《光传感技术》PPT课件.ppt

光电信息技术,5 光纤传感技术,5.1 光纤传感技术概述,光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。光纤传感器：利用光纤来获取信息和处理信息，将被测量转换成可供处理的信号的器件或装置。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。光纤传感系统：光载波源（光源）、光信号加载（调制）、光信号传输与光信号检测与处理等几个基本部分。,光纤传感的基本原理：当光在光纤中传输时，外界各种物理量（如温度、压力等）对光纤作用，使在光纤中传输光的振幅、相位、偏振态等参量发生变化，这些参数的变化带有被测量的信息，若能测定出这些参量随被测量变化的关系，就能测出所测物理量的大小，这就是利用光纤获取信息的基本原理。,光纤传感器产生的背景技术方面：光纤制造技术的提高、光电子技术的发展、半导体光源性能的提高。需求方面：军事应用、渴望把只能在实验室才能实现的高精度光学测量应用到环境恶劣的生产场所、许多关系国计民生的大型结构缺乏可靠的技术进行监测。,光纤传感器的特点：频带宽、可进行超高速测量抗电磁干扰，电绝缘灵敏度高、线性好体积小，重量轻，外形可变，适应于非接触、远距离、恶劣环境测量可检测的量多可以实现分布式测量,光纤传感的原理,光纤效应,光学量变化,物理量,探测器,强度调制、频率调制、相位调制,强度调制：被测量使光纤中光的强度发生变化，由测得的光强求得被测量；调制方式：光纤位移、光栅、反射、微弯辐射、斑图等；是最早的光纤调制方法，简单可靠；光纤、连接器、耦合器、光电检测元件、光源等均已商品化。,波长调制：热色物质温度 颜色 波长调制,相位调制：外界因素改变光纤中光的相位。光纤中光的相位取决于光纤波导的物理长度折射率及其分布波导横向尺寸压力、张力、温度等可改变上述波导参数。相位检测有困难，要用相干技术将相位变化转换为光强变化，进而检测外界信号。,传感器,光学现象,被测量,干涉型,相位调制光线传感器,干涉（磁致伸缩）、干涉（电致伸缩）、Sagnac效应、光弹效应,电流、磁场、电场、电压、角速度、振动、压力、加速度、位移、温度,非干涉型,强度调制光纤传感器,遮光板遮断光路、半导体透射率的变化、荧光辐射、黑体辐射、光纤微弯损耗、振动膜或液晶的反射、气体分子吸收、光纤漏泄模,温度、振动、压力、加速度、位移、气体浓度、液位,偏振调制光纤传感器,法拉第效应、泡克尔斯效应、双折射变化、光弹效应,电流、磁场、电场、电压、温度、振动、压力、加速度、位移,频率调制光纤传感器,多普勒效应、受激喇曼散射、光致发光,速度、流速、振动、加速度、气体浓度、温度,5.2 光传感技术分类,根据光纤在传感器中的作用，分为功能型、非功能型和拾光型。1）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测能力的光纤（或特殊光纤）作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素（弯曲、相变）的作用下，其光学特性（光强、相位、偏振态等）的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。,信号处理,光受信器,光纤敏感元件,光发送器,外界物理量作用于光纤，改变了光纤的传输参数或改变通过光纤的光波，光纤同时完成了传感和传光两种功能。,光源,探测器,入射光波的特征参量：振幅、相位、偏振态、波长等,外界物理因素：温度、压力、电场、磁场、电流,光纤,2）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。此类光纤传感器无需特殊光纤及其它特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。,3）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。,根据光受被测对象的调制形式，分为：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。1）强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。,2）偏振调制光纤传感器 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声波传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高。,3）频率调制光纤传感器 是一种利用单色光入射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。,4）相位调制传感器 其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声波、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。,1、微弯损耗光纤传感器,基于微弯损耗机理的强度调制型传感器的结构如图所示。传感光纤被夹在一个变形器中，变形器具有一定的变形函数，当外力使变形器的上下两部分靠近，则光纤将会按照变形器的变形函数形状发生弯曲变形，光纤中传输光产生损耗。因此由光纤中光功率的数值可得到诸如压力、位移等被测量的大小。,5.3 光纤传感技术应用,2、双光束光纤干涉仪有迈克尔逊（Michlson）干涉仪、马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉仪及斐索（Fizeau）干涉仪。,在迈克尔逊干涉仪中，光源发射光经3dB光纤耦合器被分成功率相等的两部分，分别进入信号臂光纤与参考臂光纤，然后分别被端面的反射镜反射回各自的光纤中，在信号臂光纤中传输的光波相位被调制，在参考臂光纤中传输的光波相位与外界无关。被反射回来的光波在3dB耦合器另一端汇合，产生干涉条纹，信号由与此端相连的探测器接收。,1）迈克尔逊干涉仪,2）马赫-曾德干涉仪,马赫-曾德干涉仪使用了两个3dB耦合器，光源发出的相干光由第一个3dB耦合器进入信号臂光纤与参考臂光纤，在经第二个3dB耦合器后在探测器端汇合，产生干涉条纹。马赫-曾德干涉仪的优点是克服了迈克尔逊干涉仪中反馈光波对光源的影响，得到广泛的应用。,3）斐索干涉仪,在斐索干涉仪中，光源发出的相干光束经3dB耦合器进入传输光纤，在光纤出射端一部分被光纤端面反射回光纤中，一部分从光纤输出后又被一个外部的反射镜反馈回光纤中，这两部分反馈光在耦合器的另一端汇合产生干涉条纹。通常在光纤出射端加一自聚焦透镜来提高外部反馈光的耦合效率。这种干涉仪的特点是结构非常简单，通过改变光纤端面与外部反射镜的间距就可以实现对光纤中光波相位的调制。,3、法拉第电流传感器,法拉第电流传感器是利用光纤的磁光效应实现电流测量的，按调制参数分类，则属于偏振调制型。磁光效应，又称法拉第（Faradag）效应，是指某些物质在外磁场的作用下，使通过它的线偏振光的偏振方向发生偏转。如果法拉第材料的长度为l，沿长度方向施加的外磁场强度为H，则线偏振光通过它后偏振方向旋转的角度为,光纤的磁光效应最典型的应用就是高压传输线用的电流传感器，其结构如图所示。将光纤绕在被测导线上，设圈数为N，导线中通过的电流为I，由安培环路定律，距导线轴心为R处的磁场为,4、反射式位移传感器,反射式位移传感器的基本原理如图所示。光源发出的光通过光纤射向被测物体，其反射光由接收光纤收集，送到探测器，接收光强将随着反射物体表面与光纤探头端面的距离变化。通过信号处理得到光纤端面与被测面之间距离的变化（位移）。,5、透射式传感器一宽光谱光源发出的光耦合进光纤中，在两传输光纤之间放置一GaAs半导体薄片，厚度约150m，两根光纤对准之后用树脂胶密封。透射光由探测器接收。GaAs材料的吸收范围在900nm 附近，因此光源光谱应覆盖这一范围。当温度升高时，透射光强度降低，可感知温度的变化。,通过外界参量对Bragg中心波长的调制来获取传感信息。光纤光栅是利用光纤的光折变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅根据其折射率分布形式有光纤Bragg光栅、啁啾光栅等。,6、光纤光栅传感器,光纤Bragg光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）是一种反射型滤波器件，其机理是后向传播的LP01模与前向传播的LP01模之间发生耦合，根据相位匹配条件，要求光栅周期很小，一般小于1m。FBG的传输特性如图所示。,FBG的反射光波中心波长为,主要的光纤光栅包括光纤Bragg光栅传感器、啁啾光纤光栅传感器、长周期光纤光栅传感器和光纤Bragg光栅激光传感器等。在现有的技术条件下，光纤光栅在应用于传感领域，一般需考虑以下8个主要问题：光纤光栅的机械可靠性和光学可靠性。光纤光栅的寿命。光纤光栅的封装。交叉敏感的消除。增敏与去敏。宽光谱、高功率光源的获得。波长移位的检测。光检测器的波长分辨率。,1）光纤光栅位移传感器(1)利用悬臂梁的位移传感器最基本的、比较早出现的光纤光栅位移传感器，其结构图如图所示。,左侧为被测量的物体，该物体通过一个突出物作用于竖直放立的悬臂梁，而光纤Bragg光栅就是简单的直接粘贴在悬臂梁上，这样就可以通过悬臂梁把被测物体的位移转变为光纤光栅的应变了。图中光源是发光二极管（LED），接收装置是光谱分析仪（OSA）。,利用光纤光栅实现垂直力学量测量的装置,(2)利用简支梁的光纤光栅位移传感器,传统的简支梁结构的光纤光栅位移传感器,几种非一般形态的简支梁结构的光纤光栅位移传感器(a)层叠型，(b)菱面型，(c)和(d)同侧双力型。,2）光纤光栅振动与加速度传感器,光源为带有光隔离器的宽带光源，光隔离器的作用是避免反向光对光源的影响，两个耦合器的耦合比均为1:1，光纤光栅FBG1为传感光栅，光纤光栅FBG2为检测匹配光栅。传感信号由信号源产生，并通过一定的方式施加给传感光栅。,装置的主体由一个弹性薄钢振片、步进装置和绕有线圈的电磁铁组成。传感光栅粘贴在振片上。当信号源给线圈加上交变信号时，电磁铁在交变电流的作用下产生交变磁场。弹性薄钢振片在周期性交变磁场作用下振动，弹片的振动引起光栅常数的周期性变化，于是导致光栅峰值反射波长有规律地来回漂移，将振动信号耦合到传感光栅上。,简支梁结构的光纤光栅加速度传感器,3）光纤光栅温度传感器,对裸光纤光栅封装制成的温度传感器裸光纤Bragg光栅测量温度的线性度比较好，但是灵敏度比较低。所以比较常用的一个改进方法就是将光纤光栅粘贴在温度灵敏度比较大的基底材料上。,一种比较常见的粘贴基底材料的结构如图所示的板式结构。(a)用环氧树脂胶将光纤光栅粘贴于单层的聚四氟乙烯上的结构。(b)将上、下两层聚四氟乙烯作为夹板，并用环氧树脂胶浆光纤光栅贴于之间的结构。,板式结构的光纤光栅温度传感器,带有机械结构的光纤光栅温度传感器剪刀型机械结构的光纤光栅温度传感器。,由一个可以随着金属线(2)一起水平移动的螺丝(1)、一根金属线(2)、一个底座(4)、一个光纤Bragg光栅 FBG(6)、两个支架(5和7)合起来形成字母 V 的形状。,随着温度的降低，光纤纤心部分的折射率会减小，光纤布拉格光栅的周期会降低，这时光纤布拉格光栅的中心波长会向着波长减小的方向移动。而金属线 2 的热致伸缩效应比光纤大，所以其随温度的形变量也比光纤大。因此，光纤布拉格光栅 6 的拉伸通过这个结构得到了加强。,4）光纤光栅压力传感器,光纤光栅压力传感器的改进的做法是将光纤Bragg光栅固定于中空的玻璃球中，如图所示，其中(a)为整个测量系统；(b)为玻璃球结构的光纤光栅压力传感头。,一种新的光纤光栅压力传感器,5）光纤光栅水声传感器,水声传感器，简称水听器，是在水中侦听声场信号的仪器。光纤水听器按原理可分为光强度调制型、干涉型和光纤光栅型三大类。,波长可调的窄带光源发出的光进入耦合器分成两束，一束经隔离器后进入光环行器，首先进入光纤布拉格光栅，反射回来的光再次进入光环行器，最后进入光探测器。在水声压的作用下，光纤光栅轴向长度和纤心折射率将发生相应变化，光纤光栅反射波的中心波长发生偏移。反射光强中的交变分量与光纤Bragg光栅水听器周围的水声压成比例关系。当一个窄带的光信号作用在光电二极管上时，产生的光电流与光强成正比。通过检测光电二极管产生的光电流，其中的交变信号即可完全反映水听器所处声场的声压情况。,