202006 - 第11章 光纤传感器【传感器技术案例教程】

萨格纳克效应示意图
顺时针方向与逆时针方向传播光所需时间
tR
2πR RtR cR
tL
2πR
RtL cL
(第11章 光纤传感器)
11.2 光纤传感器的典型实例
11.2.3 基于萨格纳克干涉仪的光纤角速度传感器
传感器技术案例教程
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第11章 光纤传感器
第11章 光纤传感器
光纤传感器 (FOS：fiber optic sensor) 是20世纪70年代末发展起 来一种新型传感器；
优点：灵敏度高、质量小、可传输信号频带宽、电绝缘性好、 耐火、耐水性好、抗电磁干扰强、挠性好、防爆特性好，可实 现不带电全光型探头、实现点位或分布式测量；
11.1 光纤及有关特性
11.1.1 光纤的结构与种类
光纤：工作在光频范围内的圆柱形 介质波导；主要包括纤芯、包层和 涂覆层，如图；
光纤的基本结构
纤芯：光纤中心部分；由折射率(n1)稍高介质制作，直径约 5～100 μm；纤芯周围包封一层折射率(n2)较低包层(n2 < n1) ；纤芯与包层由玻璃或石英等透明材料制成，构成一个同心 圆双层结构；
n1 sin 1 n2 sin 2
(第11章 光纤传感器)
11.1 光纤及有关特性
11.1.2 传光原理
入射角增加至临界角 ，折射光沿着界面传播(折射角 90o )，见 图 b；临界角为
c arcsin n2 n1
入射角继续增大，形成全反射现象，见图 c；
光的全反射原理
(第11章 光纤传感器)
罗 (Fabry-Perot) 干涉仪、迈克尔逊 (Michelson) 干涉仪和萨格 纳克干涉仪等； 光源输出光被分束器(棱镜或低损耗光纤耦合器)分成光功率相 等两束光(或几束光)，分别耦合到两根或多根光纤中； 在光纤输出端，汇合分离光束，输出到一个光电探测器； 干涉仪采用锁相零差、合成外差等解调技术，检测调制信号
(第11章 光纤传感器)
11.2 光纤传感器的典型实例
11.2.2 相位调制光纤压力传感器
1. 相位调制原理 一束波长为 λ 相干光在光纤中传播，光波相位角与光纤长度
、纤芯折射率和芯径有关；被测物理量作用于光纤，将引起 上述三个参数发生变化，从而引起光相移； 光纤芯径变化引起相位变化，明显弱于长度和折射率变化引 起相位变化，故忽略光纤芯径变化； 长 L，波长 λ 输出光相对输入端来说，相位为
11.1.2 传光原理
如图为阶跃型多模光纤中子午光线传播示意；
v πd (NA)
ν 值决定光纤纤芯内部沿轴线方向传播光波模式的数量；
ν < 2.405，只传播基模 HE11，为单模光纤； ν > 2.405，能传播多种模式，为多模光纤；
多模光纤传播模式数目，随 ν 值增大而增多；确定传播光波波长 、数值孔径，ν 值取决于光纤芯径；
2πn1L
光纤受外界物理量作用，光波相位角变化量
2πn1L n1L 2πLn1L n1
光频率为1014Hz 量级，光电探测器不能跟踪以这样高频率变 化的瞬时值；需采用间接方式
(第11章 光纤传感器)
11.2 光纤传感器的典型实例
11.2.2 相位调制光纤压力传感器
1. 相位调制原理 利用光学干涉测量技术，将相位调制转换成振幅(光强)调制； 主要干涉仪：马赫-泽德尔 (Mach-Zender) 干涉仪、法布里-泊
依折射率分布不同，分阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤；
阶跃折射率光纤(阶跃型光纤) 纤芯折射率不随半径变化，包 层内折射率基本上不随半径而 变；纤芯内，中心光线沿光纤 轴线传播；通过轴线平面不同 方向入射光线 (即子午光线) 呈 锯齿状轨迹传播，见图 a；
阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤
梯度折射率光纤(梯度型光纤)；纤芯折射率从中心轴开始沿径 向按抛物线规律逐渐减小；光线偏离中心轴线越远，传播路程
11.1 光纤及有关特性
11.1.2 传光原理
如图为阶跃型多模光纤中子午光线传播示意；
光线从折射率为 n0 空气中射入光纤端面，与轴线夹角为 θ0 ，按 斯耐尔定律，在光纤内折成 θ1 角，然后以 φ1 (＝90o - θ1) 入射到 纤芯与包层界面上；
入射角 φ1 大于临界角 φc ，入射光线就能在界面上产生全反射， 在光纤内部以同样角度反复逐次全反射向前传播，直至从另一端 射出；
单模光纤芯径较小，5～10μm；多模光纤芯径较大；
偏振状态沿光纤长度不 变的单模光纤为单模保 偏光纤；某些光纤传感 器只使用该种光纤
阶跃折射率光纤中子午光线传播
(第11章 光纤传感器)
11.1 光纤及有关特性
11.1.3 光纤的集光能力
图为半顶角为 θc 的面光源光锥示意 F 为由面光源上面积元 dS 发出射入光纤
def
n1 n2 n1
NA 表征光纤集光能力；NA 值大，集光能力强； NA 通常为 0.14～0.5；纤芯与包层折射率差越小，其值越小； 波长 λ 光波，引入与光纤芯径 d 有关的归一化频率
v πd (NA)
阶跃折射率光纤中子午光线传播
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11.1 光纤及有关特性
10μm)只传播一个模，即基模 HE11
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11.1 光纤及有关特性
11.1.2 传光原理
光纤传光原理的基础是光全反射，如图；
光的全反射原理
光线以较小入射角 φ1 (φ1<φc， φc 为临界角) 由折射率 n1 光密媒 质射入折射率 n2 光疏媒质，一部分光线反射，另一部分光线 折射入光疏媒质，如图 a；折射角 φ2 满足斯耐尔(Snell)定律
进一步揭示了数值孔径物理意义；若 n12 n22 1 ，集光率为 1
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11.1 光纤及有关特性
11.1.4 光纤的传输损耗
光从光纤一端射入，另一端射出，光强衰减，长 L 光纤的传
输损耗定义为
10 L
lg
PiHale Waihona Puke Baidu Pout
损耗：吸收损耗、散射损耗和辐射损耗
吸收损耗：与组成光纤材料电子受激跃迁和分子共振有关； 光子频率与分子振动频率接近时，发生共振，吸收光能；又
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11.2 光纤传感器的典型实例
11.2.1 基于位移测量的反射式光纤压力传感器
结构原理 发送光纤束与接收光纤束有
多种分布方式，见图；
反射式光纤压力传感器
光纤压力传感器光纤分布方式
应用特点(优点) 非接触测量、结构简单、探头小、线性度好、灵敏度高、频响高 等；应用领域广，尤其适于动态压力测量
光纤两端均处于空气中，出射角也为 θ0 ；光纤只要不过分弯曲， 光线沿着光纤传播
阶跃折射率光纤中子午光线传播
(第11章 光纤传感器)
11.1 光纤及有关特性
11.1.2 传光原理
如图为阶跃型多模光纤中子午光线传播示意；
从空气中射入光纤的光线，在光纤端面一定入射角范围内，光线 才在光纤内部以全反射传输出去；
通过改变光强、相位、偏振态、波长等实现测量
第11章 光纤传感器
11.1 光纤及有关特性 11.2 光纤传感器的典型实例
11.1 光纤及有关特性
11.1.1 光纤的结构与种类 11.1.2 传光原理 11.1.3 光纤的集光能力 11.1.4 光纤的传输损耗
(第11章 光纤传感器)
(第11章 光纤传感器)
称本征吸收；
散射损耗：由材料密度微观变化、成份起伏以及在制造光纤 过程产生的结构不均匀性或缺陷引起，出现折射率差异；
辐射损耗：光纤弯曲产生辐射损耗；
增大光纤直径、缩短光纤长度、减小光入射角，可减小损耗 ；一般光纤损耗 3～10 dB/km，最低至 0.18 dB/km
(第11章 光纤传感器)
(第11章 光纤传感器)
11.2 光纤传感器的典型实例
11.2.3 基于萨格纳克干涉仪的光纤角速度传感器
结构原理
图为萨格纳克干涉仪原理图；
激光源发出光由分束器或 3dB 耦合器分成 1:1 两束光，耦合 进入一个多匝(多环)单模光纤 圈两端；光纤两端出射光经分
萨格纳克干涉仪原理图
束器送到光探测器
(第11章 光纤传感器)
11.2 光纤传感器的典型实例
11.2.2 相位调制光纤压力传感器
2. 一种典型的相位调制光纤压力传感器 图为利用马赫-泽德尔干涉仪测量
水声压力光纤传感器原理示意； He-Ne 激光器发出一束相干光，
经扩束后，被分束棱镜分成两束 光，分别耦合到单模信号光纤( 传感光纤)和参考光纤中； 信号光纤感受压力，参考光纤不 感受；以减小被测对象和环境温 干涉型光纤压力传感器原理图 度等共模干扰影响； 两根光纤是马赫-泽德尔干涉仪两臂，长度相等；在光源相干 长度内，两臂光程长相等；光合成后形成一系列明暗相间干 涉条纹，实现测量
11.2 光纤传感器的典型实例
11.2.1 基于位移测量的反射式光纤压力传感器 11.2.2 相位调制光纤压力传感器 11.2.3 基于萨格纳克干涉仪的光纤角速度传感器 11.2.4 频率调制光纤血流速度传感器
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11.2 光纤传感器的典型实例
11.2.1 基于位移测量的反射式光纤压力传感器
全反射入射角由斯耐尔定律以及临界角 φc 确定； 图示A点入射光线，有 n0 sin0 n1 sin1 n1 cos1
入射光在纤芯与包层界面形成全反射条件：sin 1 n2 n1
依上两式，有 sin0 n12 n22 n0
入射角超出上述 θ0，进入光纤的光线会透入包层而散失；最大入 射角为
(第11章 光纤传感器)
11.2 光纤传感器的典型实例
11.2.3 基于萨格纳克干涉仪的光纤角速度传感器
萨格纳克效应
图示在半径 R 圆形闭合光路，同时从 起始点 A 沿相反方向传播两列光波；
光路静止，两列光波同时回到起始点， 两束光相位差为零；
光路沿顺时针方向以角速度 Ω 转动， 两列光波回到 A点时间不同；同时 A 点 已从位置 1 转到位置 2；
端面的有效光通量(能为光纤传输的光通 量)；大于 θc 角光线虽然能进入光纤端 面，但不能全部在光纤内产生全反射； 只要 θc =90o ，面光源发出全部光通量； 半顶角为 θc 的面光源光锥 光纤集光率：光纤传输有效光通量与全部光通量之比；可描述 光源发出射入光纤端面的有效光通量；
f F Fmax sin2 c NA2
def
sinc n12 n22 n0 NA
NA — 光纤数值孔径
阶跃折射率光纤中子午光线传播
(第11章 光纤传感器)
11.1 光纤及有关特性
11.1.2 传光原理
如图为阶跃型多模光纤中子午光线传播示意；
空气 n0 为1，结合 n1、 n2 很接近，数值孔径为 NA n12 n22 n1 2
利用光纤传光特性和感光特性，可实现许多物理量测量，如位 移、速度、加速度、角速度、压力、温度、液位、流量、水声 、浊度、电流、电压和磁场等；也可用于气体(尤其可燃性气 体)浓度、生物、医学领域；
有非功能型和功能型两类光纤传感器；前者称传光型光纤传感 器，光纤仅传光；后者称传感型光纤传感器，既传光，又感受 被测量变化；
依材料不同，分石英光纤、多组分玻璃光纤和全塑料光纤； 石英光纤纤芯与包层由高纯度 SiO2 掺适当杂质制成，损耗 低；多组分玻璃光纤用钠玻璃 (SiO2-Na2O-CaO) 掺适当杂质 制成；全塑料光纤损耗高，但机械性能好；
(第11章 光纤传感器)
11.1 光纤及有关特性
11.1.1 光纤的结构与种类
结构原理
图为一反射式光纤压力传感 器原理结构；
圆平膜片内表面抛光并蒸镀一 层反射膜，以提高反射率；
反射式光纤压力传感器
光纤束选用阶跃型多模光纤构成；分为纤维数大致相等、长 度相同发送光纤束和接收光纤束；
压力受膜片产生法向位移，导致光纤端面与膜片间距离随压 力增加而减小；
光纤接收反射光强度随压力增加而减小；检测位移(调制光 强)实现测量
越长；这种光纤又称自聚焦光纤，见图 b
(第11章 光纤传感器)
11.1 光纤及有关特性
11.1.1 光纤的结构与种类
光波在光纤内传播，形成驻波并以特定角射入光纤的光才能在 光纤内传播，这些光波称为“模”；
按传播模式，分单模光纤和多模光纤； 单模光纤在纤芯中仅传输一个模的光波，见图；
单模光纤
多模光纤传输多于一个模的光波； 较粗的芯径(几十 μm 以上)能传播几百个模；很细的芯径(5～