检测与转换技术第五章光纤传感器

第五章光纤传感器5.2光纤传感器光纤传感器(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。

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——光导纤维，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介质材料制成的极细的纤维，是一种理想的光传输线路。光纤传感器兴起于20世纪70年代，是一类较新的光敏器件，它是利用被测量对光纤内传输的光波进行调制，使光波的一些参数，如强度、频率、波长、相位、偏振态等特性产生变化来工作。可以测量位移、加速度、压力、温度、磁、声、电等物理量。5.2.1基础知识1、光纤结构纤芯包层涂覆层护套

光纤通常由纤芯、包层及保护套组成。纤芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圆柱体，直径约为5～150μm。包层的材料也是玻璃或塑料等，但纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。涂敷层起隔离杂光的作用。外套起保护光纤的作用。较长的光纤又称为光缆。

2.光纤传光原理

1)斯乃尔定理（Snell'sLaw）当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图(a)，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θr＞θi。

n1n2θrθi

(a)光的折射示意图

可见，入射角θi增大时，折射角θr也随之增大，且始终θr＞θi。n1、n2、θr、θi之间的数学关系为

n1sinθi=n2sinθrθi0=arcsin(n2/n1)

sinθi0=n2/n1sinθr＝sin90º＝1n1n2θrθi

(b)临界状态示意图

当θr=90º时，θi仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态。这时有式中：θi0——临界角当θi＞θi0并继续增大时，θr＞90º，这时便发生全反射现象，如图(c)，其出射光不再折射而全部反射回来。n1n2θrθi

(c)光全反射示意图2)光纤导光原理全反射，则外介质为空气时，

3光纤特性参数：1）数值孔径以入射角小于θi0进入光纤的光线将形成全反射被引导至光纤输出端，并以近似等于入射角的角度射出。θi0称为临界角，2θi0为接受角，处于接受角之外的光线均被包层吸收而损失掉。sinθi0定义为光纤的数值孔径，用NA表示，它反映纤芯接收光量的多少，是光纤的一个重要参数。当θr2<90º时,sinθi>NA,θi>arcsin(NA),光线消失。这说明arcsinNA是一临界角,凡入射角θi＞arcsinNA的那些光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反,只有入射角θi＜arcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播。

当θr2=90º时当θr2>90º时，光线发生全反射，则sinθi0=NAθi0=arcsin(NA)θi<θi0=arcsin(NA)2）传播损耗由于光纤纤芯材料吸收、散射、以及光纤弯曲处的辐射损耗影响，光信号在光纤中的传输不可避免的要发生损耗（如同电流在导线中传输）。α为损耗率，表示光由光纤的一端传递到另一端时产生损耗的速率，通常用每km引起光功率损耗的分贝数表示。(dB/km)式中α－光线损耗Pi、Po－分别为光纤输入输出功率光纤传播损耗分类吸收损耗：

与组成光纤的材料的电子受激跃迁和分子共振有关。散射损耗：由于材料密度的微观变化，成分起伏，以及在制造光纤过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起的。辐射损耗：当光纤受到具有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射损耗。大部分光纤传感器所用光纤一般不足4m，短者只有数毫米，因此传感器用光纤，尤其是敏感元件用特殊光纤可放宽传输损耗要求，一般传输损耗<10dB/Km的光纤均可采用，可降低成本。3）带宽如果保证光纤的输入光功率信号大小不变，随着入射光信号频率的增加，光纤的输出光功率信号会逐渐下降，即光纤对输入信号的频率有一定的响应特性，称为带宽，用带宽系数表示，定义为：一千米长的光纤，其输出光功率信号下降到其最大值的一半时，对用的入射光信号的频率。由于光信号是以光功率来度量的，所以其带宽又称为3dB光带宽。即光功率信号衰减3dB时,输出光功率信号减少一半。

4）色散当一个光脉冲从光纤输入，经过一段长度的光纤传输之后，其输出端的光脉冲会变宽，甚至有了明显的失真，这说明光纤对光脉冲有展宽作用，即光纤存在着色散。单模光纤：材料色散、波导色散多模光纤：模式色散：一般来说，光纤三种色散的大小顺序是：

模式色散>材料色散>波导色散

材料色散：

材料的折射率随光波长度的变化而变化，使光信号中各波长分量的光的传播速度不同而引起的色散。波导色散：

由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数随着信号角频率变化而引起色散。多模色散：

在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同、群速度不同而产生的色散。4.光纤分类按传播模式种类来分单模光纤多模光纤只能传送一种模式、完全避免模态色散频带宽、容量大、传输性能好纤芯直径小8-10μm制造、连接、耦合困难纤芯直径较大传播模式较多模态色散，带宽较窄、容量小制造容易，耦合容易传播模式即光沿着光纤传播的途径和方式。5.2.2光纤传感器结构及类型1.光纤传感器结构光是一种电磁波，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；ω：光波的振动频率φ：光相位；t：光的传播时间被测量调制：光的强度、偏振态（矢量A的方向）、频率和相位解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制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源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。2.光纤传感器类型

（1）根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为非功能型、功能型和拾光型三大类。

1）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。

优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。

缺点：灵敏度较低。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤

2）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。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。

优点：结构紧凑、灵敏度高。

缺点：须用特殊光纤，成本高，

例子：光纤陀螺、光纤水听器等。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器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。

典型例子： 光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器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。内调制：发生在光纤内部，是通过光纤本身特性改变来实现光强度的调制；即光纤既是光的传导媒质，又是光的敏感元件，称之为功能型光纤传感器外调制：调制过程发生在光纤之外的环节，此时光纤只作传光媒质，称为非功能型光纤传感器光纤微弯曲位移（压力）传感器①功能型：通过改变光纤外形、折射率差、吸收特性等方式使光强变化。当光纤受微弯板作用产生弯曲时，使原沿纤芯轴线传输的传导模中的一部分泄漏到包层中，成为辐射模，使纤芯中的传导模减少。作用力越大，光纤微弯程度增加，纤芯的传导模损耗越大，从而实现对传导光波强度的调制。②非功能性：通过光束位移、遮挡、耦合等方式使接收光纤的光强变化。光反射依靠折射率变化测液位：光传输2）偏振调制光纤传感器

偏振调制采用单模光纤。利用外界因素改变单模光纤中偏振光的偏振状态，偏振调制的机理有电光效应、磁光效应和弹光效应。应用： 电流、磁场传感器：法拉第效应； 电场、电压传感器：电光效应； 压力、振动或声传感器：光弹效应； 温度、压力、振动传感器：双折射性优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。自然光：在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量呈对称分布。可用相互垂直的光振动描述自然光。

光波是一种横波：光振动的电场矢量E和磁场矢量H始终与传播方向v垂直。如果光在传播过程中，只存在某一确定方向的振动，这种光称为线偏振光或完全偏振光，简称偏振光。偏振态调制型光纤传感器根据光波振动方向的分布和变化规律，又分为部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。.....起偏器检偏器自然光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化.偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化起偏器检偏器....自然光线偏振光.偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化起偏器检偏器....自然光线偏振光.偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化起偏器检偏器....自然光线偏振光.两偏振片的偏振化方向相互垂直光强为零偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化起偏器检偏器....自然光线偏振光.....检偏器自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光.....自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变检偏器.....自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变检偏器.....自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变检偏器.....自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变检偏器.....自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变检偏器.....自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变检偏器偏振态调制型光纤传感器3）频率调制光纤传感器

一种利用由被测对象引起的光频率的变化来进行检测的传感器。光波频率调制是通过光学多普勒效应实现的。此时光纤只起传光作用，属非功能型。

光学多普勒效应：当光源和光探测器都不动时，光源发出的频率为fo的光波，经过运动体散射或反射后，由探测器接收到的光波频率fs发生变化。

多普勒频移：多普勒效应引起的光波频率变化量Δf4）相位调制传感器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。

光波的相位由光波长λo(真空)、介质折射率n及介质长度L决定。当光纤受到被测对象的作用而引起结构尺才的变化和内应力的变化时，将导致纤芯的折射率n或光纤的长度L发生变化，从而实现光波的相位调制。干涉测量方法

干涉测量是把光波相位变化转换为光波强度变化的测量方法。两相干光束干涉后的光强度为式中A——干涉光强度；A1、A2——两相干光强度；

——两相干光的相位差。在干涉测量时，通常取一相干光为参考，另一相干光感受被测对象的调制，调制后光相位的变化引起两相干光相位差发生变化，导致干涉光强度A的变化。通过对干涉光强度的测量，实现对两相干光相位差的测量，达到对被测对象的检测。陀螺仪（gyroscope）作为一种主要的惯性敏感器件，用于测量运载体的角速度，是构成惯性系统的基础核心器件，是决定其性能的关键。光纤陀螺(FOG)是一种基于Sagnac原理的光纤角速度传感器，与传统的陀螺相比，它内部没有机械旋转元件，工作启动时间短，稳定性好，寿命长，动态范围宽，质量轻，易于微型化，保持着较高的性价比。5.2.3光纤传感器的应用--光纤陀螺陀螺——惯性导航的关键部件MechanicalGyroMechanicalGyro

FOG的应用——军事领域

FOG的应用——军事领域惯性导航系统/全球定位系统（INS/GPS）环形激光陀螺导航系统。

FOG的应用——民用领域LCR-92µ-AHRS

AttitudeandHeadingReferenceSystem

FOG的应用——民用领域CameraStabilizerforHelicopter(JAE)1.Sagnac效应

萨格纳克效应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点。(a)系统静止(b)系统旋转(a)系统静止；(b)系统旋转如(a)所示，无旋转条件下，两束光传输时间相等，为如(b)所示，旋转条件下，传输时间差传输光程差传输相位差(a)系统静止(b)系统旋转2.光纤陀螺实现原理

光纤陀螺本质上是一个环形干涉仪，通过采用多匝光纤线圈来增强相对惯性空间的旋转引起的Sagnac效应。其实现原理如图所示。

光纤陀螺实现原理图3.光纤陀螺结构

右图给出数字闭环光纤陀螺结构示意图。系统采用偏置调制提高信号检测灵敏度；采用闭环控制降低光电检测器工作范围，提高检测精度。数字闭环光纤陀螺结构图

光纤陀螺的主要参数有标度因数非线性度、标度因数重复性、零偏稳定性、零偏重复性，随机游走系数等，在国军标“光纤陀螺测试方法”(GJB2426—95)中对这几项参数都有明确的定义。1.标度因数K(scalefactor)

陀螺仪输出量与输入角速度的比值，反映陀螺的灵敏度。它是用某一特定直线的斜率表示，该直线是根据整个输入角速率范围内测得的输入输出数据，用最小二乘法拟合求得。4.光纤陀螺的性能评价标度因数的稳定性及线性度直接影响测量值的精确性。战略级精密光纤陀螺的标度因数稳定性应≤1×106。2.标度因数非线性度Kn(scalefactornonlinearity)

在输入角速率范围内，陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差与最大输出量之比。3.标度因数重复性Kr(scalefactorrepeatability)

在同样条件下及规定间隔时间内，重复测量陀螺仪标度因数之间的一致程度。以各次测试所得标度因数的标准偏差与其平均值之比表示。4.零偏B(bias)

当输入角速度为零时，陀螺仪的输出量。以规定时间内测得的输出量平均值相应的等效输入角速率表示。5.零偏稳定性Bs(biasstability)

当输入角速率为零时，衡量陀螺仪输出量围绕其均值的离散程度。以规定时间内输出量的标准偏差的等效输入角速率表示，也可称为零漂。6.零偏重复性Br(bias)

在同样条件下及规定间隔时问内，重复测量陀螺零偏之间的一致程度。以各次测试所得零偏的标准偏差表示。7.随机游走系数RWC(randomwalkcoefficient)

由白噪声产生的随时间累积的陀螺仪输出误差系数。单位为。随机游走的主要误差源是光源输出功率振荡、探测器及信号处理电路的噪声引起的相对亮度噪声，散粒噪声、探测器、放大器及电路噪声，D／A噪声等。5.2.4

光纤传感器的应用：光纤位移传感器透射式反射式光纤温度传感器反射式相位变化振幅变化光纤压力传感器相位调制偏振态调制强度调制反射型强度调制光