. 分布式光纤传感技术 6. 分立式光纤传感技术 1. 光纤 1. 光纤是由SiO2等材料组成的圆柱形波导，被广泛 用于通信、传感、医疗等领域。 2. 光纤的特性 损耗、模式特性、色散、散射、非线. 光纤传感技术简介 • 光纤传感器：利用光作为传感信息的载体， 光纤作为传感媒介的器件。 • 光纤传感的特点： ▫ 电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强 ▫ 耐腐蚀，能工作在恶劣环境 ▫ 灵敏度高 ▫ 易组网 ▫ …… • 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液 位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、 电压、磁场等物理量 6 3. 光纤传感器的分类 • 根据光纤在传感器中的作用 ▫ 功能型、非功能型和拾光型三大类 • 根据光受被测对象的调制形式 ▫ 强度调制型、相位调制型、偏振调制型、频率调 制型四大类 • 根据光是否发生干涉 ▫ 干涉型，非干涉型 • 根据能否连续地监测被测量的空间分布 ▫ 分布式，准分布式，点式 7 1 ）根据光纤在传感器中的作用分类 • 功能型 （全光纤型）光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检验测试能力的光纤(或特殊 光纤)作传感元件，将 “传”和 “感”合为一体。 • 非功能型 （或称传光型）光纤传感器 光纤仅起导光作用，只 “传”不 “感”，对外界信息的 “感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。 • 拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、 散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射 式光纤温度传感器等。 2 ）根据光波的调制形式分类 光纤中的光场： 可调制参量：   ω −  i ( t kz ) E E e E0 ,ω,k ,φ, p 0 • 强度调制型光纤传感器 ▫ 利用光波的强度/振幅变化，来实现传感。 • 相位调制传感器 ▫ 利用光波的相位变化，来实现传感。 • 频率调制光纤传感器 ▫ 利用光波的频率/频谱变化，来实现传感。 • 偏振调制光纤传感器 ▫ 利用光波偏振态变化，来实现传感。 光纤传感器的分类 传感器 光学现象 被测量 光纤 分类 干 相位 弹光效应 振动、压力、加速度、位移 SM、PM a 涉 调制 Sagnac效应 角速度 SM、PM a 型 型 电、磁致伸缩 电场、电压、电流、磁场 SM、PM a 非 强度 遮光板遮断光路 位移 MM b 调制 光纤微弯损耗 振动、压力、加速度、位移 SM b 型 气体分子吸收 气体浓度 MM b 干 偏振 法拉第效应 电流、磁场 SM b,a 调制 泡克尔斯效应 电场、电压、 MM b 涉 型 双折射变化 温度 SM b 型 频率 多普勒效应 速度、流速、振动、加速度 MM c 调制 拉曼散射 温度 MM a 型 布里渊散射 温度、应力 MM a 注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c：功能型、非功能型、拾光型 4. 光纤传感技术的发展 1. 进入实用化阶段，逐步形成传感领域的一个 新的分支。 ▫ 不少光纤传感器以其特有的优点，替代或更新了传 统的检测系统，如光纤陀螺、光纤水 等； ▫ 出现一些应用光纤传感技术的新型检测系统，如分 布式光纤测温系统、以光纤光栅为主的光纤智能结 构； ▫ 改造了传统的检测系统，如利用电/光转换和光/ 电 转换技术和光纤传输技术，把传统的电子式测量 仪表改造成安全可靠的先进光纤式仪表等。许多特 殊场合－核工业、化工和石油钻探中也都应用了光 纤传感系统。 2.新的传感技术不断出现，促进了相关领域技术的 发展。 ▫ 例如，光纤传感网络的出现，促进了智能材料和智 能结构的发展；光子晶体光纤用于传感的可能性促 进了光子晶体的发展等。 ▫ 智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和材料 中，从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安 全运转、故障等的实时 。其中，光纤和电导线 与多种材料的有效结合是核心问题之一。 • 3 原理性研究仍处于重要位置 ▫ 由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已被广泛 采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管光纤传 感器具有诸多优势，其市场渗透所 的困难和挑 战仍很巨大。而那些具有前所未有全新功能的光纤 传感器则在竞争中占有明显优势。 • 4 相关的应用开发也还任重道远 ▫ 在很多领域，光纤传感技术尚未实现产业化，许多 关键技术仍然停留在 样机阶段，距商业化还 有一定的距离。 当当当当当当当当当当 埋入了六根光 纤的纺织品 当当当当当当当当当当 这是一件嵌入了光 纤和电导线的背心， 能够感知环境和温度 及化学成分的变化， 用于医学和军事应 用。 • 智能背心 利用Coherent OTDR技术，监测海底光通信系统。 利用BOTDR技术，对桥梁、大坝等基础设施进行健康监测 5. 分布式光纤传感技术 • 利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度 方向连续的传感被测量（如温度、压力、应力 和应变等） • 光纤既是传感介质，又是被测量的传输介质。 • 优点： ▫ 可在很大的空间范围（~100km ）内连续的进行 传感，是其突出优点。 ▫ 传感和传光为同一根光纤，传感部分结构相对比较简单， 使用起来更便捷。 ▫ 与点式传感器相比， 长度内信息获取成本大 大降低，性能好价格低。 典型的分布式光纤传感器 • 相位调制型传感器 ▫ Mach-Zehnder干涉式传感器 ▫ Sagnac干涉式传感器 • 散射型传感器 ▫ 光时域反射仪（OTDR ） ▫ 布里渊光时域反射仪 （BOTDR ） ▫ 拉曼光时域反射仪 （ROTDR ） ▫ 偏振光时域反射仪 （POTDR ） ① 分布式光纤传感器 参考资料 1. Z. Fang, K. K. Chin, R. Qu, and H. Cai, Distributed Optical Fiber Sensors, in Fundamentals of Optical Fiber Sensors(John Wiley & Sons, Inc., 2012), pp. 278-350. 2. 张旭苹，全分布式光纤传感技术，科学 ， 北京，2015. 2. 光纤内的散射 1 ）弹性散射：瑞利散射、米散射 光纤内的散射是瑞利散射。 2 ）非弹性散射：光子与光纤发生能量交换 Spectral lines of nonlinear scatterings. Energy level diagram of Stokes and anti-Stokes scatterings. Brillouin scattering

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