光纤传感器课件

1、济南大学物理科学与技术学院1第七章 光纤传感器光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术，它是随着光纤和光通信技术的发展而逐步形成的。光纤传感器与传统的各类传感器相比有很多优点：灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、不受电磁干扰、光路可绕弯、易于微机连接等。济南大学物理科学与技术学院2第一节 光纤基础一、光的基本特性二、阶跃光纤的导光原理分析三、渐变光纤的导光原理分析四、光纤的模式五、光纤的特性参数 济南大学物理科学与技术学院3光的反射与折射示意图济南大学物理科学与技术学院4 光的全反射示意图济南大学物理科学与技术学院5 n1 n2n2 n1 n2 阶跃光纤的导光原理示意图济南大学物理

2、科学与技术学院6阶跃型光纤折射率是沿径向呈阶跃分布，在轴向呈均匀分布， 是包层折射率， 是纤芯折射率。假设图中的阶跃型光纤为理想的圆柱体，光线若垂直于光纤端面入射，并与光纤轴线重合，或平行，这时光线将沿纤芯轴线方向向前传播。若光线以某一角度入射到光纤端面时，光线进入纤芯会发生折射。当光线到达纤芯与包层的界面上时，发生全反射或折射现象。 若要使光线在光纤中实现长距离传输，必须使光线在纤芯与包层的界面上发生全反射，即入射角大于临界角。由前面分析已知光纤的临界角为 济南大学物理科学与技术学院7 光纤的光学参数 相对折射率差数值孔径 NA 济南大学物理科学与技术学院8 相对折射率差 对于阶跃型光纤，假

3、设是 包层折射率， 是纤芯折射率，且 ， 和 的差值大小直接影响光纤的性能。故引入相对折射率差表示其相差程度。 对于通信光纤， ，上式简化成为 对于渐变型光纤，若轴心处（r=0）的折射率为 ,则相对折射率差定义为 济南大学物理科学与技术学院9 数值孔径 NA对于阶跃型光纤，当光线在纤芯与包层界面上发生全反射时，光波在纤芯中传播轨迹为折线，相应的端面入射角记为光纤波导的孔径角（或端面临界角）。即只有光纤端面入射角大于的光线才能在光纤中传播，故光纤的受光区域是一个圆锥形区域，圆锥半锥角的最大值就等于。为表示光纤的集光能力大小，定义光纤波导孔径角的正弦值为光纤的数值孔径（NA），即：济南大学物理科学

4、与技术学院10由于 ，上式简化成为可见，光纤的数值孔径与纤芯与包层直径无关，只与两者的相对折射率差有关。若纤芯和包层的折射率差越大，NA值就越大，即光纤的集光能力就越强。对于阶跃型光纤，由于纤芯折射率均匀分布，纤芯端面各点的数值孔径都相同，即各点收光能力相同。对于渐变型光纤，纤芯折射率分布不均匀，光线在其端面不同点入射，光纤的收光能力不同，因此渐变型光纤数值孔径定义为：济南大学物理科学与技术学院11几何光学的射线理论，在光纤直径远大于光波长情况下有较好近似，的那个光纤直径与光波长接近时，必须采用波动理论分析。波动理论就是将光纤看成圆柱形介质波导，将光看做电磁波，用电磁理论的只是求出在光纤中传播

5、的各电磁波分量。实际上就是应用边界条件求解麦克斯韦方程。光在光纤中传播，就是交变电场和交变磁场在光纤中传播，在传输中电磁场的不同分布形式称为模式。各种不同模式的名称仍沿用电磁场理论中的标准称谓，这里采用圆柱坐标。光纤中的模式济南大学物理科学与技术学院12电磁波的传播遵从麦克斯维尔方程，而在光纤中传播的电磁场，还满足光纤这一传输介质的边界条件。因此根据由光纤结构决定的光纤的边界条件，可求出光纤中可能传播的模式有横电波、横磁波和混合波。（1）横电波纵轴方向只有磁场分量，没有电场分量；横截面上有电场分量的电磁波。中下标m表示电场沿圆周方向的变化周数，n表示电场沿径向方向的变化周数。（2）横磁波纵轴方

6、向只有电分量，没有磁场分量；横截面上有磁场分量的电磁波。中下标m表示磁场沿圆周方向的变化周数，n表示磁场沿径向方向的变化周数。（3）混合波 或纵轴方向既有电分量又有磁场分量，是横电波和横磁波的混合。无论哪种模式，当m和n的组合不同，表示的模式也不同。济南大学物理科学与技术学院13能够约束在光纤纤芯中的模式统称为导入模，能够约束在包层范围内的模式称为包层模，溢出光纤包层的模式称为消逝模。济南大学物理科学与技术学院14 光纤的归一化频率 归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数目多少而引入的一个特征参数。其定义为：其中， 是光纤的纤芯半径； 是光纤的工作波长； 和 分别是光纤的纤芯和包层折射率；

7、真空中的波数； 光纤的相对折射率差。济南大学物理科学与技术学院15 传播常数 传播常数是描述光纤中各模式传输特性的 一个参数，光纤中各模式的传输或截止都可以由该参数决定。光纤通信中信息就是由传导模传送的 。传导模的传播常数是限制在到之间的，即 。当 时，包层中的电磁场不再衰减，而成为振荡函数，这时传导模已不能集中于光纤纤芯中传播，此时的模式称为辐射模，即传导模截止。当= 时，传导模处于临界截止状态，光线在纤芯和包层的界面掠射。济南大学物理科学与技术学院16归一化传播常数/k0与归一化频率V的关系曲线0 1 2 3 4 5 6 n1/k0 n2HE11TE01HE12HE41HE31TE01HE

8、21HE22EH11TM01TM02EH21济南大学物理科学与技术学院17 单模传输条件 当0 2.405时,光纤中除主模（或基模） 模以外，其余模式均截止，此时可实现单模传输。济南大学物理科学与技术学院18 多模传输的模式数对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为 对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为济南大学物理科学与技术学院19 截止波长截止波长是单模光纤特有的参数，是对应于第一高阶模的归一化截止频率 时的波长。即 故通常可用它判断是否单模传输。济南大学物理科学与技术学院20 模场直径 由于单模光纤的边界没有明确的边界，包层之外有相当大的光场存在，故不能象多模光纤一样用纤芯表示横截面的导光范围

9、，只能用模场直径 表示。它表示了单模光纤的基模能量集中的程度。CCITT规定，单模光纤1.31m处的模场直径应在910m,偏差不应超过10%。济南大学物理科学与技术学院21光纤种类按组成材料划分有石英玻璃光纤（主要材料为SiO2）；多组分玻璃光纤（由SiO2、Na2O、CaO等氧化物组成）；硅酸盐光纤，氟化物光纤，塑料包层玻璃芯光纤，全塑光纤，液芯光纤，测光光纤，尾光光纤，工业光纤等。光通信中主要用石英光纤，以后所说的光纤也主要是指石英光纤。 石英光纤 塑料光纤 测光光纤济南大学物理科学与技术学院22按折射率径向分布（1） 阶跃型光纤（Step Index Fiber）简称SIF:纤芯的折射率

10、与包层的折射率成阶跃型分布。它的特点是芯的折射率是均匀的，在芯和包层之间的分界面上，折射率有一不连续的阶跃性突变。纤芯直径为10100m，光线以曲折形状传播，特点是信号畸变大。济南大学物理科学与技术学院23（2） 渐变型光纤（Graded Index Fiber）简称GIF,也称为梯度光纤:它的特点是纤芯中心的折射率最大，沿径向往外逐步变小，最后达到包层的折射率。分布曲线近似为抛物线形成一个连续渐变的梯度或坡度。纤芯的直径为50m，光线以正弦形状传播，特点是信号的畸变小。济南大学物理科学与技术学院24其他结构光纤W型，可以实现10Gb/s容量的100km的超大容量超长距离的信号传送 三角型，有

11、效面积较大，适合于密集波分负用和孤子传输的长距离系统使用。是一种非零色散光纤 椭圆型，这种光纤具有双折射特性，强双折射特性能使传输光保持其偏振状态，又称为双折射光纤或偏振保持光纤。其优点传输距离长 济南大学物理科学与技术学院25按传导模的数目分类:（1）多模光纤（MM-Multi mode filber）能够传导多种模式的光纤。多模光纤的纤芯直径一般为50m，光纤剖面折射率分布为渐变型，外径125m。可用于中容量、中距离通信系统。目前多模光纤的折射率分布多呈渐变型。传输性能较差，带宽较窄，传输容量较小。(2)单模光纤（SM-Single mode fiber）只传输一种模式的光纤，即只能传输基

12、模（最低阶模）的光纤。单模光纤的纤芯直径仅几微米（一般为8m10m），但外径与多模光纤一样，均为125m。单模光纤的折射率分布多呈阶跃性，因不存在模间色散，因此这种光纤传输频带宽，容量大，适用于大容量（565Mb/s2.5Gb/s），长距离（30km以上）通信的传输介质。 济南大学物理科学与技术学院26光纤的特性损耗特性光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加，其强度逐渐减弱，光纤对光波产生严重衰减作用，这就是光纤的损耗，它的大小在很大程度上决定着光中继距离的长短。光纤的损耗大致可分为吸收损耗、散射损耗及其他损耗。 济南大学物理科学与技术学院27济南大学物理科学与技术学院28色散特性光纤色散是指

13、不同频率成分或不同模式成分在光纤中以不同的群速度传播，致使光纤传输的信号波形发生畸变的一种物理现象。在数字光纤通信系统中，色散表现为光脉冲的宽度被展宽。在光纤通信系统中，纤色激限制了带宽，而带宽又直接影响通信线路的容量和传输速率,因此光纤色散特性也是光纤的一个性能指标。根据光纤色散产生的原因，它包括模式色散，材料色散和波导色散三种。 济南大学物理科学与技术学院29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本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是

14、20世纪70年代中期发展因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。 电绝缘性能好。 抗电磁干扰能力强。 非侵入性。 高灵敏度。 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、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量第二节光纤传感器光纤传感器结构原理及分类 1、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(a)。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(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图

15、(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。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。传统传感器是以机电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。 光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。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E的振动，即A电场E的振幅矢量；光

16、波的振动频率；光相位；t光的传播时间。可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相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，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。 （1）根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。 1）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(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“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(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器

17、中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，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）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“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。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤 3）拾光型光纤传感器 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。 信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象 （2）根据光受被测对象的调制形式

18、形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。 1）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折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；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。优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。 2）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器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应

19、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。 3）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频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。 4）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

20、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。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。 济南大学物理科学与技术学院38非功能型光纤传感器的应用 （一）温度的检测 1、遮光式光纤温度计 下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵

21、活可变 1234水银柱式光纤温度开关1 浸液 2 自聚焦透镜 3 光纤 4 水银济南大学物理科学与技术学院39 下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤温度计能测量1050的温度。检测精度约为0.5。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。 光源接收热双金属式光纤温度开关121 遮光板 2 双金属片济南大学物理科学与技术学院40 2、透射型半导体光纤温度传感器 当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长g的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半导体。这是由于

22、半导体的本征吸收引起的,g称为半导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时,电子吸收光能从价带跃迁入导带,显然,要发生本征吸收,光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即因c/v，则产生本征吸收条件h 普朗克常数；v 光频率因此，对于波长大于g的光，能透过半导体，而波长小于g的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料具有不同的本征吸收波长，图为在室温(20)时,120m厚的GaAs材料的透射率曲线。 济南大学物理科学与技术学院41由图看出，GaAs在室温时的本征吸收波长约为880nm左右，半导体的吸收光谱与Eg有关，而半导体材料的Eg随温度的不同

23、而不同，Eg与温度t的关系可表示为式中：Eg（0）绝对零度时半导体的禁带宽度； 经验常数(eVK)；经验常数(K)。 8508009009501000010203040t=20波长/nmGaAs的光谱透射率曲线透射率(%)对于GaAs材料，由实验得到 =5.810-4eV/K =300K济南大学物理科学与技术学院42由此可见，半导体材料的Eg随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长g随温度上升而增大。反映在半导体的透光特性上，即当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的g(t)相匹配的发光二极管作为光源，如图，则透射光强度将随着温度的升高而减小。LED发光光谱半导体透射率

24、T1T2T3T3T1T2相对发光强度半导体透射测量原理透射率波长（二）压力的检测 种类：强度调制型、相位调制型和偏振调制型三类。 1、采用弹性元件的光纤压力传感器利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就可以实现压力的检测。下图为简单的利用Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。 膜片反射式光纤压力传感器示意图光源接收121 Y形光纤束 2 壳片 3 膜片3P 2、光弹性式光纤压力传感器 晶体在受压后其折射率发生变化，呈现双折

25、射的现象称为光弹性效应。利用光弹性效应测量压力的原理及传感器结构如图。发自LED的入射光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈45的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强，即可测出压力的变化。其中1/4波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。 (b)传感器结构12345P(a)检测原理 P678910111 光源 2、8 起偏器 3、9 1/4波长板 4、10 光弹性元件5、11 检偏器 6 光纤 7 自聚焦透镜偏振光线偏振光椭圆偏振光5.2 强度调制机理 5.2.1 反射式强度调制 这是一种非功能型光纤传感器

26、，光纤本身只起传光作用.输出光纤端面受光锥照射的表面所占的百分比为被输出光纤接收的入射光功率百分数为(F被称为耦合效率)5.2.2 透射式强度调制动光纤式光强调制模型，用来测量位移、压力、温度等物理量。这些物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离, 光强度调制器的线性度和灵敏度都很好。采用双透镜系统使入射光纤在出射光纤上聚焦，遮光屏在垂直于两透镜之间的光传播方向上下移动。这种传感器光耦合计算方法与反射式传感器是一样的。在上述的简化分析限定范围内，比值/r与可移动遮光屏及两透镜问半径为r的光柱相交叠面积的百分比。 不用透镜的两光纤直接耦合系统，结构虽然简单，但也能很好地工作。只是接

27、收光纤端面只占发射光纤发出的光锥底面的一部分，使光耦合系数减小，灵敏度也降低一个数量级 (r/dT)2。利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器通过一对光栅遮光屏的透射率，从50(当两个屏完全重叠时)变到零(当一个屏的不透明条完全覆盖住另一个屏的透明部分)。在此周期性结构范围内，光的输出强度是周期性的。而且它的分辨率在光珊条纹间距的10-6数量级以内。这是能够构成很灵敏、很简单、高可靠的位移传感器的基础。5.2.3 光模式强度调制光纤弯曲传感折射率强度调制一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同。在温度恒定时，包层折射率n2与纤芯折射率n1之间的差值是恒定的。当温度变化时， n2 、 n1之间的差发

28、生变化，从而改变传输损耗。因此，以某一温度时接收到的光强为基准,根据传输功率的变化可确定温度的变化。相位调制机理 利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以获得极高的灵敏度。相位调制光纤传感器的基本传感原理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。 5.3.1 相位调制一、应力应变效应当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时，光纤的长度、芯径、纤芯折射率都将发生变化，这些变化将导致光波的相位变化.式中，a为光纤芯的半径；第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟(应变效应)；第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟(光隙效

29、应)；第三项则表示光纤的半径改变所产生的相位延迟(泊松效应)。 1纵向应变引起的相位变化 2径向应变引起的相位变化 不考虑泊松效应时有实现纵向、径向应变最简便的方法是，采用一个空心的压电陶瓷圆柱筒(PZT)，在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号，由于PZT筒的直径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光纤承受到应力，光波相位随之变化。二、温度应变效应仅考虑径向折射率变化时，其相位随温度变化为5.3.2 光纤干涉仪光纤相位传感器要求有相应的干涉仪来完成相位检测过程。对于一个相位调制干涉型光纤传感器，敏感光纤和干涉仪缺一不可。敏感光纤完成相位调制任务，干涉仪完成相位光强的转换任务。 在光波的干涉测量中，传播的光波可能是两束或多束相干光。例如，设有光振幅分别为A1和A2的两个相干光束。如果其中一束光的相位由于某种因素的影响受到调制，则在干涉域中产生干涉。干涉场中各点的光强可表示为一、迈克尔逊(Michlson)光纤干涉仪二、马赫泽德(Machzehnder)光纤干涉仪保证全光纤干涉仪的工作点稳定是比较困难的。在零差检测方式中，需要保证两光纤臂间的正交状态。所以系统要求环境温差不能太大。 四、法布里珀罗(Fabry-Perot)光纤干涉仪由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。在两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率通常达95以