第七章 光纤传感技术！ppt

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  第七章光纤传感技术 7.1 概述 7.1.1 背景介绍 光纤的优点 长距离低损耗 易弯曲 体积小、重量轻、成本低 防水、防火、耐腐蚀 抗电磁干扰 光纤传感技术应用 航天：飞机及航天器各部位压力、温度传感 航海 石油化学工业 电力工业 核工业 医疗器械：血液流速、血压及心音测量 7.1.2 光纤传感器分类 7.2 光纤的传输特性 阶跃光纤（包层光纤） 渐变光纤（自聚焦光纤） 7.2.1 包层光纤中的传输光线 传输条件：满足全反射定律 1. 子午光线：传播时在同一平面内，且与光纤轴线相交。 入射角满足的条件： 表征光纤收光能力的重要参数——光纤的数值孔径 2. 斜光线：传播时不在同一平面内，且不与光纤轴线 梯度折射率光纤与自聚焦透镜 7.2.3 单模光纤和多模光纤 每根曲线对应于麦氏方程组的一个特解； 解得允许值在kn1和kn2之间（纤芯和包层中的波数）； 随V增大，不同模式的速度ω/β由高（β小）到低（β大）变化； 随V增大，允许存在的模式数目增多。 7.2.4 光纤中的模式耦合 7.2.5 光纤的传输损耗 产生衰减的因素 材料吸收（杂质离子）和散射（气泡等缺陷） 光纤弯曲时造成损耗： 改变传播路径，能量外泄 光波导散射： 粗细不均、截面变形，能量辐射出去 引起的结果：限制光纤传输光信号的光频带宽，从而限制光纤的传输信息容量； 种类：模式色散（各模式传输速度不同） 材料色散（不同波长的光传播速度不同） 波导色散（不同波长的光波使光纤V参数发 生变化，相速变化） 7.3 单模光纤的偏振与双折射 引言 相位干涉调制型光纤传感器：信号臂和参考臂中的光波必须同偏振； 偏振调制型光纤传感器：为了使光的偏振态随待检测信号线性变化，要求光波的原始偏振态保持不变。 因此，为减小光纤本身相位和偏振态的有害扰动，需采用单模光纤。 1 实际单模光纤的偏振特性 理想情况（圆截面、笔直、无缺陷）：两个偏振分量传播常数相等，相位差保持不变，始终合成为原来的偏振状态。 实际光纤（这里研究呈椭圆形界面的均匀笔直光纤）：两个模传播常数不同，传播过程中不再保持同相，合成偏振态变化。 产生双折射 偏振演变周期性重复 偏振方向上辐射最小 垂直于偏振方向泄漏最多 2 单模光纤的双折射 光的偏振效应与光的双折射同是介质光学各向异性的两种表现形式。 单模光纤双折射：两个本来简并的模式的传播常数出现差异。 产生双折射的原因：截面椭圆、光纤弯曲或扭曲、光纤电致或磁致效应 3 偏振型单模光纤 低双折射单模光纤：理想圆对称光纤、自旋光纤。 高双折射单模光纤（偏振保持光纤，保偏光纤） 绝对单模光纤：使一个模式截止或提高两模式的消光比 7.4 光纤的光波调制技术 引言 敏感头或传感臂的作用：通过与待测对象相互作用，将待测信息传递到光纤内的导光波中，或将信息加载于光波之上。 上述过程成为光波调制。 强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制、光谱（颜色）调制 7.4.1 光强度调制 1 透射机制 光强度调制器组成：固定光纤+移动光纤，隔开一小段距离。 原理：光纤移动导致透射到接收光纤中的光强发生规律变化。 作用：测量能造成光纤移动的物理量。 2 反射机制 光强度调制器组成：发送光纤+接收光纤+反射体。 作用：探测反射置的变化。 3 周期微弯机制 原理：将纤芯中的传输导模耦合入辐射模，光纤中的透射光强和逸出光纤的辐射光强发生明显的变化。 作用：探测位移。 4 光纤功能机制 特点：无需借助外界变化； 原理：利用光纤纤芯材料的化学性质变化实现光强调制； 主要机制：吸收、散射、荧光、折射率变化和偏振。 例如吸收机制，在光纤中掺入产生吸收光谱的材料，一些吸收峰对温度敏感，另一些吸收峰对温度不敏感，两种波长处的光强之比可作为温度的传感函数。 7.4.2 光相位调制及干涉测量法 特点：灵敏度较高 相位调制机制 物理因素：应力应变效应和由气温变化引起的热胀冷缩效应。 1 应力应变效应 施加于光纤纵向（轴向）的应力产生三方面的相位调制效应： 光纤长度变化产生纵向应变，直接引发光波相位变化； 光纤直径变化产生横向泊松应变，进而导致波数变化，最后导致相位变化； 光纤纵、横向应变产生二次效应——光弹效应，导致折射率变化，因此导致相位变化。 2 热胀冷缩机制 干涉测量原理 光波干涉条纹记录了相位，相位变化时干涉条纹会运动，记录干涉条纹的移动数目，就测得了相位变化量，也就测得了导致相位变化物理量。 干涉仪由两臂组成： 参考臂：提供相位基准； 传感臂：敏感待测物理量（声、力、电磁、温度等）的变化，进行光相位调制 几种干涉仪及其光纤结构 7.4.3 偏振调制 调制机制：电光效应、磁光效应、光弹效应 作用：用于快速电场、电压的传感测量 普克尔效应——线性电光效应 克尔效应——平方电光效应 法拉第效应——磁致旋光效应 光弹效应：光纤在正交方向上受到压力差作用 7.4.4 频率调制 调制机制：光学多普勒效应：光源和探测器都不动，但探测器探测从运动体散射或反射来的光波频率同样也是变化的。光频率的变化量称为多普勒频移。 作用：感知流体速度 原理：测得多普勒频移，即可求得流体速度; 典型应用：医学上对血液流动的测量。 7.4.5 颜色（光谱）调制 颜色调制：传感头的光谱特性随外界物理量变化的效应。 调制机制： 热色效应：某些物质的光吸收谱强烈地随温度而变化，温度传感元件； 黑体辐射效应：光纤中热点本身的黑体热辐射随气温变化而变化，在高温传感中大范围的应用； 荧光效应：荧光特性与温度相关，测量荧光特性的变化可检测温度； 透明度效应：某些化学指示剂的透明度在红光区对溶液的pH值敏感。 7.5 光纤传感器 7.5.1 光纤温度传感器 半导体光吸收型光纤温度传感器（传光型） 热色效应光纤温度传感器（传光型） 光纤温度开关传感器（功能型） 掺杂光纤温度传感器（功能型） 7.5.2 光纤压力传感器 微弯式光纤压力传感器（功能型） 7.5.3 光纤流量流速传感器 压差流量传感器 利用光纤压力传感器实现流量测量。 原理：减小流体流 过的横截面积将对 流体产生流阻，当 流体通过时，产生 压力差；压力差的 变化正比于流量大 小。 光纤激光多普勒测速计 典型应用：光纤血流计 红血球作为运动体散射回光纤， 产生多普勒频移，通过检验测试 频移量，可求出血流速度。 7.5.4 光纤位移传感器 通过对位移的测量， 可知物体表面粗糙度、 曲率半径、倾斜度、 转动、振动情况等。 移动球镜光纤位移传感器 球透镜在平衡位 置时，两个接收光 纤得到的光强相等； 如果球镜在垂直 于光路的方向上产 生微小位移，两接 收光强比值的对数 值与球镜位移量呈 线性关系，与初始 光强无关。 全内反射液位光纤传感器 探头顶端装有圆锥体反射器； 光探头接触液面，全内反射被破坏，返回光强是液体折射率的线性函数。 探头接触液体时，返回光强突变。 光纤振动传感器 物体振动，光程改变，信号光和参考光相位差改变，是相位调制。 7.5.5 光纤电磁参量传感器 电光效应光纤传感器 法拉第光纤电流传感器 本章重点 光纤的传输特性； 光纤中的模式和模式耦合； 单模光纤的偏振； 光纤的光波调制技术。 受抑全反射透射光强调制 X较大：光纤内部光全反射 X较小（光波长量级）：全反射受到抑制，大部分光功率耦合到另一光纤中去 有效光强调制 热色效应：许多无机溶液的颜色随温度而变化，因而溶液的光吸收谱线也随温度而变化。 敏感信号——655nm 光透过率几乎与温度成线nm 几乎与温度无关 原理：若光纤纤芯和包层材料折射率随气温变化，且在某一温度下出现交叉，光能进入包层。温度再升高，纤芯中光能量传输中断，传感器报警。 优点：传感器电绝缘，不怕强电磁干扰，可用于大型发电机、电动机及变压器中进行温度控制。 原理：掺杂稀土元素的玻璃光纤，产生

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