光纤传感器论文

1、光纤传感器论文光纤传感器毛琪132640（仪器科学与工程学院，东南大学，南京210096）摘要：光纤传感器是现在被广泛应用的一类新型传感器，具有抗电磁干扰、灵敏度高、 重量轻、成本低等优良的特点。本文详细介绍了光纤传感器原理、结构和特性等方面的 内容。同时举例说明了光纤传感器在实际工程应用中的广泛应用。关键词：光纤传感器；原理；工程应用Fiber optic sensorMao Qi 132640School of Instrument Science and Engmeering, Southeast University,Nanjing 210096)Abstract: Fiber opt

2、ic sensor is a new type of sensor with excellent features of anti- electromagnetic interference, high sensitivity, light weight and low-cost,which is now widely used The paper detailedly introduces the principles, structures and characteristics of fiber optic sensors. At the same time, some examples

3、 are provided to illustrate that fiber optic sensors are extensive used in practical engineering applications.Keywords: fiber optic sensor(FOS); principle; engineering application1 引言被测信号的状态以光信号的形式取传感器技术、通信技术、计算机 出。光信号不仅能被人所直接感知,技术是现代信息技术的三大支柱，传 并能通过利用半导体二极管等小型简感器作为探测与获取外界信息的重要 单元件进行光电转换极易与一些电环节之一而被

4、应用于工业、农业及军 子装备相匹配n此外，光纤不仅是一事等各个领域。种敏感元件还是一种优良的低损耗传感器是光通信和集成光学技术发展量°的结晶，与传统的传感器不同，它将近20多年来，光纤传感器的发展则大有取代传统传感器的趋势。光纤传输线。因此，光纤传感器还可以用于传统的传感器所不适用的远距离测自从20世纪70年代末光纤传感 器诞生以来，便由于其具有的防火、 防爆、精度高、损耗低、体积小、重 量轻、寿命长、性价比高、复用性 好、响应速度快、抗电磁干扰、频带 范围宽、动态范围大、易与光纤传输 系统组成遥测网络等优点而被广泛地 应用于各行各业。随着对其研究的不 断深入，光纤传感器势必会对科学

5、研 究、国民生产、曰常生活等诸多领域 产生深远影响。2. 光纤传感器原理光纤传感器主要组成部分是光导 纤维，简称光纤。光纤是一种透明的 玻璃纤维丝，直径只有1100微米左 右。它是由内芯和外套两层组成，内 芯的折射率大于外套的折射率，光由 端射入，在内芯和外套的界面上进 过多次全反射，从另一端射出。光纤 不仅可以作为光波的传播介质，而且 光波在光纤中传播时表征光波的特征 参量（振幅、相位、偏振态、波长 等）因外界因素（如温度、压力、磁 场、电场、位移、转动等）的作用而 间接或直接地发生变化，从而可将光 纤用作传感器元件来探测各种物理 量。这就是光纤传感器的基本原理，如图1所示。图1光纤传感器原

6、理示意图3. 光纤传感器的特点与传统的传感器相比，光纤传感 器的主要特点如下：（1）抗电磁干扰，电绝 缘，耐腐蚀，本质安全由于光纤传感器是利用光波传输 信息.而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的 传输介质，因而不怕强电磁干扰，也 不影响外界的电磁场，并且安全可 靠。这使它在各个大型机电、石油、 化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有 效地传感。(1) 灵敏度髙利用长光纤和光波干涉技术使不 少光纤传感器的灵敏度优于一般的传 感器。其中有的已由理论证明，有的 已经实验验证，如测量转动、水声、 加速度、位移、温度、磁场等物理量 的光纤传感器。(2) 重量轻，体积小，外 形可变光纤除具有

7、重量轻、体积小的特 点外，还有可绕的优点，因此利用光 纤可制成外形各异、尺寸不同的各种 光纤传感器。这有利于航空、航天以 及狭窄空间的应用。(3) 测量对象广泛目前已有性能不同的测量温度、 压力、位移、加速度、液面、流量、 振动、水声、电流、电场、磁场、电 压、杂质含量、液体浓度、核辐射等 各种物理量、化学量的光纤传感器在 现场使用。(4) 对被测介质影响小 这对于一些特殊的领域的应用极为有利，如生物医疗领域。(5) 便于复用，便于成网 有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感器网络。(6) 成本低4. 几类典型的光纤传感器制、以及波长调制等几种形式。以下光纤传感器可分为传感型与传光 型两大

8、类。利用外界因素改变光纤中 光的强度(振幅)、相位、偏振态或 波长(频率)，从而对外界因素进行 计量和数据传输的，称为传感型(或 功能型)光纤传感器。传光型光纤传 感器是指利用其他敏感元件测得的物 理量，由光纤经行数据传输。它的特 点是充分利用现有的传感器.便于推 广应用。这两类光纤传感器都可再分 为光强调制、相位调制、偏振态调 将分别介绍这四种类型的光纤传感 器。(1) 振幅调制传感型光纤传感器利用外界因素引起的光纤中光强 的变化来探测物理量等各种参量的传 感器称为振幅调制传感型光纤传感 器。改变光纤中光强的方法有多种， 而改变光纤的微弯状态就是其中一 种。光纤微弯传感器就是利用光纤中 的微

9、弯损耗来探测外界物理量的变 化。它是利用多模光纤在受到微弯 时，一部分芯模能量会转化为包层模 能量这一原理，通过测量包层模能量 或芯模能量的变化来测量位移或振动 等。其原理图如图2所示。图2光纤微弯传感器原理图激光束经扩束、聚焦输入多模光纤。其中的非导引模由杂模滤除器去 掉.然后在变形器作用下产生位移， 光纤发生微弯的程度不同时，转化为 包层模式的能量也随之改变。变形器 由测微头调整至某一恒定变形量；待 测的交变位移由压电陶瓷给出。实验 表明该装置灵敏度达piV/A (它强烈 依赖于多模光纤中的导引模式分布， 高阶模越多.越易转化为包层模，灵 敏度也就愈高)，相当于最小可测试 位移为，动态范围

10、可望超过100dBo(2) 相位调制传感型光纤传感器利用外界因素引起的光纤中光波 相位的变化来探测物理量等各种参量 的传感器称为相位调制传感型光纤传 感器。该类传感器主要应用于制成干 涉仪，而光纤Sagnac干涉仪就是其中 典型的一种。光纤Sagnac干涉仪的基本原理是 在由同一光纤绕成的光纤圈中沿反方 向前进的两光波，在外界因素作用下 产生不同的相移。然后，通过干涉效 应进行检测。其最典型的应用就是转 动传感，及光纤陀螺。由于它没有活 动部件，没有非线性效应和低转速时 激光陀螺的闭锁区，因而非常有希望 制成高性能低成本的器件。图3是光 纤Sagnac干涉仪的原理图。用一长为 L的光纤，绕成半

11、径为R的光纤圈。 一激光束由分束镜分成两束，分别从 光纤两个端面输入，再从另一端面输 出。两输出光叠加后将产生干涉效 应，此干涉光强由光电接收器检测。图3光纤Sagnac干涉仪原理图I为激光器；2为光探测器；3为光纤圏当环形光路相对惯性空间有一转 动Q时(设Q垂直于环路平面)，则 对于顺、逆时针传播的光，将产生一 非互易的光程差4AL =Qc式中，A是环形光路的面积；c为 真空中的光速。当环形光路是由N圈单模光纤组成时，对应顺、逆时针光路之间的相位差为8ttNAA(p =QAc式中入是真空中的波长。(3) 偏振态调制型光纤传 感器外界因素使光纤中光波模式的偏 振态发生变化，对其进行检测的光纤

12、传感器属于偏振态调制型。最典型的 例子就是高电压传输线上用的光纤电 流传感器，光纤测电流的基本原理是 利用光纤材料的Faraday效应(熔石 英的磁光效应)，即处于磁场中的光 纤会使在光纤传播的偏振光发生偏振 面的旋转.其旋转角度Q与磁场强度 H、磁场中光纤的长度L成正比：Q = VHL式中V是菲尔德(Verket)常数，是 光纤的材料系数。由于载流导线在周 围空间产生的磁场满足安培环路定 律，对于长直导线有H = I/(2ttR), 因此只要测量Q, L, R的值.就可VLIn=2=VNI求出长直导线中的电流I。式中N是绕在导线上的光纤的总圈数。原理图如图4所示。图4光纤电流传感器原理图1为

13、激光器；2为起偏器；3为物镜；4为传输光纤；5为传感光纤；6为电流导线；7为光探测器；8为偏振棱镜；9为信号处理单元从激光器1发出的激光束经过起 偏器2、物镜3耦合进入单模光纤 4。6是高压载流导线，通过其中的电 流为I。5是绕在导线上的光纤，在这 段光纤上产生磁光效应，使通过光 纤的偏振光产生一个角度为Q的偏振 面的旋转。岀射光经偏振棱镜8把光 束分成振动方向相互垂直的两束偏振 光。再通过光探测器7变成电信号， 分别送进信号处理单元9经行运算。 最后由计算器输出的将是函数p_h J2P巫式中Jl , J2分别为两偏振光的强 度n再通过一定的计算即可得到被测 电流I的值。(4) 波长调制型光纤

14、传感器利用外界因素引起的光纤中光波纤应力应变传感器以及光纤温度传感波长的变化来探测物理量等各种参量 的传感器称为波长调制传感型光纤传 感器。光纤光栅传感器是一种典型的 波长调制型光纤传感器。以光纤布拉 格光栅传感器为例，又光纤光栅的布 拉格方程可知，光纤光栅的布拉格波 长取决于光栅周期A和反向耦合模的 有效折射率neff ,任何使这两个参量 发生改变的物理过程都将引起光栅布 拉格波长的漂移。因为无论是对光栅 进行拉伸还是挤压，都势必导致光栅 周期A的变化，并且光纤本身所具有 的弹光效应使得有效折射率neff也外 界应力状态的变化而改变。同理，环 境温度的变化也会引起光纤类似的变 化。因此采用光

15、纤布拉格光栅制成光 器，就成了光纤光栅在光纤传感领域 中最直接的应用。应力引起光栅布拉格波长漂移可 以由下式给予描述：AAb = 2neffA + 2AneffA式中A表示光纤本身在应力作用下的弹性 形变；Aneff表示光纤的弹光效应。 外界不同的应力状态将导致A和Aneff的不同变化。一般情况 下，由于光纤光栅属于各向同性柱体 结构，所以施加于其上的应力可在柱 坐标系下分解为Or，%和三个方 向。只有-作用的情况称为轴向应 力作用，务和称为横向应力作 用，三者同时存在为体应力作用。于 此类似，环境温度的变化会引起光栅 布拉格波长漂移，由此可测量环境温 度的变化。5. 光纤传感器的应用光纤传感

16、器的应用非常广泛，几 乎涉及国民经济的所有重要领域和人 们的曰常生活，加快了经济社会的建 设与发展。(1) 光纤传感器在石油领 域中的应用众所周知，在石油领域中需要测 量的量很多.其中主要有地表输油管 道的流量测量以及地下油井流量的测 量.流量是确定石油产业和传输特性 极重要的参数n可石油工业中被测量 体成分和物质化学性质复杂，流动状 态多种多样，再加上工作现场条件+ 分恶劣，很难进行测量°光纤流量传 感器以其独特的优点，比其它流量传 感器有明显优势，在石油工业中发挥 极其重要的作用。(2) 光纤传感器在军事领 域的应用光纤声纳阵。声纳是现代反潜战 中的主要探测手段，利用光纤声纳阵

17、可探测水下敌方的潜艇。目前，光纤 声纳阵已处于现场实验阶段，不久将 来将成为现代反潜战的重要探测、定 位手段。光纤陀螺仪。光纤陀螺仪可应用 在各种制导武器中，它在测量导弹的 姿态、实现制导、控制和目标跟踪中 占有极其重要地位，它对提高制导武 器的制导精度起着极为重要的作用， 甚至可以说起着关键性和决定性作 用。在上个世纪末，光纤陀螺仪已投 入部队使用。(3) 光纤传感器在医学中 的应用医用传感器是医学测量仪器的第 环节，是医学仪器与人体直接耦合 关键的器件。可以说它在从定向医学 走向定量医学发展过程中起到了重要 作用，特别是光纤传感器在观察体内 器官、传递形态学检查图像中起到重 要作用。目前，

18、医用光纤传感器的研 究与应用正受到广泛重视，种类也曰 趋繁多，功能和质量也不断完善，从 而越来越显示出光纤传感技术在医学 应用的广泛前景。(4) 光纤传感器在土木工 程中的应用光纤传感器在土木工程中的应用 主要体现在：监控结构的应用与变 形；0)对结构开裂进行检测；®对大 体积混凝土测温；)组成传感器网 络，遥控监测结构性能；结构安全 预示报警。我国已将光纤传感材料用 于三峡大坝和部分桥梁的健康检测和 安全评定等，美国、曰本、加拿大、 英国等国家的大学、研究机构也投入 了大量精力研究光纤传感器在混凝土 结构中的应用n(5) 光纤传感器在环境监 测中的应用对生态环境的监控实际上是人类 自我保护的一种措施，其中对水和大 气的监控尤为重要对水质进行方 便、可靠、连续、现场监控或遥测， 使用光纤传感器是非常理想的。利用 不同的技术可以制出光纤PH传感 器、光纤离子传感器、光纤化合物传 感器、光纤浊度传感