光纤传感技术及应用(录像公开课使用PPT)

光纤技术及应用*光纤发展历史1870年，英国物理学家丁达尔的实验1960-光纤发明1966-华裔科学家“光纤之父”高锟预言光纤将用于通信。1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤。1977-首次实际安装电话光纤网路1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中国光纤之父”1990-区域网路及其他短距离传输应用之光纤2005FTTH(FiberToTheHome)光纤直接到家庭2009高锟获得诺贝尔物理学奖。**光纤传感器始于1977年，目前已进入研究与应用并重阶段。主要优点：灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可挠性强、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高温、高压、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。*一次涂覆层纤芯包层套层一次涂覆层包层纤芯套层光纤波导的结构多层介质结构：1、纤芯：石英玻璃，直径5-75um，以二氧化硅为主，掺杂微量元素。2、包层：直径100-200um，折射率略低于纤芯。3、涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。4、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。光纤传感器的基础*光纤的光波导原理①②n1n2n2n2n1光纤的临界角对应光纤的入射角临界值为：渐变光纤的导光原理示意图*在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。光纤的分类石英系列光纤（以SiO2为主要材料）按光纤组成材料划分多组分光纤（材料由多组成分组成）液芯光纤（纤芯呈液态）塑料光纤（以塑料为材料）阶跃型光纤（SIF）光纤种类按光纤纤芯折射率分布划分渐变型光纤（GIF）W型光纤单模光纤（SMF）按光纤传输模式数划分多模光纤（MMF）*光纤的纤芯折射率剖面分布2b2b2b2c2a2a2a nnnn1n1n1n2n2n2n30abr0abr0acbr（a）阶跃光纤（b）渐变光纤（c）W型光纤**光纤的类型光纤中的重要参数为示光纤的集光能力大小，定义光纤波导临界入射角的正弦值为光纤的数值孔径（NA），即：*1、数值孔径（NA,NumericalAperture）当光线在纤芯与包层界面上发生全反射时，相应的端面入射角为光纤波导的孔径角（或端面临界角）。即只有光纤端面入射角大于端面临界角的光线才能在光纤中传播，故光纤的受光区域是一个圆锥形区域，圆锥半锥角的最大值就等于孔径角。2、光纤中的模式(FiberMode)电磁波的传播遵从麦克斯韦方程，而在光纤中传播的电磁场根据由光纤结构决定的边界条件，可求得满足波动方程的特定的离散的解，而某一个解代表许多允许沿光纤波导传播的波，每个允许传播的解称为光纤的模式，每个波具有不同的振幅和传播速度。光纤中可能传播的模式有横电波、横磁波和混合波。（1）横电波TEmn：纵轴方向只有磁场分量；横截面上有电场分量的电磁波。中下标m表示电场沿圆周方向的变化周数，n表示电场沿径向方向的变化周数。（2）横磁波TMmn:纵轴方向只有电分量；横截面上有磁场分量的电磁波。（3）混合波HEmn或EHmn:纵轴方向既有电分量又有磁场分量，是横电波和横磁波的混合。无论哪种模式，当m和n的组合不同，表示的模式也不同。*光纤中的重要参数3、光纤的归一化频率V归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数目多少而引入的一个特征参数。其定义为：*光纤中的重要参数其中，r——是光纤的纤芯半径；λ——是光纤的工作波长；n1和n2——分别是光纤的纤芯和包层折射率；k0——真空中的波数；∆——光纤的相对折射率差。归一化频率越大，光纤所允许传播的模式越多，当V<2.405时，光纤中只允许一个模式传播，即基模。模式特性当0＜V＜2.405时,光纤中除主模（或基模）HE11模以外，其余模式均截止，此时可实现单模传输。*单模传输条件多模传输的数目对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为截止波长是单模光纤特有的参数，对应于第一高阶模的归一化截止频率Vc=2.405时的波长。光在单模光纤中传输时的一种波长。大于此波长时二阶LP11模中止传播。*4、截止波长λc光纤的损耗特性*损耗的定义当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数α表示：(单位：dB/km)损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择。损耗的种类吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用；散射损耗：光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射；其他损耗：如光纤弯曲也引起散射损耗。部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。光纤的损耗*损耗散射损耗制作缺陷折射率分布不均匀芯-涂层界面不理想气泡、条纹、结石本征散射及其他瑞利散射布里渊散射拉曼散射吸收损耗本征吸收紫外吸收红外吸收杂质离子的吸收过渡族金属离子OH-离子弯曲损耗*光纤的色散特性色散的定义色散的种类光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。色散的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差。模式色散：模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延不同而产生的色散。只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决于光纤的折射率分布。材料色散：材料色散是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同产生的色散。取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。波导色散：波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的色散。取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折射率差。*波导色散和材料色散都是模式的本身色散，也称模内色散。对于多模光纤，既有模式色散，又有模内色散，但主要以模式色散为主。梯度型光纤中模式色散大为减少。而单模光纤不存在模式色散，只有材料色散和波导色散，由于波导色散比材料色散小很多，通常可以忽略。采用激光光源可有效减小材料色散的影响。*光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器（FunctionFiberOpticSensor），又称FF型光纤传感器；利用光纤本身感受被测量变化而改变传输光的特性，光纤既是传光元件，又是敏感元件。另一类是非功能型传感器（Non-FunctionFiberOpticSensor），又称NF型光纤传感器。利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光信号的传输介质。一、光纤传感器的分类*功能型光纤传感器这类传感器利用光纤本身对被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。非功能型光纤传感器传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。*光纤传感器的分类列表*光纤的光波调制技术强度调制相位调制偏振调制频率调制波长调制*1、强度调制：IDttIS信号入射光强度调制光源出射光输出ID光探测器强度调制原理IOtIit*强度调制是利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度发生变化来实现敏感测量的。*光是一种横波。光振动的电场矢量E和磁场矢量H和光线的传播方向s正交。按照光的振动矢量E、H在垂直于光线平面内矢量轨迹的不同，又可分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光。偏振调制就是利用光偏振态的变化来传递被测对象的信息。2、偏振调制调制原理：普克尔Pockels效应(电光效应)法拉第磁光效应光弹效应解调原理：检偏器*相位调制的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。3、相位调制应力应变效应：光纤长度变化光弹效应:光纤芯折射率变化磁致伸缩效应：光纤芯直径变化声光效应光热效应萨格纳克(Sagnac)效应检测原理相位解调原理：光外差检测原理*二、典型干涉测量仪与光纤干涉传感器：马赫-泽德尔(Mach-Zender)干涉仪法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉仪迈克尔逊(Michelson)干涉仪萨格纳克(Sagnac)干涉仪常用干涉仪常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤实现的干涉型光纤传感器。*1.迈克尔逊干涉仪干涉原理：当激光束分得的两光束的光程差小于激光的相干长度时，射到光检测器上的两相干光束即产生干涉，且相位差为：传感器*传感器2.马赫－泽德尔干涉仪由移动平面镜的位移获得两相干光束的相位差，在光检测器处产生干涉。优点：没有激光返回激光器，噪声小，稳定性好。对干涉影响小。*3.萨格纳克干涉仪激光器输出的两束光沿着一条由一个分束器和三个平面镜构成的闭合光路反方向传输,它们重新合路后再入射到光检测器,同时一部分光又返回到激光器。当平台沿垂直于光束平面旋转时，两方向相反的光束到达检测器的延迟不同，从而产生相位变化。若平台以角速度Ω顺时针旋转时，则在顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光延迟大。这个相位延迟量可表示为：通过检测干涉条纹的变化，就知道旋转速度，它是目前许多惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。*4.法布里-珀罗干涉仪传感器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)通常是大于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。其干涉原理是多光束干涉，其干涉光强度的变化为：*5.光纤干涉仪传感器A:迈克尔逊干涉仪；b：马赫-泽德干涉仪；c:塞格纳克干涉仪；d：法布里-珀罗干涉仪敏感器敏感器敏感器敏感器部分透射反射镜*三、光纤传感器实例3.1光纤位移传感器反射式光纤位移传感器结构如图所示。根据被测目标表面光反射至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。所使用光纤束的特性是影响这种类型光纤传感器的灵敏度的主要因素之一。在光纤探头的端部,发射光纤与接收光纤一般有四种分布:(a)随机分布;(b)半球形对开分布;(c)共轴内发射分布;(d)共轴外发射分布，如图所示。*典型位移－输出曲线如图所示。在输出曲线的前坡区I,输出信号强度增加得很快,这一区域可以用于微米级的位移测量。在后坡区II,信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比,可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。反射式光纤位移传感器的原理如右图。1、探头紧贴被测件时，无光接收没有电信号。2、被测表面逐渐远离探头时，有一个线性增长的输出信号。有一最大输出值—“光峰点”。3、继续远离时，输出信号越来越弱，与距离平方成反比。3.2相位干涉式位移传感器*Mach-Zehnder光纤干涉仪是应用较为广泛的一种干涉仪。可以用于测量位移，其工作原理如图**外施力可以直接产生传感臂光纤长度L和直径d变化以及折射率n变化。为了改善光纤对压力的传感灵敏度，通常在包层外再涂覆一层特殊材料。传感臂上涂复材料具有“增敏”特性，而参考光纤涂复材料对传感量具有“去敏”特性。这样可以有效提高检测信噪比。当光纤表面涂覆对其它物理量敏感的材料时，例如磁致伸缩材料、铝导电膜和压电材料等，则可以实现对其它物理量，如磁场、电流、电压等的检测。*DSFF变形器光纤Aθ1θn0n2n1θ2θ3微弯光纤压力传感器光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中.光纤微弯增大，散射掉的光随之增加，纤芯输出光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移等物理量。*分布式光纤传感器是一种本征型的光纤传感器，所有敏感点均分布于一根传感光纤上。目前有两种方式发展比较快，一种是以光纤的后向散射光或前向散射光损耗时域检测技术为基础的光时域分布式，另一种是以光波长检测为基础的波长域分布式。时域分布式光纤传感器的物理基础是光学时域反射技术（OpticalTime-domainReflectometry），简称OTDR。其基本原理是利用分析光纤中后向散射光或前向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，当分布式光纤传感器*光纤某一点受温度或应力作用时，该点的散射特性将发生变化，因此通过显示损耗与光纤长度的对应关系来检测外界信号分布于传感光纤上的扰动信息。图给出了一种基于后向散射光检测的OTDR原理图。基于后向散射光检测的OTDR原理图脉冲激光光源后向散射回波传感光纤3dB光电检测与信号处理系统*由于外界因素引起的沿光纤长度上的某一点散射信号的变化，可以通过OTDR方法独立地探测出来，而不受其他点散射信号改变的影响，因此可以采用OTDR方法实现对光纤的分布式测量。相对回波光功率初始脉冲作用点终端费涅尔回波长度Z后向散射光检测波形示意图**光纤光栅传感器光纤光栅传感器(FBG)是利用Bragg波长对温度、应力的敏感特性而制成的一种新型的光纤传感器。*光纤光栅工作原理λ1λ2…λn芯层包层Λ包层折射率n2芯层折射率n1感光折射率nλ1λ2…λn*芯层包层+1级-1级紫外掩模写入法相位掩*光纤布喇格光栅传感原理 光纤光栅纤芯中的折射率调制周期由下式给出：这里λUV是紫外光源波长，θ是两相干光束之间的夹角。*由于周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响。因此，如果宽带光波在光栅中传播时，入射光能在相应的频率上被反射回来，其余的透射光谱则不受影响，光纤光栅就起到反射镜的作用。这类调谐波长反射现象首先是由威廉•布喇格爵士给出解释的，因而这种光纤光栅被称为布喇格光纤光栅，其反射条件被称为布喇格条件。在Bragg光栅中，反射的中心波长由下式确定：　*　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　其中neff是光纤芯区有效折射率。Λ是光纤光栅的栅距即周期。只有满足布拉格条件的光波才能被布喇格光栅反射。对上式取微分可得：　　　　　　　　　　　从式中可以看出，当外界的应力发生改变时，将会导致光纤光栅的Λ或者neff的改变，因而检测光纤光栅中心反射波长的变化，可以获知外界应力的变化。*则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去。设β0=2πneff/λ0，其中λ0为输入光的波长，neff为波导或光纤的有效折射率。也就是说，如果λ0=2neffΛ，光波将发生反射，这个波长λ0就称作布喇格波长。*光纤光栅的栅距Λ可通过改变写入光栅的两相干紫外光束的相对角度得到调整，从而可以制作出不同反射波长的Bragg光栅。*光纤光栅应变传感器的基本原理是：当光栅周围的应力或者应变发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率发生变化，从而产生光栅Bragg信号的波长位移△λ，通过监测Bragg波长位移情况，即可获得栅周围的应力或者应变变化情况。由外界应力引起光纤光栅轴向应变和折射率变化造成光栅布拉格反射波长移动，由下式给出：这里λB是光栅布拉格反射波长，△λB为在外界应力作用下光栅布拉格反射波长移动量，ε是光纤轴向应变，可表示为：*在实际应用中，ε是个很小的量，为此引入应变量的10-6，με作为光纤光栅度量单位。*FBG所具有的多传感器复用能力，使它在准分布测量、多参数组合测量等方面显现了非常诱人的前景，因而在复合材料固化监控、大型土建结构内部应变分布及大型电力设备内部温度分布状态监控等方面具有广泛的应用前景。*光连接器调制解调器显示仪表计算机使用现场控制室内传输光缆连接光缆FBG探头光纤光栅监测报警系统结构示意图*3、光纤布喇格光栅解调原理光纤布喇格光栅的解调有多种方法，下面介绍匹配光纤光栅解调法。匹配光纤光栅检测信号的基本原理如下图所示，其中左图为传感光栅与解调光栅的配置，右图为两光栅的反射谱及检测到的信号．*选用一个与传感光纤光栅FBG1参数相近的光纤光栅FBG2（匹配光栅）作为检测光栅，使两个光栅的反射谱部分重叠，即设置合适的偏置．传感光纤光栅的输出信号为检测光纤光栅的输入信号。输出信号、输入信号都隐含在光纤光栅的反射谱和透射谱中。*当传感光纤光栅受到应变的微扰时，其输出的反射谱在一定范围内漂移，如左图所示；解调光栅的反射谱是相对固定的，传感光栅的输出反射谱输入给解调光栅时，只有与两光栅的反射谱重叠部分相对应的范围内的光波才可能被反射，而重叠部分的面积与反射谱的光强度成正比．*当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器探测到的光信号较大，反之则较小，即检测器检测到的光强是检测光纤光栅FBG1和匹配光纤光栅FBG2两个光谱函数的卷积。随着FBG1上的微扰，在FBG2的反射谱中可检测到相对应的一定光强度的光信号。*光纤光栅分布传感技术是先进传感技术发展的新阶段，它满足了现代结构监测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求。光纤光栅不仅具有光纤的小巧、柔软、抗干扰能力强、集传感与传输于一体、易于制作和埋入等优点，而且光栅具有波长分离能力强、对环境干扰不敏感、传感精度和灵敏度极高、能绝对数字测量和精确定位的优点。*特别是它可实现分布传感，即在一根光纤上根据应用要求刻写多个不同布喇格波长的光栅，在光纤一端实现所有光栅信号的检测；同时能进一步集合成分布传感网络系统，可广泛应用于对工程结构的应力、应变、温度等参数以及内部裂缝、变形等参数的实时在线、分布式检测。*目前，应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。加拿大卡尔加里附近的BeddingtonTrail大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一（1993年），16个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测，这在以前被认为是不可能的。*1999年夏，在美国新墨西哥LasCruces10号周济高速公路的一座钢结构桥梁上，安装了120个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器最多的。这座桥梁于1970年建成，现在已经出现了许多疲劳裂纹。这套光纤光栅传感系统不仅可以对车辆进行探测和计数，而且可以测量车辆的速度和重量，有了此系统，就能监视动态荷载引起的结构响应、退化和损坏，了解桥梁对交通响应的长期变化。*美国巴特勒县建造的全复合材料桥梁埋入了光纤光栅应变传感器，可有规律的监视桥梁的荷载响应和长期性能。佛蒙特大学用光纤光栅传感器监测沃特伯里佛蒙特钢构架大桥。俄勒冈哥伦比亚河谷的Horsetailfall桥也安装了28个光纤光栅传感器来监视桥梁结构情况。*德国德累斯顿附近的预应力混凝土桥、比利时跟特环城运河预应力混凝土桥梁、瑞士洛桑附近的Vaux箱形梁高架桥、瑞士温特图尔的Storck桥、加拿大温尼伯湖附近的Taylor桥都使用了光纤光栅传感器进行监测。*1. 深圳市民中心大厦光纤光栅智能健康监测系统；2.  襄樊汉江四桥锚索光纤光栅应力监测系统；3.  宝钢一炼钢厂吊车行架光纤光栅应力分布测量系统；4.  巴东长江大桥双塔光纤光栅和应力施工监测系统长期智能健康监测系统；5.   海口世纪大桥光纤光栅长期健康监测系统；6.  贵阳大桥光纤光栅预应力施工监控系统及长期智能健康系统。