第7章光纤传感检测技术

1、光纤传感器始于光纤传感器始于19771977年，目前已进入研究与应用并年，目前已进入研究与应用并重阶段。重阶段。主要优点：主要优点：灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可靠性强、可实、可靠性强、可实现不带电的全光型探头。现不带电的全光型探头。频带宽、动态范围大频带宽、动态范围大。可用很可用很相近的技术基础相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器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，易于实现便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测系统的遥测和控制和控制。可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境

2、恶劣环境。结构简单、体积小、重量轻、耗能少。结构简单、体积小、重量轻、耗能少。第七章 光纤传感检测技术主要教学内容： 7.1 光纤传感器的基础 7.2 光纤的光波调制技术 7.3 光纤传感器实例一次涂覆层纤芯 包层套层一次涂覆层 包层 纤芯 套层7.1.1 光纤波导的结构光纤波导的结构多层介质结构：多层介质结构：1、纤芯：石英玻璃，直径、纤芯：石英玻璃，直径5-75um，材料以二氧化硅为主，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素。掺杂微量元素。2、包层：直径、包层：直径100-200um，折射率略低于纤芯。，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。、涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离

3、杂光，保护。4、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。光纤的光波导原理光纤的光波导原理12034 n n1 1n n2 2n n2 2n n2 2n n1 1)arcsin(12nnc光纤的临界角光纤的临界角:对应光纤的入射角临界值为：对应光纤的入射角临界值为：NAnnn222100sin渐变光纤的导光原理示意图渐变光纤的导光原理示意图在渐变（梯度型）光纤中，其折射率沿径向由中心向外在渐变（梯度型）光纤中，其折射率沿径向由中心向外呈抛物线从大逐渐变小，至界面处与包层折射率一致。呈抛物线从大逐渐变小，至界面处与包层折射率一致。这类光纤有聚焦作用

4、，光线传播的轨迹近似于这类光纤有聚焦作用，光线传播的轨迹近似于正弦波正弦波。 石英系列光纤（以SiO2为主要材料） 按光纤组成材料划分 多成分玻璃光纤（材料由多成分玻璃组成） 液芯光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤（以塑料为材料） 阶跃型光纤（单包层，折射率均布）（SIF） 按光纤纤芯折射率分布划分 渐变型光纤（单包层，折射率渐变）（GIF） W型光纤（双包层，折射率均布） 单模光纤（SMF） 按光纤传输模式数划分 多模光纤（MMF ）7.1.2 光纤的分类光纤的分类光纤的纤芯折射率剖面分布光纤的纤芯折射率剖面分布 2b 2b 2b 2c 2a 2a 2a n n n n1 n1 n1 n2 n2

5、n2 n3 0 a b r 0 a b r 0 a c b r （a）阶跃光纤 （b） 渐变光纤 （c）W型光纤 光纤的类型光纤的类型7.1.3 光纤中的重要参数光纤中的重要参数 2sin1222100nnnnNA1、数值孔径（NA,Numerical Aperture）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。NA为表示光纤的集光能力大小，定义光纤波导孔径角的正弦值为光纤的数值孔径（NA），即：光纤参数数值孔径的意义？光纤参数数值孔径

6、的意义？光纤参数数值孔径的意义？光纤参数数值孔径的意义？从物理上看，光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。NA越大，则光纤接收光的能力也越强。从增加进入光纤的光功率的观点来看，NA越大越好，因为光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。但是NA太大时，光纤的模畸便加大，会影响光纤的带宽。因此，在光纤通信系统中，对光纤的数值孔径有一定的要求。通常为了最有效地把光射入到光纤中去，应采用其数值孔径与光纤数值孔径相同的透镜进行集光。2、光纤中的模式(Fiber Mode)7.1.3 光纤中的重要参数光纤中的重要参数 电磁波的传播遵从麦克斯韦方程，而在光纤中传播的电磁电磁波的传播遵从麦克斯韦方程，而在

7、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。有不同的振幅和传播速度。光纤中可能传播的模式有光纤中可能传播的模式有横电波、横磁波和混合波横电波、横磁波和混合波。（1）横电波）横电波TEmn:纵轴方向只有磁场分量；横截面上有电场纵轴方向只有磁场分量；横截面上有电场分量的电磁波。下标分量的电磁波。下标m表示电

8、场沿圆周方向的变化周数，表示电场沿圆周方向的变化周数，n表示电场沿轴向方向的变化周数。表示电场沿轴向方向的变化周数。（2）横磁波）横磁波TMmn:纵轴方向只有电分量；横截面上有磁纵轴方向只有电分量；横截面上有磁场分量的电磁波。场分量的电磁波。（3）混合波）混合波HEmn或或EHmn:纵轴方向既有电分量又有磁场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。分量，是横电波和横磁波的混合。无论哪种模式，当无论哪种模式，当m和和n的组合不同，表示的模式也不同。的组合不同，表示的模式也不同。222102221rnkNArnnrV3、光纤的归一化频率V 归一化频率归一化频率是为表征光纤中所能传播

9、的模式数目多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。少而引入的一个特征参数。其定义为：其定义为：7.1.3 光纤中的重要参数光纤中的重要参数 其中，其中， r是光纤的纤芯半径；是光纤的纤芯半径； 是光纤的工作波长；是光纤的工作波长； n1和和n2 分别是光纤的纤芯和包层折射率；分别是光纤的纤芯和包层折射率； k0 真空中的波数；真空中的波数； 光纤的相对折射率差。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V2.405时，光纤中只允许一个模式传播，即基模。4、传播常数 传播常数是描述光纤中各模式传输特性的一个参数，光纤中各模式的传输或截止都可以由该参数决定

10、。1020nknk7.1.3 光纤中的重要参数光纤中的重要参数 当=k0n2时，传导模处于临界截止状态，光线在纤芯和包层的界面掠射。光纤通信中信息就是由传导模传送的。传导模的传播常数是限制在纤芯到包层之间的，即cos2cos101nkn当k0n2时，包层中的电磁场不再衰减，而成为振荡函数，这时传导模已不能集中于光纤纤芯中传播，此时的模式称为辐射模，即传导模截止。归一化传播常数归一化传播常数/k/k0 0与归一化频率与归一化频率V V的关系曲线的关系曲线n1n2k0HE11HE21HE31HE12TE01TM01EH11V246n1n2EH21HE41HE22TE02TM02222102221r

11、nkNArnnrVV模 式导 模 总 数0 - - 2 . 4 0 52 . 4 0 5 - - 3 . 8 3 23 . 8 3 2 - - 5 . 1 3 65 . 1 3 6 - - 5 . 5 2 05 . 5 2 0 - - 6 . 3 8 0.H E1 1H E2 1, T E0 1, T M0 1H E1 2, H E3 1, E H1 1H E4 1, E H2 1H E2 2, T E0 2, T M0 2.22 + 4 = 66 + 6 = 1 21 2 + 4 = 1 61 6 + 4 = 2 0.模式特性模式特性 当当0 0V V2.4052.405时时, ,光纤中除主

12、模（或基模）光纤中除主模（或基模）HEHE1111 模模以外，其余模式均截止，此时可实现单模传输。以外，其余模式均截止，此时可实现单模传输。单模传输条件单模传输条件多模传输的数目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对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为22VNs42VNs截止波长是单模光纤特有的参数，对应于第一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高阶模的归一化截止频率V Vc c=2.405=2.405时的波长。时的波长。5、截止波长、截止波长c22212221nVrnnVrcxc损

13、耗的定义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，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这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数表示：表示：oiPPLlg10 ( (单位：单位：dB/km)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。损耗的种类损耗的种类吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用；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；散射损耗：光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射；其

14、他损耗：如光纤弯曲也引起散射损耗。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。部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。7.1.4 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7.1.5 光纤的色散特性色散的定义色散的定义色散的种类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不同成分的光传输时延不同引起的脉冲

15、展宽的物理效应。色散的物理效应。色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。色散的大小色散的大小常用时延差表示常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分，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。传输同样距离而产生的时间差。模式色散：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：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

16、光源的谱线宽度。波导色散：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：由光透明介质（如石英玻璃）构成的传输光频电磁波的导行结构。波导：由光透明介质（如石英玻璃）构成的传输光频电磁波的导行结构。 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：光纤传感器一般可分为两大类：一类是一

17、类是功能型传感器功能型传感器（Function Fiber Optic Sensor），又称），又称FF型型光纤传感器；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，光纤既是特性，光纤既是传光传光元件，又是元件，又是敏感敏感元件。元件。另一类是另一类是非功能型传感器非功能型传感器（Non-Function Fiber Optic Sensor），），又称又称NF型型光纤传感器。利用其他敏感元件感受被测量的变化，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光纤仅作为光信号的传输介质传输介质。7.1.6 光纤传感器的分类功能型

18、光纤传感器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，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，光纤不仅起到光纤不仅起到传光作用传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等偏振态等光特性得到调制光特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。，调制后的信号携带了被测信息。非功能型光纤传感器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，光功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的

19、状态是不连续的，光纤只起传光作用。纤只起传光作用。光纤传感器的分类列表光纤传感器的分类列表第七章 光纤传感检测技术主要教学内容： 7.1 光纤传感器的基础 7.2 光纤的光波调制技术 7.3 光纤传感器实例7.2 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7.2.1 强度调制：IDttIS信号信号入射光入射光强度调制强度调制光源光源出射光出射光输出输出ID光探测器光探测器强度调制原理强度调制原理Iit一恒定光源发出的强度为一恒定光源发出的强度为Pi的光注入传感头，在传感头内，光在被测信号的作用下其的光注入传感头，在传感头内，光在被测信号的作用下其强度发生变化，即受到了外

20、场的调制，使得输出光强强度发生变化，即受到了外场的调制，使得输出光强Po的包络线与被测信号的形状一的包络线与被测信号的形状一样，光电探测器测出的输出电流样，光电探测器测出的输出电流Io也作同样的调制，信号处理电路再检测出调制信号，也作同样的调制，信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号。就得到了被测信号。强度调制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。测量的。AA221FA（光模式调制（光模式调制内调制）调制原理：内调制）

21、调制原理：其中，其中，1和和2分别为纤芯传输模和包层辐射模的分别为纤芯传输模和包层辐射模的传输常数。传输常数。当光纤受到弯曲后，当光纤受到弯曲后，有少量的芯模能量有少量的芯模能量会转换成包层模能会转换成包层模能量而损失掉，通过量而损失掉，通过测量包层模或芯模测量包层模或芯模能量的变化就获得能量的变化就获得外界待测物外界待测物理量的变化。理量的变化。光纤本身只起传光作用。这里光纤分为两部分，即输入光纤和输出光纤，亦为发送光纤和接收光纤。调制机理：输入光纤将光源的光射向被测物体表面，再从被测面反射调制机理：输入光纤将光源的光射向被测物体表面，再从被测面反射到另一根输出光纤中，其光强的大小随被测表面

22、与光纤间的距离而变到另一根输出光纤中，其光强的大小随被测表面与光纤间的距离而变化。化。在距光纤端面d的位置放有反光物体平面反射镜，它垂直于输入和输出光纤轴移动故在平面反射镜之后相距d处形成一个输入光纤的虚像。因此，确定调制器的响应等效于计算虚光纤与输出光纤之间的耦合。d（反射式调制（反射式调制外调制）调制原理：外调制）调制原理：光是一种横波。光振动的电场矢量光是一种横波。光振动的电场矢量E E 和磁场矢量和磁场矢量H H 和光线的传和光线的传播方向播方向s s 正交。按照光的振动矢量正交。按照光的振动矢量E E、H H 在垂直于光线平面内矢在垂直于光线平面内矢量轨迹的不同，又可分为量轨迹的不同

23、，又可分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和和部分偏振光。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。象的信息。7.2.2 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：检偏器光波是一种横波，它的光矢量与传描方向垂直的。光波是一种横波，它的光矢量与传描方向垂直的。如果光波的光矢量方向始终不变，只是它的大小随位相如果光波的光矢量方向始终不变，只是它的大小随位相改变，这样的光称线偏振光，光矢量与光的传播方向组改变，这样的光称线偏振光，光矢量与光的传播方向组成的平面

24、为成的平面为线偏振光线偏振光的振动面。的振动面。如果光矢量的大小保持不变，而它的方向绕传播方向均如果光矢量的大小保持不变，而它的方向绕传播方向均匀地转动，光矢量末端的轨迹是一个圆，这样的光称匀地转动，光矢量末端的轨迹是一个圆，这样的光称圆圆偏振光偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有规律地变化，且光矢量如果光矢量的大小和方向都在有规律地变化，且光矢量的末端沿着一个椭圆转动、这样的光称的末端沿着一个椭圆转动、这样的光称椭圆偏振光椭圆偏振光。普克尔效应（电光效应）普克尔效应（电光效应）当当压电晶体压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电场时，晶体将

25、呈现场时，晶体将呈现双折射现象双折射现象，这种现象被称为，这种现象被称为Pockels效应，效应，如下图所示。并且，这种双折射正比于所加电场的一次方在晶如下图所示。并且，这种双折射正比于所加电场的一次方在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为体中，两正交的偏振光的相位变化为其中：n0 正常折射率；re 电光系数；U 加在晶体片上的横向电压； 光波长；L 光传播方向光传播方向晶体长度；d 电电场方向晶体厚度。dLUrn0330Pockels效应效应对于光学性质随方向而异的一些晶体，一束入对于光学性质随方向而异的一些晶体，一束入射光常分解为两束折射光的现象，称为双折射射光常分解为两束折射光的现象，称为

26、双折射现象。现象。P1P2P1，P2是两个透射轴互相垂直的偏振片，不加电场时，晶体本身通常是单轴晶体，其光轴沿光束的传播方向。加电场后，由晶体光学理量知，在垂直于电场方向的平面上，存在着2个互相垂直的主振动方向。当一束平面偏振光垂直入射到晶体中时，若光振动方向与晶体主振动方向成45角，那么这束偏振光分解为互相垂直的2个振幅相等、互相垂直的平面偏振光，它们在晶体内传播方向相同，但传速不同，所以从厚度为l的晶体中出射后，两束光将有一固定位相差法拉第效应（磁光效应）法拉第效应（磁光效应）某些物质在某些物质在磁场作用磁场作用下，下，线偏振光线偏振光通过时其振动面会发生旋转，通过时其振动面会发生旋转，这

27、种现象称为法拉第效应。光的电矢量这种现象称为法拉第效应。光的电矢量E E旋转角旋转角与光在物质中与光在物质中通过的距离通过的距离L L和磁场强度和磁场强度H H成正比，即成正比，即式中式中V V为物质的弗尔德常数。为物质的弗尔德常数。利用法拉第效应可以测量磁场。其测量原理如图所示。利用法拉第效应可以测量磁场。其测量原理如图所示。LHdlV0HLV光弹效应光弹效应在垂直于光波传播方向上施加在垂直于光波传播方向上施加应力应力，被施加应力的材料将会使光，被施加应力的材料将会使光产生产生双折射现象双折射现象，其，其折射率的变化折射率的变化与应力材关，这被称为光弹效与应力材关，这被称为光弹效应。由光弹效

28、应产生的偏振光的相位变化为：应。由光弹效应产生的偏振光的相位变化为：KPL2 式中：式中：K K 物质光弹性常数；物质光弹性常数；P P 施加在物体上的压强；施加在物体上的压强；L L 光波通过材料的长度。光波通过材料的长度。此时出射光强为：此时出射光强为：KPLIII2020sin2sin光弹效应示意图光弹效应示意图偏振调制的解调原理渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜解调原理解调原理 解偏过程：如图为偏振光分束器，解偏过程：如图为偏振光分束器，方解石组成。两棱镜光轴垂直，光线方解石组成。两棱镜光轴垂直，光线垂直入射到垂直入射到No.1，光束不分开，但，光束不分开，但o光光1和和e光光1速度不同。速度不

29、同。到达到达No.2时，光轴垂直，时，光轴垂直，o光光1和和e光光1的角色互换，的角色互换，o光光2对应的折射率对应的折射率从从n0到到ne，e光光2对应的折射率从对应的折射率从ne到到n0，nee2, e1-o2。又由于none，所以 e2远离法线，o2靠近法线，两束光在第二棱镜中分开。4cosA双折射得到的两光束，一束遵守折射定律为双折射得到的两光束，一束遵守折射定律为o光，另一束则不然，为光，另一束则不然，为e光。光。o光振动面垂直于晶体的主截面，而光振动面垂直于晶体的主截面，而e光的振动面在主截面内，两光的振动面在主截面内，两者振动面互相垂直。（主截面：者振动面互相垂直。（主截面：晶体

30、中的光线与光轴所形成的平面晶体中的光线与光轴所形成的平面 ）21212sinIIII4cos:2A光分量振幅轴4sin:1A光分量振幅轴 偏振角与光分量的关系：偏振角与光分量的关系：1轴2轴OAA参考矢量44sinA 偏振角偏振角与光源强度和通道能量衰减无关，只与两分光束与光源强度和通道能量衰减无关，只与两分光束的光强有关系。由偏振角的光强有关系。由偏振角值可推知需要传感的物理量值可推知需要传感的物理量 两光分量对应的振幅分别为：两光分量对应的振幅分别为：马吕斯定律马吕斯定律偏振面旋转角度偏振面旋转角度，参考矢量为检偏器偏振方向，参考矢量为检偏器偏振方向根据马吕斯定律根据马吕斯定律2sin21

31、21IIIIP 这样，经过加法器、减法器和除法器后，将光波旋转角的信息转化为光强信息的输出信号为当1时，sin2 2 所以，输出信号P与偏振面旋转角成线性关系，再经信号处理就能获得外界的被测电流。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，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。的变化量来确定光的相位变化

32、量，从而得到被测对象的信息。7.2.3 相位调制应变效应：应变效应：光纤长度变化泊松效应：泊松效应：光纤芯直径变化光弹效应光弹效应: : 光纤芯折射率变化光热效应光热效应萨格纳克萨格纳克(Sagnac)(Sagnac)效应效应检测原理检测原理相位解调原理：相位解调原理：光外差检测原理光外差检测原理典型干涉测量仪与光纤干涉传感器迈克尔逊(Michelson)干涉仪马赫-泽德尔(Mach-Zender)干涉仪萨格纳克(Sagnac)干涉仪法布里-泊罗(Fabry-Perot)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。实现的干

33、涉型光纤传感器。7.2.3.1 迈克尔逊干涉仪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：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：lk 02为两相干光的光程差数；为光在空气中的传播常lk20传感器传感器通过干涉现象能把光束之间的相位差变为光强变化，实现外差检测。图中以一个3dB耦合器取代了分束器，光纤光程取代了空气光程，而且以敏感光纤作为相位调制元件。这种全光纤结构不仅避免了非待测场的干扰影响，而且免除了每次测量要调光路准直等繁琐的工作，使其更适

34、于现场测量，更接近实用化。 为了克服空气受环境条件影响所导致的空气光程的变化，考虑用全光纤干涉仪结构。（a）光纤迈克尔逊干涉仪）光纤迈克尔逊干涉仪可动端可动端传感器7.2.3.2 马赫泽德尔干涉仪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，在光检测器是产生干涉。测器是产生干涉。优点：没有激光返回激光器，噪声小，稳定性好。对干优点：没有激光返回激光器，噪声小，稳定性好。对干涉影响小。涉影响小。为两相干光的光程差是真空中的光波长是光速，是光路围成的面积，lcA0两个臂都使用光纤，且光的分路与合路也都是用3dB光纤耦合器。其优点是体积小，

35、且机械性能稳定。当然，重要的是要解决好光纤耦合器的工艺和稳定性问题。7.2.3.3 萨格纳克干涉仪萨格纳克干涉仪激光器输出的两束光沿着激光器输出的两束光沿着一条由一个分束器和三个平面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它们重新合路后再入射到光检测器测器, ,同时一部分光又返回到同时一部分光又返回到激光器。激光器。当平台沿垂直于光束当平台沿垂直于光束平面旋转时，两方向相反的光平面旋转时，两方向相反的光束到达检测器的延迟不同，从束到达检测器的延迟不同，从而产生相位变化。而产生相位变化。若平台以角速度若平台以角速度顺时针旋转时

36、，则在顺时针方向传播的顺时针旋转时，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：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：cAlk008通过检测干涉光强的变化，就知道旋转速度，通过检测干涉光强的变化，就知道旋转速度，它是目前许它是目前许多惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光纤陀螺的设计基础。多惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光纤陀螺的设计基础。NoImage（c）光纤萨格纳克干涉仪（光纤陀螺仪）光纤萨格纳克干涉仪（光纤陀螺仪）mmd 127. 0 光纤陀螺仪的灵敏度比空气光程的萨格纳克干涉仪要高几个数量级。首先是由于采用若干圈光纤增加了干涉仪环的有效面积

37、，其次是由于利用了电子探测技术。其相移表达式为是光纤环的匝数其中，N7.2.3.4 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪传感器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：50 3略有倾角平面镜外表面不平行， 22140sin12RRII（d）光纤法布里）光纤法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪 它与一般法布里-珀罗干涉仅的区别在于以光纤光程代替了空气光程，以光纤特性变化来调制相位代

38、替了以传感器控制反射镜移动实现了调相。7.2.3.5 频率调制及解调利用外界因素改变光的频率，通利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率变化来测量外界过检测光的频率变化来测量外界物理量。物理量。目前主要是利用光学多普勒效应实现目前主要是利用光学多普勒效应实现频率调制。如图所示频率调制。如图所示,P点物体的运动点物体的运动将将S点光源发出的光散射到点光源发出的光散射到Q点被观点被观察到，设光频为察到，设光频为f1，由双重多普勒频，由双重多普勒频移原理可得：移原理可得：SQP2112coscos1cvff解调过程：解调过程：与相位调制的解调相同，需要两束光干涉，在检与相位调制的解调相同，需要两束

39、光干涉，在检测器上产生差频，光电流经频谱分析器处理，求出频率变化。测器上产生差频，光电流经频谱分析器处理，求出频率变化。激光多普勒光纤测速系统激光沿着光纤入射到激光沿着光纤入射到测速点测速点A A上，然后上，然后被测物被测物散射光散射光与与光纤端面光纤端面A A的反的反射或散射光射或散射光沿着光纤返回，沿着光纤返回，其中光纤端面其中光纤端面A A的反射或的反射或散射光是作为参考光使用。散射光是作为参考光使用。于是信号光与参考光一起于是信号光与参考光一起经光探测器进入频谱分析经光探测器进入频谱分析器处理，最后分析器给出器处理，最后分析器给出测量结果。测量结果。同时为了区别并消除从发射透镜和光纤前

40、端面反射回来的光，同时为了区别并消除从发射透镜和光纤前端面反射回来的光，在光探测器前装一块在光探测器前装一块偏振片偏振片R R，从而使光探测器只能检测出与，从而使光探测器只能检测出与原光束偏振方向相垂直的原光束偏振方向相垂直的偏振光偏振光。第七章 光纤传感检测技术主要教学内容： 7.1 光纤传感器的基础 7.2 光纤的光波调制技术 7.3 光纤传感器实例7.3 光纤传感器实例7.3.1 光纤位移传感器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。至接收光纤束的光强

41、度的变化来测量被测表面距离的变化。所使用所使用光纤束的特性光纤束的特性是影响这种类型光是影响这种类型光纤传感器的灵敏度的主要因素之一。在纤传感器的灵敏度的主要因素之一。在光纤探头的端部光纤探头的端部, ,发射光纤与接收光纤发射光纤与接收光纤一般有四种分布一般有四种分布:(a):(a)随机分布随机分布;(b);(b)半球半球形对开分布形对开分布;(c);(c)共轴内发射分布共轴内发射分布;(d);(d)共共轴外发射分布，如图所示。轴外发射分布，如图所示。NoImage典典型位移输出曲线如图所示。在型位移输出曲线如图所示。在输出曲线的前坡区输出曲线的前坡区I,I,输出信号强度输出信号强度增加得很快

42、增加得很快, ,这一区域可以用于微这一区域可以用于微米级的位移测量。在后坡区米级的位移测量。在后坡区II,II,信信号的减弱约与探头和被测表面之间号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比的距离平方成反比, ,可用于距离较可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。高的测量。反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器的原的原理如右图。理如右图。1 1、探头紧贴被测件时，无光接探头紧贴被测件时，无光接收没有电信号。收没有电信号。2 2、被测表面逐渐远离探头时，、被测表面逐渐远离探头时，有一个有一个线性增长线性增长的输出信号。有的输出信号。有一最大输出值一最

43、大输出值“光峰点光峰点”。3 3、继续远离时，输出信号越来继续远离时，输出信号越来越弱，与越弱，与距离平方成反比距离平方成反比。III5 . 01光纤液位传感器光纤液位传感器(a)Y型光纤；型光纤；(b)U型光纤；型光纤；(c)棱镜耦合棱镜耦合 7.3.2光纤液面位移传感器光纤液面位移传感器图(c)结构中，两根多模光纤由棱镜耦合在一起，它的光调制深度最强，而且对光源和光电接收器的要求不高。由于同一种溶液在不同浓度时的折射率也不同，所以经过标定，这种液位传感器也可作为浓度计浓度计。光纤液位计可用于易燃、易爆场合，但不能探测污浊液体以及会粘附在测头表面的粘稠物质。 由由LED光源，光电二极管（光源

44、，光电二极管（PD），），多模光纤等组成。多模光纤等组成。当测头置于空气中，没有接触液当测头置于空气中，没有接触液面时，光线在圆锥体内发生全内面时，光线在圆锥体内发生全内反射而返回到光电二极管。反射而返回到光电二极管。当测头接触液面时，由于液体折当测头接触液面时，由于液体折射率与空气不同，全内反射被破射率与空气不同，全内反射被破坏，将有部分光线透入液体内，坏，将有部分光线透入液体内，使返回到光电二极管的光强变弱；使返回到光电二极管的光强变弱；返回光强是液体折射率的线性函返回光强是液体折射率的线性函数。返回光强发生突变时，表明数。返回光强发生突变时，表明测头已接触到液位。测头已接触到液位。 光纤

45、耦合器单光纤液位传感器结构单光纤液位传感器结构将光纤的端部抛光成45的圆锥面。当光纤处于空气中时，入射光大部分能在端部满足全反射条件而返回光纤。当传感器接触液体时，由于液体的折射率比空气大，使一部分光不能满足全反射条件而折射入液体中，返回光纤的光强就减小。利用X形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感器。同样，若在不同的高度安装多个探头，则能连续监视液位的变化。防液滴附着的方法 反射膜 突出物上述探头在接触液面时能快速响应，但在探头离开液体时，由于有液滴附着在探头上，故不能立即响应。为了克服这个缺点，可将探头的结构作一些改变，如图。将光纤端部的尖顶略微磨平，并镀上反射膜。这样，即使有液体附着

46、在顶部，也不影响输出跳变。进一步的改进是在顶部镀反射膜外贴上一突出物，将附着的液体导引向突出物的下端。这样，可以保证探头离开液位时也能快速地响应。浸液自聚透镜光纤水银7.3.3 光纤温度传感器光纤温度传感器1、水银式光纤温度开关、水银式光纤温度开关简单类型的光纤温度传感器简单类型的光纤温度传感器左图为一种简单的利左图为一种简单的利用水银柱升降温度的用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。温度设定值灵活可变。下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当温度下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当温度升高时，双金属片的变

47、形量增大，带动遮光板在垂直方升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤温度计能测量温度计能测量10105050的温度。检测精度约为的温度。检测精度约为0.50.5。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。长，一般需几分钟。接收光源遮光板双金属片2、遮光式光纤温度计、遮光式光纤温度计原理原理：半导体材料的光吸收与禁带宽度半导体材料的光吸收与禁带宽度Eg有关，光子能量大于有关，光子能量大于Eg的光被吸收，光子能量等于的光被吸

48、收，光子能量等于Eg的是半导体吸收的的是半导体吸收的“红限波长红限波长g”，被称为半导体吸收端，在吸收端，波长的增加半导体吸收呈线性被称为半导体吸收端，在吸收端，波长的增加半导体吸收呈线性递减特性，超过这一波长范围的光几乎不产生吸收递减特性，超过这一波长范围的光几乎不产生吸收。当温度增加。当温度增加时，禁带宽度变窄，红限波长线性地变长，光吸收端线性地向长时，禁带宽度变窄，红限波长线性地变长，光吸收端线性地向长波方向平移。波方向平移。 这个性质反映在半导体的透光性这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当温度升高时，其透射上则表现为：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发率曲线将向

49、长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的射光谱与半导体的g g相匹配的发光二相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随着极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而减小，即通过检测透射温度的升高而减小，即通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变光的强度或透射率，即可检测温度变化。化。半导体光吸收型光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器图图 光吸收温度特性光吸收温度特性0 . 15 . 0金属盒GaAs光纤图图1 1 半导体光吸收型光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器光纤温度传感器结构如图。光纤温度传感器结构如图。光纤环氧胶半导体反射膜图图2 一种光纤温度单端式探头一种光纤温度单端

50、式探头7.3.4 光纤压力传感器光纤压力传感器反射式光纤压力反射式光纤压力传感器传感器是在前面介绍的光纤位移传感器的是在前面介绍的光纤位移传感器的探头前面加上一个膜片构成的，其结构如图所示。探头前面加上一个膜片构成的，其结构如图所示。膜片反射式光纤压力传感器示意图光源接收121 Y形光纤束 2 壳片 3 膜片3P利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就可以实现压力的检测。可以实现压力的检测。上图为简单的利用上图为简单的利

51、用Y Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。在形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。在Y Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。D DS SF FF F变形器变形器光纤光纤A A微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器光纤被夹在一对锯齿板中间，光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发

52、生许多微弯，这时在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纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中分散射到包层中. . 光纤微弯增大，散射掉的光随之光纤微弯增大，散射掉的光随之增加，纤芯输出光强度相应减小。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、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声压，或检测由压力引起的位移等物理量。等物理量。线偏振光光源起偏器 / 4波片Pyrex玻璃检偏器p圆偏振光椭圆偏振光p p光纤G-lens起偏器波片晶体检偏器光弹式光纤压力传感器光弹式光纤压力传感器/4波片

53、用全反射，产生与入射光相位差为90的光束 干涉条纹的形状由光程差相等(即主应力差相等)的那些点的轨迹来决定。根据这些条纹就可确定物体上各点的主应力之差。用其它方法测得各点的主应力之和与主应力方向，就可以实现物体上应力的定量分析。偏振调制型光纤电流传感器，其基本原理是前述介绍的法拉偏振调制型光纤电流传感器，其基本原理是前述介绍的法拉第效应（磁光效应）。第效应（磁光效应）。如果这个磁场是由长直载流导线产生如果这个磁场是由长直载流导线产生的，根据安培环路定律：的，根据安培环路定律：7.3.5 偏振调制型光纤电流传感器偏振调制型光纤电流传感器式中：式中：I-I-载流导线中的电流强度；载流导线中的电流强

54、度；R-R-光纤缠绕半径。根据法光纤缠绕半径。根据法拉第旋光效应，引起光纤中线偏振光的偏转角为：拉第旋光效应，引起光纤中线偏振光的偏转角为：光信号被调制的RIH2由检测及信号处理后得输出信由检测及信号处理后得输出信号为：号为：2121IIIIV为费尔德常数；为费尔德常数；l为受磁场作为受磁场作用光纤长度，用光纤长度，N为光纤圈数。为光纤圈数。 测量范围：测量范围：0-1000A0-1000AVNIRVlIIIIIP22sin2121本章结束作业P186:2、3、4题习题3光纤只允许一种模式（基模HE11）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤。由于它只允许一种模式在其中传播，

55、从而避免了模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带宽，特别适用于大容量的光纤通信。要实现单模传输，必须使光纤的诸参量满足一定的条件，即其归一化频率V 2.405。1.模的概念: 光导纤维传输中的一个重要性能就是模式分布 我们将沿纤芯传输的光分解为沿轴向和沿截面两种平面波成分 沿截面传输的平面波在纤芯与包层的界面处发生全反射 每一往复传输的相位变化是2*Pi的整数倍时 就可以在截面内形成驻波,这样的驻波光线组称为模 2.多模光纤与单模光纤: 多模光纤的纤芯大,入射光进入纤芯的角度多,向前传播的路径也多 所以其电磁场分布模式多种多样,可同时传播多种模式 单模光纤的纤芯小,光的入射角度小,电磁场分布模式单一 只允许一种最基本的模式即基模的传播,其它高次模均被淘汰 3.光在单模光纤中的传播 光在单模光纤中的传播轨迹，简单地讲是以平行于光纤轴线的形式以直线方式传播，这是因为在单模光纤中仅以一种模式（基模）进行传播，而高次模全部截止，不存在模式色散。平行于光轴直线传播的光线代表传播中的基模