1、二.光纤传感器原理,本讲提要,外界参数对光纤内传输光的作用方式，即各种调制的原理与方法。,光纤对许多外界参数有一定的效应，研究光纤传感原理就是研究如何应用光纤的这些效应，实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能，这是光纤传感器的核心，也是光纤传感器系统和光纤通信系统的主要区别。,光纤传感器的调制区可能是光纤本身（内部调制），也可能是其他材料制成的敏感元件（外部调制），单就调制原理而言，仅研究外界因素引起光的性质的变化，不论是内部调制还是外部调制都是一样的。,一.强度调制-光纤传感器最早使用的调制方法,概念 利用外界因素改变光纤中光的强度，通过测量光强的变化来测量外界物理量。,光纤强度调制传感器
2、的原理图,特 点,技术简单，可靠，成本低。可以采用多模光纤。光纤的连接与耦合容易，所使用的光纤连接器与耦合器已经商品化。光源可以采用非相干光源，如输出稳定的LED等。,构成传感器探头的物理机理,（一）利用线性位移或角位移进行调制,原理图,若输入输出为同一种单模光纤，S0为光纤中的光斑尺寸，则径向位移d与功率耦合系数T的关系为高斯型曲线，存在下列关系：,T,d,A,最佳传感区域,特 点,光纤间距离很小，约2-3m。入射光纤保持不动（除去差动法）。出射光纤进行位移或转动。,（二）光闸调制,原理图,特 点,入射光纤与出射光纤均保持不动，依靠遮光屏随外界因素影响而引起的运动来对出射光纤的输出光强进行调
3、制。遮光屏本身材料不限，可以是固体，也可以是液体。入射光纤与出射光纤的端面要设置准直透镜。,（三）反射式强度调制,原理图,传光束,双光纤,单光纤,特 点,入射光纤与出射光纤可以是单根光纤、两根光纤也可以是光纤束。非接触式，探头小，频响高，线性度好。测量位移100m。,（四）利用光纤微弯产生的损耗进行调制,原理图,特 点,当光纤受到微弯时，一部分芯模能量会转化为包层模能量，通过测量包层模式的能量或芯模能量的变化，就可以测出外界物理量的大小。主要应用于对应变等物理场的检测。分辨率可达0.1nm。,空间周期选取适当的空间周期，使得它与光纤中适当选择的两个模式的传播常数差相匹配。则光纤中光功率的分布随
4、着这个空间感应耦合而变，原来在纤芯中传播的某些光转移到包层中。相位匹配条件 和 为引起耦合的两个模式的传输常数。,相邻的两个模式，其传输常数差为,表征光纤折射率分布的参数,纤芯半径,总模式,模式标号,相对折射率差,梯度折射率光纤 =2,阶跃折射率光纤,变形器的最佳周期,为光纤芯子与包层之间的相对折射率差；a为纤芯半径；M是总模式；m是模式标号；,特 点,可以采用多模光纤。要达到引起耦合损耗的两模式间的耦合为最佳值，需要根据具体情况设计适当的调制周期。,（五）利用折射率的变化进行调制特点： 在光纤的纤芯折射率不变的情况下，通过外界因素的改变引起光纤包层折射率的大小发生变化，从而使得其中传输光的强
5、度发生变化。,典型图,（六）利用光纤的吸收特性进行调制 利用射线的辐射使光纤的吸收损耗增加，光纤的输出功率降低，从而构成强度调制的测量辐射量的传感器。,原理图,特 点,测量各种辐射，例如x射线的大小。灵敏度高、线性范围大。实时性强。典型应用：卫星外层空间剂量的监测；核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监测。,其它强度调制方法 利用光纤模斑斑图的强度随外界参数影响的变化，来测量待测物理量。 .,二. 波长调制-颜色调制,概念 利用外界因素改变光纤中光的波长，通过测量光波长的变化来测量外界物理量。,特 点,对引起光纤或连接器损耗增加的某些器件的稳定性不敏感。解调技术复杂，常常需要分光仪。通常采用
6、比值测量（两个波长的测量值为基准），要求校准以建立比值测量所需要的参考点。探测的波长范围有限。,典型应用,外界因素对传输光的光谱成分中，不同波长的光吸收特性不同。 如：溶液浓度的化学分析等。外界因素引起光的波长发生漂移。 如：光纤光栅应力传感器，光纤光栅温度传感器等。,三频率调制,概念 利用外界因素改变光纤中光的频率，通过测量光频率的变化来测量外界物理量。,特 点,外界因素以多普勒效应的形式影响光的频率。适用于对运动目标的探测。空间分辨率高，光束不干扰流动状态。,多普勒效应,研究光源与观测者之间的相对运动对接收到的光的频率产生的影响。如果频率为f的光入射到相对于探测器速度为v的运动物体上，则从
7、物体上反射到探测器的光频率为： c为真空中的光速,光纤多普勒系统,典型应用,血液流动速度监测传感器运动物体速度监测传感器,四相位调制,概念 利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过测量光相位的变化来测量外界物理量。,特 点,灵敏度高，几何形状灵活多样。工作对象广泛。需要特殊光纤。目前市场上各类光探测器均不能够感知光波相位的变化，必须采用光的干涉技术将光的相位变化改变为光的强度变化，才可以测量外界物理量。 光纤传感器中的相位调制技术包括两部分：产生光相位变化的物理机理。光的干涉技术。,相位调制器是基于干涉测量原理,设两束相干光的振幅分别为A1和A2，当其中一束光的相位受到某种因素影响时，两束光在干
8、涉域中产生干涉，各点光强为： : 外界因素所引起的两束相干光之间的相位差。 由A的变化可以获得 的变化，进一步可以得出待测物理量的变化。,：,构成相位调制传感器传感探头的几种物理机理,应力应变效应 当光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，光纤的长度（应变效应）、光纤的纤芯直径（泊松效应）、光纤的纤芯折射率（光弹效应）都将发生变化，这些变化将导致光纤中的光波相位发生变化。,当光波通过长度为L的光纤后，引起的光波相位延迟为 光波在光纤中的传播常数。 当光纤长度或传播速度发生变化时，引起的光波相位变化为 a为光纤的纤芯半径第一项：光纤的长度变化引起的相位延迟（应变效应）第二项：光纤的感应折射率变化引
9、起的相位延迟（光弹效应）第三项：光纤的纤芯直径变化引起的相位延迟（泊松效应）,纵向应变的相位调制-应变效应,径向应变的相位调制-泊松效应,光弹效应的相位调制,其中，,为光纤的纤芯折射率。a为光纤的纤芯半径，L为光纤长度，,为光纤的光弹系数。,为光纤的径向应变。,为光纤的纵向应变。,温度应变效应 将光纤放置在变化的温度场中，设温度场的变化等效为作用力F时，则力的存在将影响光纤的长度以及光纤的纤芯折射率将发生变化，从而产生光波相位的变化。由作用力F所引起的光纤中的相位延迟为：温度变化引起相位延迟 光纤的长度变化引起相位延迟 光纤的纤芯折射率变化引起相位延迟,几种典型的光纤干涉仪,1.M-Z光纤干涉
10、仪结构：,原理： 根据双光束相干原理，两个光探测器接收到的光强分别为：,其中，,为光源的光强，,为耦合系数，,为外界参量引起的相移由两个光探测器接收到的光强变化，可检测出,的变化，进一步得出外界参量。,2.萨格纳克光纤干涉仪结构：,原理： 当闭合光路相对惯性空间以转速转动时，顺、逆时针传播的光将产生一个非互易性的光程差，由于光程差又引入了两相反传播的光波之间的时间差，进一步引入相位延迟。,其中，A为光纤圈的面积，N为光纤的圈数，为角速度。,3.F-P光纤干涉仪 结构：,光程分别为：d, 3d, 5d 由于光程差引入了光波之间的时间差，进一步引入相位延迟。各光束相干叠加，由光强的变化可以得出外界
11、参量的变化。典型应用： 应力传感器，位移传感器等。,4.迈克尔逊干涉仪 结构：光束被3dB耦合器分成两路入射到光纤，然后，光从末端反射回来并经过耦合器输出到探测器。S(t)为外界信号，它引起两臂的光程差，通过探测器对信号光强的检测，可以获得外界参量的大小。,S(t),干涉仪的分类,第一类：M-Z光纤干涉仪、萨格纳克光纤干涉仪、迈克尔逊干涉仪 检测光强大小主要与两束光的相差相关第二类：F-P光纤干涉仪 检测光强大小主要与腔长有关,由多光束产生干涉。,五偏振态调制,概念：利用外界因素改变光纤中光的偏振特性，通过测量光的偏振态的变化来测量外界物理量。特点： 光纤具有低的固有双折射。因为光纤自身双折射
12、，对偏振态调制的影响很大，严重时甚至完全淹没人为偏振态调制作用。,光的偏振,幅度差,相位差,光的偏振,线偏振,圆偏振,椭圆偏振,E,Ex,Ey,理想圆对称光纤中，完全简并，x = y，两个模式的存在，对单模光纤的传输性质及模式的偏振态没有影响。,若光纤不是理想的圆对称波导时，x y，模式的简并性消失，这种现象称为单模光纤的双折射。,光纤中的双折射,双折射,媒质的各向异性，不同方向介电常数不同，折射率不同,光纤双折射,LPx01, LPy01 失去简并,x y,工艺中固有的不完善使光纤偏离理想圆对称，光纤弯曲随机应力,各向异性,双折射参数B,k0 真空中波数,调制方法,法拉第效应 定义：在磁场作
13、用下，偏振光的振动面将会发生旋转，且光矢量旋转的角度与光在物质中通过的距离L，磁感应强度B成正比。 =VdLB Vd为物质的费尔德常数。主要应用： 光纤电流传感器，光纤磁场传感器等,光纤电流传感器示意图 长直导线上扰有N圈光纤，I为导线中通过的电流 =VdNI,2.克尔电光效应定义：当线偏振光沿着与电场垂直的方向通过克尔盒（克尔盒：在外电场作用下，物质产生双折射现象）时，分成光矢量沿着电场方向的O光矢量，和光矢量垂直电场方向的e光矢量，且 克尔常数 外电场强度,光程差为： 相位差为：出射光波的光强为：由光强的变化可以测得外界参量的大小。主要应用：光纤电压传感器,3.光弹效应 定义：当物质的某个
14、方向存在压力或张力时，则物质在该方向上的折射率和其它方向的折射率不同，设该方向上的偏振光的折射率为ne, 与之垂直方向上的偏振光的折射率为no，则： n=no-ne=kP K为物质的压强光学系数，P为外加压强。,同理，由折射率的变化可以获得光程差，相位差，最终获得出射光波的光强，由光强的变化可以测得外界参量的大小。主要应用：光纤压力、声音、震动、位移等传感器,六.时分调制,概念：利用外界因素，调制返回信号的基带频谱，通过检测基带的延迟时间、幅度大小的变化来测量各种物理量的大小和空间分布。特点：分布式传感器的基础典型应用：光纤光栅列车实时追踪系统，OTDR等,分布式传感,分布式光纤传感技术是在7
15、0年代末提出的,它是随着现在光纤工程中仍应用十分广泛的光时域反射()技术的出现而发展起来的。在这十几年里,产生了一系列分布式光纤传感机理和测量系统,并在多个领域得以逐步应用。目前,这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。,分布式光纤传感技术的特点分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤;一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图,将光纤架设成光栅状,就可测定被测量的二维和三维分布情况;系统的空间分辨力一般在米的量级,因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值; 检测信号一般较微弱,因而要求信号处理系统具有较高的信噪比; 由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、
16、相位的跟踪等处理,因而实现一次完整的测量需较长的时间。,依据信号的性质,该类传感技术可分为4类,利用后向瑞利散射的传感技术;利用喇曼效应的传感技术;利用布里渊效应的传感技术;利用前向传输模耦合的传感技术。,利用后向瑞利散射的传感技术;,基于后向瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感技术的基础,它在80年代初期得到了广泛的发展。然而由于该技术难以克服测量精度低、传感距离短的缺陷,目前在这方面的研究已鲜有报道。,当一束脉冲光在光纤中传播时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性,会产生瑞利散射。如果外界物理量的变化能够引起光纤的吸收、损耗特性或瑞利散射系数的变化,那么通过检测后向散射光信号的强度就能够
17、获得外界物理量的大小。目前基于对后向瑞利散射光进行强度调制的传感器有利用微弯损耗构成的分布式光纤力传感器、利用光纤材料在放射线照射下所引起光损耗构成的分布式辐射传感器,利用化学染料对光的吸收特性构成的分布式化学传感器,利用液芯光纤瑞利散射系数与温度的关系构成的分布式温度传感器。,强度调制型,偏振态调制型,如果光纤受一些外界物理量的调制,那么光的偏振态就会随之发生变化,而瑞利散射光在散射点的偏振方向与入射光相同,所以在光纤的入射端对后向瑞利散射光的偏振态和光信号的延迟时间进行检测就可获得外界物理量的分布情况,由于磁场,电场,横向压力和温度都能够对光纤中光的偏振态进行调制,因此该技术可用于实现多个
18、物理量的测量。,利用喇曼效应的传感技术; 光通过光纤时,光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰撞,发生喇曼散射,波长大于入射光为斯托克斯光,波长小于入射光为反斯托克斯光。斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比和温度变化存在一定的对应关系。利用这一特性和光时域反射技术结合实现温度的分布式传感。,基于拉曼散射的分布式温度传感技术，采用斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比可消除光纤的固有损耗和不均匀性所带来的影响，是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术。对该技术开展研究工作的主要有英国的大学，中国的重庆大学和中国计量学院。,利用布里渊效应的传感技术; 光通过光纤时,光子和光纤中因自发热运动而产生的声子会产生非弹
19、性碰撞,发生自发布里渊散射。 散射光的频率相对入射光的频率发生变化,这一变化的大小与散射角和光纤的材料特性有关。与布里渊散射光频率相关的光纤材料特性主要受温度和应变的影响,因此,通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移就可实现分布式温度、应变测量。,该技术最初是由日本的提出的,由于它在温度、应变测量上所能达到的测量精度、传感长度和空间分辨力高于其它传感技术,目前得到广泛的关注与研究。,利用前向传输模耦合的传感技术。 该传感器的一般形式是,光的入射与探测量分别处于光纤的两端。如果传感光纤支持不同传播速度的两种传输模,那么在一定外界条件的作用下,光纤本征传输模的一部分能量就会耦合到另一传输模。因此在光纤另一端输出的耦合模的强度就能反映出被测量的大小,两传输模之间的延迟时间则反映出耦合点的位置。,今后的研究重点,实现单根光纤上多个物理参数(温度和应变)或化学参数的同时测量;提高信号接收和处理系统的检测能力,提高系统的空间分辨力和测量不确定度;提高测量系统的测量范围,减少测量时间;新的传感机理的研究。,谢 谢！,
