第8章光纤传感器

1、传感器原理与应用传感器原理与应用第第8章章 光纤式传感器光纤式传感器光纤式温度传感器光纤式温度传感器光纤式光电开关光纤式光电开关光纤式热金属探测器光纤式热金属探测器光纤式色标传感器光纤式色标传感器光纤式航空发动机叶片振动传感器光纤式航空发动机叶片振动传感器100200 m包层纤芯 涂敷层尼龙外层外层直径1mm) 1 . 8(sinsin1001nn则：则：)2 . 8(cossinsin111100nnn即：即：12011010sin1cossinnnnn 若要使入射光线在纤芯和包层的界面上发生全反若要使入射光线在纤芯和包层的界面上发生全反射，由临界角的定义，应满足：射，由临界角的定义，应满足

2、：)3 . 8(/sin121nn代入：代入：12011010sin1cossinnnnn)5 . 8 (11sin222102122010nnnnnnn 能使光线在光纤内全反射的最大入射角能使光线在光纤内全反射的最大入射角 C可由上可由上式求得，即式求得，即：得：得：)6 . 8(1sin22210CNAnnn式中，式中，NA称为光纤的称为光纤的数值孔径数值孔径，它表示当入射光从外，它表示当入射光从外部介质射入光纤时，只有入射角小于部介质射入光纤时，只有入射角小于 C的光才能在光的光才能在光纤中传播。纤中传播。)6 . 8 (1sin22210CNAnnn由：由：)7 . 8 (2NAr)8

3、 . 8()(4/)(2/22梯度型阶跃型N 值小于值小于2.41的光纤，纤芯很细的光纤，纤芯很细( (5 m mm10 m mm) )，仅能，仅能传输传输基模基模( (截止波长最长的模式截止波长最长的模式) )，故称为，故称为单模光纤单模光纤。 值大的光纤传输的模数多，称为值大的光纤传输的模数多，称为多模光纤多模光纤，通常纤，通常纤芯直径较粗芯直径较粗( (几十几十m mm以上以上) )，能传输几百个以上的模。，能传输几百个以上的模。)dB/km()/lg(1001LIIA类类 型型折射率分布折射率分布纤芯直径纤芯直径/ /m mm包层直径包层直径/ /mm数值孔径数值孔径单单 模模2880

4、1250.100.15多模多模阶跃光纤阶跃光纤( (玻璃玻璃) )802001002500.10.3多模多模阶跃光纤阶跃光纤( (玻璃玻璃/ /塑料塑料) )200100023012500.180.50多模多模梯度光纤梯度光纤501001251500.10.2光纤敏感元件光源光源光纤光电元件光电元件测量对象测量对象1. .功能型光纤传感器功能型光纤传感器 功能型光纤传感器又称功能型光纤传感器又称传感型光纤传感器传感型光纤传感器，主要主要使用单模光纤使用单模光纤，基本结构原理如图所示。光纤在这类，基本结构原理如图所示。光纤在这类传感器中传感器中不仅是传光元件不仅是传光元件，而且利用光纤本身的某些

5、而且利用光纤本身的某些特性来感知外界因素的变化特性来感知外界因素的变化，所以它所以它又是敏感元件又是敏感元件。光纤敏感元件光源光源光纤光电元件光电元件测量对象测量对象光纤光纤敏感元件光源光电元件光电元件测量对象测量对象光纤光纤敏感元件光源光电元件光电元件测量对象测量对象 按照被测物理量进行分类如下表所示。按照被测物理量进行分类如下表所示。FF表表示功能型光纤，示功能型光纤，NF表示非功能型光纤。表示非功能型光纤。SSDDSSDDDD光源光纤辐射计射线探测器入射光棱镜红光蓝光SDSD衍射板入射光棱镜红光蓝光SD8. .3. .1 强度调制强度调制8. .3. .2 波长调制波长调制8. .3.

6、.3 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量8. .3. .4 频率调制频率调制8. .3. .5 偏振调制偏振调制)12. 8(/2/200nLKLnL)13. 8()(0LnnLK式中式中，K0为光在真空中的传播常数，为光在真空中的传播常数，n为折射率。为折射率。 由此，纤芯折射率由此，纤芯折射率n变化和光纤长度变化和光纤长度L变化导变化导致的光相位变化为：致的光相位变化为：测量光路参考光路输出P1P2LDL激光器；激光器；P1分束器；分束器；P2耦合器；耦合器；D检测器检测器激光器光探测器激光器信号处理器3 dB耦合器反射的光纤端面换 能 器( a )( b )激光器分束器移动平面镜换能器

7、光检测器分束器固定平面镜 ( (2) )马赫马赫曾特尔干涉曾特尔干涉仪仪 与迈克尔逊干涉仪相比与迈克尔逊干涉仪相比其优点是只有少量或者没有其优点是只有少量或者没有光直接返回激光器，避免了光直接返回激光器，避免了反馈光使激光器不稳定和产反馈光使激光器不稳定和产生噪声。下图为实际应用。生噪声。下图为实际应用。4ALc式中，式中，A为光路系统围成的面积，为光路系统围成的面积，c为光速，为光速， 为光路为光路系统旋转的角速度。系统旋转的角速度。 由此可测干涉仪的台子相对于惯性空间的转动角由此可测干涉仪的台子相对于惯性空间的转动角速度。从原理上讲，它是目前许多惯性导航系统所用速度。从原理上讲，它是目前许

8、多惯性导航系统所用的环形激光陀螺的设计基础。的环形激光陀螺的设计基础。激光器光检测器换能器固定平面镜移动平面镜激光器光探测器激光器光探测器( c)( d)部分透射反射镜 反射率越大，分辨率越高。它是能用于现代科学反射率越大，分辨率越高。它是能用于现代科学的最灵敏的位移测量装置之一。的最灵敏的位移测量装置之一。 ( (4) )法布里法布里珀罗干涉珀罗干涉仪仪 两平行平面镜的反射率两平行平面镜的反射率一般大于或等于一般大于或等于95 %。下。下图为实际应用。图为实际应用。8. .3. .1 强度调制强度调制8. .3. .2 波长调制波长调制8. .3. .3 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量

9、8. .3. .4 频率调制频率调制8. .3. .5 偏振调制偏振调制)14. 8(cos1)/(1121ccffSPQ12)158(coscos)cos(cos1)/(1cos1cos1)/(1cos1)/(12122121222212cccfcccfccff考虑到考虑到 c，则可把双重多普勒频移方程表示为：，则可把双重多普勒频移方程表示为：)16. 8( )cos(cos1)cos(cos1121212cfcff f8. .3. .1 强度调制强度调制8. .3. .2 波长调制波长调制8. .3. .3 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量8. .3. .4 频率调制频率调制8. .3

10、. .5 偏振调制偏振调制)17. 8(dLHV式中，式中，Vd为物质的为物质的费尔费尔德常数德常数。NIVNlHVLHVddd 光纤材料的光纤材料的Vd非常小非常小( (00.0161/ /A) )，用此法测量的电流，用此法测量的电流值可达几十到几值可达几十到几十万安十万安。NIVNlHVLHVddd)18. 8(dNVI)19. 8( 22dVLK入射光压电晶体电极正常光异常光VP电极式中，式中，K为克尔常数。为克尔常数。L为光程，为光程，d为电极间距。为电极间距。8. .3. .1 强度调制强度调制8. .3. .2 波长调制波长调制8. .3. .3 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测

11、量8. .3. .4 频率调制频率调制8. .3. .5 偏振调制偏振调制 若能适当选择发光二极管，使其光谱范围正好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，即可做成透射式光纤温度传感落在吸收边的区域，即可做成透射式光纤温度传感器。透过半导体的光强随温度升高而减少。器。透过半导体的光强随温度升高而减少。8. .4. .1 光纤温度传感器光纤温度传感器 测温介质为测量光纤上的半导体材料碲化镉。参测温介质为测量光纤上的半导体材料碲化镉。参考光纤上没有敏感材料。采用除法器提高测量精度。考光纤上没有敏感材料。采用除法器提高测量精度。测温范围在测温范围在40 120 之间，精度为之间，精

12、度为1 。8. .4. .1 光纤温度传感器光纤温度传感器)20. 8(2nL式中，式中，L为感受温度变化的光为感受温度变化的光纤段的长度，纤段的长度， 为光源波长。为光源波长。氦氖激光器扩束器分束器显微物镜单模光纤被测温度场光探测器8. .4. .1 光纤温度传感器光纤温度传感器C/1010ddC/105dd67TnTLL,试计算在试计算在1 m的光纤上，温度每变化的光纤上，温度每变化1 时，将有时，将有几根条纹移动。几根条纹移动。8. .4. .1 光纤温度传感器光纤温度传感器解解 根据式根据式( (8. .20) )，对温度求导得：，对温度求导得：)20. 8(2nLTLnTnLTddd

13、d2ddTLLnTnTLdddd2dd代入已知条件得：代入已知条件得：m)Crad/( 107ddTL则条纹移动：则条纹移动：)mC/(17)2/(ddTLm8. .4. .1 光纤温度传感器光纤温度传感器8. .4. .1 光纤温度传感器光纤温度传感器位移MABCD1234XM1随机分布 2对半分布3同轴分布 4同轴分布发送光纤接收光纤反射光强1随机分布；随机分布；2对半分布；对半分布；3同轴分布；同轴分布；4同轴分布同轴分布位移MABCD1234XM1随机分布 2对半分布 3同轴分布 4同轴分布发送光纤接收光纤反射光强AMB CDM1随机分布；随机分布；2对半分布；对半分布；3同轴分布；同

14、轴分布；4同轴分布同轴分布位移MABCD1234XM1随机分布 2对半分布 3同轴分布 4同轴分布发送光纤接收光纤反射光强AMB CDM1234567889101氦氖激光器；氦氖激光器；2分束分束器；器；3扩束镜；扩束镜；4反射反射镜；镜；5可移动四面体棱镜；可移动四面体棱镜；6全息照片；全息照片；7光纤参光纤参考臂；考臂；8光探测器；光探测器；9可逆计数器；可逆计数器；10光阑光阑1234567889101氦氖激光器；氦氖激光器；2分束分束器；器；3扩束镜；扩束镜；4反射反射镜；镜；5可移动四面体棱镜；可移动四面体棱镜；6全息照片；全息照片；7光纤参光纤参考臂；考臂；8光探测器；光探测器；9

15、可逆计数器；可逆计数器；10光阑光阑入射光水管重物斑图dlh入射光水管重物斑图dlh)23. 8(/dsf式中式中， 为流速；为流速；d为光纤直径；为光纤直径；s为斯特罗哈数为斯特罗哈数( (无量无量纲纲) )，当雷诺数在一定范围内时，对圆柱体当雷诺数在一定范围内时，对圆柱体s0.2。)24. 8(cos2nf 式中，式中， 为血流速度；为血流速度；n为血液的折射率；为血液的折射率； 为为光纤轴线与血管轴线的光纤轴线与血管轴线的夹角；夹角； 为激光波长。为激光波长。fff1+ ff f1fff1+fff1ff8. .4. .1 光纤温度传感器光纤温度传感器8. .4. .2 光纤位移传感器光纤

16、位移传感器8. .4. .3 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器8. .4. .4 光纤磁传感器光纤磁传感器8. .4. .5 医用光纤传感器医用光纤传感器8. .4. .6 分布式光纤传感器分布式光纤传感器光源保偏光纤法拉第盒PHD1D2- -+ +渥拉斯渥拉斯登棱镜登棱镜)26. 8()45(sin)25. 8()45(cos202201IIII式中，式中， 为偏振面的旋转角度；为偏振面的旋转角度；I0为入射光强；为入射光强；I1、I2为两偏振光的强度。为两偏振光的强度。)27. 8(2sin2121IIIIP通过测量通过测量P就能确定就能确定 ，利用式，利用式( (8. .17)

17、)即可确定即可确定B。磁场光源磁性膜光纤参考光纤光检测器电输出8. .4. .1 光纤温度传感器光纤温度传感器8. .4. .2 光纤位移传感器光纤位移传感器8. .4. .3 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器8. .4. .4 光纤磁传感器光纤磁传感器8. .4. .5 医用光纤传感器医用光纤传感器8. .4. .6 分布式光纤传感器分布式光纤传感器导管光纤束反射镜防水薄膜悬臂梁Pp防水薄膜8. .4. .1 光纤温度传感器光纤温度传感器8. .4. .2 光纤位移传感器光纤位移传感器8. .4. .3 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器8. .4. .4 光纤磁传感器光纤磁传

18、感器8. .4. .5 医用光纤传感器医用光纤传感器8. .4. .6 分布式光纤传感器分布式光纤传感器脉冲激光器电子处理系统输入脉冲耦合器探测器输出局部微扰（损耗）连续传感光纤zl n(Ps)斜率i斜率i光纤端面反射t= 2nz/ci)28. 8(22ncttz)29. 8(2minncz 一般情况下，一般情况下，OTDR反射信号很弱，要获得高反射信号很弱，要获得高信噪比，常常需要对多个探测脉冲求平均。信噪比，常常需要对多个探测脉冲求平均。8. .4. .1 光纤温度传感器光纤温度传感器8. .4. .2 光纤位移传感器光纤位移传感器8. .4. .3 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感

19、器8. .4. .4 光纤磁传感器光纤磁传感器8. .4. .5 医用光纤传感器医用光纤传感器8. .4. .6 分布式光纤传感器分布式光纤传感器8. .4. .7 工业用内窥镜工业用内窥镜8. .4. .8 光纤加速度传感器光纤加速度传感器8. .4. .9 光纤光栅传感器光纤光栅传感器8. .4. .10 光纤层析成像分析技术及应用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光纤纳米生物传感器8. .4. .12 光纤传感领域的发展光纤传感领域的发展8. .4. .7 工业用内窥镜工业用内窥镜8. .4. .8 光纤加速度传感器光纤加速度传感器8. .4. .9 光纤

20、光栅传感器光纤光栅传感器8. .4. .10 光纤层析成像分析技术及应用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光纤纳米生物传感器8. .4. .12 光纤传感领域的发展光纤传感领域的发展 入射进光纤的宽带光，只有波长满足特定条件入射进光纤的宽带光，只有波长满足特定条件的光才能被反射回来，其余的光都被透射出去。的光才能被反射回来，其余的光都被透射出去。 光纤光栅光纤光栅应力传感器的应用如图所示。应力传感器的应用如图所示。 8. .4. .7 工业用内窥镜工业用内窥镜8. .4. .8 光纤加速度传感器光纤加速度传感器8. .4. .9 光纤光栅传感器光纤光栅传感器8. .4. .10 光纤层析成像分析技术及应用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光纤纳米生物传感器8. .4. .12 光纤传感领域的发展