第7章-2光纤传感检测

7.3光纤传感器实例7.3.1光纤位移传感器7.3.2光纤温度传感器

(1)半导体光吸收型光纤温度传感器

(2)热色效应光纤温度传感器7.3.3光纤角度传感器7.3.4光纤压力传感器7.3.5光纤电流传感器光纤位移传感器的工作原理和典型结构7.3.1光纤位移传感器光纤液位传感器（1）单光纤液位传感器单光纤液位传感器的结构如图，将光纤的端部抛光成45º的圆锥面。当光纤处于空气中时，入射光大部分能在端部满足全反射条件而返回光纤。当传感器接触液体时，由于液体的折射率比空气大，使一部分光不能满足全反射条件而折射入液体中，返回光纤的光强就减小。利用X形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感器。同样，若在不同的高度安装多个探头，则能连续监视液位的变化。单光纤液位传感器结构

1光纤

22耦合器（2）U型光纤液位传感器

12(a)探头结构(b)检测原理空气液体LEDPD光由光纤的一端导入,在球状对折端部一部分光透射出去,而另一部分光反射回来,由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越接近,反射光强度越小。显然,传感器处于空气中时比处于液体中时的反射光强要大。因此,该传感器可用于液位报警。若以探头在空气中时的反射光强度为基准，则当接触水时反射光强变化-6dB~-7dB,接触油时变化-25dB~-30dB。

（3）多模光纤耦合液位传感器下图为反射式斜端面光纤液位传感器的两种结构。同样，当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤的光强减小。这种形式的探头在空气中和水中时，反射光强度差约在20dB以上。斜面反射式光纤液位传感器(a)123(b)1、2光纤3棱镜上述探头在接触液面时能快速响应，但在探头离开液体时，由于有液滴附着在探头上，故不能立即响应。为了克服这个缺点，可将探头的结构作一些改变，如图。将光纤端部的尖顶略微磨平，并镀上反射膜。这样，即使有液体附着在顶部，也不影响输出跳变。进一步的改进是在顶部镀反射膜外粘上一突出物，将附着的液体导引向突出物的下端。这样，可以保证探头在离开液位时也能快速地响应。改进的光纤液位探头光纤液位传感器

保护管内为高温光纤光纤7.3.2光纤温度传感器(1)半导体光吸收型光纤温度传感器半导体的吸收光谱与材料的Eg有关，而Eg却随温度的不同而不同。Eg与温度t的关系可表示为：半导体材料的Eg随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波长λg随温度的上升而增大。式中：Eg（0）——绝对零度时半导体的禁带宽度；

α——经验常数(eV／K)；β——经验常数(K)。对于GaAs材料，由实验得到α=5.8×10-4eV/Kβ=300K半导体光吸收型温度传感器光吸收温度特性结构1光纤2探头LEDPD光纤金属盒这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：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λg（t）相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而减小，即通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变化。光纤半导体反射膜利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式探头结构如图。光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。实用化半导体吸收型光纤温度传感器脉冲发生器LED驱动器放大器采样放大器信号处理器脉冲发生器LED驱动器λ1=0.88umλ2=1.27um光耦合器敏感头APD检测器采样放大器信号输出光纤LEDLEDλ1λ2λ1λ2λλ(2)热色效应光纤温度传感器热色溶液的光吸收谱温度特性1.光源，2.斩波器，3.光纤，4.探头，5分路器，6，655nm滤光片，7.800nm滤光片，9.放大器,10.A/D转换器，11.微机系统热色效应光纤温度传感器热双金属式光纤温度开关1遮光板；2双金属片接收光源12（3）遮光式光纤温度计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10℃～50℃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。

7.3.3光纤角速度传感器（光纤陀螺）光源光检测器调制器偏振器空间滤波器3dB光劈传感环光纤陀螺赛格纳克相移：7.3.4光纤压力传感器强度调制型： 基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；相位调制型： 利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型： 主要是利用晶体的光弹性效应。光纤压力传感器

(1)快门式光纤压力传感器出射光纤入射光纤被测压边光栅对膜片自聚焦透镜静压调节孔(2)动光栅式光纤压力传感器入射光出射光光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。（3）光弹性式光纤压力传感器光源探测器起偏器起偏器¼波片光弹材料膜片P光弹压力水声传感器光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中.（4）微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器DSFF变形器光纤d激光器剥模器微弯变形器剥模器探测器E0I0-ΔI0I0光纤微弯变形器剥模器光纤耦合器PPI0-ΔIkΔII0亮场检测暗场检测7.3.5光纤电流传感器激光器起偏器显微物镜高折射率浸油显微物镜偏振棱镜I1I2I输出光接收器7.4分布式光纤传感器光源耦合器探测器处理电路传感光纤被测场分布式光纤传感器原理框图7.4.1原理7.4.2用于构成分布式光纤传感器的主要技术反射法

反射法是利用光纤在外部扰动作用下产生的瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射等效应进行测量的方法。(1)光时域反射（OTDR）法激光器放大器脉冲发生器延时延时示波器信号处理输出光纤透镜透镜透镜探测器ll+dlF(l)分光器OTDR系统原理图(2)偏振光时域反射（POTDR）法激光器脉冲发生器示波器探测器ll+dlF(l)解偏器分光器POTDR系统原理图2.波长扫描(WLS)法光源计算机单色仪扰动点光纤透镜透镜探测器起偏器透镜解偏器WLS系统原理图3.干涉法激光器延时线调制器信号处理器光纤起偏器探测器½波片记录仪解偏器xy外差式干涉原理图4.连续波调频(FMCW)法调制器信号发生器光纤起偏器探测器l激光器直流电源解偏器信号处理微机FMCW系统原理图光纤传感器的其他应用一、流量、流速的检测

1、光纤涡街流量计

当一个非流线体置于流体中时，在某些条件下会在液流的下游产生有规律的旋涡。这种旋涡将会在该非流线体的两边交替地离开。当每个旋涡产生并泻下时，会在物体壁上产生一侧向力。这样，周期产生的旋涡将使物体受到一个周期的压力。若物体具有弹性，它便会产生振动，振动频率近似地与流速成正比。即

式中：v——流体的流速；

d——物体相对于液流方向的横向尺寸；

s——与流体有关的无量纲常数。因此，通过检测物体的振动频率便可测出流体的流速。光纤涡街流量计便是根据这个原理制成的，其结构如图。f＝sv／d纹稳定。当光纤振动时,输出光斑亦发生移动。对于处于光斑中某个固定位置的小型探测器,光斑花纹的移动反映为探测器接收到的输出光强的变化。利用频谱分析,即可测出光纤的振动频率。根据上式或实验标定得到流速值,在管径尺寸已知的情况下，即可计算出流量。

光纤涡街流量计特点：可靠性好,无任何可动部分和联接环节,对被测体流阻小,基本不影响流速。但在流速很小时,光纤振动会消失,因此存在一定的测量下限。在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤，当流体流动时,光纤就发生振动,其振动频率近似与流速成正比。由于使用的是多模光纤,故当光源采用相干光源(如激光)时,其输出光斑是模式间干涉的结果。当光纤固定时,输出光斑花光源频谱分析记录探测器123451夹具2密封胶3液体流管4光纤5张力载荷2、光纤多普勒流速计下图为利用光纤多普勒计来测量流体流速的原理。当待测流体为气体时，散射光将非常微弱，此时可采用大功率的Ar激光器（出射光功率为2W，λ=514.5nm）以提高信噪比。特点：非接触测量，不影响待测物体的流动状态。光纤多谱勒流量计结构探测器频谱分析仪He-Ne激光器123456781、3——分束器；2——反射镜；4——透镜；5——流体管道；6——窗口；7、8——光纤二、光纤式光电开关反射型遮断型反射镜反射型标志孔1、电路板标志检测

当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。光纤耦合器传输光纤出射光纤光纤式光电开关应用

2、采用遮断型光纤光电开关对IC芯片引脚进行检测3、遮断型光纤光电开关出射光纤接收光纤三、光纤传感器在医学上的应用

目前，比较典型的光纤医用传感器有如下几种：光纤血流计、光纤pH值传感器、光纤体压计、光纤体温计、光纤氧饱和度传感器等。1、光纤血流计光纤血流计的工作原理是应用多普勒频移原理，基本结构如图所示：光纤血流计及其探头工作原理氦-氖激光器的线偏振光由分束器分成两束，一束由透镜耦合进心径约150nm的光纤，光纤的另一端插入注射针头内，注射器以角度φ插进血管内。激光经光纤到达血液中，被直径约为7nm的流动着的红血球散射后，再次返回，光纤的光信号产生的多普勒频移由下式给出：

式中，υ为血流速度；n为血液的折射率，其值为1.33；

φ为光纤轴线与血管轴线间的夹角；λ为激光波长。分束器的另一束光用做参考光，将驱动频率f1=40MHz的布拉格盒移频器，置于参考光路中，用以区别血流方向。移频后的参考光信号频率为f0-f1（f0是光源的频率）。将新的参考光信号与多普勒频移信号(f0+Δf)进行混频，就得到要探测的光信号。这种方法称为光学外差法。以雪崩光电二极管探测混频光信号，变换成光电流送进频谱分析仪，可以得到血流速度的多普勒频移谱，如图所示。多普勒频移谱

图中的符号由血流方向确定当0°＜φ＜90°时，Δf为正，即出现右移频率；

当90°＜φ＜180°时，Δf为负，则出现左移频率。频率表示最大频移fcut（或截止频率）。在实际的血流测量中，所观察到的多普勒信号为宽频信号，如图中实线所示。由于光纤探头要探入血管，因此注射器的针头形状就很重要，因为它将直接影响血流速度谱。这种注射器具有特制的托座，其结构如图所示.

光纤探头与托座下图是实验得到的信号多普勒频谱。

实验测得的多普勒频谱图A,B,C分别为光纤顶端接近血流表面、在血流中和在血流中接近转盘底表面三种情况的频谱。在频谱的40MHz处产生一个尖峰，此尖峰与速度0相对应。在情况A中，因为血流没有受到干扰，多普勒信号显示为相当窄的频率分布；在情况B中，频谱很宽，从40MHz到较高的频率，最后降到散粒噪声水平。多普勒变化信号的展宽是由光纤插入血管中所引起的干扰造成的。在情况B中，频率变化Δf

与情况A中频率Δf

乘以1.33相一致，而1.33恰好为血液的折射率。所以，情况A和情况B的变化是分别发生在空气中和血液中的多普勒效应的结果。情况C中，在fcut附近出现一个小的低尖峰，这是血液中转盘底的多普勒信号的影响。整个实验表明，可以用fcut正确表示血流速度。

光纤多普勒速度计还有很多别的设计方式，主要是选取参考信号的方法不同。下图简要示出了已经在医学上得到很多实际应用的一种仪器。非插入式光纤多普勒血流计2、光纤pH值传感器光纤pH值传感器是生物化学传感器，它的特点是利用光纤末端安置的敏感元件感受信息，以测定人体或生物体内的生物化学量。光纤pH值传感器是以染料指示剂为基础进行工作的，它的敏感部分使用一种可逆反应剂——染料指示剂，例如酚红染料试剂。

酚红染料试剂具有两种状态形式，即基本状态和酸化状态。每一种状态有不同的光吸收谱线，基本状态是对绿色光谱吸收，酸化状态是对蓝色光谱吸收，pH值是由酚红试剂对绿光（或监光）光谱的吸收量来决定的。

在实际运用中，为了提高灵敏度消除误差，采用双波长工作方式，取蓝绿色光(λ1=560nm)作为调制检测光，红色光(λ1=630nm)作为参考光，探测器接收到的蓝绿光和红色光强度的吸收比值为R，pH值与R的关系为

式中，K为与光学系统有关的常数；D为染料在第一个波长的光密度；Δ为pH-PK，其中PK为指示剂酸碱平衡常数。由式可以描绘出R-Δ曲线，如图所示。从该曲线可以看出，在pH=PK附近有一段线性非常好的区域，即在这个范围内，pH值与接收到的两种颜色光强的比值基本呈线性关系。蓝绿光与红光强度的吸收比值R与Δ的关系曲线图（a）示出了以吸收值为基础的pH值传感器的探头结构。在实验中发现，这种结构的探头存在一些问题,为了解决这些问题，改进了探头的结构，如图

(b)所示。

pH值传感器的探头结构图3、光纤体压计下图

是一种光纤体压计探针结构示意图。对压力敏感的防水薄膜被安置在探针导管末端侧壁的小孔上，通过一根悬臂与反射镜相连。在与反射镜相对的探针导管里装有两束光纤，上面一束是入射光纤，下面一束是输出光纤。

光纤体压计探头结构示意图图中，在压力P=0时，没有光信号反射进入输出光纤。P≠0时，反射镜方向倾斜，使输出光纤接收到与压力大小有关的光强信号。下图则是一种Y形光纤束结构的体压计。对压力敏感的反射薄膜被安装在Y形光纤束的公共端面一侧。光源的光经Y形光纤的一支输入，经反射薄膜反射后的光经Y形光纤的另一支输出到光探测器上。Y形光束结构的体压计

图中，压力的改变，使薄膜与光纤束端面的相对位置发生变化，从而调制反射光强的大小。光探测器的输出信号与被测压力成正比。下图为用于血压测量的新型薄膜光纤体压计结构图。两根相同的多模阶跃光纤对接，一根光纤将光传送到传感部分，另一根光纤接收经传感部分后的剩余光。这种光纤的选择特点是易弯曲，具有低的数值孔径。

薄膜光纤体压计结构图光纤温度传感器的探头结构如图所示。传感器的探测部分应具有单端光输入与输出的功能。光纤温度传感器的探头结构图4、光纤体温计

(a)磷光混合物的激励和发光谱(b)输出光强变化的温度曲线Luxtron

温度计Luxtron温度计，激光光谱和辐射光谱如图

(a)所示，辐射光谱取决于温度，图中强度Y和强度R的比被用来决定温度。输出光强变化的温度曲线如图

(b)所示。用于超热治疗监测的阵列式光纤体温计外部光纤探头结构如图

(a),(b)所示。探头的外壳由医学上可接受的含氟聚合物（聚四氟乙烯）挤压成形，其外部的黑色绝缘层可以对散射光进行屏蔽。在探头连接端通过一个全塑料的连接器[如图

(c)所示]，与测量仪器配备的两根长5m的半固定光缆相连。这个长度允许在高射频或微波场中，测量仪器可放在离测量点较远的地方。

阵列式光纤体温计外部光纤探头结构图单个传感头的具体结构如图所示。单个传感头的结构图少量的磷光体用适当的黏合剂固定在纤心的顶端。包在磷光体外的是反射层，反射层外是不透光层，它可以防止散射光进入光纤纤心，从而影响温度测量结果的精确度。最外面的是具有物理刚性的保护层，它包裹在光纤顶端和温度传感器之外。5、光纤氧饱和度传感器采用光纤传感器测定氧饱和度的工作原理是：红血球中的血红蛋白处于过氧状态（氧合血红蛋白）与无氧状态（还氧血红蛋白）时，对不同波长的入射光有不同的吸收率，如图所示。

血液的光谱特性曲线在图中，从曲线可以看出，在波长为600~700nm的红光区，还氧血红蛋白(Hb)的吸收系数远比氧合血红蛋白(HbO2)的大，但在波长为805~1000nm的红外光区，Hb的吸收系数要比HbO2的小。当波长为805nm时，Hb和HbO2具有相同的吸收系数，称为等吸收点。当血氧饱和度变化时，血氧饱和度与660nm和940nm两个波长的相对光强之间存在较好的线性关系。根据Beer-Lambert定律，当选定的入射光波长为660nm和940nm时，其定律可表示为

式中，α660和α940

为全血在波长为660nm和940nm处的吸收率；A,B为常数。

如图所示，传感器通过接插头与仪器相连接。通过程序设计控制微处理器时产生波长为660nm

的红光和波长为940nm

的红外光的驱动信号，经D/A

转换后送至光源驱动电路。

光纤测氧计光源驱动电路将此信号进行功率放大，再依次发送到传感器上臂并列放置的红光和红外光发射二极管上，使它们发射光脉冲。光敏接收器件把血液吸收入射光的变化信号转换成电信号，并通过电缆接口送入仪器内部功能板中进行进一步的加工处理，从而计算出血氧饱和度值。四、光纤传感器在军事方面的应用

1、光纤传感器在军用飞机和航天器上的应用飞机和航天器的光纤传感器系统大致包含4个部分：①飞行控制系统和导航用光纤传感器②发动机测控系统用光纤传感器③机内环境测控用光纤传感器④光纤智能机壳监控系统用光纤传感器。

2、光纤传感器在火箭发动机测试中的应用(1)用光纤传感器监测固体火箭药柱内应力和应变分布为了测出应变分布，可以采用分布式测量技术。这类光纤传感系统的构成如图所示固体火箭发动机药柱内应力应变光纤传感系统

(2)固体推进剂燃烧速度光纤传感器固体推进剂燃烧速度是指单位时间内燃烧面沿其法线方向移动的距离。一种光纤固体推进剂燃烧速度传感器设计方案的基本原理是，利用固体推进剂燃烧时发光的特点，由多束光纤构成测量燃烧面位置的光纤尺，通过测量燃烧面经过光纤尺上各个标定窗口的时间来推算出燃烧速度。

光纤束的输出端置于金属套管之外，其输出光可由若干个光电探测器一一对应地分别接收，也可由聚光透镜聚合成一束后由单个光电探测器接收。光电探测器输出的电信号被送到信号处理系统中处理。固体推进剂燃烧速度光纤传感器示意图3、光纤传感器的海上军事应用（1）光纤水听器光纤水听器所探测的信号源为水下目标发出或反射的声波。设水中声波的振幅方程为

式中，A0为水声波的最大振幅；ωα为水声波的圆频率，ωα=2πfα（

fα

为水声波频率）；βα为水声波的传播常数，βα=2π/λα（λα为水声波长）；x为水声波的初始声程。水声波牵动水粒子位移引起的水密度变化为

式中，cα为水中声波的传播速度；ρ0为静止水密度。由于水密度变化产生的水声波压变化为微弯光纤水听器是根据光纤微弯损耗导致光功率变化的原理制成的水声传感器。图为一种微弯光纤水听器探头的结构示意图。光纤敏化结构为具有10周期、类似于齿板副的隆起结构平板副[如图

(a)所示]，其中一块带隆起结构的平板与聚醋薄膜相连，另一块与之峰谷相应的隆起结构平板通过十字结构与水听器外壳相连[如图

(b),(c)所示]。微弯光纤水听器探头结构示意图微弯光纤水听器系统结构示意图如图所示，光源为He-Ne激光器，光束进入传感光纤后经过模分离器(ModeStripper)去掉包层模。去掉包层模的光束通过水听器的探头后，再一次经过模分离器，然后由光探测器PD接收并送入频谱分析仪。微弯光纤水听器系统结构示意图4、光纤传感技术在兵工测试中的应用（1）武器膛温光纤传感器目前国内外膛壁温度测试是根据膛内测试结果用外推计算的方法求得被测膛温的。由于膛壁表面温度分布具有二重性，径向和轴向都有温度梯度，且径向梯度远大于轴向梯度，采用热电偶测膛壁温度就有了一定局限，而采用光纤辐射温度传感器则具有一系列的优点。（2）光纤传感技术在引信测试中的应用一种用于测量由发条或扭簧驱动的钟表机构骑马轮运动时间的光纤传感器如图所示。钟表机构骑马轮运动时间光纤传感器传感器的工作原理是：光源LED发出的非相干光通过发射光纤投射到骑马轮上，当骑马轮转过一个齿时，所反射的光强发生一次变化。此信号由接收光纤传至光电探测器(PD)，再经信号处理系统处理后输出反映骑马轮运动周期的方波，配以相应的计时电路或记录装置，便可得到骑马轮转动一个齿所需的时间及整个工作过程中的时间变化。

如图所示离心式引信钟表机构运动时间光纤传感器。由于传感器和被测件处于高速旋转状态，传感器的输出需转换成光信号，再由固定接收光纤接收，送至离心机外处理记录。

离心式引信钟表机构运动时间光纤传感器1、光纤NO2传感器NO2是污染大气的主要气体之一，是一种红褐色有特殊刺激性臭味的气体。下图给出了基于分子差动吸收法光纤远距离测量系统的组成框图。基于分子差动吸收法光纤远距离测量系统的组成框图五、光纤传感器在环境保护方面的应用把摩托车排出的废气引进测量气室，发动机速度由低速（约500r/m）到高速（约3000r/m）变化进行测试，所得实时测量结果曲线如图所示，图中A区为低速区，B区为高速区。

NO2浓度实时测量结果曲线

2、光纤NH3传感器光纤NH3气体传感器的探头结构如图所示。光纤NH3气体传感器的探头结构透气膜采用疏水性好的聚四氟乙烯(PTFE)微孔过滤膜，既能把内充液与样品溶液分开，又能使NH3的极性气体透过。疏水性透气膜将内充液密封在PVC外套管与光纤末端形成的空腔内，用固定螺钉调节光纤末端与透气膜之间充液层的厚度，指示剂直接溶于内充液中，并且被吸附于阴离子交换膜上。pH敏感膜固定于光纤末端置于内充液中，采用聚四氟乙烯作为防水密封膜。气体穿过透气膜进入探头，