重庆科创学院光纤式传感器

1、 第第10章章 光光 纤纤 传传 感感 器器 光纤传感器是光纤传感器是2020世纪世纪7070年代中期发展起来的一种基年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是于光导纤维的新型传感器。它是光纤光纤和和光通信技术光通信技术迅速迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器纤传感器用光作为敏感信息的载体用光作为敏感信息的载体，用光纤作为，用光纤作为传递敏传递敏感信息的媒质感信息的媒质。因此，它同时具有。因此，它同时具有光纤光纤及及光学测量光学测量的特的特点。点。 电绝缘性能好电绝缘性能好; 抗电磁干扰能力强抗电磁干扰能力强;

2、非侵入性非侵入性; 高灵敏度高灵敏度; 容易实现对被测信号的远距离监控。容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量等物理量.图图1 光纤的基本结构光纤的基本结构10.1 光纤结构及其传光原理光纤结构及其传光原理1. 光纤结构光纤结构光纤是光纤是光学纤维光学纤维的简称，它是一的简称，它是一种特殊结构的光学纤维，结构如种特殊结构的光学纤维，结构如图图1 1所示。中心的圆柱体叫所示。中心的圆柱体叫纤芯纤芯( (传导光波传导光波)

3、 )，围绕着纤芯的圆形，围绕着纤芯的圆形外层叫外层叫包层包层( (将光封闭在光纤中将光封闭在光纤中传播传播) )。纤芯和包层通常由不同。纤芯和包层通常由不同掺杂的石英玻璃制成。掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折纤芯的折射率射率n n1 1略大于包层的折射率略大于包层的折射率n n2 2，光纤的导光能力取决于纤芯和包光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。在包层外面还常有一层的性质。在包层外面还常有一层层保护套保护套，多为尼龙材料，以增，多为尼龙材料，以增加机械强度。加机械强度。 图图2 光纤的传光原理光纤的传光原理2ciin0n2n1纤 芯包 层2. 光纤传光原理光纤传光原理 众所周知，众所周知，光在

4、空间是直线传播的光在空间是直线传播的。在光纤中，光的传输。在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤能传送很远的距离，光纤的传输是限制在光纤中，并随着光纤能传送很远的距离，光纤的传输是基于光的基于光的全内反射全内反射。设有一段圆柱形光纤，如图。设有一段圆柱形光纤，如图2 2所示，它的两所示，它的两个端面均为光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线个端面均为光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成成i i角时，在端面发生折射进入光纤后角时，在端面发生折射进入光纤后, , 又以角又以角 入射至纤芯入射至纤芯与包层的界面，光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。与包层的界面，光线有一部分

5、透射到包层，一部分反射回纤芯。i根据折射定律根据折射定律: :sinsin21nni要发生全反射要发生全反射, ,则则: :90当当90时时, ,此时的入射角为临界角此时的入射角为临界角)arcsin(12nnc 但当入射角大于临界入射角但当入射角大于临界入射角c c时，光线就不会透射界面，时，光线就不会透射界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端面射出，锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端面射出，这就是光纤的传光原理。这就是光纤的传光原理。 3、 光纤基本特性光纤

6、基本特性 （1 1）、数值孔径（）、数值孔径（NANA） 数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少。纤接收光量的多少。其意义是：无论光源发射功率有多大，只其意义是：无论光源发射功率有多大，只有入射角处于有入射角处于2 2c c的光椎角内，光纤才能传光。如入射角过大，的光椎角内，光纤才能传光。如入射角过大， 光线便从包层逸出而产生漏光。光线便从包层逸出而产生漏光。222101sinnnnNAc 光纤的光纤的NA越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率

7、；的数值孔径，这有利于提高耦合效率； 但数值孔径过大，会但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为光纤数值孔径一般为0.20.4。 数值孔径（数值孔径（NA）定义为）定义为: （2）、）、 光纤模式光纤模式 光纤模式是指光波传播的途径和方式光纤模式是指光波传播的途径和方式。只要在光纤的数值。只要在光纤的数值孔径内，从某一角度入射进入光纤传播的光就称为一个模式。孔径内，从某一角度入射进入光纤传播的光就称为一个模式。在光纤中传播模式很多不利于光信号的传播，因为同一种光信在光纤中传播模式很多不利于光信号

8、的传播，因为同一种光信号采取很多模式传播将使光信号分为多个不同时间到达接收端号采取很多模式传播将使光信号分为多个不同时间到达接收端的小信号，从而导致合成信号的畸变，因此希望光纤信号模式的小信号，从而导致合成信号的畸变，因此希望光纤信号模式数量要少。数量要少。 一般纤芯直径为一般纤芯直径为212m，只能传输一种模式称为单模光纤只能传输一种模式称为单模光纤。这类光纤的传输性能好，信号畸变小，信息容量大，线性好，这类光纤的传输性能好，信号畸变小，信息容量大，线性好， 灵敏度高，灵敏度高， 但由于纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困难。但由于纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困难。 纤芯直径较大（纤芯

9、直径较大（50100m），传输模式较多称为多模光纤。），传输模式较多称为多模光纤。 这这类光纤的性能较差，类光纤的性能较差，输出波形有较大的差异，但由于纤芯截面输出波形有较大的差异，但由于纤芯截面积大，故容易制造，连接和耦合比较方便。积大，故容易制造，连接和耦合比较方便。 （3）、光纤传输损耗）、光纤传输损耗 光纤传输损耗主要来源于光纤传输损耗主要来源于材料吸收损耗材料吸收损耗、 散射损散射损耗耗和和光波导弯曲损耗。光波导弯曲损耗。 目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。复合材料等。 在这些材料中，由于存在杂质离子、原在这些材料中，由于

10、存在杂质离子、原子的缺陷等都会吸收光，从而造成子的缺陷等都会吸收光，从而造成材料吸收损耗材料吸收损耗。 散射损耗散射损耗主要是由于材料密度及浓度不均匀引起的，这种主要是由于材料密度及浓度不均匀引起的，这种散射与波长的四次方成反比。因此散射随着波长的缩短而迅速散射与波长的四次方成反比。因此散射随着波长的缩短而迅速增大。增大。 所以可见光波段并不是光纤传输的最佳波段，在近红外所以可见光波段并不是光纤传输的最佳波段，在近红外波段（波段（11.7m11.7m）有最小的传输损耗。因此传输长波光纤已成）有最小的传输损耗。因此传输长波光纤已成为目前发展的方向。为目前发展的方向。 光纤拉制时粗细不均匀，造成纤

11、维尺寸沿光纤拉制时粗细不均匀，造成纤维尺寸沿轴线变化，轴线变化， 同样会引起光的散射损耗。另外纤芯和包层界面的同样会引起光的散射损耗。另外纤芯和包层界面的不光滑、污染等，也会造成严重的散射损耗。不光滑、污染等，也会造成严重的散射损耗。 光波导弯曲损耗光波导弯曲损耗是使用过程中可能产生的一种损耗。当弯是使用过程中可能产生的一种损耗。当弯曲半径大于曲半径大于10cm10cm时，损耗可忽略不计。时，损耗可忽略不计。 10.210.2、光纤传感器结构原理及分类、光纤传感器结构原理及分类 1 1、光纤传感器结构原理、光纤传感器结构原理 以电为基础的传统传感器以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转是一

12、种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，接，见图见图(a)(a)。信号处理电 源信号接收敏感元件（a）传统传感器 导线光纤传感器光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件光信号的装置。由光发送器、敏感元件( (光纤或非光光纤或非光纤的纤的) )、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见见图图(b)(b)。 由光发送器发出的光源经光纤引导

13、至敏感元件。由光发送器发出的光源经光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。经信号处理得到所期待的被测量。光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器 可见可见, ,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，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。光纤传感器以在测量原理上有本质的差别。光纤传感器以光学测量光学测量为为基础。基础。 光是一种电磁波。它的光是一种电磁波。它的

14、物理作用物理作用和和生物化学作用生物化学作用主主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须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。 由此由此, ,只要使光的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) )、频频率率和和相位相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受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、被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频

15、率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。的信息。 tAEsin（1 1）根据光纤在传感器中的作用）根据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和和非功能型非功能型二大类。二大类。 功能型（全光纤型）光纤传感器功能型（全光纤型）光纤传感器 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( (或特殊光纤或特殊光纤) )作传感元件，将作传感元件，将“传传”和和“感感”合为一体合为一体的传感器。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

16、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、光强、相位、偏振态等相位、偏振态等) )的变化来实现的变化来实现“传传”和和“感感”的功能的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增。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。加其长度，可提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器 2 2、光纤传感器的分类、光纤传感器的分类非功能型（或称传光型）光纤传感器非功能型（或称传光型）光纤传感器 光纤仅起导光作用，只光纤仅起导光作用，只“传传”不不“感感”，对外界，对外界信息的信息的“感觉感觉”功能依靠其他物理性质的功能

17、元件完功能依靠其他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，成本低。但灵敏度也较他特殊技术，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。低，用于对灵敏度要求不太高的场合。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤（2 2）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强度调制型强度调制型、偏振调制偏振调制、频率调制频率调制、相位调制相位调制。强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折折射率射率、吸

18、收吸收或或反射反射等参数的变化，从而导致光强度等参数的变化，从而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。变化来实现敏感测量的传感器。优点优点：结构简单、容易实现，成本低。：结构简单、容易实现，成本低。缺点缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响 较大较大 。偏振调制光纤传感器偏振调制光纤传感器 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影的传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高。响，因此灵敏度高。频率调制光纤传感器频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测

19、物体上反射回来的是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的光的频率发生变化频率发生变化来进行监测的传感器。来进行监测的传感器。相位调制传感器相位调制传感器 其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使其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。这类传感器的灵敏度很高。但由得到被测对象的信息。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。 光纤温度传感器光纤温度传感器 光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而被广泛使用的光纤传感器。根据工作原理它可分为相位被广泛使用的光纤传感器。根据工作原理它可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。这里介绍一种光强调制型、光强调制型和偏振光型等。这里介绍一种光强调制型的半导体光吸收型光纤传感器。调制型的半导体光吸收型光纤传感器。10.310.3、光纤传感器的应用、光纤传感器的应用光 源输 入 光 纤输 出