光纤传感器(1)思维导图

这是一个关于光纤传感器(1)的思维导图，包含光纤的穿光原理与特性、相位调制光纤传感器、强度调制光纤传感器等。

光纤传感器

• 简介
  • 光纤传感器始于1977年，经过20多年，目前已进入研究与应用并重阶段
  • 优点
    • 灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可桡性、可实现不带电的全光型探头
    • 频带宽动态范围大
    • 可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器
    • 便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和控制
    • 可用于高压、高温、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境
    • 结构简单，体积小，重量轻，耗能少
  • 应用
    • 磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量
• 光纤的穿光原理与特性
  • 光纤的结构
    • 纤芯
      • 石英玻璃，直径5～75um，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素
    • 包层
      • 直径100～200um，折射率略低于纤芯
    • 涂敷层
      • 硅酮或丙烯盐酸，隔离杂光
    • 护套
      • 尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤
  • 光纤的分类
    • 按纤芯到包层的折射率变化类型分类
      • 阶跃折射率光纤
      • 渐变折射率光纤
    • 按传播模式种类分类
      • 单模光纤
        • 纤芯直径小，只能传送一种模式，传输性能好，制造、链接、耦合困难
      • 多模光纤
        • 纤芯直径较大，传播模式较多，性能较差，带宽较窄，制造容易，耦合容易
      • 按材料分
        • 高纯度石英玻璃纤维
          • 光损耗率较小
        • 多组分玻璃光纤
          • 用常规玻璃制成，损耗也很低
        • 塑料光纤
          • 用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但重量轻，成本低，柔软性好
  • 光纤的传光原理
    • 光的折射与反射
    • 光在纤维中的传输
  • 光纤的传光特性
    • 数值孔径（NA）
      • NA＝sinθ＝√（n₁²－n₂²）
      • 反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。
      • 意义
        • 无论光源发射功率有多大，只有2θi张角之内的光功率能被光纤接受传播。
          • 如入射角过大， 光线便从包层逸出而产生漏光。光纤的NA越大， 表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提 高耦合效率； 但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当 选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.2~0.4。
    • 传播损耗
      • α＝（10/L）㏒（Pi/Po） （dB/km）
      • 光从光纤一段输入，另一端输出，光强发生衰减
      • 分类
        • 吸收损耗
        • 散射损耗
        • 辐射损耗
    • 色散
      • 分类
        • 材料色散
        • 波导色散
        • 多模色散
• 传输光的调制技术
  • 传输光的调制是指将被测量加载于光波之上，对传输光的某些性能参数产生影响，这一技术是光纤传感器的物理基础和关键技术
  • 光纤传感器的结构原理
    • 把测量的状态转变为可测的光信号的装置
    • 光纤在传感器中的作用
      • 功能性（全光纤型）光纤传感器
        • 光纤在其中不仅是导光媒介，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制
        • 优点
          • 结构紧凑，灵敏度高
        • 缺点
          • 需用特殊光纤，成本高
        • 例子
          • 光纤陀螺、光纤水听器等
      • 非功能性光纤传感器
        • 光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制
        • 优点
          • 无需特殊光纤以及其他特殊技术，比较容易实现，成本低
        • 缺点
          • 灵敏度较低
        • 实用化的大都是非功能型光纤传感器
      • 拾光型光纤传感器
        • 用光纤作为探头，接受由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光
        • 例子
          • 光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器
  • 光强度调制
    • 利用被测对象的变化引起敏感元件的参数变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器
    • 内调制
      • 功能性光纤传感器
    • 外调制
      • 非功能性光纤传感器或传光型光纤传感器
    • 调制方式
      • 微弯调制
      • 反射调制
      • 投射调制
    • 优点
      • 结构简单、容易实现、成本低
    • 缺点
      • 易受光源波动和传感器损耗变化等影响
  • 光相位调制
    • 机理
      • 光波的相φ由光的波长λ介质折射率n及介质长度L决定。 φ＝2πnL/λ。当光纤收到被测对象的作用引起结构尺寸 的变化和内应力的变化时，导致光纤折射率n和长度L发 生变化，从而引起光波的相位调制。
    • 干涉测量方法
      • A²＝A₁²＋A₂²＋2A₁A₂cos（Δφ）
    • 优点
      • 灵敏度高
    • 缺点
      • 特殊光纤及高精度检测装置，成本高
  • 偏振调制
    • 法拉第效应（磁光效应）
    • 普克尔效应（电光效应）
    • 光弹效应
    • 偏振型光纤（低双折射单模光纤）
    • 保偏型光纤（高双折射光纤）
    • 优点
      • 可避免光源强度变化的影响，灵敏度高
  • 频率调制
• 强度调制光纤传感器
  • 光纤水深探测器
    • 利用光纤微弯调制原理，可以组成光纤位移传感器、光纤压力传感器等。 当光纤随铝管沉入水底时、光纤承受水底处的水压力P。显然水越深，水压力P越大，纵向开口槽处的光纤微弯程度越大，传导模Io越小，辐射模Ir越大，通过对传导模Io或辐射模Ir的检测，实现对水深度的探测。
    • 亮场微弯传感器
      • 以纤芯中的传导模Io相对变化量为检测对象的传感器。
      • 脱模：吸收辐射模，减小辐射模对光探测器的影响。
        • 最简单的脱模方法：在几厘米长的光纤外面涂上黑漆，即可有效地吸收辐射模。
      • 亮场检测方式需在光纤发生微弯之前和微弯之后 加设脱模器，在微弯前的脱模器作用是将光纤微弯变形之前射入包层的辐射模都吸收掉，光纤微弯后的脱模器是吸收微弯引起的辐射模，以减小辐射模对光探测器的干扰。
      • 亮场检测的传导光强很大，其相对变化量很小，因而检测灵敏度较低，需要采用高灵敏度的光探测器。
    • 暗场微弯传感器
      • 以光纤包层中的辐射模Ir相对变化量为检测对象的传感器。
      • 暗场检测可以获得较高的灵敏度，此时背景光经脱模器吸收后变得很小，包层中的辐射模基本上都是因微弯效应引起的，固微弯调制引起辐射模变化量显著，因而检测灵敏度高。
      • 光探测器应是一个密封的盒子，盒子的内壁四周都装上光电他，吸收包层中的辐射模并转换为相应的电信号。
  • 透射式光纤温度传感器
    • 有些半导体材料光吸收能力随温度的升高而增强，其原因是这种半导体材料的禁带宽度随温度升高几乎线性地变窄，光激发功能加强。此时光波经过半导体材料时，被吸收的光功率增加，相应透过半导体的光功率将减少，其透射的光强随温度升高而近乎线性地减小。
    • 在发射光纤与接收光纤之间夹有一片厚度约零点几毫米的半导体温度敏感材料，例如碲化镉和砷化镓，它们的光 吸收功能对波长为900nm左右的光波最为敏感，即是说这个波长的光波是很难透过，而远离900nm波长的光是很容易透过的。
  • 反射式光纤位移传感器
    • 基本原理
      • 当激光源发出定量光强经发射光纤向反光面发射时，反光面反射光有一部分进入接收光纤。待测距离X越小，进入接收光纤的反射光越多，从而根据光探测器的测量值就知道X的大小，实现位移量的测量。
    • 特点
      • 动态测量范围大，灵敏度低。
    • 受抑全反射光纤位移传感器
      • 调制机理
        • 当端面磨成特定角度的两根光纤相距较远时，从发射光纤发出的所有模式的光都产生全反射，不能传到接收光纤中去。只有当两根光纤抛光面充分靠近时，全反射受到抑制，大部分发射光耦合到接收光纤。
        • 距离较远时：光波长量级距离内是空气，反射后回到发射光纤；
        • 距离较近时：光波长量级距离内是接收光纤，光波进入接收光纤。
      • 特点
        • 具有很高的位移灵敏度
    • 受益全反射光纤位移传感器
      • 发射光纤位置固定不变，接收光纤的位置借助于弹簧片可作上下移动（纳米级），当压力P作用于膜片时，接收光纤的抛光面下移，当两抛光面靠近时，发射光纤发出的光被接收光纤接收，通过检测接收光纤中的光波强度，实现对膜片位移量的测量。
• 相位调制光纤传感器
  • 马赫－泽德光纤温度传感器
    • 原理
      • 分束器把激光器的输出光束分成两束。它们经上、下光路的传输之后又重新耦合,使它们在光检测器处互相发生干涉。
    • 优点
      • 只有少量的或者没有光直接返回激光器,这就避免了反馈光使激光器不稳定和产生噪声。
    • 具体应用：光纤压力传感器、光纤力传感器、光纤加速度传感器、光纤磁传感器
  • 光纤弱磁场传感器
    • 在进行弱磁场测量时，信号光纤粘合或环绕在磁致伸缩材料上，构成磁敏感臂，以增强磁灵敏度。
      • 磁棒式
        • 将信号光纤缠绕在磁性圆柱棒上
      • 磁套式
        • 将信号光纤嵌入壁厚均匀的磁性套管中
      • 磁带式
        • 将信号光纤粘贴在磁性金属玻璃带上
  • 法布里－珀罗温度传感器
    • 原理
      • 它是由两块平行的部分透射平面镜组成的。这两块平面镜的反射率(反射系数)通常是非常大的,一般大于或等于95%。假定反射率为95%,那么在任何情况下,激光器输出光的95%将朝着激光器反射回来,余下的5%的光将透过平面镜而进入干涉仪的谐振腔内。
    • 主要特点
      • 精细度高；光谱分辨率高；调整精度要求低。
  • 光纤陀螺仪
    • 定义
      • 用来测量转动量的装置，即角速度传感器。
    • 特点
      • 具有特别高的灵敏度和测量精度。
    • 应用
      • 常用于飞机、导弹、航天飞行器、海轮惯性导航系统、大地勘测中地球经度和纬度的精确测量。
        • 例如，飞机导航角速度精度要求约1.4×10-6rad／s，地球经、纬度的精确测量中精度要求高达7.5×10-11rad／s。在光纤陀螺 仪之前，这些高精度转动量的测量先后是用机械陀螺仪和环形激光陀螺仪。光纤陀螺仪克服了激光陀螺仪成本高的弱点；同时与机械陀螺仪相比，无机械活动部件，不需要预热时间；且体积小，重量轻，灵敏度高，安全可靠，价格低廉，因而获得迅速发展和应用。
      • 原理
        • 激光器输出光波经分束器分成1：1的两束光同时进入单模光纤陀螺，光束1在陀螺中沿反时针方向传播，光束2在陀螺中沿顺时针方向传播。
        • 陀螺静止时(角速度Ω＝0)：两束光传播相同的距离，即无光程差，经过光纤陀螺后 射出的两束光在光探测器上产生的干涉条纹不动。 陀螺以角速度Ω转动时： 两束光在陀螺中出现光程差。可以证明与角速度愿相同方向传播的光程长。
        • 角速度Ω越大，两束光的光程差越大。根据Sagnac这一效应，两束光在光探测器上的干涉条纹产生移动，且条纹的移动量正比于光程差，从而实现对转动角速度Ω的测量。
        • 同时可以证明，陀螺上缠绕的光纤环数越多，可形成的光程差越大， 从而可以提高角速度测量的灵敏度。