第七章光纤传感器

1、第第7章章 光纤式传感器光纤式传感器 光光( (导导) )纤纤( (维维) )是是20世纪世纪70年代的重要发明之一，年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地。光纤的出现产生了术，创造了光电子学的新天地。光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤在有线通信方面的优势光纤通信技术，特别是光纤在有线通信方面的优势越来越突出，它为人类越来越突出，它为人类21世纪的通信基础世纪的通信基础信息信息高速公路奠定了基础，为多媒体通信提供了实现的高速公路奠定了基础，为多媒体通信提供了实现的必需条件。由于光纤具有许多新的

2、特性，所以不仅必需条件。由于光纤具有许多新的特性，所以不仅在通信方面，在传感器等方面也获得了应用在通信方面，在传感器等方面也获得了应用。第第7章章 光纤式传感器光纤式传感器 当光纤受到外界环境因素的影响，如温度、压当光纤受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等条件变化时，光纤的传输特性将力、电场、磁场等条件变化时，光纤的传输特性将随之改变，且二者之间存在一定的对应关系，由此随之改变，且二者之间存在一定的对应关系，由此便研制出光纤传感器。便研制出光纤传感器。20世纪世纪70年代初研制出第一年代初研制出第一根实用光纤后，根实用光纤后，20世纪世纪80年代已发展了年代已发展了60多种不同多

3、种不同的光纤传感器。目前，已研发出测量位移、速度、的光纤传感器。目前，已研发出测量位移、速度、加速度、压力、温度、流量、电场、磁场等各种物加速度、压力、温度、流量、电场、磁场等各种物理量的数百种光纤传感器。理量的数百种光纤传感器。第第7章章 光纤式传感器光纤式传感器 光纤传感器的优点如下光纤传感器的优点如下 ( (1) )具有很高的灵敏度。具有很高的灵敏度。 ( (2) )频带宽、动态范围大。频带宽、动态范围大。 ( (3) )可根据实际需要做成各种形状。可根据实际需要做成各种形状。 ( (4) )可以用很相近的技术基础构成传感不同物理可以用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器，这些物理

4、量包括声场、磁场、压力、量的传感器，这些物理量包括声场、磁场、压力、温度、加速度、转动温度、加速度、转动( (陀螺陀螺) )、位移、液位、流量、位移、液位、流量、电流、辐射等。电流、辐射等。第第7章章 光纤式传感器光纤式传感器 ( (5) )便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和控制。现系统的遥测和控制。 ( (6) )可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。种恶劣环境。 ( (7) )结构简单、体积小、重量轻、耗能少。结构简单、体积小、重量轻、耗能少。第第7章章 光纤式传感器光纤式传感器7.1

5、 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的组成及分类7.2 光调制方式光调制方式7.3 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例7.1 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的组成及分类7.1.1 光纤传感器的基本组成光纤传感器的基本组成7.1.2 光纤传感器的分类光纤传感器的分类7.1.1 光纤传感器的基本组成光纤传感器的基本组成 光纤传感器主要包括光纤传感器主要包括光导纤维、光源、光探测光导纤维、光源、光探测器器三个重要部件。三个重要部件。 光源光源 分为分为相干光源相干光源( (各种激光器各种激光器) )和和非相干非相干光源光源( (白炽光、发光二极管白炽光、发光二极管) )。实际中，一般要求光。实

6、际中，一般要求光源的尺寸小、发光面积大、波长合适、足够亮、稳源的尺寸小、发光面积大、波长合适、足够亮、稳定性好、噪声小、寿命长、安装方便等。定性好、噪声小、寿命长、安装方便等。7.1.1 光纤传感器的基本组成光纤传感器的基本组成 光探测器光探测器 包括包括光敏二极管、光敏三极管、光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管、光电池光电倍增管、光电池等。光探测器在光纤传感器中等。光探测器在光纤传感器中有着十分重要的地位，它的灵敏度、带宽等参数将有着十分重要的地位，它的灵敏度、带宽等参数将直接影响传感器的总体性能。直接影响传感器的总体性能。7.1.2 光纤传感器的分类光纤传感器的分类 光纤传感器一般可光纤传

7、感器一般可分为分为功能型功能型和和非功能型非功能型两大类。两大类。光纤敏感元件光源光源光纤光电元件光电元件测量对象测量对象1. .功能型光纤传感器功能型光纤传感器 功能型光纤传感器又称功能型光纤传感器又称传感型光纤传感器传感型光纤传感器，主要主要使用单模光纤使用单模光纤，基本结构原理如图所示。光纤在这类，基本结构原理如图所示。光纤在这类传感器中传感器中不仅是传光元件不仅是传光元件，而且利用光纤本身的某些而且利用光纤本身的某些特性来感知外界因素的变化特性来感知外界因素的变化，所以它所以它又是敏感元件又是敏感元件。 在功能型光纤传感器中，由于光纤本身是敏感在功能型光纤传感器中，由于光纤本身是敏感元

8、件，因此元件，因此改变几何尺寸和材料性质可以改善灵敏改变几何尺寸和材料性质可以改善灵敏度度。功能型光纤传感器中光纤是。功能型光纤传感器中光纤是连续连续的，结构比较的，结构比较简单，但为了能够灵敏地感受外界因素的变化，往简单，但为了能够灵敏地感受外界因素的变化，往往需要用特种光纤作探头，使得制造比较困难。往需要用特种光纤作探头，使得制造比较困难。 2. .非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器 非功能型光纤传感非功能型光纤传感器又称器又称传光型光纤传感传光型光纤传感器器。它是利用在两根光。它是利用在两根光纤中间或光纤端面放置纤中间或光纤端面放置敏感元件，来感受被测敏感元件，来感受被测量的变化，量的

9、变化，光纤仅起传光纤仅起传光作用光作用，如图所示。，如图所示。光纤敏感元件光源光源光纤光电元件光电元件测量对象测量对象光纤光纤敏感元件光源光电元件光电元件测量对象测量对象 这类光纤传感器可以充分利用现有的性能优良这类光纤传感器可以充分利用现有的性能优良的敏感元件来提高灵敏度。为了获得较大的受光量的敏感元件来提高灵敏度。为了获得较大的受光量和传输光的功率，这类传感器使用的光纤和传输光的功率，这类传感器使用的光纤主要是数主要是数值孔径和芯径较大的阶跃型多模光纤值孔径和芯径较大的阶跃型多模光纤。 在非功能型光纤传感器中，也有并不需要外加在非功能型光纤传感器中，也有并不需要外加敏感元件的情况。比如，光

10、纤把测量对象辐射或反敏感元件的情况。比如，光纤把测量对象辐射或反射、散射的光信号传播到光电元件。这种光纤传感射、散射的光信号传播到光电元件。这种光纤传感器也称为器也称为探针型光纤传感器探针型光纤传感器，使用单模光纤或多模使用单模光纤或多模光纤光纤。典型的例子有。典型的例子有光纤激光多普勒速度传感器光纤激光多普勒速度传感器和和光纤辐射温度传感器光纤辐射温度传感器等。等。光纤光纤敏感元件光源光电元件光电元件测量对象测量对象第第7章章 光纤式传感器光纤式传感器7.1 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的组成及分类7.2 光调制方式光调制方式7.3 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例7.2 光调制

11、方式光调制方式 光纤传感器的工作原理是，通过被测量对光纤内光纤传感器的工作原理是，通过被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输光的振幅、波长、相位、传输的光进行调制，使传输光的振幅、波长、相位、频率或偏振态等发生变化，再对被调制的光信号进行频率或偏振态等发生变化，再对被调制的光信号进行检测，从而得出相应的被测量。检测，从而得出相应的被测量。所谓光调制可归结为所谓光调制可归结为将一个携带信息的信号叠加到载波光波上的过程将一个携带信息的信号叠加到载波光波上的过程。这。这个过程称为光波的调制，简称光调制。个过程称为光波的调制，简称光调制。 光调制技术是光纤传感器的基础和关键技术。光调制技术是光纤传感器

12、的基础和关键技术。按调制方式可分为：按调制方式可分为：强度调制、相位调制、偏振调强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制制、频率调制和波长调制等。而且，同一种光调制等。而且，同一种光调制方式可以实现多种物理量的检测，同一物理量也可方式可以实现多种物理量的检测，同一物理量也可利用多种光调制方式来实现测量。利用多种光调制方式来实现测量。7.2 光调制方式光调制方式7.2.1 强度调制强度调制7.2.2 波长调制波长调制7.2.3 偏振调制偏振调制7.2.4 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量7.2.5 频率调制频率调制7.2.1 强度调制强度调制 利用被测量直接或间接地改变光纤中传输光的

13、强利用被测量直接或间接地改变光纤中传输光的强度，再通过测量光强的变化检测出被测量的方法，称度，再通过测量光强的变化检测出被测量的方法，称为为强度调制强度调制，如图所示，如图所示。Is为外力场强。为外力场强。 同理，可利用其他各种对光强的调制方式，如同理，可利用其他各种对光强的调制方式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、辐光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、辐射等来调制入射光，从而形成相应的调制器。强度射等来调制入射光，从而形成相应的调制器。强度调制是光纤传感器使用最早的调制方法，其特点是调制是光纤传感器使用最早的调制方法，其特点是技术简单可靠、价格低廉。可采用多模光纤，光纤技术

14、简单可靠、价格低廉。可采用多模光纤，光纤的连接器和耦合器均已商品化。光源可采用的连接器和耦合器均已商品化。光源可采用LED和和白炽灯等非相干光源，探测器一般用光敏二极管、白炽灯等非相干光源，探测器一般用光敏二极管、光敏三极管和光电池。光敏三极管和光电池。7.2.1 强度调制强度调制 1. .微弯损耗光强调制微弯损耗光强调制 根据模态理论，当光纤受力微弯时，一部分根据模态理论，当光纤受力微弯时，一部分纤纤芯模式芯模式能量会转化为能量会转化为包层模式包层模式能量，通过测量包层能量，通过测量包层模式能量或纤芯模式能量的变化就能测出被测量。模式能量或纤芯模式能量的变化就能测出被测量。 当把多模光纤夹在

15、一个空间周期为当把多模光纤夹在一个空间周期为L的梳状结构的梳状结构变形器中时，只要适当选择空间周期变形器中时，只要适当选择空间周期L和光纤传输模和光纤传输模式间的传输常数差，使其相匹配，则变形器位移产生式间的传输常数差，使其相匹配，则变形器位移产生的光纤微弯就会引起各传输模式间的耦合，光能在光的光纤微弯就会引起各传输模式间的耦合，光能在光纤纤芯中的模式就会转变成耦合模被送进包层中，形纤纤芯中的模式就会转变成耦合模被送进包层中，形成模辐射。成模辐射。 模态理论表明，当模态理论表明，当纤芯传输模纤芯传输模b b1和和包层传输模包层传输模b b2的传输常数之差为的传输常数之差为)9 . 8(/221

16、Lbbb)10. 8(/2rb时，纤芯传输模与包层传输模之间的耦合最强。在时，纤芯传输模与包层传输模之间的耦合最强。在梯度光纤中梯度光纤中在阶跃光纤中在阶跃光纤中)11. 8(/2rb)0(2)()0(222nrnnn( (0) )、n( (r) )为距离光纤轴为为距离光纤轴为0和和r处的折射率；处的折射率；r为纤为纤芯半径。芯半径。上面两式中上面两式中 2. .利用小的线位移和角位移进行光强调制利用小的线位移和角位移进行光强调制 采用端面为平面的两根光纤，一根为入射光纤，采用端面为平面的两根光纤，一根为入射光纤，一根为出射光纤，光纤间距约一根为出射光纤，光纤间距约23 m mm。出射光纤相。

17、出射光纤相对于入射光纤横向或纵向微小移动或微小转动时，出对于入射光纤横向或纵向微小移动或微小转动时，出射光强随之发生变化。射光强随之发生变化。SSDDSSDDDD 3. .利用折射率的变化进行光强调制利用折射率的变化进行光强调制 当某些物理量当某些物理量( (如温度或压力等如温度或压力等) )作用于光纤作用于光纤时，引起光纤的纤芯和包层的折射率发生变化，时，引起光纤的纤芯和包层的折射率发生变化，若包层的折射率变得大于或等于纤芯的折射率，若包层的折射率变得大于或等于纤芯的折射率，则光在纤芯和包层界面上的全反射遭到破坏，产则光在纤芯和包层界面上的全反射遭到破坏，产生输出光强的变化即实现强度调制。生

18、输出光强的变化即实现强度调制。 4. .利用光纤的吸收特性进行光强调制利用光纤的吸收特性进行光强调制 X射线、射线、g g射线等辐射会使光纤材料的吸收损耗射线等辐射会使光纤材料的吸收损耗增加，光纤的输出功率降低，从而形成强度调制。增加，光纤的输出功率降低，从而形成强度调制。由于不同材料对不同的射线敏感，因此改变光纤材由于不同材料对不同的射线敏感，因此改变光纤材料的成分可对不同的射线进行测量。图示是根据这料的成分可对不同的射线进行测量。图示是根据这种原理制成的测量辐射量的传感器。种原理制成的测量辐射量的传感器。光源光纤辐射计射线探测器7.2.2 波长调制波长调制 利用外界因素改变光纤中光的波长，

19、通过检测利用外界因素改变光纤中光的波长，通过检测波长的变化来检测各种物理量，称为波长的变化来检测各种物理量，称为波长调制波长调制。波。波长调制的解调技术比较复杂，与强度调制技术相比长调制的解调技术比较复杂，与强度调制技术相比应用较少。常用的波长调制方法有：利用热色物质应用较少。常用的波长调制方法有：利用热色物质的颜色变化、利用磷光和荧光光谱的变化、利用黑的颜色变化、利用磷光和荧光光谱的变化、利用黑体辐射、利用滤光器参数的变化和利用位移进行波体辐射、利用滤光器参数的变化和利用位移进行波长调制。长调制。7.2.3 偏振调制偏振调制 利用外界因素改变光的偏振特性，通过检测光利用外界因素改变光的偏振特

20、性，通过检测光的偏振态变化的偏振态变化( (即偏振面的旋转即偏振面的旋转) )来测量被测量的方来测量被测量的方法，称为法，称为偏振调制偏振调制。在光纤传感器中，偏振调制主。在光纤传感器中，偏振调制主要基于人为要基于人为旋光现象旋光现象和人为和人为双折射现象双折射现象，如，如法拉第法拉第磁光效应磁光效应、克尔电光效应克尔电光效应和和光弹效应光弹效应等。等。 根据电磁场理论，光波是一种横波；光振动的电根据电磁场理论，光波是一种横波；光振动的电场矢量和磁场矢量始终与传播方向垂直。若光波电场场矢量和磁场矢量始终与传播方向垂直。若光波电场矢量的方向在传播过程中保持不变，称为矢量的方向在传播过程中保持不变

21、，称为线偏振光线偏振光。线偏振光电场矢量方向与传播方向组成的面称为线偏线偏振光电场矢量方向与传播方向组成的面称为线偏振光的振光的振动面振动面。若若电场矢量的大小不变，振动方向绕电场矢量的大小不变，振动方向绕传播轴转动，矢量端点轨迹为圆，称为传播轴转动，矢量端点轨迹为圆，称为圆偏振光圆偏振光；如；如果矢量轨迹为一个椭圆，称为果矢量轨迹为一个椭圆，称为椭圆偏振光椭圆偏振光。 若自然光在传播过程中受到外界的作用而使各若自然光在传播过程中受到外界的作用而使各个振动方向上强度不等，使某一方向的振动比其他个振动方向上强度不等，使某一方向的振动比其他方向占优势，称为方向占优势，称为部分偏振光部分偏振光。若外

22、界作用使自然。若外界作用使自然光的振动方向只有一个，称为光的振动方向只有一个，称为起偏起偏。利用光波的偏。利用光波的偏振性质，可以制成偏振调制传感器。注意，关于振性质，可以制成偏振调制传感器。注意，关于光光的振动方向通常是指电场矢量的方向的振动方向通常是指电场矢量的方向。 1. .法拉第磁光效应法拉第磁光效应 法拉第磁光效应表明，在磁场作用下，偏振光法拉第磁光效应表明，在磁场作用下，偏振光的振动面发生旋转，旋转的角度的振动面发生旋转，旋转的角度q q与光在物质中通过与光在物质中通过的距离的距离L及磁场强度及磁场强度H成正比，即成正比，即)17. 8(dLHVq式中，式中，Vd为物质的为物质的费

23、尔费尔德常数德常数。 应用法拉第磁光效应可测量高压大电流。通过高应用法拉第磁光效应可测量高压大电流。通过高压输电线的电流为压输电线的电流为I，在高压输电线上绕有，在高压输电线上绕有N圈光纤。圈光纤。光纤中传输的线偏振光在高压输电线形成的磁场作用光纤中传输的线偏振光在高压输电线形成的磁场作用下，偏振面旋转的角度为下，偏振面旋转的角度为q q。利用。利用q qVdLH可得可得)18. 8(dNVIq 光纤材料的光纤材料的Vd非常小非常小( (00.0161/ /A) )，用此法测量的电流，用此法测量的电流值可达几十到几值可达几十到几十万安十万安。 2. .克尔电光效应克尔电光效应 在与入射光垂直的

24、方向上加高电压，各向同性体在与入射光垂直的方向上加高电压，各向同性体便可呈现便可呈现双折射现象双折射现象，这种现象即为，这种现象即为克尔电光效应克尔电光效应。一束入射光变成两束出射光，两束出射光的相位差为一束入射光变成两束出射光，两束出射光的相位差为)19. 8( 22dVLK入射光压电晶体电极正常光异常光VP电极式中，式中，K为克尔常数。为克尔常数。L为光程，为光程，d为电极间距。为电极间距。 3. .光弹效应光弹效应 在垂直于光波传播方向上施加应力，材料将会使在垂直于光波传播方向上施加应力，材料将会使光产生双折射现象，其折射率的变化与应力有关，这光产生双折射现象，其折射率的变化与应力有关，

25、这种现象称为种现象称为光弹效应光弹效应。利用物质的光弹效应可以构成利用物质的光弹效应可以构成压力、振动、位移等光纤传感器。压力、振动、位移等光纤传感器。偏振调制的解调原理渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜解调原理解调原理 解偏过程：如图为偏振光分束器，解偏过程：如图为偏振光分束器，方解石组成。两棱镜光轴垂直，光线方解石组成。两棱镜光轴垂直，光线垂直入射到垂直入射到No.1，光束不分开，但，光束不分开，但o光光1和和e光光1速度不同。速度不同。到达到达No.2时，光轴垂直，时，光轴垂直，o光光1和和e光光1的角色互换，的角色互换，o光光2对应的折射率对应的折射率从从n0到到ne，e光光2对应的折射率从对应

26、的折射率从ne到到n0，nen0，所以两光束分开。偏振角，所以两光束分开。偏振角为为。2光线1光线光信号被调制的光束传播示意图光束传播示意图eooe45o光信号被调制的21212sinIIIIqq4cos:2A光分量振幅轴q4sin:1A光分量振幅轴 偏振角与光分量的关系：偏振角与光分量的关系：1轴2轴OAAq参考矢量4q4sinAq4sinA 偏振角偏振角与光源强度和通道能量衰减无关，只与两分光束与光源强度和通道能量衰减无关，只与两分光束的光强有关系。由偏振角的光强有关系。由偏振角值可推知需要传感的物理量值可推知需要传感的物理量 两光分量对应的振幅分别为：两光分量对应的振幅分别为：7.2.4

27、 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量 1. .相位调制相位调制 利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过检利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过检测相位变化来测量被测量的方法，称为测相位变化来测量被测量的方法，称为相位调制相位调制。这是光纤传感器中最基本的调制技术，以灵敏度高这是光纤传感器中最基本的调制技术，以灵敏度高著称。例如，若信号监测系统可以检测著称。例如，若信号监测系统可以检测1 m mrad的相的相移，则每米光纤的检测灵敏度对温度为移，则每米光纤的检测灵敏度对温度为108 、对、对压力为压力为107 Pa、对应变为、对应变为107( (即即0.1 meme) )，动态范，动态范围可达

28、围可达1010。 理论表明，当真空中波长为理论表明，当真空中波长为l l0的光入射到长度的光入射到长度为为L的光纤时，若以其入射端面为基准，则出射光的光纤时，若以其入射端面为基准，则出射光的相位为的相位为)12. 8(/2/200nLKLnLll)13. 8()(0LnnLK式中式中，K0为光在真空中的传播常数，为光在真空中的传播常数，n为折射率。为折射率。 由此，纤芯折射率由此，纤芯折射率n变化和光纤长度变化和光纤长度L变化导变化导致的光相位变化为致的光相位变化为 当光纤受到纵向当光纤受到纵向( (轴向轴向) )的机械应力作用时，由于的机械应力作用时，由于应力应变效应应力应变效应，光纤的长度

29、，光纤的长度( (应变效应应变效应) )、光纤的直径、光纤的直径( (泊松效应泊松效应) )、纤芯折射率、纤芯折射率( (光弹性效应光弹性效应) )都将变化，这都将变化，这些变化将导致光纤中光波相位的变化。若将光纤放在些变化将导致光纤中光波相位的变化。若将光纤放在变化的温度场中，由于变化的温度场中，由于温度应变效应温度应变效应，引起光纤的折，引起光纤的折射率和几何长度的变化也会引起相位变化射率和几何长度的变化也会引起相位变化。干涉测量干涉测量 目前目前光探测器对光的相位变化都不敏感，须采光探测器对光的相位变化都不敏感，须采用干涉技术将相位变化转化为强度变化用干涉技术将相位变化转化为强度变化，才

30、能够实，才能够实现对物理量的测量。相位变化将引起干涉条纹的运现对物理量的测量。相位变化将引起干涉条纹的运动，记录干涉条纹移动的数目，就可测得相位的变动，记录干涉条纹移动的数目，就可测得相位的变化，从而测得导致相位变化的物理量，这就是干涉化，从而测得导致相位变化的物理量，这就是干涉测量的原理。测量的原理。光纤干涉仪的一般系统结构如图所示。光纤干涉仪的一般系统结构如图所示。测量光路参考光路输出P1P2LDL激光器；激光器；P1分束器；分束器；P2耦合器；耦合器；D检测器检测器 ( (1) )迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 基基本原理如左图所示。激光波本原理如左图所示。激光波长为长为632.8 nm时

31、，可检测平面时，可检测平面镜镜6.31014 m的位移。下图的位移。下图为实际应用。为实际应用。激光器光检测器换能器分束器固定平面镜移动平面镜激光器光探测器激光器信号处理器3 dB耦合器反射的光纤端面换能器(a)(b)激光器分束器移动平面镜换能器光检测器分束器固定平面镜 ( (2) )马赫马赫曾特尔干涉曾特尔干涉仪仪 结构结构如右图所示如右图所示。与迈。与迈克尔逊干涉仪相比，优点是克尔逊干涉仪相比，优点是只有少量或者没有光直接返只有少量或者没有光直接返回激光器，避免了反馈光使回激光器，避免了反馈光使激光器不稳定和产生噪声。激光器不稳定和产生噪声。下图为实际应用。下图为实际应用。 ( (3) )

32、萨格奈克干涉仪萨格奈克干涉仪 结构结构如右图所示。平面镜移动时，两如右图所示。平面镜移动时，两束光的光程不会出现差别。但如束光的光程不会出现差别。但如果使固定该干涉仪的台子绕着垂果使固定该干涉仪的台子绕着垂直于光束平面的轴旋转，则出现直于光束平面的轴旋转，则出现差别。下图为实际应用。差别。下图为实际应用。可以求得顺、反时针两光束之间的光程差为可以求得顺、反时针两光束之间的光程差为4ALc式中，式中，A为光路系统围成的面积，为光路系统围成的面积，c为光速，为光速， 为光路为光路系统旋转的角速度。系统旋转的角速度。 由此可测干涉仪的台子相对于惯性空间的转动角由此可测干涉仪的台子相对于惯性空间的转动

33、角速度。从原理上讲，它是目前许多惯性导航系统所用速度。从原理上讲，它是目前许多惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光纤陀螺的设计基础。的环形激光陀螺和光纤陀螺的设计基础。 ( (4) )法布里法布里珀罗干涉珀罗干涉仪仪 原理如右图所示。两原理如右图所示。两平行平面镜的反射率通常平行平面镜的反射率通常非常大，一般大于或等于非常大，一般大于或等于95 %。下图为实际应用。下图为实际应用。激光器光检测器换能器固定平面镜移动平面镜激光器光探测器激光器光探测器(c)(d)部分透射反射镜 光检测器接收到的电场有一系列电场矢量，在光检测器接收到的电场有一系列电场矢量，在原理上它们的数量是无限的，每一个后续电场矢

34、量原理上它们的数量是无限的，每一个后续电场矢量都按系数都按系数R2递减，这里递减，这里R是反射系数。设相邻两出是反射系数。设相邻两出射光束间的相位差为射光束间的相位差为q q，可得，可得RTRRFFRTII1)1 (42sin11122220,其中,q 当当q q0, ,2 , ,4 ,时，干涉光强有最大值。当时，干涉光强有最大值。当q q , ,3 , ,5 ,时干涉光强有最小值。注意到时干涉光强有最小值。注意到2minmax11RRII反射率越大，干涉光强变化越明显，分辨率越高。它反射率越大，干涉光强变化越明显，分辨率越高。它是能用于现代科学的最灵敏的位移测量装置之一。是能用于现代科学的最

35、灵敏的位移测量装置之一。RTRRFFRTII1)1 (42sin11122220,其中,q7.2.5 频率调制频率调制 利用外界因素改变光纤中光波的频率，通过检利用外界因素改变光纤中光波的频率，通过检测光频率的变化来测量被测量，这种方法称为测光频率的变化来测量被测量，这种方法称为频率频率调制调制。这里光纤本身只作为传光元件，而。这里光纤本身只作为传光元件，而频率调制频率调制多是利用光学多普勒效应来实现的多是利用光学多普勒效应来实现的。 如图所示，如图所示，S为单色光为单色光源，源，P为运动物体，为运动物体，Q是观是观察者所处的位置。设物体察者所处的位置。设物体P的运动速度为的运动速度为u u，

36、运动方，运动方向与向与PS和和PQ的夹角分别的夹角分别为为q q1和和q q2。根据多普勒效。根据多普勒效应，对于从光源应，对于从光源S发出的发出的频率为频率为f的光，在的光，在P点观察点观察到的频率到的频率f1可表示为可表示为SPQuq1q22112coscos1qqcvff第第7章章 光纤式传感器光纤式传感器7.1 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的组成及分类7.2 光调制方式光调制方式7.3 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例7.3 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例7.3.1 光纤位移传感器光纤位移传感器7.3.2 光纤温度传感器光纤温度传感器7.3.3 光纤流速传感器光纤

37、流速传感器7.3.4 光纤压力传感器光纤压力传感器7.3.5 光纤磁传感器光纤磁传感器7.3.6 医用光纤传感器医用光纤传感器7.3 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例7.3.7 工业用内窥镜工业用内窥镜7.3.8 光纤加速度传感器光纤加速度传感器7.3.9 光纤光栅传感器光纤光栅传感器7.3.10 光纤层析成像分析技术及应用光纤层析成像分析技术及应用7.3.11 光纤纳米生物传感器光纤纳米生物传感器7.3.12 分布式光纤传感器分布式光纤传感器7.3.13 光纤传感领域的发展光纤传感领域的发展7.3.2 光纤位移传感器光纤位移传感器 1. .反射强度调制型位移传感器反射强度调制型位移传

38、感器 通过改变反射面与光纤端面之间的距离来调制通过改变反射面与光纤端面之间的距离来调制反射光的强度。反射光的强度。Y形光纤束由几百根至几千根直径形光纤束由几百根至几千根直径为几十为几十m mm的阶跃型多模光纤集束而成。它被分成纤的阶跃型多模光纤集束而成。它被分成纤维数目大致相等，长度相同的两束。维数目大致相等，长度相同的两束。 发送光纤束和接收光纤束在汇集处端面的分布发送光纤束和接收光纤束在汇集处端面的分布有多种，如随机分布、对半分布、同轴分布有多种，如随机分布、对半分布、同轴分布( (分为接分为接收光纤在外层和接收光纤在内层两类收光纤在外层和接收光纤在内层两类) )，如图所示。，如图所示。位

39、移MABCD1234XM1随机分布2对半分布3同轴分布4同轴分布发送光纤接收光纤反射光强典典型位移输出曲线如图所示。在型位移输出曲线如图所示。在输出曲线的前坡区输出曲线的前坡区I,I,输出信号强度输出信号强度增加得很快增加得很快, ,这一区域可以用于微这一区域可以用于微米级的位移测量。在后坡区米级的位移测量。在后坡区II,II,信信号的减弱约与探头和被测表面之间号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比的距离平方成反比, ,可用于距离较可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。高的测量。反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器的原的原理如右图。理如右

40、图。1 1、探头紧贴被测件时，无光接探头紧贴被测件时，无光接收没有电信号。收没有电信号。2 2、被测表面逐渐远离探头时，、被测表面逐渐远离探头时，有一个有一个线性增长线性增长的输出信号。有的输出信号。有一最大输出值一最大输出值“光峰点光峰点”。3 3、继续远离时，输出信号越来继续远离时，输出信号越来越弱，与越弱，与距离平方成反比距离平方成反比。III5 . 01 反射光强与位移的关反射光强与位移的关系如图所示。系如图所示。可以看出，可以看出，随机分布随机分布时传感器的灵敏时传感器的灵敏度和线性都较好。还可以度和线性都较好。还可以看出，看出，AB段的灵敏度和段的灵敏度和线性好，但测量范围小，线性

41、好，但测量范围小，CD段的斜率小即灵敏度段的斜率小即灵敏度低，但线性范围宽。低，但线性范围宽。1随机分布；随机分布；2对半分布；对半分布；3同轴分布；同轴分布；4同轴分布同轴分布位移MABCD1234XM1随机分布2对半分布3同轴分布4同轴分布发送光纤接收光纤反射光强AMB CDM 假设传感器工作在假设传感器工作在AB段，偏置工作点在段，偏置工作点在M，被，被测物体的反射面与光纤端面之间的初始距离是测物体的反射面与光纤端面之间的初始距离是M点点所对应的距离所对应的距离XM。由曲线可知，随位移增加光强增。由曲线可知，随位移增加光强增加，反之则光强减少，故由此可确定位移方向。光加，反之则光强减少，

42、故由此可确定位移方向。光纤位移传感器一般用来测量小位移。最小能检测零纤位移传感器一般用来测量小位移。最小能检测零点几点几m mm的位移量。这种传感器已在镀层不平度、的位移量。这种传感器已在镀层不平度、零件椭圆度、锥度、偏斜度等测量中得到应用，它零件椭圆度、锥度、偏斜度等测量中得到应用，它还可以用来测量微弱振动，而且是非接触测量。还可以用来测量微弱振动，而且是非接触测量。 利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式光利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式光纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移，纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移，从而使光纤发生微弯变形，改

43、变模式耦合，纤芯中的光部从而使光纤发生微弯变形，改变模式耦合，纤芯中的光部分透人包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的分透人包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的强度也不同、从而实现了光强度的调制。由于光强与位移强度也不同、从而实现了光强度的调制。由于光强与位移之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤位移传感器位移传感器.bbHeNe激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤的一端。此光纤没有涂覆层，数值孔径等于的一端。此光纤没有涂覆层，数值孔径等于0.22。 在变形器前在变形器前5cm长

44、的光纤上长的光纤上涂上黑色涂料，以便消除涂上黑色涂料，以便消除包层模中的光。包层模中的光。变形器由两块有机玻璃波纹板组成，每块波纹板共变形器由两块有机玻璃波纹板组成，每块波纹板共有有5个波纹，每个波纹的长度为个波纹，每个波纹的长度为3mm。变形器的一块。变形器的一块波纹板可通过千分表用手动调节的方法使它相对另波纹板可通过千分表用手动调节的方法使它相对另一块产生位移。另一块板可用压电式变换器产生动一块产生位移。另一块板可用压电式变换器产生动态位移。态位移。输入光输出光液位无包层纤芯光纤液体位置测量系统液体质中的损耗光在液体介化变移位2 光纤液面位移传感器光纤液面位移传感器光纤液面位移传感器可用于

45、易燃、易爆场合，但不光纤液面位移传感器可用于易燃、易爆场合，但不能检测污浊液体及会粘附在测头表面的粘稠性物质。能检测污浊液体及会粘附在测头表面的粘稠性物质。7.3.2 光纤温度传感器光纤温度传感器 光纤测温技术是一种新技术，光纤温度传感器光纤测温技术是一种新技术，光纤温度传感器是工业中应用最多的光纤传感器之一。按调制原理是工业中应用最多的光纤传感器之一。按调制原理分为相干型和非相干型两类。在相干型中有偏振干分为相干型和非相干型两类。在相干型中有偏振干涉、相位干涉以及分布式温度传感器等；在非相干涉、相位干涉以及分布式温度传感器等；在非相干型中有辐射温度计、半导体吸收式温度计、荧光温型中有辐射温度

46、计、半导体吸收式温度计、荧光温度计等。度计等。 1. .半导体吸收式温度传感器半导体吸收式温度传感器 半导体材料的光吸收和温度有关。半导体材料半导体材料的光吸收和温度有关。半导体材料的吸收端波长的吸收端波长l lg( (T) )随温度增加而向较长波长方向位随温度增加而向较长波长方向位移。移。光纤环氧胶半导体反射膜 一种光纤温度单端式探头一种光纤温度单端式探头 若能适当选择发光二极管，若能适当选择发光二极管，使其光谱范围正好落在吸收边的使其光谱范围正好落在吸收边的区域，即可做成透射式光纤温度区域，即可做成透射式光纤温度传感器。透过半导体的光强随温传感器。透过半导体的光强随温度升高而减少。度升高而

47、减少。 图示为双光纤参图示为双光纤参考基准通道法半导体考基准通道法半导体吸收式光纤温度传感吸收式光纤温度传感器的结构框图。器的结构框图。 光源为光源为GaAlAs发光二极管，测温介质为测量光纤发光二极管，测温介质为测量光纤上的半导体材料上的半导体材料CdTe。参考光纤上面没有敏感材料。参考光纤上面没有敏感材料。采用除法器消除外界干扰，提高测量精度。测温范围采用除法器消除外界干扰，提高测量精度。测温范围在在40 120 之间，精度为之间，精度为1 。 2. .干涉型光纤温度传感器干涉型光纤温度传感器 温度变化能引起光纤中传输的光的相位变化，利温度变化能引起光纤中传输的光的相位变化，利用光纤干涉仪

48、检测相位变化即可测得温度。图示是利用光纤干涉仪检测相位变化即可测得温度。图示是利用马赫用马赫曾特尔干涉仪测温的原理图。光通过信号臂曾特尔干涉仪测温的原理图。光通过信号臂产生的相位变化为产生的相位变化为)20. 8(2nLl式中，式中，L为感受温度变化的为感受温度变化的光纤段的长度。光纤段的长度。氦氖激光器扩束器分束器显微物镜单模光纤被测温度场光探测器7.3.3 光纤流速传感器光纤流速传感器光纤多普勒血流传感器光纤多普勒血流传感器 利用多普勒效应可构成光纤速度传感器。利用多普勒效应可构成光纤速度传感器。由于光纤很细由于光纤很细( (外径约几十外径约几十m mm) )，能装在注射，能装在注射器针头

49、内，插入血管中。器针头内，插入血管中。 图示为光纤多普勒血流传感器的原理图。测量图示为光纤多普勒血流传感器的原理图。测量光束通过光纤探针进到被测血流中，经直径约光束通过光纤探针进到被测血流中，经直径约7 m mm的红血球散射，一部分光按原路返回，得到多普勒的红血球散射，一部分光按原路返回，得到多普勒频移信号频移信号f f。 另一束进入驱动频率为另一束进入驱动频率为f140 MHz的布喇格盒的布喇格盒( (频移器频移器) )，得到频率为，得到频率为ff1的参考光信号。的参考光信号。f1+fff1 将参考光信号与将参考光信号与多普勒频移信号进行多普勒频移信号进行混频，就得到要探测混频，就得到要探测

50、的信号。这种方法称的信号。这种方法称为为光学外差法光学外差法。ff 经光电二极管将混频信号变换成光电流送入频经光电二极管将混频信号变换成光电流送入频谱分析仪，得出对应于血流速度的多普勒频移谱谱分析仪，得出对应于血流速度的多普勒频移谱( (速速度谱度谱) )，如右图所示。，如右图所示。f1+fff1ff 典型的光纤血流传感器可在典型的光纤血流传感器可在01000 cm/ /s速度速度范围内使用，空间分辨率为范围内使用，空间分辨率为100 m mm，时间分辨率为，时间分辨率为8 ms。光纤血流传感器的缺点是光纤插入血管中会。光纤血流传感器的缺点是光纤插入血管中会干扰血液流动，另外背向散射光非常微弱

51、，在设计干扰血液流动，另外背向散射光非常微弱，在设计信号检测电路时必须考虑。信号检测电路时必须考虑。7.3.4 光纤压力传感器光纤压力传感器D DS SF FF F变形器变形器光纤光纤A A1 微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器光纤被夹在一对锯齿板中间，光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，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纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中分散射到包层中. . 光纤微弯增大，散射

52、掉的光随之光纤微弯增大，散射掉的光随之增加，纤芯输出光强度相应减小。增加，纤芯输出光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移声压，或检测由压力引起的位移等物理量。等物理量。线偏振光光源起偏器 / 4波片Pyrex玻璃检偏器p圆偏振光椭圆偏振光p p光纤G-lens起偏器波片晶体检偏器2 光弹式光纤压力传感器光弹式光纤压力传感器7.3.5 光纤磁传感器光纤磁传感器 按工作原理可分为：按工作原理可分为：根据根据法拉第磁光法拉第磁光效应效应直接实现磁光转换，直接实现磁光转换，根据根据

53、磁致伸缩效磁致伸缩效应应，利用力或其他物理量间接实现磁光转换。，利用力或其他物理量间接实现磁光转换。 偏振光经保偏光偏振光经保偏光纤、自聚焦透镜进入纤、自聚焦透镜进入法拉第磁光盒，经多法拉第磁光盒，经多次反射后进入渥拉斯次反射后进入渥拉斯登棱镜，把偏振光变登棱镜，把偏振光变成振动方向相互垂直成振动方向相互垂直的两束光。的两束光。光源保偏光纤法拉第盒PHD1D2- -+ +渥拉斯渥拉斯登棱镜登棱镜 1.利用法拉第磁光效应的光纤传感器利用法拉第磁光效应的光纤传感器 设无磁场时出射光的偏振轴与棱镜的偏振轴夹设无磁场时出射光的偏振轴与棱镜的偏振轴夹角为角为45 ，这样，这样D1和和D2光电管接收的光强

54、为光电管接收的光强为)26. 8()45(sin)25. 8()45(cos202201qqIIII式中，式中，q q为偏振面的旋转角度；为偏振面的旋转角度；I0为入射光强；为入射光强；I1、I2为两偏振光的强度。为两偏振光的强度。 采用图中的采用图中的“加加”、“减减”和和“除除”法运算后，法运算后，其输出其输出)27. 8(2sin2121qIIIIP通过测量通过测量P就能确定就能确定q q偏振调制型光纤电流传感器，其基本原理是前述介绍的法拉偏振调制型光纤电流传感器，其基本原理是前述介绍的法拉第效应（磁光效应）。第效应（磁光效应）。如果这个磁场是由长直载流导线产生如果这个磁场是由长直载流导

55、线产生的，根据安培环路定律：的，根据安培环路定律：偏振调制型光纤电流传感器偏振调制型光纤电流传感器式中：式中：I-I-载流导线中的电流强度；载流导线中的电流强度；R-R-光纤缠绕半径。根据法光纤缠绕半径。根据法拉第旋光效应，引起光纤中线偏振光的偏转角为：拉第旋光效应，引起光纤中线偏振光的偏转角为：RIH2RVlIVlHq2由检测及信号处理后得输出信由检测及信号处理后得输出信号为：号为：VNIRVlIIIIIP22sin2121qV为费尔德常数；为费尔德常数；l为受磁场作为受磁场作用光纤长度，用光纤长度，N为光纤圈数。为光纤圈数。 测量范围：测量范围：0-1000A0-1000A偏振棱镜2121

56、IIII 2. .利用磁致伸缩效应的光纤传感器利用磁致伸缩效应的光纤传感器 在磁场作用下，磁性物体的尺寸会发生改变，这在磁场作用下，磁性物体的尺寸会发生改变，这种现象即为种现象即为磁致伸缩效应磁致伸缩效应。光纤磁致伸缩效应传感器。光纤磁致伸缩效应传感器是在光纤上涂覆磁致伸缩性能良好的材料薄膜，或者是在光纤上涂覆磁致伸缩性能良好的材料薄膜，或者将光纤紧绕在磁致伸缩材料芯棒上。在外磁场作用下，将光纤紧绕在磁致伸缩材料芯棒上。在外磁场作用下，由于磁致伸缩效应，纤芯长度变化及纤芯折射率变化，由于磁致伸缩效应，纤芯长度变化及纤芯折射率变化，都会导致光程的相应变化。都会导致光程的相应变化。 图示为结构原理

57、图。其灵敏度与磁性体磁致伸图示为结构原理图。其灵敏度与磁性体磁致伸缩效应的强弱、膜厚度和膜长度有关，主要取决于缩效应的强弱、膜厚度和膜长度有关，主要取决于材料的磁致伸缩常数。材料的磁致伸缩常数。磁场光源磁性膜光纤参考光纤光检测器电输出7.3.6 医用光纤传感器医用光纤传感器 在医用领域，用来测量人体和生物体内部医学参在医用领域，用来测量人体和生物体内部医学参量的光纤传感器越来越引起有关方面的关注和兴趣。量的光纤传感器越来越引起有关方面的关注和兴趣。医用光纤传感器体积小、医用光纤传感器体积小、电绝缘和抗电磁性能好电绝缘和抗电磁性能好，特，特别适于身体的内部检测。可以用来测量体温、体压、别适于身体

58、的内部检测。可以用来测量体温、体压、血流量、血流量、pH值等医学参量。光纤多普勒血流传感器值等医学参量。光纤多普勒血流传感器已用于薄壁血管、小直径血管、蛙的蛛网状组织，老已用于薄壁血管、小直径血管、蛙的蛛网状组织，老鼠的视网膜皮层的血流测量等。鼠的视网膜皮层的血流测量等。 1. .医用内窥镜医用内窥镜 由于光纤柔软、自由由于光纤柔软、自由度大、传输图像失真小，度大、传输图像失真小，引入医用内窥镜后，可以引入医用内窥镜后，可以方便的检查人体的许多部方便的检查人体的许多部位。上图为腹腔镜的剖视位。上图为腹腔镜的剖视图。图像导管直径约图。图像导管直径约3.4 mm。下图为观察部位的。下图为观察部位的

59、照片。照片。 2. .光纤体压计光纤体压计 可用来检测人体各部位的体压，如膀胱、直肠、可用来检测人体各部位的体压，如膀胱、直肠、颅内和心血管等，测量范围通常为颅内和心血管等，测量范围通常为040 kPa。图所为一种医用体压计探针的结构示意图，在探图所为一种医用体压计探针的结构示意图，在探针端部的开孔上安装有对压力敏感的防水薄膜。膜片针端部的开孔上安装有对压力敏感的防水薄膜。膜片通过悬臂梁与反射镜相连。通过悬臂梁与反射镜相连。 导管光纤束反射镜防水薄膜悬臂梁Pp防水薄膜7.3.7 工业用内窥镜工业用内窥镜 在工业生产的某些过程中，经常需要检查某些系在工业生产的某些过程中，经常需要检查某些系统内部

60、结构状况，而这些系统由于种种原因不能打开统内部结构状况，而这些系统由于种种原因不能打开或靠近观察，采用光纤图像传感器可解决这一难题。或靠近观察，采用光纤图像传感器可解决这一难题。7.3.8 光纤加速度传感器光纤加速度传感器光纤加速度传感器如图所示。光纤加速度传感器如图所示。7.3.9 光纤光栅传感器光纤光栅传感器 1978年首次观察到掺锗光纤中因光诱导产生的光年首次观察到掺锗光纤中因光诱导产生的光栅效应，其后又发展了紫外光侧面写入光敏光纤光栅栅效应，其后又发展了紫外光侧面写入光敏光纤光栅技术。所谓光纤的技术。所谓光纤的光敏性光敏性是指掺杂光纤中通过激光时，是指掺杂光纤中通过激光时，光纤的折射率