光导纤维传感器

关于光导纤维传感器

光纤传感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世纪70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。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。

12.1概论第2页,共44页，2024年2月25日，星期天一、光纤传感器的特点二、常用光纤类型及参数①电绝缘性能好。②抗电磁干扰能力强。③非侵入性。④高灵敏度。⑤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3页,共44页，2024年2月25日，星期天

常用光纤类型及参数类型折射率分布distributionofrefractiveindex纤芯直径/μmDiameterofcore包层直径/μmDiameterofenvelope数值孔径Numericalaperture单模2~880~1250.10~0.15多模阶跃光纤(玻璃)80~200100~2500.1~0.3多模阶跃光纤(玻璃/塑料)200~1000230~12500.18~0.50多模梯度光纤50~100125~1500.1~0.2单模光纤:Mono-modefiber;多模光纤:Poly-modefiber第4页,共44页，2024年2月25日，星期天三、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(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。第5页,共44页，2024年2月25日，星期天可见,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；ω——光波的振动频率；φ——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。

第6页,共44页，2024年2月25日，星期天传感器光学现象被测量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SMMMSMMMb,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、光纤传感器的分类第7页,共44页，2024年2月25日，星期天

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（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。第8页,共44页，2024年2月25日，星期天

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第9页,共44页，2024年2月25日，星期天

（2）根据光受被测对象的调制形式形式：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。第10页,共44页，2024年2月25日，星期天

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。第11页,共44页，2024年2月25日，星期天

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。

第12页,共44页，2024年2月25日，星期天光的全反射实验

12.2光纤传感器的基本知识第13页,共44页，2024年2月25日，星期天光的反射、折射

当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到介质2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，在另一介质内继续传播。

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光的全反射

当减小入射角时，进入介质2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播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角θc。当入射角小于θc时，入射光线将发生全反射。第15页,共44页，2024年2月25日，星期天

12.2.1光线理论一、均匀纤芯光纤传光的光线理论1、子午光线的传播第16页,共44页，2024年2月25日，星期天光纤数值孔径NA:2、斜光线的传播最大端面入射角斜＞子午；斜光线在纤芯内呈螺旋状全反射折线向前传播；斜光线与

=0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；第17页,共44页，2024年2月25日，星期天二、非均匀纤芯光纤传光的光线理论第18页,共44页，2024年2月25日，星期天包层第19页,共44页，2024年2月25日，星期天

非均匀纤芯光纤的折射率分布表示为：

n(r)=n(0)·f(r)

当n(r)满足双曲正割分布时，即：n(r)=n(0)·sech(αr)

不同入射角的子午光线将同周期传播，传播波长为：

Λ=2π/α且光纤内光线的传播轨迹为正弦波，称之为自聚焦光纤

Λ第20页,共44页，2024年2月25日，星期天第21页,共44页，2024年2月25日，星期天12.2.2波动理论一、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模式。采用圆柱坐标，各模式的定义如下：

磁场分量:HZ≠0（轴向）；Hφ=0；Hr=0；电场分量:Eφ≠0；Er≠0；EZ=0；

m、n分别表示φ、r方向的波节数，均为整数；1、TEmn

模：第22页,共44页，2024年2月25日，星期天

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EHmn模，反之，为HEmn

模；2、TMmn

模：磁场分量:HZ=

0；Hφ≠0；Hr≠0；电场分量:Eφ=0；Er=0；EZ≠0

（轴向）；3、HEmn

模和EHmn模：第23页,共44页，2024年2月25日，星期天二、特征方程的解指在一定边界条件下，麦克斯韦方程的解，它是一系列离散值β，其大小取决于光纤参数：a,n1,n2,λ0;则β值为归一化频率γ的函数。定义归一化频率γ：第24页,共44页，2024年2月25日，星期天截止条件：当减小归一化频率γ

值，使得某个模式的β值等于2πn2/λ0时，该模式就不能在光纤中传输了，称该模截止了。截止时的γ

值称为该模式的截止频率。三、截止条件和单模传输HE11模的截止频率最小，为零；其次为TE01、TM01模的截止频率γ=2.405;单模传输:当γ＜2.405时，光纤中传输的电磁波只有一个HE11模式，称为单模传输；第25页,共44页，2024年2月25日，星期天当γ值在2.405~3.8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：HE11、TE01、TM01、HE21单模光纤：能实现单模传输的光纤；条件为：

γ＜2.405单模光纤的直径很小，一般为：5~10μm；多模光纤的直径一般为：50~150μm；第26页,共44页，2024年2月25日，星期天12.3光纤传感器一、强度调制型光纤传感器光源光探测器z光源光探测器第27页,共44页，2024年2月25日，星期天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二极管。

第28页,共44页，2024年2月25日，星期天激光二极管的外形

第29页,共44页，2024年2月25日，星期天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，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。

第30页,共44页，2024年2月25日，星期天

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变化的现象；二、相位调制型光纤传感器（干涉型）

相位变化→干涉光强变化检测灵敏度极高，一般可测＜10-6rad的相位变化例：1℃→100rad的相位变化（1米光纤），测温分辨率可达10-8℃

；

常见相位调制方法：

1、机械应变及光弹性效应第31页,共44页，2024年2月25日，星期天

反射镜1

光源分光镜反射镜2

激光器光探测器第32页,共44页，2024年2月25日，星期天

分光镜反射镜1反射镜2分光镜第33页,共44页，2024年2月25日，星期天

保护管内为高温光纤低温光纤光纤温度传感器

第34页,共44页，2024年2月25日，星期天

氦氖激光器扩束器

单模光纤

2、温度效应温度变化引起光纤的尺寸及折射率变化：3、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、电场作用于光纤时，使光纤长度变化，从而相位变化；光探测器被测温度场第35页,共44页，2024年2月25日，星期天

I待测电流信号光纤磁致伸缩管待测磁场耦合器参考光纤磁敏感臂信号光纤激光器耦合器光探测器信号光纤待测电压U

压电陶瓷PZT第36页,共44页，2024年2月25日，星期天

偏振方向转动角度：θ=VHL

式中：V——韦德耳系数；

H——外加磁场强度；

L——物体的长度；三、偏振调制型光纤传感器常见偏振调制方法：1、法拉第旋光效应线偏光磁场θ第37页,共44页，2024年2月25日，星期天

nx=n0+n0³γE/2ny=n0-n0³γE/2

式中：n0——没有外电场时的折射率；

γ——系数；相位差：δ=2πn0³γEL/λ2、电光效应物体在外电场的作用下，其各方向的折射率发生不同的变化,且变化的大小与外加电场成正比；椭圆偏振光线偏振光Z（电场方向）XY第38页,共44页，2024年2月25日，星期天3、光弹性效应指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；当线偏振光通过时，输出