光纤传感器课件_6

第8章 光纤式传感器 光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之一， 它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技 术，创造了光电子学的新天地。 光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤在 有线通信方面的优势越来越突出，它为人类21世纪的 通信基础一信息高速公路奠定了基础，为多媒体 通信提供了实现的必需条件。 由于光纤具有许多新的特性，所以不仅在通信方 面，在传感器等方面也获得了应用。 第8章 光纤式传感器 人们发现当光纤受到外界环境因素的影响，如温 度、压力、电场、磁场等条件变化时，光纤的传输特性 将随之改变，且二者之间存在一定的对应关系，由此便 研制出光纤传感器。 光纤传感器具有很多优点，如灵敏度高、体积小、 重量轻、响应速度快、抗电磁干扰、耐腐蚀、电气绝 缘、可挠曲、便于遥测等。20世纪70年代初研制出第一 根实用光纤后，20世纪80年代已发展了60多种不同的光 纤传感器， 目前，已研发出测量位移、速度、加速度、压力、 温度、流量、电场、磁场等各种物理量的数百种光纤传 感器。 第8章 光纤式传感器 光纤传感器的优点: (1)具有很高的灵敏度。 (2)频带宽、动态范围大。 (3)可根据实际需要做成各种形状。 (4)可以用很相近的技术基础构成传感不同 物理量的传感器，这些物理量包括声场、磁场 、压力、温度、加速度、转动(陀螺)、位移、 液位、流量、电流、辐射等。 第8章 光纤式传感器 (5)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。 (6)可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀 等各种恶劣环境。 (7)结构简单、体积小、重量轻、耗能少。 第8章 光纤式传感器 8.1 光纤及其传光原理 8.2 光纤传感器的组成及分类 8.3 光调制方式 8.4 光纤式传感器应用举例 8.1 光纤及其传光原理 8.1.1 光纤的结构 8.1.2 光纤的传光原理 8.1.3 光纤的主要参数 8.1.1 光纤的结构 光纤是光导纤维的简称，是一种多层介质的 对称圆柱体，结构如图所示。中心圆柱体称为纤 芯，由某种玻璃或塑料制成。 纤芯外围的圆筒形外壳称为包层，通常也是 由玻璃或塑料制成。包层外面有一层塑料保护外 套。 光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质， 光纤的机械强度由塑料保护外套来保证。 图8.1 8.1.2 光纤的传光原理 当光线由光密媒质（折射率n1）射入光疏媒 质（折射率n2 ，n1n2）时，若入射角大于等于 临界角f（sinf = n2/n1），在媒质界面上，会发 生全反射现象，如图所示。 8.1.2 光纤的传光原理 光在光纤中传播的基本原理可以用光线或光波 的概念来描述。 光线的概念是一个简便的近似的方法，可以用来 导出一些重要概念，如全反射的概念、光线截留的概 念等。 然而，要进一步研究光的传播理论，将光看作是 射线就不够了，必须借助波动理论。即要考虑到光是 电磁波动现象以及光纤是圆柱形介质波导等，才能研 究光在圆柱波导中允许存在的传播模式，并导出经常 要提到的波导参数(V值)等概念。 8.1.2 光纤的传光原理 以阶跃型多模光纤为例，在子午面内当光 线从空气(折射率n0)射入光纤端面，并与其轴线 的夹角为q0，如图所示; 若入射角小于某一值qC，光线在纤芯和包层 的界面上将发生全反射，光线射不出纤芯，光就 在光纤内经若干次全反射而向前传播，并以光速 从光纤的一端传播到另一端，这就是光纤传光的 基本原理。 8.1.2 光纤的传光原理 如图所示，由Snell定律得 则 若要使入射光线在纤芯和包层的界面上发生 全反射，由临界角定义，应满足 8.1.2 光纤的传光原理 即 那么，能使光线在光纤内全反射的最大入射角qC 可由式(8.5)求得，即 式中，NA为光纤的数值孔径，它表示当入射光 从折射率为n0的外部介质射入光纤时，只有入射角小 于qC的光才能在光纤中传播。 图8.3 8.1.3 光纤的主要参数 1.数值孔径 定义：光从空气入射到光纤输入端面时，处在 某一角锥内的光线一旦进入光纤，就将被截留在纤 芯中，此光锥半角(qC)的正弦称为数值孔径。 数值孔径NA是光纤的一个基本参数，反映了光 纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率，只有 入射光处于2qC的光锥内, 光纤才能导光。 8.1.3 光纤的主要参数 光纤的数值孔径NA越大，表明它可以在较 大范围内输入全反射光，并保证此光波沿纤芯向 前传播。 一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效 率的提高，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。 NA与光纤的几何尺寸无关，仅与纤芯和包 层的折射率有关，纤芯和包层的折射率差别越 大，数值孔径就越大，光纤的集光能力就越强。 石英光纤的NA=0.20.4，典型的光纤qC10。 8.1.3 光纤的主要参数 2.光纤的传输模式 根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程，考虑 到光纤圆柱波导和纤芯-包层界面处的几何边界条 件时，则只存在波动方程的特定(离散)解。 允许存在的不同的解代表许多离散的沿波导 轴传播的波。每一个允许传播的波称为模式。 光纤传输的光波，可以分解为沿轴向和沿横 截面传输的两种平面波。 8.1.3 光纤的主要参数 因为沿横截面传输的平面波是在纤芯和包层的 界面处全反射的，所以当每一往复传输的相位变化 是2p的整数倍时，将在截面内形成驻波。 能形成驻波的光线组称为“模”，“模”是离 散存在的，某种光纤只能传输特定模数的光。 实际中常用麦克斯韦方程导出的归一化频率n 作为确定光纤传输模数的参数。n的值可以由纤芯 半径r、传输光波波长l及光纤的数值孔径NA确 定，即 8.1.3 光纤的主要参数 这时，光纤传输模的总数N近似为 n值小于2.41的光纤，纤芯很细（5mm10mm）， 仅能传输基模（截止波长最长的模式），故称为单 模光纤。 n值大的光纤传输的模数多，称为多模光纤。通 常纤芯直径较粗(几十mm以上)，能传输几百个以上 的模。 8.1.3 光纤的主要参数 (1)单模光纤 通常是指阶跃型光纤中的纤芯尺 寸很小(通常仅几微米)、光纤传播的模式很少、原则 上只能传送一种模式的光纤。 这类光纤传输性能好(常用于干涉型传感器)， 制成的传感器比多模传感器有更好的线性、更高的 灵敏度和动态测量范围。 但单模光纤由于纤芯太小、制造、连接和耦合 都很困难。 8.1.3 光纤的主要参数 (2)多模光纤 通常是指阶跃光纤中纤芯尺 寸较大(大部分为几十微米)、传播模式很多的光 纤。这类光纤性能较差。 但由于芯子的截面大，容易制造，连接耦合 也比较方便。这种光纤常用于强度型传感器。 3.传输损耗 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而 光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。 8.1.3 光纤的主要参数 形成光纤损耗的原因很多，由于光纤纤芯材料 的吸收、散射以及光纤弯曲处的辐射损耗等，另外 光纤与光源的耦合损耗以及光纤之间的连接损耗 等，都会造成光信号在光纤中的传播有一定程度的 损耗。 通常用衰减率A表示传播损耗 式中，L为光纤长度，I0为输入端光强，I1为输出 端光强。 8.1.3 光纤的主要参数 4.色散 简单说，光纤的色散是由于光信号中的不同频 率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度 不同而使得传播时间不同，从而产生波形畸变的现 象。 这种现象表现在输入光束是光脉冲时，随着传 输的过程，光脉冲的宽度可被展宽，如果光脉冲变 得太宽以致发生重叠或完全吻合，则施加在光束上 的信息就会丧失。这种光纤中产生的脉冲展宽现象 称为色散。 8.1.3 光纤的主要参数 表8.1 常用光纤类型及参数 类型 折射率分 布 纤芯直径 /mm 包层直径 /mm 数值孔径 单模2 8801250.100.15 多模阶跃光纤 （玻璃） 80 2001002500.10.3 多模阶跃光纤 (玻璃/塑料) 200100023012500.180.50 多模梯度光纤501001251500.1 0.2 8.2 光纤传感器的组成及分类 8.2.1 光纤传感器的基本组成 8.2.2 光纤传感器的分类 8.2.1 光纤传感器的基本组成 光纤传感器主要包括光导纤维、光源、光探测器 三个重要部件。 光源 分为相干光源（各种激光器）和非相干 光源（白炽光、发光二极管）。实际中，一般要求光 源的尺寸小、发光面积大、波长合适，足够亮、稳定 性好、噪声小、寿命长、安装方便等。 光探测器 包括光敏二极管、光敏三极管、光 电倍增管、光电池等。光探测器在光纤传感器中有着 十分重要的地位，它的灵敏度、带宽等参数将直接影 响传感器的总体性能。 8.2.2 光纤传感器的分类 光纤传感器一般可分为功能型和非功能型两大类。 1.功能型光纤传感器 功能型光纤传感器又称传感型光纤传感器，主要 使用单模光纤，其基本结构原理如图(a)所示。 光纤在这类传感器中不仅是传光元件，而且利用 光纤本身的某些特性来感知外界因素的变化，所以 光纤又是敏感元件。 在功能型光纤传感器中由于光纤本身是敏感元件， 因此改变几何尺寸和材料性质可以改善灵敏度。 8.2.2 光纤传感器的分类 功能型光纤传感器中光纤是连续的，结构比 较简单，但为了能够灵敏地感受外界因素的变 化，往往需要用特种光纤作探头，使得制造比较 困难。 2.非功能型光纤传感器 非功能型光纤传感器又称传光型光纤传感 器。它是利用在光纤端面或两根光纤中间放置敏 感元件，来感受被测量的变化，光纤仅起传光作 用。 8.2.2 光纤传感器的分类 如图(b)、(c)所示。这类光纤传感器可以充 分利用现有的性能优良的敏感元件来提高灵敏 度。 为了获得较大的受光量和传输光的功率，这 类传感器使用的光纤主要是数值孔径和芯径较大 的阶跃型多模光纤。 在非功能型光纤传感器中，也有并不需要外 加敏感元件的情况。 8.2.2 光纤传感器的分类 比如，光纤把测量对象辐射或是测量对象反 射、散射的光信号传播到光电元件，如图(d)所 示。 这种光纤传感器也称为探针型光纤传感器， 使用单模光纤或多模光纤。 典型的例子有光纤激光多普勒速度传感器和 光纤辐射温度传感器等。 图8.4 (a) 功能型 (c) 非功能型 (b) 非功能型 (d) 探针型 8.3 光调制方式 光纤传感器的工作原理是通过被测量对光纤内 传输的光进行调制，使传输光的振幅、相位、频率 或偏振态等特性发生变化，再对被调制的光信号进 行检测，从而得出相应的被测量。 所谓调制可以归结为将一个携带信息的信号叠 加到载波光波上的过程。这个过程称为光波的调 制，简称光调制。 光调制技术是光纤传感器的基础和关键技术。 8.3 光调制方式 按调制方式可分为：强度调制、相位调制、 偏振调制、频率调制和波长调制等。 而且，同一种光调制方式可以实现多种物理 量的检测，同一物理量也可利用多种光调制方式 来实现测量。 因此，掌握光调制技术并加以灵活运用，对 新型传感器的开发有重要意义。 8.3 光调制方式 8.3.1 强度调制 8.3.2 波长调制 8.3.3 相位调制及干涉测量 8.3.4 频率调制 8.3.5 偏振调制 8.3.1 强度调制 利用被测量直接或间接地改变光纤中传输光的 强度，再通过测量光强的变化检测出被测量的方 法，称为强度调制，如图所示。 8.3.1 强度调制 当一恒定光源的光波Iin注入调制区，在外力 场强Is的作用下，输出光波的强度被Is所调制，载 有外力场信息的出射光 Iout 的包络线与Is形状相 同，光（强度）探测器的输出电流I(或电压)也反 映出了作用力场。 同理，可以利用其他各种对光强的调制方 式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、 斑图、辐射等来调制入射光，从而形成相应的调 制器。 8.3.1 强度调制 强度调制是光纤传感器使用最早的调制方 法，其特点是技术简单可靠、价格低廉。可采用多 模光纤，光纤的连接器和耦合器均已商品化。 光源可采用LED和白炽灯等非相干光源，探测 器一般用光电二极管、三极管和光电池。 1.微弯损耗光强调制 根据模态理论，当光纤受力微弯时，一部分纤 芯模式能量会转化为包层模式能量，通过测量包层 模式能量或纤芯模式能量的变化就能测出被测量。 8.3.1 强度调制 微弯损耗调制原理如图所示。 当把多模光纤夹在一个空间周期为L的梳状结构 变形器中时，只要适当选择空间周期L和光纤传输模 式间的传输常数差，使其相匹配，则变形器位移产生 的光纤微弯就会引起各传输模式间的耦合; 光能在光纤纤芯中的模式就会转变成耦合模被送 进包层中，形成模辐射。 8.3.1 强度调制 模态理论表明，当纤芯传输模b1和包层传输模 b2的传输常数之差为 时，纤芯传输模与包层传输模之间的耦合最强。 在梯度光纤中 在阶跃光纤中 式中 n(0)、n(r)距离光纤轴为0和r处的折射率； r纤芯半径。 8.3.1 强度调制 2.利用小的线位移和角位移进行光强调制 这种方法是采用端面为平面的两根光纤，一 根为入射光纤，一根为出射光纤，光纤间距大约 为2mm3mm，如图所示。 当受外界因素影响，使出射光纤相对于入射 光纤横向或纵向微小移动或微小转动时，则出射 光强随之发生变化，即光强被调制。 若测得出射光强变化，即可确定出射光纤相 对于入射光纤运动的线位移或角位移。 8.3.1 强度调制 若入射和出射光纤均采用相同性能的单模光 纤，径向位移 d 与功率耦合系数 T 之间存在下面 关系： 式中，S0为光纤中的光斑尺寸；T和d的关系 为高斯型曲线。这种调制方法可以测量10mm以 内的位移量。 8.3.1 强度调制 3.利用折射率的变化进行光强调制 当某些物理量(如温度或压力等)作用于光纤 时，引起光纤的纤芯和包层的折射率发生变化， 若包层的折射率变得大于或等于纤芯的折射率， 则光在纤芯和包层界面上的全反射遭到破坏，产 生输出光强的变化即实现强度调制。 8.3.1 强度调制 4.利用光纤的吸收特性进行光强调制 X射线、g射线等辐射会使光纤材料的吸收损 耗增加，光纤的输出功率降低，从而形成强度调 制。 由于不同材料对不同的射线敏感，因此改变 光纤材料的成份可对不同的射线进行测量。如图 所示即是根据这种原理制成的测量辐射量的传感 器。 图8.5 S光源，D探测器 图8.6 横向 纵向 角度 差动 S光源 D探测器 图8.7 8.3.2 波长调制 利用外界因素改变光纤中光的波长，通过检测 波长的变化来检测各种物理量，称为波长调制。 波长调制的解调技术比较复杂，与强度调制技 术相比应用的较少。 常用的波长调制方法有利用热色物质的颜色变 化、利用磷光和荧光光谱的变化、利用黑体辐射、 利用滤光器参数的变化和利用位移进行波长调制。 8.3.2 波长调制 如图所示，是利用位移进行波长调制的原 理。 光纤线性位移、光栅旋转或衍射板位移都能 进行波长调制，从而使接收光纤中的光波长发生 变化，通过检测这种变化就能知道位移量。 由此可以设计出光纤位移传感器。 图8.8 (a) 位移 (b) 光栅旋转 (c) 衍射板位移 8.3.3 相位调制及干涉测量 1.相位调制 利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过检 测相位变化来测量被测量的方法，称为相位调制。 相位调制是光纤传感器中最基本的调制技术， 以灵敏度高著称。 例如，如果信号监测系统可以检测1mrad的相 位移，则每米光纤的检测灵敏度对温度为10-8、 对压力为10-7Pa、对应变为10-7(即0.1me)，动态范 围可达1010。 8.3.3 相位调制及干涉测量 理论表明，当真空中波长为l0的光入射到长度 为L的光纤时，若以其入射端面为基准，则出射光 的相位为 式中 K0光在真空中的传播常数； n纤芯折射率。 由此，纤芯折射率n变化和光纤长度L变化导 致的光相位变化即 8.3.3 相位调制及干涉测量 当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用 时，由于应力应变效应，光纤的长度(应变效 应)、光纤的直径(泊松效应)、纤芯折射率(光弹 性效应)都将变化，这些变化将导致光纤中光波 相位的变化。 若将光纤放在变化的温度场中，由于温度应 变效应，引起光纤的折射率和几何长度的变化也 会引起相位变化。 8.3.3 相位调制及干涉测量 光纤相位调制器 光纤相位调制器即移相器，其作用是通过一 小段光纤根据需要随时改变光程长度。 光纤相位调制器可以通过对光纤某一部分的 长度或波导模的折射率进行外部调制来实现。 最常用的方法是在压电陶瓷管(PZT)上绕若干 圈光纤，并且稍稍拉紧，如图(a)所示。 通过在PZT元件上加上电压，使其扩张或收 缩，光纤就被拉长或缩短，从而改变光程长度。 8.3.3 相位调制及干涉测量 对一根单模SiO2光纤，当l=633nm，圆管工 作频率低于最低机械共振频率时，通过施加70 100V的反转电压，可产生2p弧度的相移。 若工作在机械共振频率，相移的调制幅度可 增加几个数量级。图(b)是带有共轴压电换能器的 光纤相位调制器。 光纤置于一PZT圆管的轴线上，圆管与光纤 间充以声学材料（环氧树脂）。 8.3.3 相位调制及干涉测量 PZT圆管工作于厚度模式，由圆管薄壁产生 的厚度谐振频率的声波会聚于圆管中心，对纤芯施 加压力，通过光弹效应使光纤的折射率受到调制。 例如，壁厚为0.51mm、共振频率为6.02MHz 时，能产生0.058rad/(Vcm)的相位调制。 图(c)是被覆压电外套的光纤相位调制器。 8.3.3 相位调制及干涉测量 在光纤上被覆一层压电塑料外套，如聚偏二 氟乙烯(PVDF)，外套的内外表面被覆金属膜作电 极，在外加电场的激励下，这层被覆的压电套就 会对光纤的相位进行调制。 实验表明，采用厚度为120mm的径向极化 PVDF外套，在很宽的频率范围(30kHz2.5MHz) 有平坦的频率响应，相位调制系数为0.01rad /(Vcm)。 8.3.3 相位调制及干涉测量 2.干涉测量 目前光探测器对光的相位变化都不敏感，须 采用干涉技术将相位变化变为强度变化，实现对 物理量的测量。 相位变化将引起干涉条纹的运动，记录干涉 条纹移动的数目，就可测得相位的变化，从而测 得导致相位变化的物理量，这就是干涉测量原 理。 光纤干涉仪的一般系统结构如图所示。 8.3.3 相位调制及干涉测量 (1)迈克尔逊(Michelson)干涉仪 迈克尔逊 干涉仪的基本原理如图所示。 如果光往返于固定平面镜和活动平面镜的光 程差小于激光器的相干长度，那么透射到光检测 器的两束光就可能互相发生干涉。 每当活动平面镜移动1/2光波长的距离时，检 测器的输出就从最大值变到最小值，然后再变回 最大值。 8.3.3 相位调制及干涉测量 采用这种技术在He-Ne激光器的红光情况 下，它可以检测平面镜0.6310-13m的位移。 迈克尔逊因发明干涉仪和光速的测量而获得 1907年诺贝尔物理学奖。 (2)马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪 马赫-泽德干涉仪的结构如图所示。下方的分束 器把激光器的输出光束分成两束。 8.3.3 相位调制及干涉测量 它们经上、下光路的传输之后又重新合路， 使它们在光检测器处互相发生干涉。这种结构也 可用于检测可动平面镜小到10-13m的位移。 与迈克尔逊干涉仪相比，它的优点是，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。 8.3.3 相位调制及干涉测量 (3) 萨格奈克(Sagnac)干涉仪 如图所示为萨 格奈克干涉仪的结构。 在这种结构中，激光器输出的两束光沿着由 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。 8.3.3 相位调制及干涉测量 如果某块平面镜沿着与反射面垂直的方向移 动，那么两个光程的长度必然改变同样的数量， 故在光检测器上不会检测到干涉过程中的变化。 反之，如果使固定该干涉仪的台子绕着垂直 于光束平面的轴作顺时针旋转，顺时针方向传输 的光束就必然滞后于逆时针方向传输的光束。 8.3.3 相位调制及干涉测量 可以求得顺、反两光束之间的光程差为 式中，A为光路系统围成的面积，c为光速，w为 光路系统旋转的角速度。 若由光检测器测得DL，则可由上式求得干涉仪 的台子相对于惯性空间的转动角速度。可见，萨格奈 克干涉仪可用作灵敏的旋转检测器。 从原理上讲，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。 8.3.3 相位调制及干涉测量 (4)法布里-珀罗(Fabry-Perol)干涉仪 法布 里-珀罗干涉仪原理如图所示。 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。 8.3.3 相位调制及干涉测量 进入干涉仪的光有5%透射，被光检测器接 收，95%反射回来，又有5%透射，95%被反 射。如此下去。 因此，光检测器接收到的电场有一系列电场 矢量，在原理上它们的数量是无限的，每一个后 续电场矢量都按系数R2递减，这里R是反射系 数。 当反射镜间的距离为半波长的整数倍时，所 有这些矢量都同相，输出强度达到最大值。 8.3.3 相位调制及干涉测量 当反射镜间的距离稍稍增加时，每一个后续 矢量都相对于前一个矢量位移相同的角度。 无限地把矢量不断相加，根据多光束干涉原 理，光检测器探测到的光强为 8.3.3 相位调制及干涉测量 式中，I0为入射光强，T为镜面的光透射率，R 为反射率，q为相邻光束间的相位差，F称为精细度。 当q = 0,2p,4p时，干涉光强有最大值。当q = p,3p,5p时干涉光强有最小值。 注意到 反射率越大，干涉光强变化越明显，分辨率 越高。法布里-珀罗干涉仪是一种极灵敏的位置和 长度测量装置。 事实上，它是能用于现代科学的最灵敏的位移 测量装置之一。 光纤相位调制器 图8.9 L激光器；P1分束器；P2耦合器；D检测器 迈克尔逊干涉仪 马赫泽德干涉仪 萨格奈克干涉仪 法布里-珀罗干涉仪 8.3.4 频率调制 利用外界因素改变光纤中光波的频率，通过检 测光频率的变化来测量被测量的原理，称为频率调 制。 这里光纤本身只作为传光元件，而频率调制多是 利用光学多普勒效应来实现。 如图所示，S为单色光源，P为运动物体，Q是观 察者所处的位置。 8.3.4 频率调制 若物体P运动的速度为u，运动方向与PS和 PQ的夹角分别为q1和q2。 从光源S发出的频率为f的光，由于物体P相对 于光源运动，根据多普勒效应，在P点所观察到 的光频率f1可由下式表示 8.3.4 频率调制 式中，c为真空中的光速。频率为f1的光通过物体P产生 散射，在Q处所观察到的光频率f2由下式表示 考虑到u c，则可把双重多普勒频移方程表示为 测得f2，即可求出物体的运动速度。 8.3.4 频率调制 如图所示。设激光光源频率为f0，经半反射 镜和聚焦透镜进入光纤射入到被测流体; 当流体以速度u运动时，根据多普勒效应，其 向后散射光的频率为f0+Df或f0-Df（视流向而定）， 向后散射光与光纤端面反射光（参考光）经聚焦 透镜和半反射镜，由检偏器检出相同振动方向的光; 探测器检测出端面反射光f0与向后散射光f0+Df 或f0-Df的差频Df，由此可知流体的的流速。 图8.10 光纤多普勒流速测量系统 8.3.5 偏振调制 利用外界因素改变光的偏振特性，通过检测光 的偏振态变化（即偏振面的旋转）来测量被测量的 方法，称为偏振调制。 在光纤传感器中，偏振调制主要基于人为旋光 现象和人为双折射现象，如法拉第磁光效应、克尔 电光效应和光弹效应等。 根据电磁场理论，光波是一种横波；光振动的 电场矢量 E 和磁场矢量 H 始终与传播方向垂直。 8.3.5 偏振调制 如果光波的电场矢量 E 和磁场矢量 H （与 E 垂直）的方向在传播过程中保持不变，这种光 称为线偏振光。 线偏振光电场矢量（E）方向与传播方向组 成的面称为线偏振光的振动面。 若光在传播中，E、H的大小不变，而振动 方向绕传播轴均匀地转动，矢量端点轨迹为圆， 这种光称为圆偏振光； 如果矢量轨迹为一个椭圆，这种光称为椭圆 偏振光。 8.3.5 偏振调制 如果自然光在传播过程中，受到外界的作用 而使各个振动方向上强度不等，使某一方向的振 动比其他方向占优势，这种光称为部分偏振光。 如果外界作用使自然光的振动方向只有一 个，这种现象称为起偏（形成完全偏振光）。利 用光波的这些偏振性质，可以制成光纤的偏振调 制传感器。 注意，关于光的振动方向通常是指电场矢量 E的方向。 8.3.5 偏振调制 1.法拉第磁光效应 法拉第磁光效应表明，在磁场作用下，偏振 光的振动面发生旋转，如图所示，光矢量旋转的 角度q与光在物质中通过的距离L及磁场强度H成 正比，即 式中，Vd为物质的费尔德常数。 8.3.5 偏振调制 如图所示为应用法拉第磁光效应测量高压大电 流的传感器，如果通过高压输电线的电流是I，在高 压输电线上绕有N圈光纤，则光纤中传输的线偏振光 在高压输电线形成的磁场作用下，使偏振面旋转， 其旋转的角度为q。利用式(8.17)可得 由于光纤材料的费尔德常数非常小(0 0.0161/A)， 故用此法测量的电流值可达几十到几十万安。 8.3.5 偏振调制 2.克尔电光效应 克尔电光效应原理如图所示。在与入射光垂直 的方向上加以高电压，各向同性体便可呈现双折射 现象，这种现象即为克尔电光效应。 一束入射光变成两束出射光，两束出射光的相 位差为 式中，L为光通过各向同性物质的长度；d为两 极间的距离；V为外加电压；K为克尔常数。 利用克尔电光效应可构成光纤电压传感器。 8.3.5 偏振调制 3.光弹效应 如图所示，在垂直于光波传播方向上施加应力， 被施加应力的材料将会使光产生双折射现象，其折射 率的变化与应力有关，这种现象称为光弹效应。 利用物质的光弹效应可以构成压力、振动、位移 等光纤传感器。 法拉第磁光效应测磁场 图8.11 图8.12 光弹效应 8.4 光纤式传感器应用举例 8.4.1 光纤温度传感器 8.4.2 光纤位移传感器 8.4.3 光纤流量、流速传感器 8.4.4 光纤磁传感器 8.4.5 医用光纤传感器 8.4.6 分布式光纤传感器 8.4 光纤式传感器应用举例 8.4.7 工业用内窥镜 8.4.8 光纤加速度传感器 8.4.9 光纤光栅传感器 8.4.10 光纤层析成像分析技术及应用 8.4.11 光纤纳米生物传感器 8.4.12 光纤传感领域的发展 8.4.1 光纤温度传感器 光纤测温技术是近几年发展起来的新技术， 光纤温度传感器是工业中应用最多的光纤传感器 之一。按调制原理分为相干型和非相干型两类。 在相干型中有偏振干涉、相位干涉以及分布 式温度传感器等；在非相干型中有辐射温度计、 半导体吸收式温度计、荧光温度计等。 8.4.1 光纤温度传感器 1.半导体吸收式温度传感器 半导体材料的光吸收和温度的关系曲线如图 (a)所示。半导体材料的吸收边波长lg(T)随温度 增加而向较长波长方向位移。 若能适当选择发光二极管，使其光谱范围正 好落在吸收边的区域，利用透过半导体材料的光 强随温度T的增加而减少的关系，可以做成透射 式光纤温度传感器。 8.4.1 光纤温度传感器 图(b)所示的是双光纤参考基准通道法半导体 吸收式光纤温度传感器的结构框图。 光源为GaAlAs发光二极管，测温介质为CdTe 半导体材料。测量光纤和参考光纤传输来自同一光 源的光，不同的是测量光纤上多了敏感材料，其余 条件相同。 由于采用了参考光纤和除法器，消除了一定程 度的外界干扰，提高了测量精度。这种温度计测温 范围在40120之间，精度为1。 8.4.1 光纤温度传感器 2干涉型光纤温度传感器 温度的变化能引起光纤中传输的光的相位变 化，通过光纤干涉仪来检测相位变化即可测得温 度。 图示是利用马赫-泽德干涉仪测温的原理图。 由激光器发出的光通过扩束和分束后分成两束 光。一束光进入光纤信号臂，放在被检测的温度场 内，其长度和折射率随被测温度而变化。另一束光 进入参考臂。 这两束光相干涉，产生干涉条纹。信号臂的相 位变化为 8.4.1 光纤温度传感器 式中 l光源波长； n纤芯折射率； L随温度变化的光纤长度。 例8.1 若已知光源波长l = 0.6328mm，对n = 1.456的单模石英玻璃光纤，有 试计算在1m的光纤上，温度每变化1时， 将有几根条纹移动。 8.4.1 光纤温度传感器 3.基于膨胀法的新型光纤测温仪 传感器主要由三部分组成：光源、传感部分、 接收部分。 接收部分由光电转换器、单板机、计算机等构 成，从而实现不间断的实时显示。传感部分是光纤 测温仪的核心部分，由陶瓷管、光纤探头和工作物 质(材料为聚四氟乙烯)组成，如图所示。 光纤探头固定在陶瓷管上，工作物质设计成凹 槽型，将其外部及底部粘合在陶瓷管上，从而将工 作物质固定且不影响陶瓷管内工作物质热胀冷缩时 长度的变化。 图8.13 (a)半导体材料光吸收 和温度的关系曲线 (b)半导体吸收式温度传感器结构框图 图8.14 基于膨胀法的新型光纤测温仪 8.4.2 光纤位移传感器 1.反射强度调制型位移传感器 这种传感器是通过改变反射面与光纤端面之间 的距离来调制反射光的强度，其原理如图所示。 Y形光纤束由几百根至几千根直径为几十mm的 阶跃型多模光纤集束而成。它被分成纤维数目大致 相等，长度相同的两束：发送光纤束和接收光纤 束。 8.4.2 光纤位移传感器 发送光纤束的一端与光源耦合，并将光源射 入其纤芯的光传输到被测物表面（反射面）上。 接收光纤束一端接收反射光，另一端将接收 的反射光照在光电探测器上。 发送光纤束和接收光纤束在汇集处端面的分 布有好几种，如随机分布、对半分布、同轴分布 (分为接收光纤在外层和接收光纤在内层两类)， 如图(a)所示。 8.4.2 光纤位移传感器 不同的分布方式，反射光强与位移的特性曲 线也不相同，如图(b)所示。 从此图(b)可以看出，随机分布时传感器的灵 敏度和线性都较好。 从它的特性曲线还可以看出AB段的灵敏度和 线性好，但测量位移的范围小，CD段的斜率小即 灵敏度低，但线性范围宽。 8.4.2 光纤位移传感器 由曲线可知，随位移增加光强增加，反之则光强 减少，故由此可确定位移方向。 光纤位移传感器一般用来测量小位移。最小能检 测零点几mm的位移量。这种传感器已在镀层的不平 度、零件的椭圆度、锥度、偏斜度等测量中得到应 用，它还可以用来测量微弱的振动，而且是非接触测 量。 假设传感器选择在AB段工作，偏置工作点在 M，被测物体的反射面与光纤端面之间的初始距离是 M点所对应的距离XM。 8.4.2 光纤位移传感器 2.干涉型光纤位移传感器 干涉型光纤位移传感器和反射光强调制型位 移传感器相比，测量范围大，测量精度高。 测量位移的迈克尔逊干涉仪如图所示。由氦 氖激光器发出的光束，通过分束器分为两路，一 路经扩束镜进入可移动的四面体棱镜，反射后再 经平面镜反射作为物光照在全息干板上。 另一路进入光纤参考臂作为参考光束照在全 息干板上。 8.4.2 光纤位移传感器 物光和参考光干涉，在全息干板上形成干涉 条纹。 如因被测物体位移变化引起四面体棱镜移 动时，由于光程差变化而使干涉条纹移动，从干 涉条纹的移动量可以确定位移的大小。 图8.15 图8.16 (a)光纤分布方式 (b) 反射光强与位移的关系 图8.17 1氦氖激光器；2分束器；3扩束镜；4反射镜 ；5可移动四面体棱镜；6全息照片；7光纤参 考臂；8光探测器；9可逆计数器；10光阑 8.4.3 光纤流量、流速传感器 1.光纤涡流流量计 光纤涡流流量计的原理如图(a)所示。采用一根 横贯液流管的大数值孔径的多模光纤作为传感元 件。 光纤受到液体涡流的作用而振动，这种振动与 液体的流速有关。 根据流体力学原理，由于光纤不是流线体，在 一定的条件下，流体下游会产生涡流。 8.4.3 光纤流量、流速传感器 这种涡流是在光纤下游两侧产生的有规律的 漩涡，称为卡门“涡街”，如图(b)所示; 由于漩涡列之间的相互作用，一般不稳定， 但实验证明，当满足h/l = 0.281时，涡列是稳定 的。 当每个漩涡产生并泻下时，它会在光纤上产 生一种侧向力，这样就有一个周期力作用在光纤 上，使其振动。 8.4.3 光纤流量、流速传感器 野外的电线等在风吹动下会嗡嗡作响，就是 这种现象。 实验证明，光纤振动的频率由下式得出 式中 u流速； d光纤相对于流体流动方向的横向尺寸，即 光纤的直径； s斯特罗哈数(无量纲)，当雷诺数在Re = 500 150000范围内时，对圆柱体s0.2。 8.4.3 光纤流量、流速传感器 当光通过未受扰动的光纤时，若光纤直径为 200mm 300mm，在距离光纤端面约1520cm的地方 可以观察到清晰而稳定的斑图，但它的分布是无规 则的。 当光纤振动时，这些斑图就会不断地移动，如 用光探测器接收斑图的一个小区域，即可通过频谱 仪读出光纤振动频率的信号。 由式(8.23)算出流速，在管子尺寸一定的条件 下，就可得出流量。 8.4.3 光纤流量、流速传感器 这种流量计结构简单而且安全可靠，可用于 易燃、易爆及有腐蚀性的液体测量。因光纤直径 很细，对流体的流阻小，对流场几乎没有影响。 它的不足之处是对低速流体不敏感，因这时 振动信号会被噪声淹没。 2.光纤多普勒血流传感器 利用多普勒效应可构成光纤速度传感器。由 于光纤很细(外径约几十mm)，能装在注射器针头 内，插入血管中。 8.4.3 光纤流量、流速传感器 又由于光纤速度传感器没有触电的危险，所 以用于测量心脏内的血流十分安全。 图(a)示出光纤多普勒血流传感器的原理图。 由氦氖激光器发出频率为f的光波，由分束器分为 两束; 束作为测量光束通过光纤探针进到被测 血流中，经直径约7mm的红血球散射，一部分光 按原路返回，得到多普勒频移信号f +Df，频移Df 为 8.4.3 光纤流量、流速传感器 式中，u为血流速度；n为血液的折射率；q为光 纤轴线与血管轴线的夹角；l为激光波长。 另一束作为参考光，进入驱动频率为f1=40MHz 的布喇格盒(频移器)，得到被频移的新参考光信号 f-f1(f是光源频率)。 将新的参考光信号(f-f1)与多普勒频移信号(f+Df) 进行混频，就得到要探测的光信号。这种方 法称为光学外差法。 8.4.3 光纤流量、流速传感器 经光电二极管将混频信号变换成光电流送入 频谱分析仪，得出对应于血流速度的多普勒频移 谱(速度谱)，如图(b)所示，图中fcut表示最大频移( 或截止频率)，I表示输出的光电流。 典型的光纤血流传感器可在01000cm/s速度 范围内使用，空间分辨率为100mm，时间分辨率 为8ms。 光纤血流传感器的缺点是光纤插入血管中会 干扰血液流动，另外背向散射光非常微弱，在设 计信号检测电路时必须考虑。 图8.18 (b)卡门“涡街” (a)原理图 图8.19 8.4.4 光纤磁传感器 按工作原理可分为：根据法拉第磁光效应 直接实现磁光转换，根据磁致伸缩效应，利用 力或其他物理量间接实现磁光转换。 1利用法拉第磁光效应的光纤传感器 利用法拉第磁光效应测量磁场的方法很多， 如强度调制方式，偏振光度测量方式和外差方式 等，这里仅介绍偏振光度测量方式。 8.4.4 光纤磁传感器 如图所示是一个采用偏振光测定法（即双光 路检测）的光磁计。 偏振光经保偏光纤、自聚焦透镜进入法拉第 磁光盒，经多次反射后进入渥拉斯登棱镜，把偏 振光变成振动方向相互垂直的两束光。 设出射光的偏振轴与棱镜的偏振轴夹角为 45，这样D1和D2光电管接收的光强为 8.4.4 光纤磁传感器 式中，q为偏振面的旋转角度；I0为入射光强；I1、I2 为两偏振光的强度。 采用图中的“加”、 “减”和“除”法运算后，其输 出 通过测量P就能决定q，然后利用式(8.17)即可决定B。 8.4.4 光纤磁传感器 光矢量旋转的角度与光在物质中通 过的距离L及磁场强度H成正比，即 式中，Vd为物质的费尔德常数。 8.4.4 光纤磁传感器 2.利用磁致伸缩效应的光纤传感器 在磁场作用下，磁性物体的尺寸、大小会作相 应的伸缩，这种现象即为磁致伸缩效应。 光纤磁致伸缩效应传感器是在光纤上涂覆磁致 伸缩性能良好的材料薄膜，或者将光纤紧绕在磁致 伸缩材料芯棒上。 在外磁场作用下，由于磁致伸缩效应，纤芯长 度变化及纤芯折射率变化，都会导致光程的相应变 化。 8.4.4 光纤磁传感器 如图所示为利用磁致伸缩效应的光纤磁传感 器的结构原理图。 其灵敏度与磁性体磁致伸缩效应的强弱、膜 厚度和膜长度有关。 灵敏度主要取决于材料的磁致伸缩常数。 图8.20 图8.21 8.4.5 医用光纤传感器 在医用领域，用来测量人体和生物体内部 医学参量的光纤传感器已越来越引起有关方面的 关注和兴趣。 医用光纤传感器体积小、电绝缘和抗电磁性 能好，特别适于身体的内部检测。光纤传感器可 以用来测量体温、体压、血流量、PH值等医学 参量。 如前述及，光纤多普勒血流传感器已用于薄 壁血管、小直径血管、蛙的蛛网状组织，老鼠的 视网膜皮层的血流测量等。 8.4.5 医用光纤传感器 1.医用内窥镜 由于光纤柔软、自由度大、传输图像失真小，将 光纤引入医用内窥镜后，可以方便的检查人体的许多 部位。 图示为腹腔镜的剖视图，它由末端的物镜、光纤 图像导管、顶端的目镜和控制手柄组成。 照明光是通过图像导管外层光纤照射到被观察的 物体上，反射光通过传像束输出。最外层是金属壳， 用以保护光学元件。 8.4.5 医用光纤传感器 图像导管直径约为3.4mm，这样的直径使得 医生可以有较大的选择范围确定穿刺位置，同时 病人也可以取比较舒适的体位。 2光纤体压计 光纤体压计可用来检测人体各部位的体压， 用于膀胱、直肠、颅内和心血管等压力测量，这 些压力计测量范围通常在0 40kPa。 8.4.5 医用光纤传感器 如图所示是一种医用体压计探针的结构示意 图，在探针端部的开孔上安装有对压力敏感的防 水薄膜。 膜片通过悬臂梁与反射镜相连。在与反射镜 相对的探针导管里装有入射光纤和出射光纤，在 压力P = 0时，没有光信号反射进入出射光纤。 当膜受压力作用使悬臂梁向下移动时，反射 镜反射方向倾斜，使输出光纤接收到与反射薄膜 受压力有关的光信号。 图8.22 图8.23 8.4.6 分布式光纤传感器 光纤除了高的带宽、低损耗，还具有直径小、 可弯性好的优点，因此，可用于许多复杂的环境。 分布式传感器是指能同时测量空间多个点的 环境参数，甚至能测量空间连续分布的环境参数 的传感器。 利用光纤本身特征的功能型光纤可构成性能 优良的分布式光纤传感器，特别适合于需要同时 监测在光纤通过的路途上大量位置处连续变化 的物理量。 8.4.6 分布式光纤传感器 如建筑物、桥梁、水坝、储油罐等大型结构 中应力的检测，石油钻井平台、飞机、航天器、 电力变压器、发电机组、反应堆等场合应力和温 度分布的实时监测等。 根据不同的原理，可构成不同的分布式光纤 传感器，如利用后向瑞利散射的分布式光纤传感 技术，利用喇曼效应的分布式光纤传感技术，利 用布里渊效应的分布式光纤传感技术，利用前向 传输模耦合的分布式光纤传感技术等。 8.4.6 分布式光纤传感器 分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光 纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能 基本特征为 分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤； 一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量 的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被 测量的二维和三维分布情况； 系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对 被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值； 8.4.6 分布式光纤传感器 系统的测量精度与空间分辨力一般存在相 互制约关系； 检测信号一般较微弱，因而要求信号处理 系统具有较高的信噪比； 由于在检测过程中需进行大量的信号加法 平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实 现一次完整的测量需较长的时间。 瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生 弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频 率相同。 8.4.6 分布式光纤传感器 光脉冲在在光纤中传播时，由于瑞利散射而发 生能量损耗，通过检测后向散射光强度，就可获得 衰减程度沿光纤的分布状况; 这是一种最简单的分布式传感器，也是光纤 通信中查找光缆故障、缺陷定位的一种诊断技术。 在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般 采用光时域反射(OTDR)结构来实现被测量的空间 定位，典型传感器的结构如图所示。 8.4.6 分布式光纤传感器 依据瑞利散射光在光纤中受到的调制作用， 该传感技术可分为强度调制型和偏振态调制型。 OTDR原理如图所示。一个窄脉冲耦合到光 定向耦合器后在光纤中传输。 后向散射光经定向耦合器后，由光电探测器 变成电信号，经处理后可给出分析结果。 8.4.6 分布式光纤传感器 以脉宽为t的光脉冲作为探测信号射入光纤， 在t时刻（相对于发射脉冲时刻）的后向散射功率 为PS。 若光纤均匀无故障，则探测到的后向散射功率 是均匀衰减的，后向散射功率的对数斜率ai是一定 的。 若光纤局部出现故障，后向散射的能量损耗增 加，lnPS的斜率ai将增大，说明光纤内存在故障 点。 观测后向散射脉冲的到达时间t，便可测得相应 故障点的位置z： 8.4.6 分布式光纤传感器 式中 c光速； n纤芯折射率。 OTDR的空间分辨率，即可分辨的两个故障点的 最小距离，是由脉冲宽度t决定的，可表示为 8.4.6 分布式光纤传感器 一般情况下，OTDR反射信号很弱，要获得 高信噪比，常常需要对多个探测脉冲求平均。 利用适当的光纤结构，使得损耗系数ai与环 境的某个物理量有关，则可利用OTDR对该物理 量进行分布式测量。 外界压力或形变使光纤产生的微弯损耗； 在光纤中掺杂稀土离子后，由于其衰减与 环境有关，可用于测量环境温度分布； 8.4.6 分布式光纤传感器 利用保偏光纤，当环境使光纤产生应力， 将导致光信号的偏振状态发生变化; 利用克尔效应或法拉第效应，通过监测偏 振状态来测量电场和磁场的分布。 反向散射型分布式光纤传感器基本系统框图 图8.24 8.4.7 工业用内窥镜 在工业生产的某些过程中，经常需要检查某 些系统内部结构状况，而这些系统由于种种原因 不能打开或靠近观察，采用光纤图像传感器可解 决这一难题。 将探头事先放 入系统内部，通过 光纤传像束的传输 可以在系统外部观 察、监视系统内部 情况，其工作原理 如图所示。 8.4.7 工业用内窥镜 另一种结构形式如图所示。内部结构的图像通 过传像束送到CCD器件上，可以把光的图像信息转 换成电信号送入微机进行相应的处理，微机的输出 可以通过伺服装置，实现跟踪、控制等。 8.4.8 光纤加速度传感