第十二章 光導(dǎo)纖維傳感器,Fiber optic sensors,光纖傳感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)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(shí)具有光纖及光學(xué)測量的特點(diǎn)。,12.1概論,一、光纖傳感器的特點(diǎn),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(qiáng)。 非侵入性。 高靈敏度。 容易實(shí)現(xiàn)對被測信號的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。 光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動(dòng)、溫度、電流、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(jié)構(gòu)原理及分類,1、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理 以電為基礎(chǔ)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(dǎo)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(gòu)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,信號處理,電 源,信號接收,敏感元件,（a）傳統(tǒng)傳感器,導(dǎo)線,由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時(shí)，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(chǔ)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(jī)電測量為基礎(chǔ)，而光纖傳感器則以光學(xué)測量為基礎(chǔ)。 光是一種電磁波，其波長從極遠(yuǎn)紅外的lmm到極遠(yuǎn)紫外線的10nm。它的物理作用和生物化學(xué)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(dòng)，即 A電場E的振幅矢量；光波的振動(dòng)頻率； 光相位；t光的傳播時(shí)間。 可見，只要使光的強(qiáng)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(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進(jìn)行解調(diào)，獲得所需要的被測量的信息。,傳感器,光學(xué)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(yīng) 光彈效應(yīng) 干涉,電流、磁場 電場、電壓 角速度 振動(dòng)、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(qiáng)度調(diào)制光纖溫度傳感器,遮光板遮斷光路 半導(dǎo)體透射率的變化 熒光輻射、黑體輻射 光纖微彎損耗 振動(dòng)膜或液晶的反射 氣體分子吸收 光纖漏泄膜,溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移 溫度 溫度 振動(dòng)、壓力、加速度、位移 振動(dòng)、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(yīng) 泡克爾斯效應(yīng) 雙折射變化 光彈效應(yīng),電流、磁場 電場、電壓、 溫度 振動(dòng)、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(yīng) 受激喇曼散射 光致發(fā)光,速度、流速、振動(dòng)、加速度 氣體濃度 溫度,MM MM MM,c 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(xué)特性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等)的變化來實(shí)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）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器 光纖僅起導(dǎo)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(shù)，比較容易實(shí)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(jì)、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(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。 1）強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 是一種利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(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實(shí)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(dòng)膜或液晶的反射光強(qiáng)度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機(jī)械的激勵(lì)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(gòu)成壓力、振動(dòng)、溫度、位移、氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)，成本低。 缺點(diǎn)：受光源強(qiáng)度波動(dòng)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(yīng)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(yīng)做成的電場、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動(dòng)或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動(dòng)等傳感器。這類傳感器可以避免光源強(qiáng)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(jìn)行監(jiān)測的傳感器。有利用運(yùn)動(dòng)物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動(dòng)、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時(shí)的喇曼散射構(gòu)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(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)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(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)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(yīng)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(shí)驗(yàn),12.2光纖傳感器的基本知識,光的反射、折射,當(dāng)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(shí)，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(dāng)減小入射角時(shí)，進(jìn)入介質(zhì)2的折射光與分界面的夾角將相應(yīng)減小，將導(dǎo)致折射波只能在介質(zhì)分界面上傳播。對這個(gè)極限值時(shí)的入射角，定義為臨界角c。當(dāng)入射角小于c時(shí)，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(shí)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(r) 當(dāng)n (r)滿足雙曲正割分布時(shí)，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(dòng)理論,一、傳播模式的定義,光在光纖中傳播時(shí)電磁場的不同分布形式稱為模式。,采用圓柱坐標(biāo)，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(dāng)在軸向即有電場分量又有磁場分量時(shí)，稱為混合模；電場分量占優(yōu)勢而磁場分量較弱時(shí)，記為EHmn模，反之，為HEmn 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(dāng)減小歸一化頻率 值，使得某個(gè)模式的值等于2n2 / 0時(shí)，該模式就不能在光纖中傳輸了，稱該模截止了。截止時(shí)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:當(dāng)2.405時(shí)，光纖中傳輸?shù)碾姶挪ㄖ?有一個(gè)HE11模式，稱為單模傳輸；,當(dāng) 值在2.4053.8范圍，特征方程有四個(gè)解， 既有四個(gè)模式在光纖中傳播，它們是：HE11、TE01、 TM01、HE21,單模光纖：能實(shí)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的元件通常是發(fā)光二極管或激光二極管。,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(shí)，兩者的軸心必須嚴(yán)格對準(zhǔn)并固定，可使用專用的連接頭及光纖插座來完成。,機(jī)械應(yīng)變引起光纖的機(jī)械尺寸變化； 某些物體內(nèi)部存在應(yīng)力時(shí)，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(qiáng)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(dá)10 -8 ；,常見相位調(diào)制方法： 1、機(jī)械應(yīng)變及光彈性效應(yīng),反射鏡1 光源 分光鏡 反射鏡2 激光器 光探測器,分光鏡 反射鏡1,反射鏡2,分光鏡,保護(hù)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(kuò)束器,單模光纖,2、溫度效應(yīng) 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(yīng) 將單模光纖表面鍍上磁致伸縮、電致伸縮材料，則當(dāng)磁場、電場作用于光纖時(shí)，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,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(dòng)角度： =V H L 式中：V韋德耳系數(shù)； H外加磁場強(qiáng)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(yīng),線偏光,磁場,nx= n0 + n0E /2 ny= n0 - n0E /2 式中： n0沒有外電場時(shí)的折射率； 系數(shù)； 相位差： =2 n0E L /,2、電光效應(yīng),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（電場方向）,X,Y,3、光彈性效應(yīng) 指某些物體內(nèi)部存在應(yīng)力時(shí)，會產(chǎn)生折射率在不同方向有不同變化的現(xiàn)象；當(dāng)線偏振光通過時(shí)，輸出將變?yōu)橐粰E圓偏振光，可用于壓力、振動(dòng)、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(guān),反射型,遮斷型,反射鏡反射型,光纖式光電開關(guān)應(yīng)用,標(biāo)志孔,電路板標(biāo)志檢測,當(dāng)光纖發(fā)出的光穿過標(biāo)志孔時(shí)，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(guān)應(yīng)用,采用遮斷型光纖光電開關(guān)對IC 芯片引腳進(jìn)行檢測,定位 條形碼檢測 芯片引腳檢測,