第八章光纤探测技术与系统PPT课件

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1、第八章第八章 光纤探测技术与系统光纤探测技术与系统8.1 光纤测试技术基础光纤测试技术基础 8.1.1 光纤结构光纤结构 8.1.2 光纤类型光纤类型 8.1.3 光纤传输特性光纤传输特性 8.1.4 单模光纤的偏振与模式双折射单模光纤的偏振与模式双折射 8.1.5 光纤的连接耦合技术光纤的连接耦合技术8.2 光纤传感器的原理与实现光纤传感器的原理与实现 8.2.1 强度调制光纤传感器强度调制光纤传感器 8.2.2 相位调制光纤传感器相位调制光纤传感器 8.2.3 频率调制光纤传感器频率调制光纤传感器 8.2.4 偏振调制光纤传感器偏振调制光纤传感器 8.2.5 波长调制光纤传感器波长调制光纤

2、传感器8.3 光纤布拉格光栅传感器光纤布拉格光栅传感器 8.3.1 传感原理传感原理 8.3.2 解调技术解调技术 8.3.3 封装增敏和复用技术封装增敏和复用技术2022-8-252 在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变化。因此，测出光波参数的变化，就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点，如灵敏度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，电绝缘性好，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接，结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。20

3、22-8-2538.1.1 光纤结构光纤是能够传输光的纤维波导或光导纤维的简称，如图8.1-1所示。8.1 光纤测试技术基础2022-8-2542022-8-2552022-8-256图图8-3 阶跃光纤、渐变光纤和单模光纤折射率的分布阶跃光纤、渐变光纤和单模光纤折射率的分布 2022-8-258实际设计与使用的光纤，其性能也各不相同。单模光纤频带极宽，而渐变折射率光纤的信息容量较大，且处理简便。当需要从光源处收集尽可能多的光能时，则使用粗芯阶跃折射率多模光纤比较合适。因此，通常在短距离、低数据率通信系统中使用多模阶跃光纤；在长距离、高数据率通信系统中使用单模光纤或渐变折射率多模光纤。在光纤传

4、感应用中，光强度调制型或传光型光纤传感器绝大多数采用多模（阶跃或渐变折射率）光纤。相位调制型和偏振态凋制型光纤传感器采用单模光纤，例如，满足特殊要求的保偏光纤、低双折射光纤、高双折射光纤等。2022-8-2598.1.3 光纤传输特性光纤的衰减（或损耗）和色散（或带宽）是描述光纤传输特性的两个重要参量。8.1.3.1 光纤的损耗光纤的损耗主要包括吸收损耗、散射损耗和微扰损耗，这里主要介绍前2种。（1）吸收损耗玻璃材料的吸收损耗主要是由它们所含的过渡金属离子所造成的（如铜、铁、铬等正离子）。此外氢氧根（OH-）引起的吸收损耗亦是极为重要的因素。（2）散射损耗一切透明物体都具有因密度不均匀而引起的

5、折射率不均匀，因而使光向各个方向散射造成光能量的损耗，这种散射称为瑞利散射，它代表了光纤损耗的最低极限。当波长小于0.8m时，瑞利散射引起的损耗随波长的缩短而明显增加。因此目前使用的石英玻璃光纤，其使用波段限于0.81.7m波段之间。此外，光纤在制造过程中造成的缺陷，如纤芯与包层的界面不规则、光纤粗细不均匀等都会引起模式耦合而使一部分能量转移到辐射模而逸出纤芯，造成散射损耗。光纤弯曲时亦会引起模式耦合而造成“弯曲损耗”。8.1.3.2 光纤的色散与脉冲展宽光纤色散是指输入光脉冲在光纤中传输时，产生的光脉冲展宽的现象。色散的存在使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽。光纤色散可分为三

6、种：即材料色散、波导色散和模间色散。前两种色散通常均称为模内色散。（1）模间色散（2）材料色散光纤中光的传播速度与纤芯介质的折射率n1有关，而对于不同波长的光其折射率是不同的。与模间色散相比，材料色散要小得多。（3）波导色散波导色散比材料色散小得多，在0.85m波长附近约小一个数量级。在1.25m波长附近，材料色散显著减小，两者大致相同。（4）光纤的冲击响应与脉冲展宽光纤的带宽（或脉冲展宽）是表征光纤传输特性的一个重要参数，它决定了光纤正确地传输脉冲信息的最高速率（即信息容量）。8.1.4 单模光纤的偏振与模式双折射由于光纤制造过程中的不确定性因素、光纤的不圆程度、内应力的不均匀程度；来自外部

7、的压力、环境温度的变化，敷设时产生的弯曲等等，都会对光纤造成偏振模色散（一种模间色散）。8.1.5 光纤的连接耦合技术8.1.5.1 光纤的拉制“双坩埚法”拉制 现代多数低损耗光纤大多用化学汽相沉积法（CVD）或改进化学汽相沉积法（MCVD）制造8.1.5.2 光纤的连接对光纤传感器来说，互连引起的插入损耗也可能要占光纤传感器总损耗的大部分互连可分成三类：连接器用于光纤之间或光纤与某个元器件之间的互连；固定接头用于两根光纤之间或光纤与某个元器件之间的熔接或永久性连接；耦合器连接。2022-8-2513（1）光纤连接损耗在光纤连接器和固定接头中，功率损耗可分成两类：固有损耗和附加损耗。阶跃折射率

8、光纤的端面间隙将引起附加损耗，端面间隙对耦合损耗的影响也与数值孔径有关。数值孔径越大，未入射到接收光纤纤芯中的光所占的百分比越大。对光纤传感器使用的光纤，NA大多接近于0.15。10%的纤芯直径偏差只产生0.2dB的损耗。而纤芯直径一半的端面间隙将产生0.7dB左右的耦合损耗。如果是固定接头，则不存在这种损耗。2022-8-25148.1.5.3 光纤固定接头光纤固定接头是一种永久性的连接，其基本要求是：以最短的时间与最低的成本获得最低的稳定插入损耗。光纤熔焊固定接头技术是所有光纤接头中性能最稳定，应用最普遍的一种。8.1.5.4 光纤定向耦合器光耦合器是一种用于传送和分配光信号的无源器件。1

9、 耦合器的分类（1）透射型MN耦合器（2）反射型1N耦合器由N个端口中任何一个端口输入的光信号都将技一定比例分配至其它所有端口输出。（3）透反型MN耦合器2 耦合器的基本工作原理耦合器的工作原理可由模式耦合理论来说明（单模光纤），也可由光纤的弯曲损耗理论来分析（多模光纤）。2022-8-25152022-8-25168.2 光纤传感器的原理与实现 光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长（颜色）调制光纤传感器。光纤传感器按检测对象的不同、又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光

10、纤流速传感器等。2022-8-25172022-8-25182022-8-25192022-8-25202022-8-25212022-8-25222022-8-25233其它光强度调制方式利用光纤微弯产生损耗进行光强度调制：当光纤受到弯曲后，有少量的芯模能量会转换成包层模能量而损失掉，通过测量包层模或芯模能量的变化就获得外界待测物理量的变化。利用折射率变化的光强度调制：折射率变化的光调制是利用光纤芯的化学性质。光纤的吸收实现光强度调制：光纤的吸收指的是在光纤芯中掺入产生吸收光谱的材料（如选用铅玻璃制成光纤），若有诸如x射线、射线辐射到铅玻璃光纤上，则由于光纤的吸收损耗的增大导致输出功率的降低

11、，也就产生了这种吸收构成的光强度调制的光纤辐射量传感器。利用数字编码技术的光强度调制：用线性或转动的数字编码技术，能有效地消除长期漂移和光强变化对强度调制带来的误差影响。2022-8-25242022-8-25252022-8-2526实现纵向、径向应变最简便的方法是，采用一个空心的压电陶瓷圆柱筒（PZT），在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号。对于光弹效应，为了加强其效应，通常采用大费尔德常数材料作光纤包层，并把光纤绕在PZT圆筒上。利用光纤的光弹效应可构成相位调制的干涉型光纤水听器及压力、扳动等光纤传感器。温度应变效应与应力应变效应相似。若光纤放置在变化的温度场中

12、，并把温度场变化等效为作用力F时，那么作用力F将同时影响光纤折射率n和长度L的变化。下面将介绍几种常用的光纤相位干涉仪。2022-8-25272022-8-25282022-8-25292022-8-25302022-8-25312022-8-25322022-8-25332022-8-25342022-8-25358.2.4 偏振调制光纤传感器在许多光纤系统中尤其是包含单模光纤的那些系统，偏振起着重要作用。许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态，有些效应可引起双折射现象。所谓“双折射现象”，就是对于光学性质随方向而异的一些晶体，一束入射光常分解为两束折射光的现象。光通过双折射媒质的相位延迟是

13、输入光偏振状态的函数。光纤偏振调制技术可用于温度、压力、振动、机械形变、电流和电场等检测。然而，目前主要应用还是监测强电流。这里将侧重介绍几种在偏振调制中常用的物理效应并讨论其偏振调制机制。2022-8-25362022-8-25372022-8-25382022-8-25392022-8-25408.2.5 波长调制光纤传感器所谓波长（颜色）调制，就是利用外界被测对象改变光纤中光的波长，通过检测波长的变化来测量各种物理量（被测对象）。1利用热色物质的颜色变化的波长调制与检测 2022-8-25412022-8-25422022-8-25438.3 光纤布拉格光栅传感器光纤布拉格光栅（Fibe

14、r Bragg Grating,FBG）传感器是一种近年来发展起来的新型光纤传感器。其基本原理是将光纤特定位置制成折射率周期分布的光栅区，于是特定波长（布拉格反射光）的光波在这个区域内将被反射。反射的中心波长信号跟光栅周期和纤芯的有效折射率有关。2022-8-2544将光栅区用作传感区，当被传感物质温度、结构或是位置发生变化的时候，光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而改变 Bragg 中心波长。通过光谱分析仪或是其它的波长解调技术对反射光的Bragg 波长进行检测就可以获得待测参量的变化情况（见图2）。2022-8-2545 将FBG 传感器用于工程监测，其最大优势在于可以将

15、具有不同栅距的布拉格光栅间隔地制作在同一根光纤上，用同一根光纤复用多个FBG 传感器，实现对待测结构的准分布式的测量。FBG 传感系统结构如图3。2022-8-2546光纤Bragg 光栅在桥梁、通讯、建筑、机械、医疗、航海、航天、矿业等领域都能发挥重要作用，所以具有广阔的应用前景。它具有体积小、重量轻、与光纤兼容、插入损耗低、性能长期稳定性好等特点。特别适合在易燃，易爆，和强电磁等恶劣环境下使用。FBG 技术的特点：测量精度高FBG 应力测量精度可以达到1，温度测量精度可以达到0.1。响应时间短单个FBG 传感器响应时间小于0.01s。（时间与FBG传感器距离监控器实际距离有关）测量范围大应

16、变测量可以超过10000。2022-8-25478.3.18.3.1 传感原理传感原理光纤光栅的Bragg波长是随和而变化的，因此Bragg波长对于外界力、热负荷等极为敏感。应变和压力影响Bragg波长是由于光栅周期的伸缩以及弹光效应引起的，而温度影响Bragg波长是由于热膨胀效应和热光效应引起的。当外界的温度、应力和压力等参量发生变化时，Bragg波长的变化可表示为B=2neff+2 neff (8.3-2)2022-8-25488.3.1.1 温度传感原理温度传感原理 温度影响 Bragg 波长是由热膨胀效应和热光效应引起的。假设均匀压力场和轴向应力场保持恒定，由热膨胀效应引起的光栅周期变

17、化为 T (8.3-3)式中 为光纤的热膨胀系数。热光效应引起的折射率变化为 Tnneffeff (8.3-4)这里，为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率。式(8.3-3)、(8.3-4)结合(8.3-1)，可知 Bragg 光栅的波长在变化的温度场中的表达式为 TBB)(/(8.3-5)Bragg 波长的变化与温度之间的变化有良好的线性关系，光栅的温度灵敏度为 BBTTK)(/(8.3-6)2022-8-25498.3.1.2 应变传感原理应变传感原理 应变影响 Bragg 波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。假设光纤光栅仅受轴向应力作用，温度场和均匀压力场保持恒定。轴向应力会引

18、起光栅栅距的改变 z (8.3-7)有效折射率的变化为 方向方向方向zPPyPPPxPPPnzzzzyxeff2)()()1(1212121112121112,2 (8.3-8)式中，Pij是弹光系数，是纤芯材料泊松比（下同）。沿 z 轴方向传播的光波所经受的折射率的变化为 zeffyxeffeffeffPPPnnnn)(21)/1(211211123,23 (8.3-9)定义有效弹光系数 zeffePPPnP)(211211122 (8.3-10)综合式(8.3-7)、(8.3-9)、(8.3-10)代入(8.3-2)，可得应变的灵敏度 eBzBPK1/(8.3-11)若沿光纤轴向施加拉力

19、F，根据胡克定律，光纤产生的轴向应变为 SEFz/(8.3-12)式中 E 为光纤的杨氏模量，S 为光纤面积。该拉力引起的 Bragg 波长变化 ESPFBeB/)1(8.3-13)2022-8-25508.3.1.3 压力灵敏度压力灵敏度 压力影响也是由光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。假设温度场和轴向拉力保持恒定，光纤处于一个均匀压力场P 中，轴向应变会使光栅的栅距改变 EPz/)21(8.3-14)有效折射率的变化为)2)(21)(/(21)/1(2111123,23PPEPnnnneffyxeffeffeff (8.3-15)光纤光栅的压力灵敏度为 1)2(21/12112PPnEPKe

20、ffBBP (8.3-16)由于掺杂成分和掺杂浓度的不同，各种光纤光栅的压力灵敏度差别较大。2022-8-25518.3.2 解调技术解调技术 解调方法 优点 缺点 高折射环形镜边缘滤波法 可进行静态和动态应变的测量 分辨率较低 匹配光纤光栅滤波法 反射方式:系统结构简单、造价低廉；透射方式：信号光利用率高，分辨率比前者高 反射方式：系统信噪比较低；透射方式：跟踪控制复杂，系统非线性误差较大 可调光纤 F-P滤波法 FFP 调谐范围宽，可实现多传感器解调可用于静态或准静态测量 高精度 FFP 价格昂贵，滤波损耗较大 非平衡扫描迈克尔逊干涉法 具备查询、解调光纤光栅网络传感信号的能力 动态测量时

21、需要详细分析相位随时间变化的规律 非平衡 M-Z 光纤干涉法 适用于动态参量的 高分辨率测量 静态测量要配合一个固定环境中的参考光栅 可调谐窄带光源法 具有较高的信噪比和分辨率 稳定性和可调谐范围不够理想，限制了传感 FBG 的数目和使用范围 环形腔光纤激光器激射法 适合波分复用传感 阵列的解调应变 分辨率低 2022-8-25528.3.38.3.3 封装增敏和复用技术封装增敏和复用技术由于裸的光纤光栅直径只有125m，在恶劣的工程环境中容易损伤，只有对其进行保护性的封装（如埋入衬底材料中），才能赋于光纤光栅更稳定的性能，延长其寿命传感器才能交付使用。同时，通过设计封装的结构，选用不同的封装材料，可以实现温度补偿，应力和温度的增敏等功能，这类“功能型封装”的研究正逐渐受到重视。布拉格光纤光栅复用传感技术具有减少昂贵的传感元件、降低系统成本、节省能量和使用空间等优点。当布拉格光纤光栅受到应力作用或环境温度改变时，它的布拉格波长按照一定的规律发生漂移，也就是说布拉格光纤光栅传感器是波长唯一编码的。当各个光栅光谱空间必须互不重叠时，我们可以方便地将波分复用技术应用于FBG传感系统中。因为波长编码是FBG的一个重要特征，所以波分复用在复用技术中占有重要地位，但在实际的传感网络设计中，时分复用（TDM）和空分复用（SDM）技术，也有几种混合复用技术的使用方式。