《光传感技术》

1、5 5 光纤传感技术光纤传感技术 5.1 光纤传感技术概述光纤传感技术概述光纤效应光纤效应光学量变化光学量变化物理量物理量探测器探测器强度调制、频率调制、相位调制强度调制、频率调制、相位调制传感器传感器光学现象光学现象被测量被测量干干涉涉型型相位相位调制调制光线光线传感传感器器干涉（磁致伸缩）、干涉（电致伸干涉（磁致伸缩）、干涉（电致伸缩）、缩）、Sagnac效应、光弹效应效应、光弹效应电流、磁场、电场、电压、电流、磁场、电场、电压、角速度、振动、压力、加角速度、振动、压力、加速度、位移、温度速度、位移、温度非非干干涉涉型型强度调强度调制光纤制光纤传感器传感器遮光板遮断光路、半导体透射率的变遮

2、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、气体分损耗、振动膜或液晶的反射、气体分子吸收、光纤漏泄模子吸收、光纤漏泄模温度、振动、压力、加温度、振动、压力、加速度、位移、气体浓度速度、位移、气体浓度、液位、液位偏振调偏振调制光纤制光纤传感器传感器法拉第效应、泡克尔斯效应、双折法拉第效应、泡克尔斯效应、双折射变化、光弹效应射变化、光弹效应电流、磁场、电场、电电流、磁场、电场、电压、温度、振动、压力压、温度、振动、压力、加速度、位移、加速度、位移频率调频率调制光纤制光纤传感器传感器多普勒效应、受激喇曼散射、多普勒效应、受激

3、喇曼散射、光致发光光致发光速度、流速、振动、加速度、流速、振动、加速度、气体浓度、温度速度、气体浓度、温度5.2 光传感技术分类光传感技术分类根据光纤在传感器中的作用，分为功能型、非功能型和拾光型。根据光纤在传感器中的作用，分为功能型、非功能型和拾光型。1）功能型（全光纤型）光纤传感器）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，将感元件，将“传传”和和“感感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而合为一体的传感器。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

4、，其光学特性（光强、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）的变化来实现相位、偏振态等）的变化来实现“传传”和和“感感”的功能。因此，传感器中的功能。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。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光源光源探测器探测器入射光波的特征参量：入射光波的特征参量：振幅、相位、偏振态、波长等振幅、相位、偏振态、波长等外界物理因素：温度、压力、外界物理因素：温度、压力、电场、磁场、电流电场、磁场、电流光纤光纤 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器）非功能型

5、（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只光纤仅起导光作用，只“传传”不不“感感”，对外界信息的，对外界信息的“感觉感觉”功功能依靠其他物理性质的功能元件完成。此类光纤传感器无需特殊光纤及能依靠其他物理性质的功能元件完成。此类光纤传感器无需特殊光纤及其它特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏其它特殊技术，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。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 3）拾光型光纤传感器）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。其用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或

6、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。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 根据光受被测对象的调制形式，分为：根据光受被测对象的调制形式，分为：强度调制型、偏振调制、频率调制、强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制相位调制。 1 1）强度调制型光纤传感器）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；变化，而导致光强度变化

7、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。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。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缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。

8、 2 2）偏振调制光纤传感器）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、振动或声波传感器；以及利用光纤的双折射性构成温弹效应构成的压力、振动或声波传感器；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

9、度变化的影响，因度、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响，因此灵敏度高。此灵敏度高。4）相位调制传感器）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波、压力或振动传感器；得到被测对象的信息。通

10、常有利用光弹效应的声波、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（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）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，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。因此成本高。1、微弯损耗光纤传感器、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所示。传感光纤被夹基于微弯损耗机理的强度调制型传感器的结构如图

11、所示。传感光纤被夹在一个变形器中，变形器具有一定的变形函数，当外力使变形器的上下在一个变形器中，变形器具有一定的变形函数，当外力使变形器的上下两部分靠近，则光纤将会按照变形器的变形函数形状发生弯曲变形，光两部分靠近，则光纤将会按照变形器的变形函数形状发生弯曲变形，光纤中传输光产生损耗。因此由光纤中光功率的数值可得到诸如压力、位纤中传输光产生损耗。因此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。移等被测量的大小。光输光输入入光输光输出出变形器变形器多模光纤多模光纤L微弯损耗光纤传感器原理微弯损耗光纤传感器原理5.3 光纤传感技术应用光纤传感技术应用光源光源探测器探测器信号臂信号臂参考

12、臂参考臂3dB迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪2、双光束光纤干涉仪有迈克尔逊（、双光束光纤干涉仪有迈克尔逊（Michlson）干涉仪、马赫）干涉仪、马赫-曾德（曾德（Mach-Zehnder）干涉仪及斐索（）干涉仪及斐索（Fizeau）干涉仪。）干涉仪。在迈克尔逊干涉仪中，光源发射光经在迈克尔逊干涉仪中，光源发射光经3dB光纤耦合器被分成功率相等的两部光纤耦合器被分成功率相等的两部分，分别进入信号臂光纤与参考臂光纤，然后分别被端面的反射镜反射回各分，分别进入信号臂光纤与参考臂光纤，然后分别被端面的反射镜反射回各自的光纤中，在信号臂光纤中传输的光波相位被调制，在参考臂光纤中传输自的光纤中，在信号臂光

13、纤中传输的光波相位被调制，在参考臂光纤中传输的光波相位与外界无关。被反射回来的光波在的光波相位与外界无关。被反射回来的光波在3dB耦合器另一端汇合，产生耦合器另一端汇合，产生干涉条纹，信号由与此端相连的探测器接收。干涉条纹，信号由与此端相连的探测器接收。1）迈克尔逊干涉仪）迈克尔逊干涉仪 光源光源信号臂信号臂参考臂参考臂3dB探测器探测器3dB马赫马赫-曾德干涉仪曾德干涉仪2）马赫）马赫-曾德干涉仪曾德干涉仪马赫马赫-曾德干涉仪使用了两个曾德干涉仪使用了两个3dB耦合器，光源发出的相干光由第一个耦合器，光源发出的相干光由第一个3dB耦合器进入信号臂光纤与参考臂光纤，在经第二个耦合器进入信号臂光

14、纤与参考臂光纤，在经第二个3dB耦合器后在探测器耦合器后在探测器端汇合，产生干涉条纹。马赫端汇合，产生干涉条纹。马赫-曾德干涉仪的优点是克服了迈克尔逊干涉仪曾德干涉仪的优点是克服了迈克尔逊干涉仪中反馈光波对光源的影响，得到广泛的应用。中反馈光波对光源的影响，得到广泛的应用。光源光源探测器探测器传输光纤传输光纤3dBM1M2自聚焦透镜自聚焦透镜斐索干涉仪斐索干涉仪3）斐索干涉仪）斐索干涉仪在斐索干涉仪中，光源发出的相干光束经在斐索干涉仪中，光源发出的相干光束经3dB耦合器进入传输光纤，在光纤耦合器进入传输光纤，在光纤出射端一部分被光纤端面反射回光纤中，一部分从光纤输出后又被一个外部出射端一部分被

15、光纤端面反射回光纤中，一部分从光纤输出后又被一个外部的反射镜反馈回光纤中，这两部分反馈光在耦合器的另一端汇合产生干涉条的反射镜反馈回光纤中，这两部分反馈光在耦合器的另一端汇合产生干涉条纹。通常在光纤出射端加一自聚焦透镜来提高外部反馈光的耦合效率。这种纹。通常在光纤出射端加一自聚焦透镜来提高外部反馈光的耦合效率。这种干涉仪的特点是结构非常简单，通过改变光纤端面与外部反射镜的间距就可干涉仪的特点是结构非常简单，通过改变光纤端面与外部反射镜的间距就可以实现对光纤中光波相位的调制。以实现对光纤中光波相位的调制。lHVd3、法拉第电流传感器、法拉第电流传感器法拉第电流传感器是利用光纤的磁光效应实现电流测

16、量的，按调制参法拉第电流传感器是利用光纤的磁光效应实现电流测量的，按调制参数分类，则属于偏振调制型。数分类，则属于偏振调制型。磁光效应，又称法拉第（磁光效应，又称法拉第（Faradag）效应，是指某些物质在外磁场的作）效应，是指某些物质在外磁场的作用下，使通过它的线偏振光的偏振方向发生偏转。如果法拉第材料的用下，使通过它的线偏振光的偏振方向发生偏转。如果法拉第材料的长度为长度为l，沿长度方向施加的外磁场强度为，沿长度方向施加的外磁场强度为H，则线偏振光通过它后偏，则线偏振光通过它后偏振方向旋转的角度为振方向旋转的角度为光纤的磁光效应最典型的应用就是高压传输线用的电流传感器，其结构光纤的磁光效应

17、最典型的应用就是高压传输线用的电流传感器，其结构如图所示。将光纤绕在被测导线上，设圈数为如图所示。将光纤绕在被测导线上，设圈数为N，导线中通过的电流为，导线中通过的电流为I，由安培环路定律，距导线轴心为由安培环路定律，距导线轴心为R处的磁场为处的磁场为P2WP 探测器探测器1探测器探测器2I1I2光源光源光纤光纤I P12121IIIIRIH24、反射式位移传感器、反射式位移传感器反射式位移传感器的基本原理如图所示。光源发出的光通过光纤射向被测反射式位移传感器的基本原理如图所示。光源发出的光通过光纤射向被测物体，其反射光由接收光纤收集，送到探测器，接收光强将随着反射物体物体，其反射光由接收光纤

18、收集，送到探测器，接收光强将随着反射物体表面与光纤探头端面的距离变化。通过信号处理得到光纤端面与被测面之表面与光纤探头端面的距离变化。通过信号处理得到光纤端面与被测面之间距离的变化（位移）。间距离的变化（位移）。探测器光源光源被测面被测面传输光纤传输光纤接收光纤接收光纤反射式位移传感器反射式位移传感器5、透射式传感器、透射式传感器一宽光谱光源发出的光耦合进光纤中，在两传输光纤之间放置一一宽光谱光源发出的光耦合进光纤中，在两传输光纤之间放置一GaAs半半导体薄片，厚度约导体薄片，厚度约150m，两根光纤对准之后用树脂胶密封。透射光由，两根光纤对准之后用树脂胶密封。透射光由探测器接收。探测器接收。GaAs材料的吸收范围在材料的吸收范围在900nm附近，因此光源光谱应覆盖附近，因此光源光谱应覆盖这一范围。当温度升高时，透射光强度降低，可感知温度的变化。这一范围。当温度升高时，透射光强度降低，可感知温度的变化。光源光源探测探测器器传输光纤传输光纤GaAs半导体吸收温度传感器示意图半导体吸收温度传感器示意图SLEDopticalspectrumanalyzercoupler通过外界参量对通过外界参量对BraggBragg中心波长的调制