光导纤维传感器

1、关于光导纤维传感器现在学习的是第一页，共44页 光纤传感器光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)(FOS Fiber Optical Sensor)是是2020世纪世纪7070年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基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本质区别。光纤传感器础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信用光作为敏感信息的载体息的载体，用光纤作为，用光纤作为传递敏感信息的媒质传递敏感信息的媒质。因此，。因此，它同时具有光纤及光学测量

2、的特点它同时具有光纤及光学测量的特点。 12.112.1概论概论现在学习的是第二页，共44页一、光纤传感器的特点一、光纤传感器的特点二、常用光纤类型及参数二、常用光纤类型及参数 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。 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。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、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、磁场等物理压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量量现在学习的是第三页，共44页 常用光纤类型及参数常用光

3、纤类型及参数类型类型折射率分布折射率分布distribution of refractive index纤芯直径纤芯直径/m /m Diameter of core包层直径包层直径/m /m Diameter of envelope数值孔径数值孔径Numerical aperture单模单模28801250.100.15多模阶跃多模阶跃光纤光纤( (玻璃玻璃) )802001002500.10.3多模阶跃多模阶跃光纤光纤( (玻璃玻璃/ /塑料塑料) )200100023012500.180.50多模梯度多模梯度光纤光纤501001251500.10.2单模光纤单模光纤: :Mono-mode

4、 fiber; 多模光纤多模光纤: : Poly- mode fiber现在学习的是第四页，共44页三、光纤传感器结构原理及分类三、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是一种把测量的状态转变为可测的电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。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息信号的装置。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接，见图传输均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的。光纤传感器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、敏感元件状态

5、转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤或非光纤的光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器信号处理电 源信号接收敏感元件（a）传统传感器 导线 由光发送器发出的光经源光由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，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，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已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的最后经信号处理得到所期待的被测量。被测

6、量。现在学习的是第五页，共44页可见可见, ,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。传统传感器是以理上有本质的差别。传统传感器是以机机电测量电测量为基础，而光为基础，而光纤传感器则以纤传感器则以光学测量光学测量为基础。为基础。 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到极远紫外到极远紫外线的线的10nm。它的。它的物理作用物理作用和和生物化学作用生物化学作用主要因其中的电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场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢

7、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、频率调制或制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、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。相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。 tAEsin现在学习的是第六页，共44页传感器光学现象被测量

8、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、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SMMM

9、SMMMb,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 2 2、光纤传感器的分类、光纤传感器的分类现在学习的是第七页，共44页 1 1）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(或特或特殊光纤殊光纤)作传感元件，将作传感元件，将“传传”和和“感感”合为一体的传感合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素器。光纤不仅起传光作用，而且

10、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、偏振态光强、相位、偏振态等等)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，可提高灵中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器（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、非功能型非功能型和和拾光型拾光型三大类。三大类。现在学习的是第八页，共44页 2 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器）非功能型（或称传光

11、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”，对外界信息的，对外界信息的“感觉感觉”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他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵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。敏度也较低，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 3 3）拾光型光纤传感器）拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的对象

12、辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。速度计、辐射式光纤温度传感器等。 信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象现在学习的是第九页，共44页 （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形式：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。 1 1）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射率折射率、吸收吸收或或反射反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测等参数的变化，而导

13、致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的量的传感器。有利用光纤的微弯损耗微弯损耗；各物质的；各物质的吸收特性吸收特性；振动膜或液晶的振动膜或液晶的反射光强度反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。度调制型光纤传感器。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较大：受

14、光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。现在学习的是第十页，共44页 2 2）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的传感是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤

15、的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。强度变化的影啊，因此灵敏度高。 3 3）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物体上反射回来的光的是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发频率发生变化生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的散射光的多普勒效应多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射喇曼散

16、射构成构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光光致发光的温度传感器等。的温度传感器等。 现在学习的是第十一页，共44页 4 4）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，使敏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，而导致光的相位变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，通过检测化，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，从而得到被测干涉条纹的变化量来确定光的

17、相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。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。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。 现在学习的是第十二页，共44页光的全反射实验光的全反射实

18、验 12.212.2光纤传感器的基本知识光纤传感器的基本知识现在学习的是第十三页，共44页光的反射、折射光的反射、折射 当一束光线以一定的入射角当一束光线以一定的入射角1 1从介从介质质1 1射到介质射到介质2 2的分界面上时，一部分能量反的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。另一介质内继续传播。 现在学习的是第十四页，共44页 光的全反射光的全反射 当减小入射角时，进入介质当减小入射角时，进入介质2 2的折射光与分界面的的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传夹角将相应减小，将导

19、致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角c c。当入。当入射角小于射角小于c c时，入射光线将发生全反射。时，入射光线将发生全反射。现在学习的是第十五页，共44页 12.2.112.2.1光线理论光线理论一、均匀纤芯光纤传光的光线理论一、均匀纤芯光纤传光的光线理论1、子午光线的传播、子午光线的传播现在学习的是第十六页，共44页220max12sinnnn光纤数值孔径光纤数值孔径NA:2、斜光线的传播、斜光线的传播最大端面入射角最大端面入射角 斜斜 子午子午；maxmax斜光线在纤芯内呈螺旋状全反射折线向前传播；斜光线在纤芯内呈

20、螺旋状全反射折线向前传播；斜光线与斜光线与 =0的光线时差很大，即斜光线的色散的光线时差很大，即斜光线的色散很大，所以斜光线的传输带宽很窄；很大，所以斜光线的传输带宽很窄；max现在学习的是第十七页，共44页二、非均匀纤芯光纤传光的光线理论二、非均匀纤芯光纤传光的光线理论现在学习的是第十八页，共44页包层包层现在学习的是第十九页，共44页 非均匀纤芯光纤的折射率分布表示为：非均匀纤芯光纤的折射率分布表示为： n(r)= n(0) f(r) 当当n (r)满足双曲正割分布时，即：满足双曲正割分布时，即：n(r)= n(0) sech(r) 不同入射角的子午光线将同周期传播，传播波长为：不同入射角

21、的子午光线将同周期传播，传播波长为： =2/ 且光纤内光线的传播轨迹为正弦波，称之为且光纤内光线的传播轨迹为正弦波，称之为自聚焦光纤自聚焦光纤 现在学习的是第二十页，共44页现在学习的是第二十一页，共44页12.2.212.2.2波动理论波动理论一、传播模式的定义一、传播模式的定义光在光纤中传播时电磁场的不同分布形式称为光在光纤中传播时电磁场的不同分布形式称为模式模式。采用圆柱坐标，各模式的定义如下：采用圆柱坐标，各模式的定义如下： 磁场分量磁场分量:HZ0（轴向）；（轴向）；H=0；Hr=0； 电场分量电场分量:E0； Er 0； EZ =0； m、n分别表示分别表示、r方向的波节数，均为整

22、数；方向的波节数，均为整数；1、TEmn 模模：现在学习的是第二十二页，共44页 当在轴向即有电场分量又有磁场分量时，称为混合模；当在轴向即有电场分量又有磁场分量时，称为混合模；电场分量占优势而磁场分量较弱时，记为电场分量占优势而磁场分量较弱时，记为EHmn模，反之，模，反之，为为HEmn 模模；2、TMmn 模模：磁场分量磁场分量:HZ = 0；H0；Hr0；电场分量电场分量:E=0； Er =0； EZ0 （轴向）；（轴向）；3、HEmn 模和模和EHmn 模模：现在学习的是第二十三页，共44页二、特征方程的解二、特征方程的解指在一定边界条件下，麦克斯韦方程的解，它是一系指在一定边界条件下

23、，麦克斯韦方程的解，它是一系列离散值列离散值，其大小取决于光纤参数其大小取决于光纤参数：a , n1 ,n2 ,0;则则值为归一化频率值为归一化频率 的函数。的函数。221202 a nn定义定义归一化频率归一化频率：现在学习的是第二十四页，共44页截止条件截止条件：当减小归一化频率当减小归一化频率 值，使得某个模式的值，使得某个模式的值等于值等于2n2 / 0时，该模式就不能在光纤中传输了，称该时，该模式就不能在光纤中传输了，称该模模截止截止了。截止时的了。截止时的 值称为该模式的截止频率。值称为该模式的截止频率。三、截止条件和单模传输三、截止条件和单模传输HE11模的截止频率最小，为零；其

24、次为模的截止频率最小，为零；其次为TE01、TM01模模的截止频率的截止频率=2.405;单模传输单模传输:当当2.405时，光纤中传输的电磁波只时，光纤中传输的电磁波只有一个有一个HE11模式，称为模式，称为单模传输单模传输；现在学习的是第二十五页，共44页当当 值在值在2.4053.8范围，特征方程有四个解，范围，特征方程有四个解，既有四个模式在光纤中传播，它们是：既有四个模式在光纤中传播，它们是：HE11、TE01、TM01、HE21单模光纤单模光纤：能实现单模传输的光纤；条件为：能实现单模传输的光纤；条件为： 2.405单模光纤的直径很小，一般为：单模光纤的直径很小，一般为：510m；

25、多模光纤的直径一般为：多模光纤的直径一般为：50150 m；现在学习的是第二十六页，共44页12.312.3光纤传感器光纤传感器一、强度调制型光纤传感器一、强度调制型光纤传感器光源光源光探测器光探测器z光源光源光探测器光探测器现在学习的是第二十七页，共44页与光纤耦合的电光与光电转换器件与光纤耦合的电光与光电转换器件 实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极管。二极管。 现在学习的是第二十八页，共44页激光二极管的外形激光二极管的外形 现在学习的是第二十九页，共44页专用的光纤连接头及光纤插座专用的光纤连接头及光纤插座 光纤与电光转换元件耦合时，两者

26、的轴心必光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。插座来完成。 现在学习的是第三十页，共44页 机械应变引起光纤的机械尺寸变化；机械应变引起光纤的机械尺寸变化；某些物体内部存在应力时，会产生折射率在不同方向有不同某些物体内部存在应力时，会产生折射率在不同方向有不同变化的现象；变化的现象；二、相位调制型光纤传感器（干涉型）二、相位调制型光纤传感器（干涉型） 相位变化相位变化干涉光强变化干涉光强变化 检测灵敏度极高，一般可测检测灵敏度极高，一般可测10 -6rad的相位变化的相位变化例：例：1100 rad

27、的相位变化（的相位变化（1米光纤），测温米光纤），测温分辨率可达分辨率可达10 -8 ； 常见相位调制方法：常见相位调制方法： 1、机械应变及光弹性效应、机械应变及光弹性效应现在学习的是第三十一页，共44页 反射镜反射镜1 光源光源 分光镜分光镜 反射镜反射镜2 激光器激光器 光探测器光探测器现在学习的是第三十二页，共44页n 分光镜n 反射镜1反射镜反射镜2分光镜分光镜现在学习的是第三十三页，共44页 保护管内保护管内为高温为高温光纤光纤低温低温光纤光纤光纤温度传感器光纤温度传感器 现在学习的是第三十四页，共44页 氦氖激光器氦氖激光器 扩束器扩束器 单模光纤单模光纤 2、温度效应、温度效应

28、 温度变化引起光纤的尺寸及折射率变化：温度变化引起光纤的尺寸及折射率变化：2 Ln dLdnTL dTdT 3、磁致伸缩、电致伸缩效应磁致伸缩、电致伸缩效应 将单模光纤表面镀上磁致伸缩、电致伸缩材料，则当磁场、电将单模光纤表面镀上磁致伸缩、电致伸缩材料，则当磁场、电场作用于光纤时，使光纤长度变化，从而相位变化；场作用于光纤时，使光纤长度变化，从而相位变化；光探测器光探测器被测温度场被测温度场现在学习的是第三十五页，共44页 I 待测电流待测电流 信号光纤信号光纤 磁致伸缩管磁致伸缩管待测磁场待测磁场耦合器耦合器参考光纤参考光纤磁敏感臂磁敏感臂信号光纤信号光纤激光器激光器耦合器耦合器光探光探测器测器信号光纤信号光纤待测电压待测电压U 压电陶瓷压电陶瓷PZT现在学习的是第三十六页，共44页 偏振方向转动角度：偏振方向转动角度： =V H L 式中：式中：V韦德耳系数；韦德耳系数； H外加磁场强度；外加磁场强度