现代传感技术第5章课件.ppt
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- 现代 传感 技术 课件
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1、光纤传感技术v 5.1 光纤的基础知识光纤的基础知识v 5.2 强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器v 5.3 相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器v 5.4 波长调制型光纤传感器波长调制型光纤传感器v 5.5 偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器v 5.6 频率调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器v 5.7 光子晶体光纤传感器光子晶体光纤传感器v 5.8 分布式光纤传感器分布式光纤传感器光纤的基础知识v 光纤传感器工作的实质是通过光调制器,将一个携带着待光纤传感器工作的实质是通过光调制器,将一个携带着待测信息(被测对象)的信号叠加到载波光波上,经光纤传测信息(被测对象)的信号叠加
2、到载波光波上,经光纤传输后由光探测系统解调、经信号处理系统处理后检测出所输后由光探测系统解调、经信号处理系统处理后检测出所需要的待测信号。需要的待测信号。v 而光调制器能使光纤的传输参数或载波光波参数随待测信而光调制器能使光纤的传输参数或载波光波参数随待测信号的变化而改变。这些参数包括:光纤的折射率、传播常号的变化而改变。这些参数包括:光纤的折射率、传播常数、光波的强度(振幅)、位相、频率、偏振以及波长等。数、光波的强度(振幅)、位相、频率、偏振以及波长等。光纤的基础知识v 1.光纤波导的原理光纤波导的原理图图 5 1 当光线从较高折当光线从较高折射率介质向较低折射率介射率介质向较低折射率介质
3、传播时,在界面处的折质传播时,在界面处的折射和反射射和反射图图 5 2 具有包层的纤维具有包层的纤维光纤的基础知识v 2.光纤的分类光纤的分类 根据光纤能传输的模式数目根据光纤能传输的模式数目单模光纤单模光纤多模光纤多模光纤 根据纤芯径向折射率分布不同根据纤芯径向折射率分布不同阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤渐变折射率光纤渐变折射率光纤光纤的基础知识v 3.光纤的特性光纤的特性 光纤的特性主要包括传输特性、物理特性、化学特性和几何特性光纤的特性主要包括传输特性、物理特性、化学特性和几何特性等。等。传输特性传输特性衰减衰减衰减是描述光纤使光能在传输过程中沿着波导逐渐减小或消失的特性。衰减是描述光纤使
4、光能在传输过程中沿着波导逐渐减小或消失的特性。在给定信号和工作条件下,光纤的衰减决定信号无失真传输通路的最大在给定信号和工作条件下,光纤的衰减决定信号无失真传输通路的最大距离。距离。色散色散色散限制了光纤传输频响的上限。色散限制了光纤传输频响的上限。色散引起的脉冲展宽限制了脉冲调制或数据传输系统中给定长度光纤的色散引起的脉冲展宽限制了脉冲调制或数据传输系统中给定长度光纤的最高脉冲或数据传输速度。最高脉冲或数据传输速度。光纤的基础知识v 3.光纤的特性光纤的特性 光纤的特性主要包括传输特性、物理特性、化学特性和几何特性光纤的特性主要包括传输特性、物理特性、化学特性和几何特性等。等。物理特性物理特
5、性(1)弯曲性)弯曲性 光纤的弯曲性与光纤的机械强度有关。光纤的弯曲性与光纤的机械强度有关。(2)抗拉强度)抗拉强度(3)硬度)硬度(4)耐热性)耐热性(5)热膨胀系数)热膨胀系数(6)电绝缘性能)电绝缘性能 光纤的基础知识v 3.光纤的特性光纤的特性 光纤的特性主要包括传输特性、物理特性、化学特性和几何特性光纤的特性主要包括传输特性、物理特性、化学特性和几何特性等。等。化学特性化学特性(1)耐水性)耐水性(2)耐酸性)耐酸性 几何特性几何特性 标准规定光纤为圆对称结构,因此表征光纤几何特性的参数是标准规定光纤为圆对称结构,因此表征光纤几何特性的参数是纤芯直径纤芯直径包层直径包层直径纤芯的圆度
6、纤芯的圆度包层的圆度包层的圆度纤芯与包层的同心度误差纤芯与包层的同心度误差强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器v 强度调制型光纤传感器的基本原理可以概括为:通过检测强度调制型光纤传感器的基本原理可以概括为:通过检测被测对象所引起的光强变化,来实现对被测对象的监测和被测对象所引起的光强变化,来实现对被测对象的监测和控制。控制。v 其基本结构主要由光源、调制区、光探测器三大部分组成。其基本结构主要由光源、调制区、光探测器三大部分组成。v 强度调制型光纤传感器的特点是:技术上比较容易实现,强度调制型光纤传感器的特点是:技术上比较容易实现,所采用光纤多为光通信用多模光纤,而相关的光纤接头和所采用光
7、纤多为光通信用多模光纤,而相关的光纤接头和耦合器等部件,国内已有产品供应。耦合器等部件,国内已有产品供应。v 强度调制分为强度调制分为 非功能型光强调制非功能型光强调制 功能型光强调制功能型光强调制非功能型光强调制非功能型光强调制v 非功能型光强调制的基本原理是根据光束位移、遮挡、耦非功能型光强调制的基本原理是根据光束位移、遮挡、耦合及其他物理效应,通过一定的方式使进入接收光纤的光合及其他物理效应,通过一定的方式使进入接收光纤的光强随外界信号变化而改变。强随外界信号变化而改变。v 基本调制方式大致可分为基本调制方式大致可分为4种类型:种类型:光束切割型光束切割型 光闸型光闸型 松耦合型松耦合型
8、 物理效应型物理效应型非功能型光强调制非功能型光强调制v 光束切割型光强调制光束切割型光强调制图图 5 4 光束切割型光纤位移传感器简图光束切割型光纤位移传感器简图非功能型光强调制v 遮光型光强调制遮光型光强调制图图 5 6 移动光栅式光纤压力传感器移动光栅式光纤压力传感器非功能型光强调制非功能型光强调制v 松耦合型光强调制松耦合型光强调制图图 5 8 松耦合型光强调制原理示意图松耦合型光强调制原理示意图非功能型光强调制v 物理效应型光强调制物理效应型光强调制图图 5 11 半导体光半导体光吸收型光纤温度传吸收型光纤温度传感器示意图感器示意图功能型光强调制v 功能型光强调制是指光纤本身作为传感
9、元件,被测量通过功能型光强调制是指光纤本身作为传感元件,被测量通过改变传感光纤的外形、纤芯与包层折射率比、吸收特性及改变传感光纤的外形、纤芯与包层折射率比、吸收特性及模耦合特性等方法对光纤传输的光波强度进行调制。模耦合特性等方法对光纤传输的光波强度进行调制。微弯损耗与光纤微弯光强调制微弯损耗与光纤微弯光强调制 变折射率型光强调制变折射率型光强调制功能型光强调制v 微弯损耗与光纤微弯光强调制微弯损耗与光纤微弯光强调制图图 5 12 微弯损耗强度调制传感器原理图微弯损耗强度调制传感器原理图功能型光强调制v 变折射率型光强调制变折射率型光强调制图图 5 14 液体芯光液体芯光纤传感器探头示意图纤传感
10、器探头示意图图图 5 15 液体光纤温液体光纤温度传感器结构示意图度传感器结构示意图相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器v 相位调制是光纤传感中最重要的传感技术,其基本的传感相位调制是光纤传感中最重要的传感技术,其基本的传感机理是,外界信号(被测量)按照一定的规律使光纤中传机理是,外界信号(被测量)按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生相应的变化,光相位的变化量即反映被播的光波相位发生相应的变化,光相位的变化量即反映被测的外界量。测的外界量。v 光纤传感技术中使用的光相位调制大体有三种类型。光纤传感技术中使用的光相位调制大体有三种类型。功能型调制功能型调制这类相位调制型传感器主要应用了光
11、纤材料的晶体特性和物理效应这类相位调制型传感器主要应用了光纤材料的晶体特性和物理效应晶体的电光效应晶体的电光效应晶体的弹光效应晶体的弹光效应晶体的热光效应晶体的热光效应晶体的磁光效应晶体的磁光效应 萨格奈克(萨格奈克(Sagnac)效应调制)效应调制 非功能型调制非功能型调制 晶体的电光效应晶体的电光效应 晶体在外加电场晶体在外加电场E作用下,除了固有的自然双折射外,还会产生作用下,除了固有的自然双折射外,还会产生附加的双折射,使立方晶体具有单轴晶体的性质,变成了光学各附加的双折射,使立方晶体具有单轴晶体的性质,变成了光学各向异性。这样,有些单轴晶体则变为具有双轴晶体的性质,这种向异性。这样,
12、有些单轴晶体则变为具有双轴晶体的性质,这种现象称为电光效应。现象称为电光效应。电光效应实际上是一种在外加电场作用下产生的非线性极化过程。电光效应实际上是一种在外加电场作用下产生的非线性极化过程。电光效应主要有电光效应主要有线性电光效应(线性电光效应(Pockels效应)效应)二次电光效应(二次电光效应(Kerr效应)效应)晶体的弹(声)光效应 各向同性材料或立方晶体,在机械应力作用下,其性质可以变为各向同性材料或立方晶体,在机械应力作用下,其性质可以变为光学各向异性的现象称为弹光效应。光学各向异性的现象称为弹光效应。弹光效应可以有两种写法弹光效应可以有两种写法晶体的热光效应晶体的热光效应v 当
13、温度变化时,晶体的折射率发生变化的现象称为热光效当温度变化时,晶体的折射率发生变化的现象称为热光效应。应。由于晶体的各向异性,热光效应的表现是多种多样,假定晶体温由于晶体的各向异性,热光效应的表现是多种多样,假定晶体温度变化为度变化为 T,则,则其中其中b为热光系数。为热光系数。晶体的磁光效应晶体的磁光效应v 在磁场作用下,一些非旋光晶体可以变成具有旋光特性,在磁场作用下,一些非旋光晶体可以变成具有旋光特性,这种现象称为磁光效应,其中最主要的是法拉第效应。这种现象称为磁光效应,其中最主要的是法拉第效应。当光在晶体中传播距离为当光在晶体中传播距离为L时,出射光的偏振态由两个新的左右旋时,出射光的
14、偏振态由两个新的左右旋圆偏振模合成,由此引起的线偏振方向旋转角度为圆偏振模合成,由此引起的线偏振方向旋转角度为 其中其中V为范尔德(为范尔德(Verdet)常数)常数.v 利用磁光效应可以实现磁光调制器、磁光传感器、光隔离利用磁光效应可以实现磁光调制器、磁光传感器、光隔离器以及光环形器等。前两者是利用磁光晶体调制特性的线器以及光环形器等。前两者是利用磁光晶体调制特性的线性区域,而后两者是利用该特性的饱和区域。性区域,而后两者是利用该特性的饱和区域。相位调制型光纤传感器的特点(1)灵敏度高)灵敏度高 光学中的干涉法是目前最灵敏的探测技术之一。在光纤干涉仪中,由光学中的干涉法是目前最灵敏的探测技术
15、之一。在光纤干涉仪中,由于以光纤代替空气光程,光纤的长度可达数米且不受机械限制,比普于以光纤代替空气光程,光纤的长度可达数米且不受机械限制,比普通的光学干涉仪更加灵敏。通的光学干涉仪更加灵敏。(2)几何形状灵活多样)几何形状灵活多样 由于传感器的敏感部分由光纤本身构成,而光纤又十分柔软,可绕性由于传感器的敏感部分由光纤本身构成,而光纤又十分柔软,可绕性能好,所以敏感部分的几何形状可根据使用要求设计成不同形式的传能好,所以敏感部分的几何形状可根据使用要求设计成不同形式的传感元件,如平面式、线列阵式、梯度式等。感元件,如平面式、线列阵式、梯度式等。(3)工作对象广泛)工作对象广泛 任何物理量,只要
16、对干涉仪中的光程产生影响,即可用相位调制型光任何物理量,只要对干涉仪中的光程产生影响,即可用相位调制型光纤传感器探侧。纤传感器探侧。(4)需要特殊类型的光纤)需要特殊类型的光纤 在光纤干涉仪中,为获得最佳干涉效应,应使同一模式的光叠加,在光纤干涉仪中,为获得最佳干涉效应,应使同一模式的光叠加,且两相干光的振动方向必须一致,因此希望采用高双折射的单模光纤。且两相干光的振动方向必须一致,因此希望采用高双折射的单模光纤。波长调制型光纤传感器波长调制型光纤传感器v 外界信号通过选频、滤波等方式改变光纤中传输光的波长,外界信号通过选频、滤波等方式改变光纤中传输光的波长,测量波长变化即可检测到被测量,这类
17、调制方式称为光波测量波长变化即可检测到被测量,这类调制方式称为光波长调制。长调制。v 目前用于光波长调制的方法主要是光学选频和滤波。目前用于光波长调制的方法主要是光学选频和滤波。F-P干涉式滤光干涉式滤光 里奥特偏振双折射滤光里奥特偏振双折射滤光 各种位移式光谱选择等外调制技术各种位移式光谱选择等外调制技术 光纤光栅滤光技术光纤光栅滤光技术光纤光栅滤光技术v 光纤光栅调制原理光纤光栅调制原理v 光纤光栅的分类光纤光栅的分类v 光纤光栅传感器光纤光栅传感器 布拉格光纤光栅布拉格光纤光栅 长周期光纤光栅长周期光纤光栅 LPFG传感器传感器光纤光栅调制原理v 光纤光栅是利用掺杂(如锗、磷等)光纤材料
18、的光敏性。光纤光栅是利用掺杂(如锗、磷等)光纤材料的光敏性。光纤的光敏性是指激光通过掺杂光纤时,光纤的折射率将随光强光纤的光敏性是指激光通过掺杂光纤时,光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性,它是光纤光栅周期性折射率变的空间分布发生相应变化的特性,它是光纤光栅周期性折射率变化的根本原因。化的根本原因。外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化。外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化。在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅,其实质是在纤芯内形在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅,其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。成一个窄带的滤光器或反射镜。光纤光栅
19、的分类v 1.依据光栅周期分类依据光栅周期分类 短周期光纤光栅短周期光纤光栅 长周期光纤光栅长周期光纤光栅v 2.依据波导结构分类依据波导结构分类 均匀光纤光栅均匀光纤光栅 啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅 高斯变迹光纤光栅高斯变迹光纤光栅 升余弦变迹光纤光栅升余弦变迹光纤光栅 相移光纤光栅相移光纤光栅 超结构光纤光栅超结构光纤光栅 倾斜光纤光栅倾斜光纤光栅 特殊折射率调制的光纤光栅特殊折射率调制的光纤光栅光纤光栅的分类光纤光栅的分类v 3.依据形成机理分类依据形成机理分类 利用光敏性形成的光纤光栅利用光敏性形成的光纤光栅 利用弹光效应形成的光纤光栅利用弹光效应形成的光纤光栅 v 4.依据材料分类依据
20、材料分类 石英玻璃光纤光栅石英玻璃光纤光栅 聚合物光纤光栅聚合物光纤光栅 光子晶体光纤光栅光子晶体光纤光栅布拉格光纤光栅布拉格光纤光栅v 布拉格光纤光栅(布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)周期约为几百纳米。周期约为几百纳米。主要特性是将某一频段的光反射回去,形成以谐振波长为中心的主要特性是将某一频段的光反射回去,形成以谐振波长为中心的窄带光学滤波器。窄带光学滤波器。FBG光纤光栅属于反射光纤光栅属于反射型工作器件,当光源发型工作器件,当光源发出的连续宽带光通过传出的连续宽带光通过传输光纤射入时,它与光输光纤射入时,它与光场发生耦合作用,对该场发生耦合作用,对该宽带
21、光有选择地反射回宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光,并相应的一个窄带光,并沿原传输光纤返回;其沿原传输光纤返回;其余宽带光则直接透射过余宽带光则直接透射过去。去。图图 5 18 BRAGG(布拉格)光纤光栅(布拉格)光纤光栅布拉格光纤光栅布拉格光纤光栅v 1.FBG的传感原理的传感原理 FBG是纤芯折射率沿轴向呈周期化变化,使前向传输的能量耦合是纤芯折射率沿轴向呈周期化变化,使前向传输的能量耦合到反向导模中,形成反射波长周期变化的尖锐的反射峰的光波导到反向导模中,形成反射波长周期变化的尖锐的反射峰的光波导器件。器件。FBG传感器测量的是传感器测量的是FBG反射波长的漂移量,当环境因素反射波长
22、的漂移量,当环境因素发生变化时,光纤光栅的反射波长发生漂移,通过检测波长漂移发生变化时,光纤光栅的反射波长发生漂移,通过检测波长漂移量就可以获得被测温度、应力等物理量。量就可以获得被测温度、应力等物理量。布拉格光纤光栅v 2.FBG的特点的特点(1)多个不同类型的传感器可以在一条光纤上串接复用,构成传感器阵)多个不同类型的传感器可以在一条光纤上串接复用,构成传感器阵列,实现多参量的准分布式实时测量。列,实现多参量的准分布式实时测量。(2)施工方便,潜在故障点大大低于传统技术,可维护性强。)施工方便,潜在故障点大大低于传统技术,可维护性强。(3)全光测量,在监测现场无电气设备,不受电磁及核辐射干
23、扰。)全光测量,在监测现场无电气设备,不受电磁及核辐射干扰。(4)以反射光的中心波长表征被测量,不受光源功率波动、光纤微弯效)以反射光的中心波长表征被测量,不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响。应及耦合损耗等因素的影响。(5)绝对量测量,系统安装及长期使用过程中无需定标。)绝对量测量,系统安装及长期使用过程中无需定标。(6)使用寿命长。)使用寿命长。(7)光纤传输线路具有自愈功能,可靠性高。)光纤传输线路具有自愈功能,可靠性高。但但FBG在传感应用中也存在一定的局限性,如灵敏度不高,对单位应力在传感应用中也存在一定的局限性,如灵敏度不高,对单位应力或温度的改变所引起的波长漂移较
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