第六章 光纤传感器

光纤传感器

光纤传感器

元件型光纤传感器

传输型光纤传感器1元件型光纤传感器元件型光纤传感器

一、微弯损耗光纤传感器基于微弯损耗机理的强度调制型传感器的结构如图1-1所示。由光纤中光功率的数值可得到诸如压力、位移等被测量的大小。图1微弯损耗光纤传感器原理

光输入光输出变形器多模光纤LΛ2设光纤的微弯变形函数为正弦型1-1

根据光纤模式理论，可得到微弯损耗系数

式中D(t)——外界信号导致的弯曲幅度；q——空间频率；z——变形点到光纤入射端的距离；设光纤微弯变形函数的微弯周期为，则有的近似表达式:1-2

元件型光纤传感器3式中——比例系数；

——光纤中光波传播常数差；——光纤中产生微弯变形的长度；式4.4.1-2表明，a与光纤弯曲幅度D(t)的平方成正比，弯曲幅度越大，模式耦合越严重，损耗就越高。a还与光纤弯曲变形的长度成正比，作用长度越长，损耗也越大。a与光纤微弯周期有关，当时产生谐振，微弯损耗最大。因此，从获得最高灵敏度的角度考虑，需要选择合适的微弯周期。元件型光纤传感器4二、干涉式光纤传感器

光波通过长度为的光纤，其相位延迟为1-3对式4.4.1-3微分得：1-4

式中第一项表示光纤长度变化引起的相位差（应变效应或热胀效应），第二项为光纤折射率变化引起的相位差（光弹效应或热光效应），第三项为光纤芯径变化引起的相位差（泊松效应）。§4.4.1元件型光纤传感器5

对调制在相位中的信号需要进行解调，用于光相位解调的干涉结构有多种，如双光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法及环形干涉法等，此处主要介绍双光束干涉法。双光束光纤干涉仪有迈克尔逊(Michlson)干涉仪、马赫-陈德尔(Mach-Zehnder)干涉仪及斐索(Fizeau)干涉仪，基本结构如图4.4.1-2所示。光源探测器信号臂参考臂3dB(a)迈克尔逊干涉仪

光源信号臂参考臂3dB探测器3dB(b)马赫-陈德尔干涉仪光源探测器传输光纤3dBM1M2自聚焦透镜(c)斐索干涉仪图.1-2双光束光纤干涉仪元件型光纤传感器6现以双光束干涉仪为例来分析干涉场。设信号光与参考光的场强分别为：两光束相干产生的干涉场分布为1-5相应的光强分布为1-6

这样，可将相位变化转换为强度变化，可以获得被测信号的大小。元件型光纤传感器7三、光纤光栅传感器

光纤光栅是利用光纤的光折变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤Bragg光栅（FiberBraggGrating，FBG）是一种反射型滤波器件，其机理是后向传播的LP01模与前向传播的LP01模之间发生耦合，根据相位匹配条件，要求光栅周期很小，一般小于1μm。FBG的传输特性如图4.4.1-3所示。λIFBG反射谱λBλI输入谱λIFBG透射谱λB元件型光纤传感器8FBG的反射光波中心波长为 1-7反射率为

1-9反射光带宽（半峰值全宽）为

1-8元件型光纤传感器9由于御光纤以光栅毛的栅不距是环沿光毕纤轴锻向分穿布的炮，因酬此在剖外界规信号铃如温旦度、终压力选的作显用下翠，光佛纤将府产生央轴向讯应变咐与折葬射率的变化籍，栅污距也罗随之峰变化冒，导蛮致反孕射波保长变青化：1-悉10光纤碗光栅诸的反刷射波住长受鞭到被朱测量绳的调饺制产目生偏惊移，顿解调纲出波衫长变陆化就仔可以返得到友被测穴量。肤解调秘方法家有光爬谱法怖，用赠光谱押仪直勉接测境量反骄射谱期或透苗射谱度，是左最简挽单的即方法妹，但见光谱筹仪的跃价格愧较高拌，而棍且不幅适合辫在线屋实时西测量狼。此斜外还包有波阿长扫阁描法耽、光奏学滤档波法枕及干蓝涉法怎。在针此介挪绍干谱涉解咳调法来。元件岁型光诵纤传坚感器10由光红纤光匙栅反你射回昼来的伴光波坏进入樱不等窝臂马帜赫-览陈德疫尔干粪涉仪辣，设货干涉侵仪参来考臂左与测替量臂里几何写长度遣差为汉，乏则干呜涉信纸号相铅位为拒：1-萄11由相声位变拨化量脂可以山得到辽波长蚂偏移福量，口进而任获得栏温度危或压渔力信载息。当反服射波僻长变家化耻，则缩慧干涉品信号贱相位殖亦随鱼之改更变，强变化方量为歼：1-浓12元件赏型光远纤传遇感器11四、甜法拉辞第电归流传释感器法拉升第电份流传晌感器妻是利迫用光派纤的们磁光舌效应杆实现贪电流超测量础的，兆按调缺制参坏数分权类，盯则属嚷于偏风振调住制型蜡。磁迹光效谜应，捧又称法拉蒜第（Fa册ra欺da笋g）效应，是灾指某后些物虹质在罢外磁绢场的奏作用疾下，蛋使通乔过它拖的线贺偏振请光的煎偏振路方向拔发生挖偏转条。设牙法拉费第材匹料的精长度找为l，沿长该度方叮向施俊加的世外磁纯场强设度为H，则线绍偏振竿光通武过它奸后偏驶振方魔向旋滋转的收角度春为1-川13元件凑型光肯纤传毙感器12光纤拢的磁语光效症应最肉典型底的应电用就索是高慢压传牙输线秧用的抢电流搂传感除器，鉴其结封构如播图4巧.4粘.1魄-4理所示纱。图.响1-棵4废基于敞光纤哗磁光暂效应固的电棕流传嘴感器将光己纤绕彻在被灶测导羞线上脊，设粒圈数翠为N，导线彻中通耻过的毛电流镰为I，由安德培环舱路定典律，急距导士线轴俘心为R处的葬磁场栋为1-蹄14P2WP

探测器1探测器2I1I2光源光纤IP1元件尽型光虏纤传各感器13由以丹上两甲式可卡得偏粉转角1-街15绕在祖导线杀上的万光纤珠长度零为：，代宵入上骨式得1-恼16通过渠光纤竞的光国偏振怠面偏饭转角鸽与被屠测电或流及还光纤插的匝颜数成福正比恢，与况光纤席圈半巩径大圣小无节关。由于超探测等器不沃能直糊接检志测光德的偏封振态沸，需级要将碗光偏浴振态袭的变术化转也换为旧光强叛度信武号。伞一种坑检测挽方法耍采用Wo喇ll翠as寸to口n棱镜WP消，由光护源发兆射的堡激光侄经起俯偏器P1变为墓线偏朗振光昏进入秆传感拨光纤民，在扣输出涂端将激检偏流器P2输出巴的元件畅型光棚纤传伞感器14正交眨偏振嫩分量鸽在空论间上送分成裳两路亏输出雅，分界别被纪探测罢器1刊与探宋测器扶2接驻收。鄙探测扒器1价与探生测器饱2接科收的粱光强膛信号推分别膛为经信名号处版理可浆得到撤偏振泽面的荷偏转贪角1-疑17该解阵调方宏法的机特点糕是可您以有圣效消哄除光黑源强乳度波知动对回测量章结果运的不盗利影窝响。元件柏型光辅纤传橡感器15五、贱分布荡式光蛾纤传始感器分布追式光耻纤传尖感器指是一狭种本齿征型售的光差纤传街感器诊，所趋有敏勾感点房诚均分您布于李一根被传感房诚光纤鸭上。乎目前粱有两拖种方拖式发傲展比萍较快种，一骨种是喘以光魔纤的况后向影散射董光或阴前向领散射霸光损清耗时料域检腿测技瓜术为默基础汁的光时扯域分子布式，另娇一种玻是以悄光波慰长检域测为近基础影的波长着域分五布式。时域弯分布精式光较纤传秀感器鼻的物聋理基撤础是乖光学骄时域免反射腊技术悦（Op摸ti肠ca谜l缘瑞Ti航me羊-d弄om颤ai峡nRe袜fl聚ec缝to程me络tr筹y），简称OT钳DR。其基司本原描理是元利用切分析冲光纤筐中后士向散冈射光窄或前毛向散羽射光睛的方录法测笑量因楼散射摘、吸澡收等秩原因叙产生筝的光坑纤传辟输损阳耗和秩各种箱结构裙缺陷乖引起高的结胃构性膨损耗督，当元件若型光钥纤传摘感器16光纤脆某一情点受留温度炉或应洋力作悄用时场，该棒点的耻散射叙特性董将发滑生变君化，馅因此怨通过敌显示摊损耗订与光披纤长毕度的盒对应旗关系萄来检等测外倾界信柳号分帽布于予传感拢光纤跳上的悬扰动淘信息菜。图超4.那4.自1-踩5给声出了焦一种叫基于去后向漂散射骗光检岸测的OT粗DR原理捕图。图1盒-5外基于嗓后向栗散射业光检镇测的OT广DR原理风图脉冲激光光源后向散射回波传感光纤3dB光电检测与信号处理系统元件仍型光垒纤传朱感器17设光棉纤上砖距离翼始端Z处、须长度烘为dZ的一始段光铅纤产子生的积后向秆散射真光传府播至毒光纤瘦始端挥的功黑率为1-指18上式制可变苦换为1-务191-军20元件脾型光陪纤传炎感器18由于缺外界砌因素饮引起夹的沿见光纤宽长度咏上的原某一碰点散题射信滔号的葵变化跑，可迹以通惊过OT酒DR方法撑独立娱地探脆测出雕来，瓜而不久受其嗽他点烂散射扭信号贩改变各的影死响，省因此挎可以销采用OT燃DR方法招实现桶对光海纤的过分布津式测距量。图1好-6抢后向鲁散射掉光检度测波移形示缓意图相对回波光功率初始脉冲作用点终端费涅尔回波长度Z元件你型光炎纤传肾感器19OT罪DR的空秃间分优辨力郑由W注入迎光脉凡冲的吴宽度墨决定笑，为，为泊提高债空间乒分辨甘力，翠应使影用窄岭的光铸脉冲膝。当波妙长为的低者功率吊光脉咱冲注泉入到者传感扛光纤县时，将产俗生自香发后欧向喇任曼散部射，吗包括歼两条路谱线宵，一敢条波战长为，称为斯托碍克斯客线。另栗一条骨波长怒为，称医为反斯怠托克痛斯线。反耐斯托滥克斯测线光吓强与档斯托融克斯异线光隶强之淘比为1-裳21由上但式可皂见，常自发渠后向眨喇曼东散射采中反絮斯托肺克斯亿线光行强与渴斯托淡克斯勾线光袭强之梯比仅应是光阶介质排所处再温度浪的函粒数，款随着条环境闻温度衣的升俱高比雕值呈锣指数俊规律虾增加档。元件恰型光讯纤传女感器20传输捡型光课纤传色感器传输遗型光斤纤传喜感器一、捕反射绒式位非移传胁感器反射赌式位临移传液感器态，武其基弹本原折理如瞒图2瓶-1属所示片。图2栗-1屑反射梨式位塞移传驶感器探测器光源被测面传输光纤接收光纤21传输箱型光尼纤传世感器光源捡发出及的光异通过已光纤换射向赌被测厌物体贱，其花反射搁光由示接收狡光纤毛收集闻，送凭到探毛测器印，通拉过信勿号处寄理得莫到光戴纤端粉面与少被测趁面之非间距耗离的寸变化康（位鱼移）秀。下面干分析粪接收洽光强窄变化宋与位丧移之哈间的轿关系铺，参狮考图者2-帅2。图2吗-2切光耦仇合示盘意图被测面传输光纤接收光纤传输光纤像da2r22传输惭型光炼纤传渡感器假设尚两根墙光纤讯均为英阶跃狡折射跟率光上纤，耀芯径捷为2r，数值查孔径锤为NA阶，两光掘纤间挥隔为a，并定齐义当距微离时，限两光放纤的锤光耦葱合为宪零，滚即没版有反射摇光进洪入接仍受光院纤；当时，婶两光期纤的俩耦合挠最强不，接吹收光信。强达届到最强大值膛。此裙时输甜入光讽纤的沙像发洽出的史光锥妥完全股覆盖帆接收辈光纤路端面锁.在线伐性近英似条糠件下残，可孩得到讽交叠菠面积渠与光富纤芯列面积嗽之比酬为2-竿123传输择型光铺纤传拆感器假设情反射图面无梨光吸汇收，伯两光溪纤的西光功径率耦访合效名率F即为劳交叠睡面积架与光瞧锥底蓝面积运之比2-霜2上述康关系椅式提娱供了痕反射什式传藏感器忠的设豪计依滨据。图4枣.4浆.2眉-3肆给出诉了一帽个设踏计实虫例，蛾主要部参数北为：击2r=浩20蜓0μ肃m，杏NA籍=0刃.5层，a肾=1帝00息μm榴。图2检-3含耦合归效率花与距窜离关流系的道理论社曲线2004006000510F/%d/μmd=320μmF=7.2%24§4壳.4巩.2沃传喜输型斥光纤史传感核器二、营半导抖体吸粥收温货度传增感器设入狼射光底强为出射围光强啄为2-暗3，在凉经过居长度巡寿为的证半导颜体材炸料后仿，只有巨能量脸大于完半导静体材描料的诉禁带侦宽度Eg的光罪子才附能被因吸收本征溪吸收芳时电盾子从条导带瞎跃迁做到价矿带的筑形式尿有两叼种，完即间国接跃也迁与社直接扰跃迁巨，这质由半岁导体泪材料艰的能终带结京构所盏决定展。Ga对As半导阿体是示典型盆的直米接跃朱迁材店料，钳当光阶子能绸量hv大于巴材料专的禁讽带宽神度Eg时，梳