光纤传感技术测量应变PPT课件

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第八章内容提要 ●8.1前言 ●8.2强度调制型光纤传感器 ●8.3相位调制型光纤传感器 ●8.4频率调制型光纤传感器 ●8.5波长调制型光纤传感器 ●8.6偏振态调制 ●8.7特种光纤简介 ●8.8光纤传感器的发展趋势 ●光纤传感器的原理 ●光纤传感器的特点 ●光纤传感器的分类 ●光纤传感器的应用 表征光波的特征参量因外界因素的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。图1 光纤传感原理示意图 ★ 光纤传感器的特点 与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点： ◎抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全 ◎重量轻、体积小、外形可变 ◎对被测介质影响较小，灵敏度高 ◎便于复用，便于成网 ◎测量对象广泛，成本低 ★ 光纤传感器的分类 一般分为两大类： ◎功能性传感器 利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件 又称传感型光纤传感器，采用单模光纤 ◎非功能性传感器 光纤仅作为传光介质，需借助其它敏感元件 又称传光型光纤传感器，常用多模光纤 根据光调制手段的不同，光纤传感器 又可分为： ◎强度调制型 ◎相位调制型 ◎偏振态调制型 ◎频率调制型 ◎波长调制型 ★ 光纤传感器的应用 光纤传感器可以探测的物理量很多，可以探测位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动、转动、弯曲、应变、磁场、电压、电流以及化学量、生物医学量等等，其中有的传感器已形成商品，可供实际应用。 §8.2 强度调制型光纤传感器 ●原理和实现手段 ●光强度的外调制技术 ●光强度的内调制技术 ●补偿技术 1、原理和实现手段 ◎原理 以被测对象所引起的光强度变化，来 实现被测对象的监测和控制 ◎实现手段 ◇利用发送、接受光纤的相对运动 ◇利用光纤对光波的吸收特性 ◇利用折射率的改变 ◇利用在两相位光纤间的倏逝场耦合 ◇利用光纤微弯效应 2、光强度的外调制技术 光纤本身只起传光作用，分反射式和折射式两种方式来讨论。 ◎反射式光强调制 图2所示， 接受 的光强将随物体 距光纤探头端面 的距离而变化。 通过测出反射强度，可知物距的变 化。 如果反光物体相当于平面镜，如图4所示，反射耦合到光纤的光能与光纤输出光能比为： 如果反射面是由不同曲率半径的凸面，实验测得的返回光强与测量距离的关系曲线如图5所示。 图6所示是反射体表面粗糙度R max 与受光量的关系。可知，表面粗糙度大时，受光量小，但当表面粗糙度小于1µm时，受光量基本上不受粗糙度的影响。 ◎遮光式光强调制 图7a为移动式光纤光调制模型 。 图7b为动光闸式光强度调制器。 实际应用中可采用光纤束结构：光纤的粗细不同，排列方式也不同，如图3所示。这种传感器一般均用大数值孔径的粗光纤，以提高光强的耦合效率。 3、光强度的内调制技术 ——光纤本身特性的发生改变 ◎折射率调制 一般纤芯和包层 具有不同的折射 率温度系数，导 致对温度的响应 不同。 图10是反射系数式强度型光纤传感器原理图，其工作原理是用光纤光强反射系数的改变(介质由于压力或温度的变化 折射率 反射系数)来实现对透射光强的调制。 某种特选的膨化材料在潮湿的空气中会发生膨胀并由于附加了水分子而表现出折射率的减小。利用这种效应，可以制成简单、快速响应和高灵敏度的光纤湿度传感器。 该种传感器的感应主部的包层由 PVA， Starch， PVDF三种材料以3:3:2制成。 图 基于折射率改变的湿度传感 器的感应主部 图 感应主部在两种不同的环境中的传光情况 ◎倏逝波耦合调制如图11所示，d，L或n稍变化，光探测器的接受光强就有明显的变化。据此，可制成水听器。 图12所时是透射式光纤受抑全内反射传感器，当一根光纤固定，另一光纤随外界因素而移动，耦合效率会随两光纤端面间距而改变，测出光强，即可求得光纤端面位移量的大小。 ◎微弯效应光强度调制 微弯作用导致光纤内发生模式间的耦合，这些耦合模变成辐射模，泄漏到包层中去。 △β是导模和辐射模的传输常数差。当波纹周期满足 (8.4)时， 相位失配为零，模间耦和达最佳。因此，波纹的最佳周期决定于光纤的模式性能。 T是光纤传输系数，x是板的位移，p是压力，上式即是调制系数的表达式。 光纤性能确定，是个精确的 光学常数。 微弯传感器的机械设计确定。 聚合物光纤的直径较大，对其采用横向切槽技术后，可得到光线在光纤弯曲时的传输情况如图所示，以此制成传感器可测量应变。 §8.2 相位调制型光纤传感器 ●传感机理： 通过被测能量场的作用，使能量场中的一段敏感的单模光纤内传播的光波发生相位的改变，在用干涉测量技术把相位转换为振幅的变化，从而还原所监测的物理量。 ●主要特点： ◇灵敏度高，可以检测出小至10-7 rad的相位 变化 ◇灵活多样，探头的几何形状可按需要设计 ◇对象广泛，可用于所有影响光程的物理量 传感 ◇采用单模光纤，获得较好的干涉效应 ●几种光纤干涉仪的讨论 根据传统的光学干涉原理，目前已研制成 迈克尔逊式、马赫-泽德式、法布里-珀罗式全 光纤干涉仪以及光纤环形腔干涉仪等，并且都 已用于光纤传感。下面分别予以介绍。 1、迈克尔逊光纤干涉仪 迈克尔逊光纤干涉仪是一种双光束干涉仪。如图21所示，该种干涉仪用了一个定向耦合器，其中一根光纤作为参考臂，另一根作为传感臂。 2、马赫-泽德光纤干涉仪 马赫-泽德光纤干涉仪（简称M-Z干涉仪）也是种双光束干涉仪。如图22所示，实用的M-Z 光纤干涉仪的分光和合光是由两个光纤定向耦合器构成，是为全光纤化的干涉仪，以提高其抗干扰的能力。 3、法布里-珀罗光纤干涉仪法布里-珀罗光纤干涉仪是由两端面具有高反射膜的一段光纤构成，此感反射膜可以直接镀在光纤端面上，也可以把镀在基片上的高反射膜粘贴在光纤的端面上。 相位型光纤温度温度传感器 4、光纤环形腔干涉仪 利用光纤定向耦合器将单模光纤连接成闭合回路，如图24所示，激光光束从环形腔1端输入时，部分光能耦合到4端，部分直通入3端进入光纤环内。 不谐振条件时， 大部分光从4端输出。谐振条件时，腔内光场因谐振而加强，2到4的光场与1到4 端的光场相消干涉，环形腔的输出光强减小，多次循环形成多光束干涉。4端输出光强在谐振条件附近为一细锐的谐振负峰(图25） 5、光纤陀螺 ----- 测量转动速度的光纤转动传感器。 工作原理：塞格纳克效应 与一般陀螺仪相比，光纤陀螺仪有以下优点： ◎灵敏度高 ◎无转动部分 ◎体积小 ◎塞格纳克效应 环形光路相对于惯性空间有以转动时，顺时及逆时针方向的光路将产生一非对易的光程差，它和环形光路的旋转率 Ω有一定的关系。 图 27中圆形半径为R，旋转率为Ω。 如图28所示，在△t 时间里，入射到闭合环路中的光将移动ΩR △t 的距离，在折射率为n的介质中 典型的实验性光纤陀螺仪所用的光纤，直径大约为10μm，环路光纤长度为500m，可获得10-5rad的塞格纳克相移。 ◎ 光纤陀螺中的相位检测 根据塞格纳克相移和旋转率的关系，采用干涉测量方法可获得相移值，进而求得旋转率。假设光纤环中两反向传输的相干光波为A1sin(ωt)和A2sin(ωt+θ)，其中ω是光波的角频率，θ是两束光波间的相位，A1 、 A2分别为两束光波的振幅。 图29是带有法拉第旋转其的光纤陀螺仪，BS1 BS2是两个分束器，法拉第旋转器放置在光纤环路的一端，使它只对顺时针方向的光波有延迟作用，因此就改变了绕光纤环路传播的两束光波间的相对相位。 光纤陀螺在常规的零光程差状态灵敏度随旋转率趋于零而趋于零，因为光腔正比于 ，要在低旋转率下获得高灵敏度，应在相位正交工作点B上.如30所示，利用一个交替的偏置，引入 π/2和-π/2使工作在A，B间的交换，在顺时针方向传播的光被延迟π/2，在逆时针方向传播的光不被延迟，于是产生了塞格纳克相移，并得到一个矩形波的输出，其振幅与塞格纳克相移有关，而旋转方向由相位（0或π）给出。 目前，在光纤陀螺方面继续为提高灵敏度和稳定性而努力。 6、斐索型自聚焦光纤测振传感器 -----采用外差检测的方式， 精度在10-3λ量级 ◎ 传感机理 如果将斐索型自聚焦光纤传感器的实验装置改成图 33所示，干涉光在分束器BS2上形成，并由BS2分为两路：一路由光电探测器PD接收，经放大滤波器AMP BF 和A/D转换后，将待测数据输入计算机，用来测物面M3 的振动情况；另一路由CCD摄象机接收经计算机处理得到物体面形。这就充分利用了自聚焦光纤透镜的成像功能。 §8.3 频率调制型光纤传感器 外调制：多普勒效应，光纤仅用来传光。 内调制：(光纤的非线性)受激布里渊散射、喇 曼散射等 1、光学多普勒概念 2、光纤多普勒技术 根据上述多普勒频移原理，采用激光作为光源的测量技术是研究流体流动的有效手段，并获得了广泛应用。图37所示是一个典型的激光多普勒光纤测速系统。测量系统中从目标返回的信号强弱取决于后向散射光的强度，流体介质内部的损耗，光纤接受面积和数值孔径。 实验证明，光纤多普勒探头是检测透明介质中散射物体运动的非常灵敏的探测器。但是由于它的结构特性决定它的能量有限，只能穿透几个毫米以内的深度，所以这种装置只适合于微小流量范围的介质流动的测量。光纤多普勒探头典型的应用在医学上对血液流动的测量，如图38所示。 §8.4 波长调制型光纤传感器 波长调制同频率调制一样，可分为外调制和由光纤非线性导致的内调制。 1、光纤颜色探测 利用光频谱特性作为传感探头可以测量温度。图 39所示为一种利用黑体辐射效应的光纤颜色探头结构 该结构不需外加光源而是简单的由探头尖端（黑体腔）收集黑体的光谱辐射，然后通过光纤把这种宽频带的辐射传送分光仪获滤光片，根据维恩位移定律： 通过双波长或单波长检测就能测出黑体的黑体温度。据此制成光测高温仪，运用在 250---650℃的温度范围。图40显示，温度升高，峰值波长将兰移。 2、光纤法布里-珀罗滤光技术 假设有一束平行光以θ角斜入射到法布里-珀罗标准具上，则当波长λ0 =λ0(m)时，透射光或反射光的强度得极大值。其中， 式中d是标准具厚度，n’是标准具平行板内的介质折射率，φ是反射光的相位跃变。 图41所示是一光谱调制传感器，被测物理量发生变化，或会随之变化，从而引起反射峰值波长移动。 白光干涉型光纤传感器全光纤的白光干涉型传感器由两个光纤干涉仪组成，其中一个用作传感头（图中F-P干涉仪）放在被测量点，同时作为第二个干涉仪的传感臂；第二个干涉仪（图中迈氏干涉仪）的另一臂做为参考臂，放在远离现场的控制室，提供补偿。 3、光纤pH探测技术 这种技术是利用化学指示剂对被测溶液的颜色反应来测量溶液的pH值的。据此可制成光纤pH探头。图42是该探头的典型结构，其内盛有用指示剂 染色的聚丙酸酯小球 。用指示剂（如红酚）将小球染色，其透明度在红色区域对pH值非常敏感，在绿色区域却与pH值无关。白光导入，该探头可用于测量血液的pH值， pH在7—7.4范围内仪器具有0.01的分辨率。 §8.5 偏振态调制 利用外界因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏振态的变化 来检测各种物理量，称为偏振态调制。 1、法拉第效应 法拉第磁光效应表明，偏振光的光矢量在磁场作用下发生旋转的角度θ与在物质中通过的距离L，磁感应强度B成正比，即 式中， 为物质的费尔德常数。 根据上式，可以制成光纤磁传感器。 如果线偏振光的矢量入射时沿旋光物质的水平方向，利用琼斯矢量表示法，单位振幅的水平偏振入射光波可以表示为： 式中： 为左旋圆偏振光的琼斯表达式； 为右旋圆偏振光的琼斯表达式； 由于左旋和右旋圆偏振光在旋光物质中传播速度不同，因而折射率不同，它们的波数分别为： 2、克尔电光效应 ----二阶电光效应 3、光弹效应 ——应力双折射 4、双折射对光纤传感器的影响 光纤本身的双折射由于内部残余应力和纤芯不对称性以及外部弯曲、各种外应力和外电磁场的原因而客观存在，对偏振态调制的影响很大。输入、输出光矢量的数学描述如下： 在光纤的中心部分受一纵向磁场的作用如图46示。 为了克服光纤自身双折射的影响，需采用超低双折射光纤，使固有双折射的影响减到最小。 §8.6 特种光纤简介 本节主要讨论一些特种光纤，如红外光纤、紫外光纤、增敏和去敏光纤、镀金属光纤以及塑料光纤等，最后说明一下光纤传感器在智能结构和材料中应用。 1、红外光纤 红外光纤主要是指用于近红外和中红外波段传输光能量，尤其是传输大功率光能量的光纤。红外光纤的分类: ◎玻璃红外光纤 ◎晶体红外光纤 ◎空芯红外光纤 制造红外光纤的材料的要求: ◎散射损耗小 ◎材料色散小 ◎杂质(过渡族金属和OH基)的吸收损耗小 ◎材料结构稳定制造红外光纤的材料: ◎红外玻璃 氧化物玻璃: TeO-ZnO-BaO GeO-SbO 硫化物玻璃: As-S Ge-Se Ge-Se-Te ◎多晶材料 重金属卤化物: CsBr KCl ◎单晶材料 AgBr CsI 2、紫外光纤 随着即光医疗技术以及紫外激光器的发展，对于传输紫外光的光纤，要求愈来愈迫切。一般光纤对紫外光的透过性能都很差。 石英光纤在紫外波段的透过率高 ；塑料光纤（如PMMA）对250—295nm波段的紫外光，透过率可达75% 。另外，蓝宝石晶体光纤和液芯光纤对紫外光的透过性能良好。 3、增敏和去敏光纤 对光纤做增敏和去敏处理，其方法有两种： ◇改变光纤结构 如保偏光纤、镀金属光纤、液芯光纤、单晶光纤等 ◇改变材料成分 如磁敏光纤、辐射敏光纤、荧光光纤等 ◎耐辐射光纤——采用耐辐射玻璃材料作光纤的芯和涂层材料，对辐射去敏的光纤。而一般玻璃光纤因玻璃在核辐射下会因染色而不透光，不能在大剂量辐射环境下工作。 ◎辐射敏光纤——对辐射更敏感的的光纤，具有快速反应和增加空间分辨率的能力。用磷光体、塑料和玻璃等发光材料可以制成用于探测 X射线、高能粒子的光学纤维。 ◎磁敏光纤——有较高的Verdet常数，比普通石英光纤高出一个数量级，因此，电流传感以及全光纤光隔离器中有广泛应用前景。目前我国已研制成掺Tb（稀土元素）的磁敏光纤。磁敏光纤的主要问题是损耗大。 　　 4、镀金属光纤 镀金属光纤是外保护层为金属膜的特种光纤。 金属膜的厚度一般为微米量级。镀金属光纤的主要用途是改善起增敏和去敏性能，以满足不同的使用要求，尤其是高性能的光纤传感器的要求。 镀铝光纤只能用于400℃ 以下的环境，镀金光纤则可以用于高于800 ℃高温环境。　 5、光纤传感器用于智能材料 光纤传感器具有体积小、损耗低、灵敏度高、抗电、磁干扰、电绝缘性好等的优点，可同时作为传感元件的传输媒介，并实现多点或分布式传感，因而是最适用于智能结构的传感技术。目前用于智能结构的光纤传感器有以下几种。 ◎点式传感器 特点是传感头尺寸小，只局限于检测一个很小截面内的某一参两的值。光纤Fabry-Perot传感器、光纤Bragg 光栅传感器。 ◎积分式传感器 可用于测量一定范围内某一参量的平均值。如光纤干涉仪（Mach-Zehnder干涉仪 、Michelson干涉仪等）可用于测量光纤长度范围内应变或温度。 ◎分布式传感器 可沿空间位置连续给出某一参量测量值 ，可给出大空间范围内某一沿构件空间位置的连续分布值。其主要特征参量是空间分辨率和灵敏度。 ◎光纤传感器的复用 由多个点式传感器和（或）多个积分式传感器，和（或）多个分布式传感器构成一个复杂的传感系统，即为复用传感器或传感器的复用。由于传感器的复用，诸多传感探头可以共用一个或几个光源、光探测器和二次仪表。这样，不仅简化了传感系统，提高了可靠性，而且降低了成本。 §8.7光纤传感技术的发展趋势 ◎商品化 ◎集成化和全光纤化 ◎ 网络化 ◎特殊光纤 ◎新型传感机理和方案9N7红软基地