光纤传感器实用教案

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1、 l光导纤维(光纤)受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等环境条件变化，将引起其传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。l光纤传感技术就是将温度、压力、电场、磁场的变化转化为光波量的变化的技术。光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。l光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术，光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。与其它传感器相比较，l光纤传感器有如下特点：l不受电磁干扰，防爆性能(xngnng)好，不会漏电打火；l可根据需要做成各种形状，可以弯曲；l可以用于高温、高压、绝缘性能(xngnng)好，耐腐蚀。第1页/共71页第

2、一页，共72页。光纤的发展光纤的发展(fzhn) 1966 1966年高琨博士提出光纤传输年高琨博士提出光纤传输(chun sh)(chun sh)的理论的理论 1969 1969年日本平板玻璃公司制出年日本平板玻璃公司制出200dB/KM200dB/KM梯度光纤梯度光纤 1970 1970年美康宁公司制出世界第一根年美康宁公司制出世界第一根20dB/KM20dB/KM低损耗光纤低损耗光纤 1972 1972年日本电子技术综合研究所制出年日本电子技术综合研究所制出7dB/KM SiO27dB/KM SiO2芯光纤芯光纤 1973 1973年美贝尔实验室用化学沉积法（年美贝尔实验室用化学沉积法（

3、CVDCVD）制光纤）制光纤 1978 1978年对年对1.5m1.5m光传输光传输(chun sh)(chun sh)接通理论值约接通理论值约0.2dB/KM0.2dB/KM 1980 1980年光通讯产业形成年光通讯产业形成第2页/共71页第二页，共72页。一：光纤传感器的光源一：光纤传感器的光源(gungyun) 见网页(wn y)第3页/共71页第三页，共72页。二：光纤传感器的光探测器二：光纤传感器的光探测器第十章介绍的常用第十章介绍的常用(chn yn)(chn yn)的光探测的光探测器：器： 光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管等光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管等第4页/共71页

4、第四页，共72页。传光原理：光在光纤界面(jimin)内产生全反射。 光纤通常由纤芯、包层及保护套组成。纤芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圆柱体，直径约为5150m。包层的材料也是玻璃或塑料等，但纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。外套起保护光纤的作用(zuyng)。较长的光纤又称为光缆。 4.8.2 光纤结构(jigu) 纤芯包层涂覆层护套第5页/共71页第五页，共72页。011sinsinsin 90ircnnn当 时，发射(fsh)全反射，即：290r21sin/cnn2222011121sinsin 901icnnnnnnn光纤传光原理(yunl) n n1 1n n2 2n n

5、3 3光纤结构光纤结构护护套套包包层层纤纤芯芯irc2rn n1 1n n2 2n n3 3122sinsincrnn第6页/共71页第六页，共72页。 以入射角小于i进入光纤的光线将形成全反射被引导(yndo)至光纤输出端，并以近似等于入射角的角度射出。c称为临界角，2i为接受角，处于接受角之外的光线均被包层吸收而损失掉。sini定义为光纤的数值孔径（Numerical Aperture） ，用NA表示，它反映纤芯接收光量的多少，是光纤的一个重要参数。光纤结构(jigu) n n1 1n n2 2n n3 3光纤结构光纤结构护护套套包包层层纤纤芯芯irc2rn n1 1n n2 2n n3

6、32222011121sinsin 901icnnnnnnn第7页/共71页第七页，共72页。光纤结构光纤结构(jigu) 数值孔径（数值孔径（Numerical ApertureNumerical Aperture） 光纤的数值孔径大小与几何尺寸无关，与纤芯光纤的数值孔径大小与几何尺寸无关，与纤芯包包层相对折射率有关。层相对折射率有关。光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。NANA越大，则越大，则光纤接收光的能力也越强。光纤接收光的能力也越强。数值孔径大有利于光纤的对接。数值孔径大有利于光纤的对接。可以使光纤可以使光纤NANA值很大而截面积很小，使得

7、光纤柔软可以弯值很大而截面积很小，使得光纤柔软可以弯曲。曲。 NANA太大时，光信号的畸变太大时，光信号的畸变(jbin)(jbin)加大，会影响光纤的带加大，会影响光纤的带宽。因此对光纤的数值孔径有一定的要求。通常作为传宽。因此对光纤的数值孔径有一定的要求。通常作为传感器的光纤感器的光纤0.2NA0.40.2NA材料色散材料色散 波导色散波导色散 对于多模光纤，总色散等于三者相加，起主导作用的是模式对于多模光纤，总色散等于三者相加，起主导作用的是模式(msh)色散，其他两个色散影响很小。色散，其他两个色散影响很小。 对于单模光纤，只有一个传输模式对于单模光纤，只有一个传输模式(msh)，故不

8、存在模式，故不存在模式(msh)色散，其总色散为材料色散和波导色色散，其总色散为材料色散和波导色散之和。为减小总的波长色散，要尽量选用窄谱线激光器作光源。散之和。为减小总的波长色散，要尽量选用窄谱线激光器作光源。 第23页/共71页第二十三页，共72页。光在普通光在普通(ptng)(ptng)光纤中的传输光纤中的传输见教材(jioci)227页216第24页/共71页第二十四页，共72页。1，光纤是光信号的传输媒介；2，当光信号在光纤中传播时，表征光信号的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移等)的作用而间接或直接(zhji)地发生变化；3，将光纤用作

9、传感元件来探测各种待测量(物理量、化学量和生物量等)。光纤传感器工作(gngzu)原理 第25页/共71页第二十五页，共72页。光纤传感器与电类传感器比较光纤传感器与电类传感器比较(bjio) (bjio) 电电类类传传感感器器被被测测参参量量光光纤纤传传感感器器被被测测参参量量电 源电 源电量检测电量检测光 源光 源光量检测光量检测电类传感器电类传感器光纤传感器光纤传感器电缆电缆光缆光缆第26页/共71页第二十六页，共72页。分类分类 内容内容 光纤传感器光纤传感器电类传感器电类传感器调制参量调制参量振幅：吸收、反射等振幅：吸收、反射等相位：偏振相位：偏振电阻、电容、电感等电阻、电容、电感等

10、敏感材料敏感材料温温-光敏、力光敏、力-光敏、光敏、磁磁-光敏光敏 温温-电敏、力电敏、力-电敏、电敏、磁磁-电敏电敏 传输信号传输信号光光电电传输介质传输介质光纤、光缆光纤、光缆电线、电缆电线、电缆光纤传感器是与电类传感器并行互补(h b)的一类新型传感器。 光纤传感器与电类传感器比较光纤传感器与电类传感器比较(bjio) (bjio) 第27页/共71页第二十七页，共72页。光纤传感器的特点光纤传感器的特点(tdin) (tdin) 本质防爆本质防爆(fn bo)(fn bo)适合于易燃、易爆等危险物适合于易燃、易爆等危险物品检测品检测 对电绝缘对电绝缘适合于高电压场合检测适合于高电压场合

11、检测 无感应性无感应性适合于强电磁场干扰环境下检测适合于强电磁场干扰环境下检测 化学稳定性化学稳定性适合于环保、医药、食品工业检测适合于环保、医药、食品工业检测 时域变换性时域变换性适合于多点分布测量适合于多点分布测量 低损耗低损耗 、高精度、高精度 、几何形状适应性强、尺寸小、几何形状适应性强、尺寸小 、重、重量轻量轻 、频带宽、非接触式等、频带宽、非接触式等 在机械、电子、航空航天、化工、生物医学、电力、交在机械、电子、航空航天、化工、生物医学、电力、交通、食品等领域的自动控制、在线检测、故障诊断、安通、食品等领域的自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警以及军事等方面都有广泛应用。全报警以

12、及军事等方面都有广泛应用。 第28页/共71页第二十八页，共72页。光纤传感器结构(jigu) 第29页/共71页第二十九页，共72页。 按照(nzho)光纤在传感器中的作用，通常将光纤传感器分为两种类型：非功能型（或称传光型、结构型）和功能型（或称传感型、探测型） 。n 非功能型光纤传感器：利用其它敏感元件感受被测量，光纤仅作为传输介质，依靠光传输或光反射引起的强度调制来工作；光纤是不连续(linx)的, 中断处要接上其他介质的敏感元件；多使用多模光纤。n 功能型光纤传感器：把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输光的强度、相位、偏振态等进行调制，再通过解调得到被测信号；常使用单模光纤。光纤传

13、感器分类(fn li) 第30页/共71页第三十页，共72页。光纤传感器分类光纤传感器分类(fn li) 根据光被调制根据光被调制(tiozh)(tiozh)的原理，光纤传感器分为：强度调制的原理，光纤传感器分为：强度调制(tiozh)(tiozh)型、频率调制型、频率调制(tiozh)(tiozh)型、波长调制型、波长调制(tiozh)(tiozh)型、相型、相位调制位调制(tiozh)(tiozh)型及偏振态调制型及偏振态调制(tiozh)(tiozh)型。型。 光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制(tiozh)(tiozh)。外界信。外界信

14、号可能引起光的某些特性号可能引起光的某些特性( (如强度、波长、频率、相位、偏振态等如强度、波长、频率、相位、偏振态等) )变变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态等调制化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态等调制(tiozh)(tiozh)器。器。 根据被测参数，光纤传感器也可分为：光纤位移传感器、光纤压力传根据被测参数，光纤传感器也可分为：光纤位移传感器、光纤压力传感器、光纤温度传感器等。感器、光纤温度传感器等。第31页/共71页第三十一页，共72页。d膜片膜片1，非功能性：通过光束位移(wiy)、遮挡、耦合等方式使接收光纤的光强变化。 光反射 依靠(yko)折射率变化测液位：

15、光强调制(tiozh)型光纤传感器 光传输 第32页/共71页第三十二页，共72页。位移（压力）位移（压力）活动板活动板固定板固定板输出光输出光输入光输入光光纤光纤光纤微弯曲位移(wiy)（压力）传感器 2，功能型：通过改变光纤外形、折射率差、吸收(xshu)特性等方式使光强变化。 当光线到达微弯曲段界面时，入射角将小于临界角，有一部分光透射进入包层。主要用于微弯曲位移检测和压力检测。光强调制(tiozh)型光纤传感器 x、射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而可以构成强度调制器。 第33页/共71页第三十三页，共72页。 在频率调制型光纤传感器中，光纤只起着传输光

16、的作用，它的工作原理是光学多普勒效应，即由于观察者和目标的相对运动，观察者接收到的光波频率将发生变化。采用光学多普勒测量系统，可以方便的实现在非接触条件下对液体(yt)流速流量的测量，如血液、气流及其他液体(yt)。（非功能型）频率(pnl)调制型光纤传感器 21coscosDvfff 光源观测者被测量移动速度v被测量21180第34页/共71页第三十四页，共72页。当一束(y sh)波长为的相干光在光纤中传播时，光波的相位角与光纤的长度L、纤芯折射率n1及纤芯直径d有关。光纤受到温度等物理量的作用时，这三个参数会发生不同程度的变化，从而引起光相移。相位(xingwi)调制型光纤传感器 折射率

17、改变：某些光纤的纤芯线和外包封材料在温度下降时折射率相互(xingh)接近，使发生全反射的可能变小，传输损耗增大，用于低温探测。 第35页/共71页第三十五页，共72页。 由于光的频率很高，光电探测器不能检测相位的变化，因此需要用光学(gungxu)干涉技术将相位调制转换为振幅调制。在光纤传感器中常采用马赫泽德（Mach-Zehader）干涉仪等仪器完成这一过程。单膜光纤激光器 参考光纤被调制光纤被测量激光器比较二者输出相位的不同，最小可测得0.025微米的位移。相位(xingwi)调制型光纤传感器 第36页/共71页第三十六页，共72页。偏振偏振(pin zhn)(pin zhn)态调制型光

18、纤传感器态调制型光纤传感器 自然光自然光 ：在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量呈对称分布：在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量呈对称分布(fnb)(fnb)。可用相互垂直的光振动描述自然光。可用相互垂直的光振动描述自然光。 光波是一种横波：光振动的电场矢量E和磁场矢量H始终与传播(chunb)方向v垂直。第37页/共71页第三十七页，共72页。 如果光在传播过程(guchng)中，只存在某一确定方向的振动， 这种光称为线偏振光或完全偏振光，简称偏振光。偏振(pin zhn)态调制型光纤传感器 根据光波振动方向的分布和变化规律，又分为(fn wi)部分偏振光、圆偏振光和椭圆

19、偏振光。 第38页/共71页第三十八页，共72页。偏振偏振(pin zhn)态调制型光纤传感器态调制型光纤传感器 第39页/共71页第三十九页，共72页。偏振偏振(pin zhn)态调制型光纤传感器态调制型光纤传感器 偏振态调制是指外界信号（被测量）通过一定的方式使光波的偏振态发生规律性偏转(pinzhun)，或产生双折射，通过检测光偏振态的变化即可测出外界被测量。 偏振态调制主要利用磁致旋光效应、弹光效应等物理效应。 磁致旋光效应也称法拉第旋光效应，是指某些物质在外磁场作用下，能使通过它的平面偏转(pinzhun)光的偏振方向发生旋转。旋转角度与通过法拉第材料的长度和外加磁场强度成正比。可以

20、用来检测电流强度。 第40页/共71页第四十页，共72页。弹光效应是一种由应力(yngl)应变引起的双折射效应。双折射会使光波的偏振态发生相应的变化。 由应力引起的感应(gnyng)双折射正比于所施加的力，因此可以通过检测偏振光的强度检测应力。偏振偏振(pin zhn)态调制型光纤传感器态调制型光纤传感器 第41页/共71页第四十一页，共72页。4.8.4 光纤位移光纤位移(wiy)传感器传感器位移检测是机械量检测的基础许多机械位移检测是机械量检测的基础许多机械量都是转换成位移来检测的量都是转换成位移来检测的传感器在原理传感器在原理(yunl)(yunl)上有传光型的和功上有传光型的和功能型的

21、两类，是通过强度调制、相位调能型的两类，是通过强度调制、相位调制、频率来完成检测过程的。制、频率来完成检测过程的。 第42页/共71页第四十二页，共72页。1 1 光纤开关与定位装置光纤开关与定位装置 一、简单的光纤开关、定位装置一、简单的光纤开关、定位装置 员简单的位移测量是采用各种光开关装置进员简单的位移测量是采用各种光开关装置进行的，即利用光纤中光强度的跳变来测出各种行的，即利用光纤中光强度的跳变来测出各种移动物体的极端位置如定位、记数，或者移动物体的极端位置如定位、记数，或者(huzh)(huzh)是判断某种情况。在各种位移测量装是判断某种情况。在各种位移测量装置中光开关装置的测量精度

22、是低的，它只反映置中光开关装置的测量精度是低的，它只反映极限位置的变化，其输出信号是跳变信号极限位置的变化，其输出信号是跳变信号第43页/共71页第四十三页，共72页。第44页/共71页第四十四页，共72页。二二 移动球镜光学移动球镜光学(gungxu)(gungxu)开关传感器开关传感器第45页/共71页第四十五页，共72页。 光强为光强为I0I0的光束通过发送光纤照射到球镜上。的光束通过发送光纤照射到球镜上。球透镜把光束聚焦到两个接收光纤的端面上。球透镜把光束聚焦到两个接收光纤的端面上。当球透镜在平衡位置时，从两个接收光纤得到当球透镜在平衡位置时，从两个接收光纤得到的光强的光强I1I1和和

23、I2I2是相同的。如果球透镜在垂直于是相同的。如果球透镜在垂直于光路的方向上产生微小光路的方向上产生微小(wixio)(wixio)位移时，在位移时，在两个接收光纤上得到的光强两个接收光纤上得到的光强I1I1和和I2I2将发生变化。将发生变化。光强比值光强比值IlIlI2I2的对数值与球透镜位移量的对数值与球透镜位移量呈呈线性关系，而光强的比值光强无关。线性关系，而光强的比值光强无关。第46页/共71页第四十六页，共72页。光纤位移(wiy)传感器 透射(tu sh)式反射式 第47页/共71页第四十七页，共72页。光纤温度传感器 反射式相位(xingwi)变化 振幅(zhnf)变化 第48页

24、/共71页第四十八页，共72页。光纤压力(yl)传感器 相位调制(tiozh) 偏振态调制(tiozh)强度(qingd)调制 反射型强度调制第49页/共71页第四十九页，共72页。易燃易爆场合易燃易爆场合(chng h) 控 制 室光 纤各类油罐参数检测压力容器参数检测核工业环境参数检测煤矿中CH4等参数检测第50页/共71页第五十页，共72页。高电压高电压(diny)、强磁场场合、强磁场场合 控 制 室光 纤高压变压器高压电动机强电磁干扰电气设备微波设备第51页/共71页第五十一页，共72页。实时实时(sh sh)在线检测在线检测 取样送检样品光谱仪被测物传统光谱仪物质成分检测光纤光纤光谱

25、仪被测物光纤光谱仪物质成分检测第52页/共71页第五十二页，共72页。光纤转速光纤转速(zhun s)传感器传感器 非接触(jich)测量方式LEDPIN光纤第53页/共71页第五十三页，共72页。点式光纤液位控制器点式光纤液位控制器 适用于 高、低液位报警 密封加油(ji yu)控制LEDPIN液体LEDPIN液体第54页/共71页第五十四页，共72页。光纤液位控制器光纤液位控制器 第55页/共71页第五十五页，共72页。光纤温度传感器光纤温度传感器 LEDPINn1n2n2随温度变化n2折光(zhgung)型 第56页/共71页第五十六页，共72页。光纤高温光纤高温(gown)温度传感器温

26、度传感器 PIN1PIN2滤波器1智能仪表滤波器2光纤高温炉黑体辐射腔蓝宝石光纤光谱(gungp)型 第57页/共71页第五十七页，共72页。光纤气体光纤气体(qt)成分传感器成分传感器 R,光纤传感头参考频率LEDPIN锁相放大器混气室N2O2流量计第58页/共71页第五十八页，共72页。光纤光谱光纤光谱(gungp)传感器传感器 光 源出口(ch ku)待测气体(qt)white室探测器信号处理第59页/共71页第五十九页，共72页。分布式检测分布式检测 时域变换时域变换(binhun)技术技术传统(chuntng)分布测量检测仪表S1S2S3Sn电缆第60页/共71页第六十页，共72页。

27、OTDR技术用于分布(fnb)检测 光纤S1T1S2T2S3T3SnTn分布式检测分布式检测 时域变换时域变换(binhun)技术技术OTDR (Optical Time Domain Reflectmeter)光时域反射(fnsh)仪 第61页/共71页第六十一页，共72页。分布式检测分布式检测(jin c) 时域变换技术时域变换技术 OTDR测试是通过发射光脉冲到光纤内，然后在OTDR端口接收返回的信息来进行。当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接合点、弯曲或其它类似的事件而产生散射、反射。其中一部分的散射和反射就会返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探测器来测量

28、，它们就作为光纤内不同位置上的时间或曲线片断。 OTDR的工作原理就类似于一个雷达。它先对光纤发出一个信号，然后观察从某一点上返回来的是什么信息。这个过程会重复地进行，然后将这些结果进行平均并以轨迹的形式来显示，这个轨迹就描绘了在整段光纤内信号的强弱。OTDR是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表，它被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中，可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障(gzhng)定位等的测量。 第62页/共71页第六十二页，共72页。光纤多点测温传感器光纤多点测温传感器 第63页/共71页第六十三页，共72页。光纤温度光纤温

29、度(wnd)报警器报警器 第64页/共71页第六十四页，共72页。光纤陀螺仪光纤陀螺仪 萨格纳克效应（Sagnac Effect） ： 将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反(xingfn)方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉。 第65页/共71页第六十五页，共72页。光纤陀螺仪光纤陀螺仪 当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生(chnshng)变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生(chnshng)干涉来测量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪；如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断

30、循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。 高精度角速度测量(cling) 第66页/共71页第六十六页，共72页。光纤光栅光纤光栅(gungshn)传感器传感器 光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅(gungshn)（fibber bragg gratting， FBG）是纤芯折射）是纤芯折射率周期性变化的光纤。率周期性变化的光纤。 UV零级光束1级光束1级光束熔融石英相位掩膜光纤干涉条纹早期利用高强度紫外光源所形成(xngchng)的干涉条纹对光纤侧面横向曝光，在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。 第67页/共71页第六十七页

31、，共72页。光纤光栅在纤芯内形成空间相位周期性分布，其实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波光纤光栅在纤芯内形成空间相位周期性分布，其实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。这些器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。这些(zhxi)器件具有反射带宽范围大、附加器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。目前损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。目前应用主要集中在光纤通信领域（光纤激光

32、器、光纤滤波器）和光纤传感器领域（位移、速度、加速度、温度应用主要集中在光纤通信领域（光纤激光器、光纤滤波器）和光纤传感器领域（位移、速度、加速度、温度的测量）。的测量）。 光纤光栅光纤光栅(gungshn)传感器传感器 第68页/共71页第六十八页，共72页。光纤光栅光纤光栅(gungshn)传感器传感器 F宽带光源分析器压电单元(dnyun)扫描(somio)波形光纤光栅用于分布式光纤传感系统第69页/共71页第六十九页，共72页。光纤饰品光纤饰品 第70页/共71页第七十页，共72页。谢谢大家(dji)观赏！第71页/共71页第七十一页，共72页。NoImage内容(nirng)总结光导纤维(光纤)受到外界环境(hunjng)因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等环境(hunjng)条件变化，将引起其传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。光纤的数值孔径大小与几何尺寸无关，与纤芯包层相对折射率有关。第12章 光纤传感器。光波可分解为沿轴向和沿截面径向传播的两种平面波成分。无感应性适合于强电磁场干扰环境(hunjng)下检测。时域变换性适合于多点分布测量。偏振态调制主要利用磁致旋光效应、弹光效应等物理效应第七十二页，共72页。