第六章光纤传感检测技术

1、第六章第六章 光纤传感检测技术光纤传感检测技术1 1 概述（定义和特点）概述（定义和特点） 2 2 分类分类3 3 主要技术主要技术第六章第六章 光纤传感检测技术光纤传感检测技术主要内容：主要内容： 光纤传感器光纤传感器FOS (Fiber Optical Sensor)是是20世纪世纪70年代年代发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤

2、作为传递敏感信息的媒质或作为感受被测量的敏感器。作为传递敏感信息的媒质或作为感受被测量的敏感器。其实质是通过其实质是通过光调制器光调制器，将一个携带着，将一个携带着待测信息待测信息（被（被测对象）的信号叠加到载波光波上，经测对象）的信号叠加到载波光波上，经光纤传输光纤传输后由后由光光探测系统解调探测系统解调、经信号处理系统处理后检测出所需要的、经信号处理系统处理后检测出所需要的待测信号。待测信号。而而光调制器光调制器能使光纤的传输参数或载波光波参数随待能使光纤的传输参数或载波光波参数随待测信号的变化而改变。这些参数包括：光纤的折射率、测信号的变化而改变。这些参数包括：光纤的折射率、光波的强度（

3、振幅）、位相、频率、偏振以及波长等。光波的强度（振幅）、位相、频率、偏振以及波长等。 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、可挠性强、可实现不带电、可挠性强、可实现不带电的的 全光型探头。全光型探头。频带宽、动态范围大频带宽、动态范围大。可用可用很相近的技术基础很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和控制。系统的遥测和控制。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、腐蚀等恶劣环境恶劣环境。结构简单

4、、体积小、重量轻、耗能少结构简单、体积小、重量轻、耗能少。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量。振动、温度、电流、电压、磁场等物理量。1 1 光纤的发展与动态光纤的发展与动态1966年高昆博士提出光纤传输的理论年高昆博士提出光纤传输的理论1969年日本平板玻璃公司制出年日本平板玻璃公司制出200dB/Km梯度光纤梯度光纤 1970年美国康宁公司制出世界第一根年美国康宁公司制出世界第一根20dB/Km低损耗光纤低损耗光纤 1972年日本电子技术综合研究所制出年日本电子技术综合

5、研究所制出7dB/Km SiO2芯光纤芯光纤 1973年美国贝尔实验室用化学沉积法（年美国贝尔实验室用化学沉积法（CVD）制光纤）制光纤 1978年对年对1.5m光传输接通理论值约光传输接通理论值约0.2dB/Km 1980年光通讯产业形成年光通讯产业形成各种装饰性的光导纤维各种装饰性的光导纤维 发光二极管产生多种颜发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动在计算机控制下，可产生动态图案。态图案。上海东方明珠上海东方明珠2 2 光纤传感器的发展与动态光纤传感器的发展与动态 70年代末，美国最先发表

6、年代末，美国最先发表FOS文章文章 1981年美国召开光纤陀螺会议年美国召开光纤陀螺会议 1981年英国第一届国际年英国第一届国际FOS会议会议 1984年西德第二届年西德第二届FOS会议会议 1986年美国第三届年美国第三届FOS会议会议 1988年日本第四届年日本第四届FOS会议会议 1989年美国第五届年美国第五届FOS会议会议 2000年意大利第十四届年意大利第十四届FOS会议会议 3 3 光纤导光的原理光纤导光的原理一次涂覆层纤芯 包层套层一次涂覆层 包层 纤芯 套层多层介质结构：多层介质结构： 纤芯：纤芯：石英玻璃，直径石英玻璃，直径5-75um，材料以，材料以SiO2为主，掺为主

7、，掺 杂微量元素，掺杂的作用是提高材料折射率。杂微量元素，掺杂的作用是提高材料折射率。 包层：包层：直径直径100-200um，折射率略低于纤芯。，折射率略低于纤芯。 涂敷层：涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。 套层：套层：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。纤芯纤芯包层包层涂敷层涂敷层尼龙外层尼龙外层1212光纤阵列光纤阵列聚乙烯外聚乙烯外壳壳聚烯烃双绞聚烯烃双绞线线纸纸聚乙烯内壳聚乙烯内壳光纤带光纤带抗应变的钢抗应变的钢索索光光 缆缆 的的 结结 构构光光 纤纤 的的 结结 构构（1）斯乃尔定理（）斯

8、乃尔定理（Snells Law） 当光由光密物质当光由光密物质(折射率大折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图，入射至光疏物质时发生折射，如图，其折射角大于入射角，即其折射角大于入射角，即n1n2时，时，ri 。 n1、n2、r、i 之间的数学关系为：之间的数学关系为： n1sini= n2sinr 可见，入射角可见，入射角i增大时，折射角增大时，折射角r也随之增大，且也随之增大，且始终始终ri 。n1n2ri 光的折射示意图 当当r=90 时，时，i仍仍90，此时，出射，此时，出射光线沿界面传播如图，称为临界状态。这光线沿界面传播如图，称为临界状态。这时有时有n1n2ri 临界状态示意图

9、n1n2ri 光全反射示意图sinrsin901 sini0 = n2/n1 i0 = arcsin(n2/n1)式中：式中：i0临界角。临界角。当当ii0并继续增大时，并继续增大时，r90，这时便发生全反射现象，如，这时便发生全反射现象，如图，其出射光不再折射而全部反射回来。图，其出射光不再折射而全部反射回来。光的全反射实验光的全反射实验（2）光纤导光原理及数值孔径）光纤导光原理及数值孔径NA 入射光线入射光线AB与纤维轴线与纤维轴线OO相交角为相交角为i，入射后折射，入射后折射(折射折射角为角为 j )至纤芯与包层界面至纤芯与包层界面C点，与点，与C点界面法线点界面法线DE成成k角，并角，

10、并由界面折射至包层，由界面折射至包层，CK与与DE夹角为夹角为r 。则。则jikrABCDEFGKOOn0n2n1n0sini = n1sinj n1sink= n2sinr sini = (n1/n0)sinj sink=(n2/n1)sinr 因因j=90k 所以所以 KKkinnnnnn2010101sin1cos)90sin(sin222212120101sin1sinsinirrnnnnnnn光纤导光示意图光纤导光示意图 n0为入射光线为入射光线AB所在空间的折射率，一般为空气，故所在空间的折射率，一般为空气，故n1，nl为纤芯折射率，为纤芯折射率，n2为包层折射率。当为包层折射率。

11、当n=1时时rinn22221sinsin当当r= 90的临界状态时，的临界状态时，i=i0，22210sinnni上式上式sini0为为“数值孔径数值孔径” NA ( NumericalAperture)。jikrABCDEFGKOON 0n2n1当当r = 90时时i0= arcsin NA当当r 90时，光线发生全反射，则时，光线发生全反射，则ii0= arcsin NA结论：结论：arcsinNA是一临界角，凡入射角是一临界角，凡入射角iarcsin (NA)的光的光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反，只有入射角线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反，只有入射角iarcsin (N

12、A)的光线才可进入光纤被全反射传播。的光线才可进入光纤被全反射传播。jikrABCDEFGKOON 0n2n122012sininnNA当当r NA，i arcsin NA，纤芯内的光线消失。，纤芯内的光线消失。（3）光纤的主要参数）光纤的主要参数由右图和折射定律由右图和折射定律可导出光线由折射可导出光线由折射率为率为n0的外界介质的外界介质(空气空气n0=1)射入纤射入纤芯时实现全反射的芯时实现全反射的临界角临界角(始端最大入始端最大入射角射角)为：为： jikrABCDEFGKOON 0n2n1 式中式中NA定义为定义为“数值孔径数值孔径”。它是衡量光纤集光性能。它是衡量光纤集光性能的主要

13、参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有2c张角内张角内的光，才能被光纤接收、传播的光，才能被光纤接收、传播(全反射全反射)；NA愈大，光纤的集光能愈大，光纤的集光能力愈强。产品光纤通常不给出折射率，而只给出力愈强。产品光纤通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的。石英光纤的NA=0.20.4。221201sincnnNAn12034 n n1 1n n2 2n n2 2n n2 2n n1 1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21arcsincnn2200120nnnnNA渐变光纤的导光原理示意图渐变光纤的

14、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。光纤模式及其对光信号传输的影响光纤模式及其对光信号传输的影响n2n1多模多模阶跃光纤阶跃光纤nr多模多模梯度光纤梯度光纤n2n1单模单模梯度光纤梯度光纤（1）、按材料性质：）、按材料性质：4 4 光纤的种类光纤的种类 高纯度石英玻璃光纤高纯度石英玻璃光纤 耐温度较高，导光效率佳耐温度较高，导光效率佳塑料光纤塑料光纤 损耗小，体积小，广泛应用于短距离传输，医疗器损耗小，体积小，广泛应用于短距离传输，医疗器 械，光纤传感，汽车，光纤照明等领域械，光纤传感，汽车，光纤照明等领域 多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤 用更常规的玻璃制作，损耗很低用更常规的

15、玻璃制作，损耗很低高纯度石英玻璃光纤高纯度石英玻璃光纤多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤 塑料光纤塑料光纤4 4 光纤的种类光纤的种类 （2）、按折射率分布：）、按折射率分布：阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤渐变折射率光纤渐变折射率光纤（3）、按光纤的传输模式：）、按光纤的传输模式：单模光纤单模光纤多模光纤多模光纤（4）、按用途分：）、按用途分：通信光纤通信光纤特殊光线：液芯光纤、红外光纤等特殊光线：液芯光纤、红外光纤等（5）、按制作方法分：）、按制作方法分：CVDMCVD 美国美国Bell实验室和英国南安实验室和英国南安安普顿大学安普顿大学20世纪世纪70年代首次提出年代首次提出5 5 光纤的特性光纤

16、的特性 （1）损耗）损耗 光纤纤芯材料和包层物质的吸收、散射、畸变，以及光纤弯曲处的辐射光纤纤芯材料和包层物质的吸收、散射、畸变，以及光纤弯曲处的辐射损耗等损耗等, 它表示光强度相对衰减与光纤长度的关系。设光纤输入输出端的光它表示光强度相对衰减与光纤长度的关系。设光纤输入输出端的光功率分别为，光纤长度为功率分别为，光纤长度为L，则光纤损耗为，则光纤损耗为 （2）色散）色散 光纤的色散是输入光脉冲在光纤传输过程中，由于光波的群速度不同而光纤的色散是输入光脉冲在光纤传输过程中，由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。可分为以下几种：出现的脉冲展宽现象。可分为以下几种：材料色散：材料色散：材料的折

17、射率随波长的变化而变化，使得光信号中各波长分量的光材料的折射率随波长的变化而变化，使得光信号中各波长分量的光的的 群速度不同而引起的群速度不同而引起的波导色散波导色散 :由于波导结构不同，某一波导模式的传输常数随信号角频率变化而引由于波导结构不同，某一波导模式的传输常数随信号角频率变化而引 起的色散有时也称为结构色散起的色散有时也称为结构色散多模色散：多模色散：在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下传输常数不同、群速在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下传输常数不同、群速度度 不同而产生的色散，是阶跃型多模光纤中脉冲展宽的主要根源，可在不同而产生的色散，是阶跃型多模光纤中脉冲展宽的主要根源

18、，可在 梯度光纤中大大减少。梯度光纤中大大减少。10lgioPLP单模光纤中起主要作用的是材料色散和波导色散单模光纤中起主要作用的是材料色散和波导色散!（3）光纤的模式）光纤的模式是光波沿光纤传播的途径和方式。是光波沿光纤传播的途径和方式。 （4）归一化频率）归一化频率 归一化频率是光纤的最重要的结构参数，它能表征光纤归一化频率是光纤的最重要的结构参数，它能表征光纤中传播模式的数量。归一化频率中传播模式的数量。归一化频率 的值可由纤芯半径的值可由纤芯半径r、光波、光波长长0 及其材料折射率及其材料折射率n（或数值孔径（或数值孔径NA）确定。）确定。22120022NArrnn 当当 2.405

19、时，就是单模光纤的条件，当时，就是单模光纤的条件，当 2.405时，一时，一定是多模光纤；定是多模光纤；当纤芯与包层折射率越大，光纤中允许存当纤芯与包层折射率越大，光纤中允许存在的模式越多，即光纤端面接收角越大，光纤中被激励的模在的模式越多，即光纤端面接收角越大，光纤中被激励的模式数越多。式数越多。6 6 光纤传感器分类光纤传感器分类（）光纤传感器的结构原理（）光纤传感器的结构原理以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。见图测的电信号的装置。见图(a)。 光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的光纤传感器是一种

20、把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。见图装置。见图(b)。信号处理信号处理电电 源源信号接收信号接收敏感元件敏感元件（a）传统传感器）传统传感器 导线导线光纤光纤信号处理信号处理光接收器光接收器敏感元件敏感元件光源光源（b）光纤传感器）光纤传感器可见，光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在可见，光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机传统传感器是以机电测量为基础，电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。而光纤传感器则以光学测量为基础。光纤传感器与电类传感器对比光纤传感器与电类传感器对比分类分类 内容内容 光纤传

21、感器光纤传感器电类传感器电类传感器调制参量调制参量振幅：吸收、反射等振幅：吸收、反射等相位：偏振相位：偏振电阻、电容、电感等电阻、电容、电感等敏感材料敏感材料温温-光敏、力光敏、力-光敏、光敏、磁磁-光敏光敏 温温-电敏、力电敏、力-电敏、电敏、磁磁-电敏电敏 传输信号传输信号光光电电传输介质传输介质光纤、光缆光纤、光缆电线、电缆电线、电缆从对比可见光纤传感器与电类传感器是并行互补从对比可见光纤传感器与电类传感器是并行互补的一类新型传感器。的一类新型传感器。 光是一种电磁波，其波长从极远红外的光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线到极远紫外线的的10nm。它的物理作用和生物化学作

22、用主要因其中的电场而引。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即的振动，即A电场电场E的振幅矢量；的振幅矢量；光波的振动频率；光波的振动频率；光相位；光相位；t光的传播时间。光的传播时间。 可见，只要使光的可见，只要使光的强度强度、偏振态偏振态(矢量矢量A的方向的方向)、频率频率和和相相位位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制、相位调制、那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调

23、制、相位调制、波长调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。波长调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。 tAEsin（）光纤传感器的分类（）光纤传感器的分类传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光纤传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非 干 涉 型 强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力

24、、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调制光纤温度传感器法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制光纤温度传感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、加速度气体浓度温度MMMMMMcbb注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a，b，c功能型、非功能型、拾光型按光纤在传感器中的作用按光纤在传感器中的作用光纤传感器分为光纤传感器分为功能型功能型、非功能型非功能型两大类。两大类。 功能型（全光纤型）光纤传感器功能型（全光纤型）光纤传感器 FF （Function Fibre Opt

25、il Sensor）利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊或特殊光纤光纤)作传感元件，将作传感元件，将“传传”和和“感感”合为一体的传感器。光合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变弯曲、相变)的作用下，其光学特性的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等光强、相位、偏振态等)的变化来实现的变化来实现“传传”和和“感感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。光纤连续，增加其长度，可提高灵敏

26、度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器传感型光纤传感器（功能型光纤传感器）传感型光纤传感器（功能型光纤传感器） （本征型）（本征型）光敏器件入射光纤信信号号出射光纤原理原理：指利用外界因素改变光纤中光的特征参量，从而对外界因：指利用外界因素改变光纤中光的特征参量，从而对外界因 素进行计量和数据传输的。素进行计量和数据传输的。特点特点：传感合一，信息的获取和传输都在光纤之中。：传感合一，信息的获取和传输都在光纤之中。 非功能型（或称传光型）光纤传感器非功能型（或称传光型）光纤传感器NFF（Non-Function Fibre Optil Sensor） 光纤仅起导光作用，只光纤仅起导光作用，只

27、“传传”不不“感感”，对外界信息的，对外界信息的“感觉感觉”功能依靠其它物理性质的功能元件完成，光纤不连续。功能依靠其它物理性质的功能元件完成，光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。信号处理信号处理光受信器光受信器敏感元件敏感元件光源光源光纤光纤传光型光纤传感器：非功能型光纤传感器传光型光纤传感器：非功能型光纤传感器 None Function FilterNFF（非本征型）（非本征型） 光敏器件 调制

28、器入射光纤出射光纤信信号号原理：原理：利用其它敏感元件测得特征量，由光纤进行数据传输。利用其它敏感元件测得特征量，由光纤进行数据传输。特点：特点：是充分利用现有的传感器，便于推广应用。是充分利用现有的传感器，便于推广应用。四四 分布式光纤传感器分布式光纤传感器1 1 概述（定义和特点）概述（定义和特点） 2 2 分类分类3 3 主要技术主要技术第六章第六章 光纤传感检测技术光纤传感检测技术主要内容：主要内容：根据光受被测对象的调制形式根据光受被测对象的调制形式形式：形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制、波强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制、波 长调制长调制等。等。 光的调制过程

29、就是将一携带信息的信号叠加到载波光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波 光波上；完成这一过程的器件叫做光波上；完成这一过程的器件叫做调制器调制器。在光纤传感器中，光的在光纤传感器中，光的解调过程解调过程通常是将光载波携通常是将光载波携 带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器 进行检测。进行检测。强度调制强度调制光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载波光强度变化，光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光从而实现对被测对象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检测

30、。电探测器进行检测。 其基本结构主要由其基本结构主要由光源光源、调制区调制区、光探测器光探测器三大部分组成。三大部分组成。强度调制型光纤传感器的特点是：强度调制型光纤传感器的特点是：技术上比较容易实现，所技术上比较容易实现，所采用光纤多为光通信用多模光纤，而相关的光纤接头和耦合采用光纤多为光通信用多模光纤，而相关的光纤接头和耦合器等部件，国内已有产品供应。器等部件，国内已有产品供应。强度调制分为：强度调制分为： 非功能型光强调制非功能型光强调制 功能型光强调制功能型光强调制 非功能型光强调制非功能型光强调制 非功能型光强调制的基本原理是根据光束位移、遮挡、非功能型光强调制的基本原理是根据光束位

31、移、遮挡、耦合及其它物理效应，通过一定的方式使进入接收光纤的耦合及其它物理效应，通过一定的方式使进入接收光纤的光强随外界信号变化而改变。光强随外界信号变化而改变。基本调制方式大致可分为基本调制方式大致可分为5 种类型：种类型：a 光束切割型光束切割型b 遮光型光强调制遮光型光强调制c 开关式光强调制开关式光强调制d 松耦合型松耦合型e 物理效应型物理效应型a 光束切割型光强调制光束切割型光强调制光束切割型光纤位移传感器简图b 遮光型光强调制遮光型光强调制移动光栅式光纤压力传感器c 开关式光强调制开关式光强调制 入射和出射光纤相对位置固定不动，外界物体运动使光入射和出射光纤相对位置固定不动，外界

32、物体运动使光强发生变化，外界物体如薄膜或管式压力计、热膨胀元件、强发生变化，外界物体如薄膜或管式压力计、热膨胀元件、液位等。液位等。DrP弹性薄膜入射光入射光 ：被透镜准直成半径为被透镜准直成半径为 r 的平行光束；的平行光束；出射光强变化出射光强变化 与挡板位移与挡板位移的关系：的关系：与（与（/r）成比例。）成比例。 d 松耦合型光强调制松耦合型光强调制松耦合型光强调制原理示意图 物理效应型光强调制主要是基于外调制技术，外调制技物理效应型光强调制主要是基于外调制技术，外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤本身只起传光作用。术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤本身只起传光作用。这里光纤

33、分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常用的调这里光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常用的调制器是制器是反射器反射器和和遮光屏遮光屏。e 物理效应型光强调制物理效应型光强调制反射式光强调制器的原理结构反射式光强调制器的原理结构(a)和输出电压与位移的关系和输出电压与位移的关系(b)物理效应型光强调制典型代表：物理效应型光强调制典型代表：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 功能型光强调制功能型光强调制 功能型光强调制是指光纤本身作为传感元件，功能型光强调制是指光纤本身作为传感元件，被测量通过改变传感光纤的被测量通过改变传感光纤的外形外形、纤芯与包层折纤芯与包层折射率比射

34、率比、吸收特性吸收特性及及模耦合特性模耦合特性等方法对光纤传等方法对光纤传输的光波强度进行调制。输的光波强度进行调制。a 微弯损耗与光纤微弯型光强调制微弯损耗与光纤微弯型光强调制b 变折射率型光强调制变折射率型光强调制 功能型光强调制功能型光强调制a 微弯损耗与光纤微弯光强调制微弯损耗与光纤微弯光强调制 微弯损耗强度调制器的原理如图。当垂直于光纤轴线的微弯损耗强度调制器的原理如图。当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，传输光有一部分会泄漏到包层中去。应力使光纤发生弯曲时，传输光有一部分会泄漏到包层中去。微弯损耗强度调制传感器原理图微弯损耗强度调制传感器原理图b 变折射率型光强调制变折射率型光

35、强调制液体芯光纤传感器探头示意图液体芯光纤传感器探头示意图液体光纤温度传感器结构示意图液体光纤温度传感器结构示意图液体折液体折射率随射率随温度减温度减小小(2)偏振调制与解调偏振调制与解调 光波是横波。光振动的电场矢量光波是横波。光振动的电场矢量E和磁场矢量和磁场矢量H与与光线传播方向与与光线传播方向s正交。按照光的振动矢量正交。按照光的振动矢量E、H在在垂直于光线平面内矢端轨迹的不同，又可分为垂直于光线平面内矢端轨迹的不同，又可分为线偏振线偏振光光（又称平面偏振光）、（又称平面偏振光）、圆偏振光圆偏振光、椭圆偏振光椭圆偏振光和和部部分偏振光分偏振光。利用光波的这种偏振性质可以制成光纤的。利用

36、光波的这种偏振性质可以制成光纤的偏振调制传感器。偏振调制传感器。 在许多光学系统中，尤其是包含有单模光纤的在许多光学系统中，尤其是包含有单模光纤的系统中，光波的偏振特性起着重要作用。系统中，光波的偏振特性起着重要作用。理解光纤系统中的偏振现象是讨论光纤偏振元件和传理解光纤系统中的偏振现象是讨论光纤偏振元件和传感器的核心问题。感器的核心问题。许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态。许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态。光纤传感器中的偏振调制器普遍采用的物理效应有光纤传感器中的偏振调制器普遍采用的物理效应有旋光效应旋光效应、磁光效应磁光效应、普克尔效应普克尔效应、克尔效应克尔效应及及光弹效应光弹

37、效应。 基于旋光效应的偏振调制基于旋光效应的偏振调制 石英晶体的旋光性实验系统 石英晶体 波长为波长为的光线经过石英晶体时，光矢量受到旋转，如图所示。的光线经过石英晶体时，光矢量受到旋转，如图所示。按照菲涅耳的解释，进入石英晶体的线偏振光可以分解为左旋圆按照菲涅耳的解释，进入石英晶体的线偏振光可以分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。设左、右旋圆偏振光在石英晶体中的折偏振光和右旋圆偏振光。设左、右旋圆偏振光在石英晶体中的折射率分别为射率分别为nL、nR，则线偏振光穿过石英晶体后其光矢量的旋转，则线偏振光穿过石英晶体后其光矢量的旋转角角为：为：式中的式中的d为光线穿过石英晶体的几何长度。光矢量的旋转

38、角为光线穿过石英晶体的几何长度。光矢量的旋转角与温与温度有关，究其原因，只能是石英晶体的折射率度有关，究其原因，只能是石英晶体的折射率nL、nR受温度的调受温度的调制。制。基于磁光效应的偏振调制基于磁光效应的偏振调制 在光学各向同性的透明介质上，外加磁场在光学各向同性的透明介质上，外加磁场H，可以使穿过它，可以使穿过它的平面偏振光的偏振方向发生旋转，这种现象称为的平面偏振光的偏振方向发生旋转，这种现象称为磁致旋光效磁致旋光效应或法拉第效应应或法拉第效应。 处于磁场中的光纤会使在光纤中传播的偏振光发生偏振面的旋处于磁场中的光纤会使在光纤中传播的偏振光发生偏振面的旋转，其旋转角度转，其旋转角度与磁

39、场强度与磁场强度H、磁场中光纤的长度、磁场中光纤的长度L成正比：成正比：VHL法拉第磁光效应法拉第磁光效应 平面偏振光平面偏振光通过带磁性的物通过带磁性的物体时，其偏振光体时，其偏振光面发生偏转，这面发生偏转，这种现象称为法拉种现象称为法拉第磁光效应。第磁光效应。P1+-旋旋光光物物质质P2P1、P2偏振偏振片片S光光源源2IVHLVLR式中，式中， I I 为导线中通过的电流。为导线中通过的电流。这种结构可以制成电流传感器。这种结构可以制成电流传感器。光纤电流传感器光纤电流传感器 根据法拉第旋光效应，由电流所形成的磁场会引起光纤根据法拉第旋光效应，由电流所形成的磁场会引起光纤中线偏振光的偏转

40、，通过检测偏转角的大小，就可得到相应电中线偏振光的偏转，通过检测偏转角的大小，就可得到相应电流值。如上图所示，从激光器发生的激光经起偏器变成偏振光，流值。如上图所示，从激光器发生的激光经起偏器变成偏振光，再经显微镜（再经显微镜（10）聚焦耦合到单模光纤中。为了消除光纤中）聚焦耦合到单模光纤中。为了消除光纤中的包层模，可把光纤浸在折射率高于包层的油中，再将单模光的包层模，可把光纤浸在折射率高于包层的油中，再将单模光纤以半径纤以半径R绕在高压载流导线上。绕在高压载流导线上。 上图为一种全光纤结构的光纤电流传感器。其中单偏上图为一种全光纤结构的光纤电流传感器。其中单偏光纤代替了上述结构中的起偏器，并

41、用了一个多圈传光纤代替了上述结构中的起偏器，并用了一个多圈传感线圈。电流测量范围可达感线圈。电流测量范围可达0.l5000A。 基于普克尔效应的偏振调制基于普克尔效应的偏振调制 各向异性晶体中的普克尔效应是一种很有用的电各向异性晶体中的普克尔效应是一种很有用的电光效应，当电场施加到光正在其中传播的各向异性晶光效应，当电场施加到光正在其中传播的各向异性晶体时，所引起的感应双折射正比于所加电场的一次方，体时，所引起的感应双折射正比于所加电场的一次方，故普克尔效应又称为线性电光效应。故普克尔效应又称为线性电光效应。如果在晶体两端接上电极，两极间加一个电场，如果在晶体两端接上电极，两极间加一个电场，通

42、光方向平行于外加电场时，称为纵向运用，也叫纵通光方向平行于外加电场时，称为纵向运用，也叫纵向调制。这种情况下晶体折射率的变化向调制。这种情况下晶体折射率的变化n与电场与电场E的的关系为：关系为：3063nnE折射率变化引起的相位差为： 306322nULnLd普克尔效应普克尔效应如图所示，如图所示，当压电晶体受光当压电晶体受光照射并在其正交照射并在其正交方向上加以高电方向上加以高电压，晶体将呈现压，晶体将呈现双折射现象双折射现象普克耳效应。在普克耳效应。在晶体中，两正交晶体中，两正交的偏振光的相位的偏振光的相位变化：变化：306322nULnLd 基于克尔效应的偏振调制基于克尔效应的偏振调制

43、克尔效应又称平方电光效应，是一种分子对称性的微观畸变，克尔效应又称平方电光效应，是一种分子对称性的微观畸变，是在施加电场的作用下，电子云产生轻度的排列取向的结果，发是在施加电场的作用下，电子云产生轻度的排列取向的结果，发生在一切物质中。生在一切物质中。由感应双折射引起的寻常光折射率由感应双折射引起的寻常光折射率no和异常光折射率和异常光折射率ne与外加与外加电场电场E之间的关系为：之间的关系为： 20kEnnne两光波间的相位差为：两光波间的相位差为：22Ukld基于克尔效应的偏振调制基于克尔效应的偏振调制光克尔调制器结构示意图光克尔调制器结构示意图 基于光弹效应的偏振调制基于光弹效应的偏振调

44、制设单轴晶体的主折射率设单轴晶体的主折射率ne对应于对应于MN方向上振动光的折方向上振动光的折射率；主折射率射率；主折射率no对应于垂直于对应于垂直于MN方向上的振动光的折射率，方向上的振动光的折射率，则由光弹效应产生的相位差与压强则由光弹效应产生的相位差与压强 p 的关系为的关系为式中，式中，k 为为 物质的常数；物质的常数； none为表征光弹效应的强弱；为表征光弹效应的强弱；l 为为光波通过材料的长度。光波通过材料的长度。 oe0022/nnlkpl形变应力双折射实验装置形变应力双折射实验装置 在实用的光纤压力传感器中，为了加大光束在光在实用的光纤压力传感器中，为了加大光束在光弹材料中的

45、光路长度，往往把光纤卷绕在一个小的圆弹材料中的光路长度，往往把光纤卷绕在一个小的圆柱体上，以在光纤中产生大的双折射而获得较大的线柱体上，以在光纤中产生大的双折射而获得较大的线圈张力。双折射产生两个独立传播的线偏振本征模。圈张力。双折射产生两个独立传播的线偏振本征模。采用适当的分析仪，检测光纤中传播光的偏振面旋转采用适当的分析仪，检测光纤中传播光的偏振面旋转与强度变化相关。与强度变化相关。 偏振调制传感探头偏振调制传感探头 (3) 相位调制与解调相位调制与解调 相位调制是光纤传感中最重要的传感技术，其相位调制是光纤传感中最重要的传感技术，其基本的传感机理是，外界信号（被测量）按照一定基本的传感机

46、理是，外界信号（被测量）按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生相应的变化，的规律使光纤中传播的光波相位发生相应的变化，光相位的变化量即反映被测的外界量。光相位的变化量即反映被测的外界量。相位调制型光纤传感器的特点相位调制型光纤传感器的特点 灵敏度高灵敏度高 光学中的干涉法是目前最灵敏的探测技术之一。在光纤光学中的干涉法是目前最灵敏的探测技术之一。在光纤干涉仪中，由于以光纤代替空气光程，光纤的长度可达数米干涉仪中，由于以光纤代替空气光程，光纤的长度可达数米且不受机械限制，比普通的光学干涉仪更加灵敏。且不受机械限制，比普通的光学干涉仪更加灵敏。 几何形状灵活多样几何形状灵活多样 由于传感器的敏感

47、部分由光纤本身构成，而光纤又十分柔由于传感器的敏感部分由光纤本身构成，而光纤又十分柔软，可绕性能好，所以敏感部分的几何形状可根据使用要求软，可绕性能好，所以敏感部分的几何形状可根据使用要求设计成不同形式的传感元件，如平面式、线列阵式、梯度式设计成不同形式的传感元件，如平面式、线列阵式、梯度式等。等。 工作对象广泛工作对象广泛 任何物理量，只要对干涉仪中的光程产生影响，即可任何物理量，只要对干涉仪中的光程产生影响，即可用相位调制型光纤传感器探侧。用相位调制型光纤传感器探侧。 需要特殊类型的光纤需要特殊类型的光纤 在光纤干涉仪中，为获得最佳干涉效应，应使同一模在光纤干涉仪中，为获得最佳干涉效应，应

48、使同一模式的光叠加，且两相干光的振动方向必须一致，因此希望式的光叠加，且两相干光的振动方向必须一致，因此希望采用高双折射的单模光纤。采用高双折射的单模光纤。实现相位调制的物理效应实现相位调制的物理效应 () 应力应变效应应力应变效应 光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，将产生三个主要的物理效应，导致光纤中光相将产生三个主要的物理效应，导致光纤中光相位的变化：位的变化： 光纤的长度变化光纤的长度变化应变效应应变效应 光纤芯的直径变化光纤芯的直径变化泊松效应泊松效应 光纤芯的折射率变化光纤芯的折射率变化光弹效应光弹效应() 热胀冷缩效应热胀冷缩效应 在所有干

49、涉型光纤传感器中，光纤中传播光的在所有干涉型光纤传感器中，光纤中传播光的相位响应相位响应都是与待测场中光纤的长度都是与待测场中光纤的长度L成正比。成正比。这个待测场可以是变化的温度这个待测场可以是变化的温度T。 由于干涉型光纤传感器中的信号臂光纤可以足由于干涉型光纤传感器中的信号臂光纤可以足够长，因此信号光纤对温度变化有很高的灵敏度。够长，因此信号光纤对温度变化有很高的灵敏度。 (4) 频率调制与解调频率调制与解调 光频率调制，是指用被测量对光纤中传输的光波光频率调制，是指用被测量对光纤中传输的光波频率进行调制，频率偏移即反映被测量的变化。频率进行调制，频率偏移即反映被测量的变化。 频率调制时

50、光纤往往只起传输光频率调制时光纤往往只起传输光信号的作用，而不作为敏感元件，信号的作用，而不作为敏感元件，是一种非功能型调制。是一种非功能型调制。 目前主要是利用光学多普勒效应目前主要是利用光学多普勒效应实现频率调制。图中，实现频率调制。图中，S为光源，为光源，P为运动物体，为运动物体，Q是观察者所处的位是观察者所处的位置。若物体置。若物体 P的运动速度为的运动速度为v，方向，方向与与PS及及PQ的夹角分别为的夹角分别为1和和2，则，则从从S发出的频率为发出的频率为f的光经过运动物的光经过运动物体体P散射，观察者在散射，观察者在Q处观察到的频处观察到的频率为率为f1 。光学多普勒概念光学多普勒

51、概念 多普勒频移是最有代表性的一种光频率调制。多普勒频移是最有代表性的一种光频率调制。当频率为当频率为 f 的光入射到相对于观察者速度为的光入射到相对于观察者速度为v的运的运动物体上时，从运动物体反射到观察者的光的频率动物体上时，从运动物体反射到观察者的光的频率变成变成 f1，f1与与 f 之间有如下关系：之间有如下关系： 式中，式中，c为真空中的光速；为真空中的光速；1 1、 2 2为物体运动方向为物体运动方向与光源、物体运动方向与观察者的夹角。与光源、物体运动方向与观察者的夹角。多普勒频移为多普勒频移为1121coscosvffc 112coscosffffc光纤多普勒系统光纤多普勒系统

52、激光多普勒光纤测速系统激光多普勒光纤测速系统 通过测量多普勒频移量通过测量多普勒频移量 = s - 0实现流体速度的测量实现流体速度的测量干涉光的光强干涉光的光强I(t)为：为：利用频谱分析仪测量光敏器利用频谱分析仪测量光敏器件电信号，即可测出频移。件电信号，即可测出频移。由于余弦函数为偶函数，对由于余弦函数为偶函数，对于的正负不易断定，因此零差于的正负不易断定，因此零差测量法只能测量运动大小，不测量法只能测量运动大小，不能测量物体运动方向。能测量物体运动方向。1 1 概述（定义和特点）概述（定义和特点） 2 2 分类分类3 3 主要技术主要技术第六章第六章 光纤传感检测技术光纤传感检测技术主

53、要内容：主要内容：三三 光纤传感器实例光纤传感器实例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简反射式光纤位移传感器结构简单、设计灵活、能适应恶劣环境，单、设计灵活、能适应恶劣环境，在实际工作中得到了广泛应用。其在实际工作中得到了广泛应用。其结构示意图如下图所示。由光源发结构示意图如下图所示。由光源发出的光经发射光纤束传输入射到被出的光经发射光纤束传输入射到被测目标表面测目标表面, ,目标表面的反射光由与目标表面的反射光由与发射光纤束扎在一起的接收光纤束发射光纤束扎在一起的接收光纤束传输至光敏元件。根据被测目标表传输至光敏元件。根据被测目标表面光反射至接收光纤束的光强度的面光反

54、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。变化来测量被测表面距离的变化。 x发送光纤束发送光纤束接受光纤束接受光纤束反射面反射面 其工作原理如下图：由于光纤有一定的数值孔径，当光其工作原理如下图：由于光纤有一定的数值孔径，当光纤探头端部紧贴被测件时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤探头端部紧贴被测件时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去，接收光纤中无光信号；当被测表面逐渐远离光纤探头纤中去，接收光纤中无光信号；当被测表面逐渐远离光纤探头时，发射光纤照亮被测表面的面积越来越大，于是相应的发射时，发射光纤照亮被测表面的面积越来越大，于是相应的发射光锥和接收光锥重合面积光锥和接收光锥重

55、合面积B B1 1越来越大，因而接收光纤端面上被越来越大，因而接收光纤端面上被照亮的照亮的B B2 2区也越来越大，有一个线性增长的输出信号。区也越来越大，有一个线性增长的输出信号。 当整个接收光纤被全部照亮时，输出信号达到了位移当整个接收光纤被全部照亮时，输出信号达到了位移- -输出输出信号曲线上的信号曲线上的“光峰点光峰点”，光峰点以前的这段曲线叫前坡区；，光峰点以前的这段曲线叫前坡区；当被测表面继续远离时，由于被反射光照亮的当被测表面继续远离时，由于被反射光照亮的B B2 2面积达到极值面积达到极值，逐渐有部分反射光不能反射进接收光纤，还由于接收光纤更，逐渐有部分反射光不能反射进接收光纤

56、，还由于接收光纤更加远离被测表面，接收到的光强逐渐减小，光敏输出器的输出加远离被测表面，接收到的光强逐渐减小，光敏输出器的输出信号逐渐减弱信号逐渐减弱, ,进入曲线的后坡区，如下图所示。进入曲线的后坡区，如下图所示。 输出位移光峰坡前后坡O位移位移- -输出信号曲线输出信号曲线 在位移在位移- -输出曲线的前坡区输出曲线的前坡区, ,输出信号的强度增加得非常输出信号的强度增加得非常快快, ,这一区域可以用来进行微米级的位移测量。在后坡区这一区域可以用来进行微米级的位移测量。在后坡区, ,信信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比, ,可用可

57、用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。在光于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。在光峰区峰区, ,信号达到最大值信号达到最大值, ,其大小取决于被测表面的状态。所以其大小取决于被测表面的状态。所以这个区域可用于对表面状态进行光学测量。这个区域可用于对表面状态进行光学测量。 输出位移光峰坡前后坡O位移位移- -输出信号曲线输出信号曲线 所使用光纤束的特性是影响这种类型光纤传感器的灵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。敏度的主要因素之一。这些特性包括光纤的数量、尺寸和这些特性包括光纤的数量、尺寸和分布，以及每根光纤的数值孔径。分布，以及每根光纤的

58、数值孔径。而光纤探头端部的发射而光纤探头端部的发射光纤和接收光纤的分布状况对探头测量范围和灵敏度的大光纤和接收光纤的分布状况对探头测量范围和灵敏度的大小有较大影响。一般在光纤探头的端部，发射光纤与接收小有较大影响。一般在光纤探头的端部，发射光纤与接收光纤有以下四种分布：光纤有以下四种分布： (a)(a)随机分布；随机分布； (b)(b)半球形对开分布；半球形对开分布； (c)(c)共轴内发射分布；共轴内发射分布； (d)(d)共轴外发射分布。如下图所示。共轴外发射分布。如下图所示。 发射光纤与接收光纤的四种分布发射光纤与接收光纤的四种分布(a)(b)(c)(d)(a)(a)随机分布；随机分布；

59、(b)(b)半球形对开分布；半球形对开分布；(c)(c)共轴内发射分布；共轴内发射分布；(d)(d)共轴外发射分布。共轴外发射分布。 光纤位移传感器的一个典型例子是：发射、接收各光纤位移传感器的一个典型例子是：发射、接收各300300根光纤组成一根根光纤组成一根0.762mm0.762mm的光缆。的光缆。 光纤内芯是折射率为光纤内芯是折射率为1.621.62的火石玻璃，包层是折射率的火石玻璃，包层是折射率为为1.521.52的玻璃。光缆的后部被分成两支，一支用于发射的玻璃。光缆的后部被分成两支，一支用于发射光，一支用于接收光。光源是光，一支用于接收光。光源是2.5V2.5V的白炽灯泡，而接收的

60、白炽灯泡，而接收光信号的敏感元件是光电池。光敏检测器输出与接收到光信号的敏感元件是光电池。光敏检测器输出与接收到的光强成正比的电信号。对于每的光强成正比的电信号。对于每0.25m0.25m位移产生位移产生1V1V的电的电压输出，分辨率是压输出，分辨率是0.025m0.025m。 光纤传感器位移光纤传感器位移- -输出信号曲线的形状取决于光纤探头输出信号曲线的形状取决于光纤探头的结构特性，但是输出信号的绝对值却是被测表面反射率的的结构特性，但是输出信号的绝对值却是被测表面反射率的函数。函数。 为了使传感器的位移灵敏度与被测表面反射率无关，可为了使传感器的位移灵敏度与被测表面反射率无关，可以采取以