光纖傳感器

第11章光纖與光纖傳感器 一 基礎(chǔ)知識光纖傳感器光纖傳感器 FOSFiberOpticalSensor 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) 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 溫度 電流 電壓 磁場等物理量 1 結(jié)構(gòu) 兩個同軸區(qū) 內(nèi)區(qū)稱為纖芯 外區(qū)稱為包層而且內(nèi)芯的折射率略大于包層的折射率 通常 在包層外面還有一層起支撐保護(hù)作用的套層 2 光纖的種類及傳輸模式根據(jù)折射率的變化規(guī)律 光纖分為階躍型和梯度型 傳輸模式分為單模和多模 光纖的傳光原理 返回 3 傳光原理 斯乃爾定理 當(dāng)光由光密物質(zhì)出射至光疏物質(zhì)時(shí) 發(fā)生折射 a 折射角大于入射角 b 臨界狀態(tài) c 全反射 光纖導(dǎo)光 n0為入射光線AB所在空間的折射率 一般皆為空氣 故n0 1 當(dāng) r 90 的臨界狀態(tài)時(shí) Sin i定義為 數(shù)值孔徑 NA NumericalAperture arcsinNA是一個臨界角 i arcsinNA 光線進(jìn)入光纖后都不能傳播而在包層消失 i arcsinNA 光線才可以進(jìn)入光纖被全反射傳播 4 光纖的傳輸特性光纖的衰減 或損耗 和色散 或帶寬 是描述光纖傳輸特性的兩個重要參量 衰減的概念由于損耗的存在 在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?不管是模擬信號還是數(shù)字脈沖 其幅度都要減小 光纖的損耗在很大程度上決定了系統(tǒng)的傳輸距離 1 傳輸損耗 在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β蔖隨距離z的變化 可以用下式表示 式中 是損耗 衰減 系數(shù) 設(shè)長度為L km 的光纖 輸入光功率為Pi 輸出光功率應(yīng)為Po Piexp L 習(xí)慣上 的單位用dB km 損耗 衰減 系數(shù) 吸收損耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的 由材料電子躍遷引起的吸收帶發(fā)生在紫外 UV 區(qū) 7 m 由于SiO2是非晶狀材料 兩種吸收帶從不同方向伸展到可見光區(qū) 固有吸收很小 在0 8 1 6 m波段 小于0 1dB km 在1 3 1 6 m波段 小于0 03dB km 光纖中的雜質(zhì)主要有過渡金屬 例如Fe2 Co2 Cu2 和氫氧根 OH 離子 這些雜質(zhì)是早期實(shí)現(xiàn)低損耗光纖的障礙 氫氧根離子 OH 吸收峰在0 95 m 1 24 m和1 39 m波長 其中以1 39 m的吸收峰影響最為嚴(yán)重 散射損耗主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷 如氣泡 引起的散射產(chǎn)生的 結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗與波長無關(guān) 瑞利散射損耗 R與波長 四次方成反比 可用經(jīng)驗(yàn)公式表示為 R A 4 瑞利散射系數(shù)A取決于纖芯與包層折射率差 當(dāng) 分別為0 2 和0 5 時(shí) A分別為0 86和1 02 瑞利散射損耗是光纖的固有損耗 它決定著光纖損耗的最低理論極限 如果 0 2 在1 55 m波長 光纖最低理論極限為0 149dB km 2 色散色散 Dispersion 是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?由于不同成分的光的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng) 色散一般包括模式色散 材料色散和波導(dǎo)色散 模式色散是由于不同模式的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的 它取決于光纖的折射率分布 并和光纖材料折射率的波長特性有關(guān) 材料色散 是由于光纖的折射率隨波長而改變 以及模式內(nèi)部不同波長成分的光 實(shí)際光源不是純單色光 其時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的 這種色散取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度 波導(dǎo)色散 是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長有關(guān)而產(chǎn)生的 它取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯與包層的相對折射率差 單模光纖與多摸光纖的色散 1 單模光纖的色散由于單模光纖只傳輸一種模式 因而它不存在模間色散 只有模內(nèi)色散 即材料色散和波導(dǎo)色散 它們分別用色散系數(shù) c和 表示 總色散 c 通常 材料色散比波導(dǎo)色散大兩個量級 但是 在零色散區(qū) 材料色散與波導(dǎo)色散值大致相當(dāng) 只是兩者符號相反 2 多模光纖的色散對于多模光纖 模間色散通常占主導(dǎo)地位 如果把模間色散平衡掉 則剩下的是材料色散和波導(dǎo)色散 此時(shí) 情況與單模傳輸類似 不同的是這里的波導(dǎo)色散是多模波導(dǎo)色散 在多模光纖中 波導(dǎo)色散與材料色散相比 常?？梢院雎?材料色散是材料的折射率隨頻率變化引起的色散 因此材料色散引起的脈沖展寬與光源譜寬成正比 對于多模漸變型光纖 如果采用激光器 LD 作光源 其譜寬一般為1 2nm 故可忽略材料色散 此時(shí) 脈沖展寬主要由模間色散決定 但是 當(dāng)光源為發(fā)光二級管 LED 時(shí) 由于其譜寬大約為30 50nm 故增加了材料色散的影響 這時(shí) 材料色散和模問色散相比不可忽略 3 光纖色散與帶寬的關(guān)系光纖色散使輸入信號的各波長分量到達(dá)終端的群延時(shí)不同 因此輸出信號或脈沖將發(fā)生畸變或展寬 脈沖展寬將限制傳輸容量或決定最大中繼距離 展寬程度可以有延遲時(shí)間來表示 反映纖芯接收光量的多少 標(biāo)志光纖接收性能 意義 無論光源發(fā)射功率有多大 只有2 i張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播 大的數(shù)值孔徑 有利于耦合效率的提高 但數(shù)值孔徑太大 光信號畸變也越嚴(yán)重 4 抗拉強(qiáng)度5 集光能力 三 光纖傳感器的分類及構(gòu)成光纖傳感器分為功能型 非功能型及拾光型 功能型光纖傳感器 這類傳感器利用光纖本身對外界被測對象具有敏感能力和檢測功能 光纖不僅起到傳光作用 而且在被測對象作用下 如光強(qiáng) 相位 偏振態(tài)等光學(xué)特性得到調(diào)制 調(diào)制后的信號攜帶了被測信息 非功能型光纖傳感器 傳光型光纖傳感器的光纖只當(dāng)作傳播光的媒介 待測對象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的 光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的 光纖只起傳光作用 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 四 光纖傳感器光學(xué)測量的基本原理 光就是一種電磁波 光的電矢量E 被測量調(diào)制 光的強(qiáng)度 偏振態(tài) 矢量B的方向 頻率和相位光的強(qiáng)度調(diào)制 偏振調(diào)制 頻率調(diào)制或相位調(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 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)度波動和連接器損耗變化等影響較大 輸出ID 入射光 強(qiáng)度調(diào)制 t 光源 出射光 光探測器 強(qiáng)度調(diào)制原理 強(qiáng)度調(diào)制 2 偏振調(diào)制光纖傳感器 利用光的偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象信息應(yīng)用 電流 磁場傳感器 法拉第效應(yīng) 電場 電壓傳感器 泡爾效應(yīng) 壓力 振動或聲傳感器 光彈效應(yīng) 溫度 壓力 振動傳感器 雙折射性優(yōu)點(diǎn) 可避免光源強(qiáng)度變化的影響 靈敏度高 泡克爾斯效應(yīng) 3 頻率調(diào)制光纖傳感器 被測對象引起的光頻率的變化來進(jìn)行監(jiān)測利用運(yùn)動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 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 利用光致發(fā)光的溫度傳感器等 頻率調(diào)制 主要利用光學(xué)多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制 如圖 觀察者在O處觀察到的頻率為fs 根據(jù)多普勒原理可得 4 相位調(diào)制傳感器 被測對象導(dǎo)致光的相位變化 然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息 利用光彈效應(yīng)的聲 壓力或振動傳感器 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 電壓傳感器利用Sagnac效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器 光纖陀螺 優(yōu)點(diǎn) 靈敏度很高 缺點(diǎn) 特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng) 成本高 光信號相位的變化 與溫度變化 T的關(guān)系為 線膨脹系數(shù) l 光纖的長度 n T 折射率溫度系數(shù) n 纖芯平均折射率 0 自由空間光波長 傳播常數(shù)與纖芯半徑的變化率 5 波長調(diào)制 波長調(diào)制是利用被測量改變光纖中光的波長 再通過檢測光波長的變化來測量各種被測量 波長調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是它對引起光纖或連接器的某些器件的穩(wěn)定性不敏感 因此被廣泛應(yīng)用于液體濃度的化學(xué)分析 磷光和熒光現(xiàn)象分析 黑體輻射分析及法布里 珀羅等光學(xué)濾波器上 其缺點(diǎn)是解調(diào)技術(shù)較復(fù)雜 但采用光學(xué)濾波或雙波長檢測技術(shù)后 可使解調(diào)技術(shù)簡化 透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器 半導(dǎo)體的吸收光譜與材料的Eg有關(guān) 而Eg卻隨溫度的不同而不同 Eg與溫度t的關(guān)系可表示為 半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度的上升而減小 亦即其本征吸收波長 g隨溫度的上升而增大 這個性質(zhì)反映在半導(dǎo)體的透光性上則表現(xiàn)為 當(dāng)溫度升高時(shí) 其透射率曲線將向長波方向移動 若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的 g t 相匹配的發(fā)光二極管作為光源 則透射光強(qiáng)度將隨著溫度的升高而減小 即通過檢測透射光的強(qiáng)度或透射率 即可檢測溫度變化 半導(dǎo)體透射測量原理 利用半導(dǎo)體的吸收特性制作的光纖溫度傳感器的單端式探頭結(jié)構(gòu)如圖 光纖中的入射光線經(jīng)探頭頂部的反射膜反射后返回 在光路中放入對溫度敏感的半導(dǎo)體薄片對光進(jìn)行吸收 則出射光強(qiáng)將隨溫度的變化而變化 膜片反射式光纖壓力傳感器 Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器如圖 在Y形光纖束前端放置一感壓膜片 當(dāng)膜片受壓變形時(shí) 使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化 從而使輸出光強(qiáng)受到調(diào)制 1 輸出光纖2 輸入光纖3 輸出光纖4 膠5 膜片 兩束輸出光的光強(qiáng)之比 A 常數(shù) p 待測量壓力 輸出光強(qiáng)比I2 I1與膜片的反射率 光源強(qiáng)度等因素均無關(guān) 將上式兩邊取對數(shù) 在滿足 Ap 2 1時(shí) 得到 表明待測壓力與輸出光強(qiáng)比的對數(shù)呈線性關(guān)系 若將I1 I2檢出后分別經(jīng)對數(shù)放大后 再通過減法器即可得到線性的輸出 采用不同的尺寸 材料的膜片 可獲得不同的測量范圍 光彈性式光纖壓力傳感器 光彈性效應(yīng) 晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化 從而呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象 1光源2 8起偏器3 91 4波長板4 10光彈性元件5 11檢偏器6光纖7自聚焦透鏡 光彈性式光纖壓力傳感器2 在光彈性元件上加上質(zhì)量塊后 也可用于測量振動 加速度 微彎式光纖壓力傳感 基于光纖的微彎效應(yīng) 即由壓力引起變形器產(chǎn)生位移 使光纖彎曲而調(diào)制光強(qiáng)度 1聚碳酸酯薄膜2可動變形板3固定變形板4 5光纖 微彎式光纖水聽器探頭 光纖被夾在一對鋸齒板中間 當(dāng)光纖不受力時(shí) 光線從光纖中穿過 沒有能量損失 當(dāng)鋸齒板受外力作用而產(chǎn)生位移時(shí) 光纖則發(fā)生許多微彎 這時(shí)在纖芯中傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁糠稚⑸涞桨鼘又?微彎光纖壓力傳感器 微彎光纖壓力傳感器 原來光束以大于臨界角 C的角度 1在纖芯內(nèi)傳輸為全反射 但在微彎處 2 1 一部分光將逸出 散射入包層中 當(dāng)受力增加時(shí) 光纖微彎的程度也增大 泄漏到包層的散射光隨之增加 纖芯輸出的光強(qiáng)度相應(yīng)減小 因此 通過檢測纖芯或包層的光功率 就能測得引起微彎的壓力 聲壓 或檢測由壓力引起的位移等物理量 球面光纖液位傳感器 球面光纖液位傳感器 a 探頭結(jié)構(gòu) 將光纖用高溫火焰燒軟后對折 并將端部燒結(jié)成球形 光由光纖的一端導(dǎo)入 在球狀對折端部一部分光透射出去 另一部分光反射回來 由光纖的另一端導(dǎo)向探測器 反射光強(qiáng)的大小取決于被測介質(zhì)的折射率 被測介質(zhì)的折射率與光纖折射率越接近 反射光強(qiáng)度越小 顯然 傳感器處于空氣中時(shí)比處于液體中時(shí)的反射光強(qiáng)要大 斜端面光纖液位傳感器 斜面反射式光纖液位傳感器