光纤传感技术与应用

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光纤传感技术与应用(郭凤珍)光纤传感从业人员 基础知识入门
3.3光纤电流传感器 (177) 3.3.1强度调制光纤电流传感器 177) 332相位调制光纤电流传感器 ●·●幽q■申·咖·即·声 (179) 3.3.3与电流传感器有关的几个问题 (180) 3.4光纤电压电场传感器… ……………(181) 34.1偏振态调制型光纤电压传感器…………(182) 3.4.2聚偏二氟乙烯材料光纤电场传感器……(183) 3.5光纤磁场传感器 ……………(187) 35.1光纤磁强计 …………………………(187) 3.5.2磁致伸缩效应光纤磁场传感器 (190) 3.6光纤流量、流速传感器……………………(197) 3.6.]光纤涡流流量计… ………(197) 3.62单模光纤涡流流量计 (200 3.6.3光纤多普勒速度计 。香■·q最··●自自■p●●●●鲁b會◆ (z01) 37光纤液位传感器… (203) 37.1遮光式光纤液位传感器 ……(203) 3.7.2单光纤液面传感器… ……(204) 3.73棱镜式光纤液面传感器 (205) 37.4表面反射式液位传感器 ……(209) 38光纤位移传感器 ●b鲁■b《自桑4粗《▲D1D鱼a1画 电■▲备最电血● 0) 38.1天线型光纤位移传感器……(210) 3.8.2光纤开关与计数系统………(213) 3.8.3球透镜结构高灵敏度光纤位移传感器…(219) 3.8.4光纤微弯位移传感器……………(223) 3.9光纤加速度传感器 …………(228) 3.9.1马一泽德尔干涉型光纤加速度传感器(228) 3.9.2倾斜镜式光纤加速度传感器 (232) 亚 3.10光纤振动量传感器 (236) 3.11光纤化学量传感器…………………(242) 11.1光强调制型光纤气体传感器 (242) 3.112相位调制型光纤气体传感器……(248) 3.11.3光声谐振型气体传感器………(250) 3.12光纤医用传感器 252) 2.1光纤pH值传感器 (252) 3.12.2光纤血流计 …………(255) 3.123光纤氧饱和度传感器………(258) 3.12.4光纤体压计… …(262) 3.12.5光纤体温计 ……(263) 3I3光纤色敏传感器……………………(263) 3.131光纤色敏传感器的特点 (264) 3.132光纤色敏传感器的稳定测色原理……(264) 3.133光纤色敏传感器的结构………(265) 3.13.4HCS2000型光纤色敏传感器 ………(267) 3.14光纤放射线传感器 …(269) 314.1光纤放射线传感器原理 (270) 314.2光吸收型传感器实例 (272) 3143光纤辐射传感器………………(275) 315激光二极管传感器… bpd画··D··●命↓ ……………(276) 3.151二极管激光传感器工作原理 ··●》■自●■自 (278) 315.2传感器结构类型 (279) 3.16多路复用传感器列阵 (281) 3.16.1时分多路复用(TDM) ……(283) 3162频分复用(FDM)………… (285) 3.16.3相干复用(COM ……(288) 3.164波分复用(WDM)……………(289) 3165发展前景 ……………………(290) 参考文献 ……〈291) Ⅳ 1光纤传感器基础 本章简要介绍光纤波导的原理及其特性。目的在于让读者对 光纤中重要的光学现象,特别是关于传感系统中光纤的应用有基 本的了解。对于光纤的传输特性,在传感技木中的要求与其在PTT (邮政、电报电话)工业中应用中是不同的:在PTT应用中不希 捏的(如损耗),在传感技术中恰恰是可以利用的。在光纤传感技 术中,为了获得所期望的灵敏度,可以将光纤“增敏”或者“去 敏”,就是说,如果只是采用通讯用普通光纤,那么光纤传感器 性能将受到限制。根据传感技术的需要,选用新的材料、设计特 殊结构的专用光纤,是光纤传感技术发展的一个基础课题。 1.1传感器与光纤 传感器的概念并不陌生,人的眼睛就是一种传感器。人步行 时,要用眼睛观察道路状况,由大脑作出判断并控制着步行的方 向和行动,这样才能保证安全行走。在人業有目的指向的行为 中,关于目标的识别和判断都是必不可少的。在工程技术中控制 和测量的关系也是如此:要实现准确的自动控制,必须从工程对 象那里得到信息,在其基础上作出准确的判断。微型计算机的发 展不仅带来了计测技术本身的高度发展,同时也促进了高可靠性 自动控制机器的发展与普及。无论是计测还是控制,其最重要的 部分都是作为来自待测目标的信息入口的传感器。随着对于计测 和控制方面的要求越来越高,相应的实现各种目的传感器的研制 开发都迅速展开。 所谓传感器,就是能将待测对象的状态变换成为可处理信号 的器件或装置。一般说来,传感器所需要具备的条件有以下几 项 A、优良的变换功能 1°动态范围广多 2°单纯的变换关系 3°探测信号的信噪比(S/N)要高; 4°重复性能好 5°时间稳定性好。 B、探测信号的质量好 1°便于进行信号处理(规范化) 2°便于信号传送(匹配性、损耗小等)。 C、与待测目标间的匹配性能好 不干扰目标的状态 2°可以充分承受目标的环境 3°抗干扰性好,探测信号不受环境干扰 D、总体要求 小型轻便、故障率低、特性涨落误差小、价格便宜等。 实际上,能够完全符合上述条件的传感器是比较少的。一般 情况下要根据实际的需要作出取舍。比如:对于电子类传感器, 即把对象状态转变成电信号形式加以探测的传感器来说,A、B 两项条件较易满足。不同的传感器,有其不同侧重的要求,以后 各章中将具体介绍。 至于光纤传感器,可以这样定义;一种用来检测光在光纤中 传播时,因光纤的全部或部分环节所在环境(物理量或化学量或 生物量等)的变化带来的光传输特性改变的装置。 光纤传感器与传统的各类传感器相比,有独特的优点。光纤 本身用作基本传感器,具有高灵敏度,抗电磁干扰,耐腐蚀、防 爆及不干扰被测场等特点;光纤作为传感信号的传送系统,与传 统的金属线路相比,具有抗电磁场和地球环流的干扰、可靠性 高、安全及可长距离传送等优点并且便于与计算机连接、与光 纤传输系统组成遥测网络;加之光纤传感器结构简单、体积小、 重量轻,因此,有着广泛的应用潜力。 1.2光纤的基础 开发某种目的新型光纤传感器时,首先要掌握关于光纤本身 的基础知识,理想的光导纤维可看作轴对称介质波导,它的传输 规律可用光线理论和波动理论加以描述。 1。2,1光纤的导波原理(光线理论) 典型的光纤构造如图1-1所示,分为两部分:对光的传送 起着决定作用的芯和折射率比芯部略低的包层。此外,为提高光 纤的强度,通常还有被复 尼龙护套(v0.9mm) 层,实际应用中,往往把 Si系列树脂 若干光纤集束制成光缆使 包层(25n 用 关于光纤传输特性的 心(504m) 解析,标准的方法应用波 动理论。但当光在与光波 长相比无穷大的介质空间 图1-1光纤的结构 传时,可以当作“光线”处理。根据直观的容易理解的几何光 学处理方法(即光线理论),对于多模光纤而言可以得到许多有 用的结果。根据麦克斯韦方程,当光波长与介质空间相比,接近 为零时,直角坐标系中的光线方程为: dp (s) ds ds 其中n(x,y2z)—介质空间的折射率分布 S—光线轨迹的曲线坐标 p(S)—光线轨迹上S点的位置矢量。 式(1.1)是光线传输微分方程的矢量形式。由其可以得出光在均 匀介质(折射率m为常量)中直线传播的规律。即 n-d(S)=const ds 1.2) 式(1.2)表明光线的轨迹是一条直线。 下面主要从简单的阶跃折射率分布光纤的特性出发进行讨 论。这种阶跃光纤的芯折射率m1和包层折射率m2均为常量。当折 射率差(m1-m2)足够小时,比折射率差通常用下式表示: △=(n1-n23)/7 (1.3) 显然△《1考虑在通过光纤轴线的子午面内传播的光线一子午光 线一的情形,如图1-2所示,当光纤内光的入射角6大于全内反 射临界角 0c=sn-1(n2/n1) (1.4) 时,光纤对传播中的光起着有效的导波作用。 层 2 n 图1-2阶跃光纤内子午光线 现在,考虑光从光纤端面以与光轴夹角为8入射的情况,当 8足够小时,如图12所示,θ角则十分大,故能保证光在光纤 中以导波形式不断传送下去;随着8的逐步增大,8角相应增 大,θ变小,当日角变得比临界角θc还小时,则在芯与包层界面 上的全内反射条件崩溃。这时,入射光不能再维持导波传送。使 得θ=6c的临界入射角δax称最大受光角。由图1-2可知,空气中 的8n满足以下关系式: SI1 2=m1√2Δ (1.5) 这里的s18nx称为数值孔径,记作NA,是反映光纤波导特性 的重要参数。 对于发光管等空间非相干的足够小的光源,由关系式; P/Po= sin28 可知,光耦合效率就等于(N.A.)2。在这类应用中采用数值孔径 大的光纤是有益的。 普遍情况下,考虑光从折射率为m的介质入射进光纤中,则 数值孔径的表达式应为 NA n (1.6) n 任意两条入射角不同的子午光线,在阶跃光纤内传播的路径 不同。换言之,不同的波导模式,分别对应于不同的入射角δ。 显然光纤的芯径越大,可容纳的导波模式便越多。光纤的归一化 频率或归一化芯径定义如下: 2na -(n2-t2) 227a △ (1.7) 0 阶跃光纤内可容纳的导波模式数由下式给出 2 若n:=1.5,Δ=0.5%2a=50m,对于a0=1m的光而言有, =23.6,N=280。 对于梯度型光纤则有: N=少 (1.9) 不同的模式,入射角θ不同,因而各光线的轴向速度,即各 模式的群速度是不同的。对于一定的光纤而言,信号通过单位长 度光纤所需要的时间也就因模式不同而异,这种现象叫做模式色 散。当从光纤的一端入射进一个非常短的光脉冲时,若将脉冲信 号分解为许多个模式传送的话,在光纤的输出端,不同模式的到 达时间就不同;因而,得到的光信号就成了一个时间展宽了的光 脉冲。输出光脉冲的展宽幅度,是由通过一定长度光纤所需时间 最短的光线(8=0时)和最长的光线(δ=8m时)之间的时间差 决定的。当δ=0时,光线沿光轴传播所需时间最短为t当8=8m 时,光程最长,传播时间为tm,由几何关系不难得出t和tm的关 系 to=tm.sin6c 时间差v为 tn≈t△ (1.10) Sing 例如:当n1=1.5,4=0.5%,光纤长度为L=1Km时,得tc=5l., T=25ns,换而言之,此阶跃光纤在多模状态下传送光脉冲时, 每公里的脉冲展宽幅度为25ns,可见阶跃光纤的色散非常大,所 以传送容量相当小。但因τ和Δ成正比,在介电体的波导上被复 包层的话,通过减小Δ的值可以使模式色散下降。 为理解梯度光纤中的光线路径需要相当复杂的计算,可参考 文献[2]。这里引用其重要的结果。设梯度光午的折射率分布是

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