光纤传感器及其应用

1、光纤传感器及其应用光纤传感器及其应用姓名：姓名：光纤传感器光纤传感器 光纤基础知识光纤基础知识 光纤传感器的分类光纤传感器的分类 光纤传感器电类传感器的比较光纤传感器电类传感器的比较 光纤制作工艺光纤制作工艺 光纤传感器的应用光纤传感器的应用光纤传感器光纤传感器 光纤光纤光导纤维，是由光导纤维，是由石英、石英、玻璃、塑料玻璃、塑料等光折射率高的介质材料等光折射率高的介质材料制成的极细的纤维，是一种理想的光制成的极细的纤维，是一种理想的光传输线路。传输线路。光纤传感器光纤传感器（Fiber Optic Sensor，FOS）兴起于）兴起于20世纪世纪70年代，是一类年代，是一类较新的光敏器件，它

2、是利用被测量对较新的光敏器件，它是利用被测量对光纤内传输的光波进行调制，使光波光纤内传输的光波进行调制，使光波的一些参数，如的一些参数，如强度、频率、波长、强度、频率、波长、相位、偏振态相位、偏振态等特性产生变化来工作。等特性产生变化来工作。可以测量可以测量位移、加速度、压力、温度、位移、加速度、压力、温度、磁、声、电磁、声、电等物理量。等物理量。光纤结构光纤结构 光纤光纤通常由通常由纤芯、包层、保护套纤芯、包层、保护套及组成。及组成。 纤芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圆柱体，直径纤芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圆柱体，直径约为约为5150m。 包层的材料也是玻璃或塑料等，直径为包层的

3、材料也是玻璃或塑料等，直径为100100200um200um。但但纤芯的折射率纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率稍大于包层的折射率n2。 保护套起保护光纤的作用。较长的光纤又称为光缆。保护套起保护光纤的作用。较长的光纤又称为光缆。 纤芯包层涂覆层保护套光纤的传光原理光纤的传光原理 斯斯奈奈尔定尔定理：理：1122sinsinnn（a a）折射角大于入射角：）折射角大于入射角：（b b）临界状态：）临界状态： （c c）全反射）全反射 ：12022190arcsin(/)cnn1c 在光纤中在光纤中, , 光的传光的传输限制在光纤中输限制在光纤中, , 并随光纤能传送到并随光纤能传送到很远的距离

4、很远的距离, , 光纤光纤的传输是基于光的的传输是基于光的全内反射全内反射。包层 n2纤芯 n1cc 入射角的最大值为：入射角的最大值为：光纤的传光原理光纤的传光原理 数值孔径数值孔径NA2201201sinnnn2201201NAsinnnn1 1、按折射率变化类、按折射率变化类 型分类型分类（1 1）阶跃型阶跃型：纤芯与包：纤芯与包层之间的折射率是突变层之间的折射率是突变的；的；（2 2）渐变型渐变型：纤芯在横：纤芯在横截面中心处折射率最大，截面中心处折射率最大，并由中心向外逐渐变小，并由中心向外逐渐变小，到纤芯边界时减小为包到纤芯边界时减小为包层折射率。这类光纤有层折射率。这类光纤有自聚

5、焦作用，也称自聚自聚焦作用，也称自聚焦光纤。焦光纤。光纤的分类光纤的分类2 2、按照传输模式分类、按照传输模式分类（1）单模光纤：单模光纤：纤芯直径很小，接受角小，传输模式很少。纤芯直径很小，接受角小，传输模式很少。这类光纤传输性能好，频带宽，具有很好的线性和灵敏度，这类光纤传输性能好，频带宽，具有很好的线性和灵敏度，但制造困难。但制造困难。单模光纤原则上只能传送一种模数的光单模光纤原则上只能传送一种模数的光。（2）多模光纤：多模光纤：纤芯尺寸较大，传输模式多，容易制造，纤芯尺寸较大，传输模式多，容易制造，但性能较差，带宽较窄。但性能较差，带宽较窄。多模光纤允许多个模数的光在光纤多模光纤允许多

6、个模数的光在光纤中同时传播中同时传播。光纤的分类光纤的分类 光波可分解为光波可分解为沿轴向沿轴向和和沿截面径向沿截面径向传播的两种平面波成分。沿传播的两种平面波成分。沿截面径向传播的光波在纤芯与包层的界面上产生全反射，因此当截面径向传播的光波在纤芯与包层的界面上产生全反射，因此当它在径向每一次往返传输的相位变化是它在径向每一次往返传输的相位变化是22的整数倍时，就在截面的整数倍时，就在截面内形成驻波。这种驻波光线组又称为内形成驻波。这种驻波光线组又称为“模模”。某一种光纤只能形。某一种光纤只能形成特定数目的成特定数目的“模模”式来传输光波，传播速度最快的模式称为式来传输光波，传播速度最快的模式

7、称为基基模或主模模或主模。纤芯直径越大，传播模式越多。纤芯直径越大，传播模式越多。 传播模式对信号的影响传播模式对信号的影响nr多模多模梯度光纤梯度光纤n2n1多模多模阶跃光纤阶跃光纤n2n1单模单模梯度光纤梯度光纤 本征本征：是光纤的固有损耗，包括散射，固有吸收等。是光纤的固有损耗，包括散射，固有吸收等。 挤压挤压：光纤受到挤压产生微小的弯曲而造成的损耗。：光纤受到挤压产生微小的弯曲而造成的损耗。 杂质杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。的损失。 不均匀不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗

8、。 对接对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴( (单模光纤同单模光纤同轴度要求小于轴度要求小于0.8m)0.8m)，端面与轴心不垂直，端面不平，对，端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。接心径不匹配和熔接质量差等。 光纤的传输损耗光纤的传输损耗 传输损耗：传输损耗： 光信号通过光纤传播时，因某种原因造成的光能量衰减，光信号通过光纤传播时，因某种原因造成的光能量衰减，单位单位dB/km 。造成光纤衰减的主要因素有：。造成光纤衰减的主要因素有： 光纤传感器是基于光导纤维的新型传感器。光纤传感器除光纤传感器是基于光导纤维的新型传感器。光纤传感器

9、除光纤外还应包括光纤外还应包括光源光源、传感头传感头、光探测器光探测器和和信号处理电路信号处理电路等几部分。等几部分。光纤传感器的基本组成光纤传感器的基本组成 按照光纤在传感器中的作用，通常将光纤传感器分为两种按照光纤在传感器中的作用，通常将光纤传感器分为两种类型：类型：非功能型（或称传光型、结构型）非功能型（或称传光型、结构型）和和功能型（或称功能型（或称传感型、探测型）传感型、探测型） 。光纤传感器的分类光纤传感器的分类 非功能型非功能型光纤传感器：利用其光纤传感器：利用其它敏感元件感受被测量，光纤它敏感元件感受被测量，光纤仅作为传输介质，仅作为传输介质，依靠光传输依靠光传输或光反射引起的

10、强度调制来工或光反射引起的强度调制来工作；作；光纤是不连续的光纤是不连续的, 中断处中断处要接上其他介质的敏感元件；要接上其他介质的敏感元件；多使用多模光纤。多使用多模光纤。 功能型功能型光纤传感器：把光纤作光纤传感器：把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内为敏感元件，被测量对光纤内传输光的强度、相位、偏振态传输光的强度、相位、偏振态等进行调制，再通过解调得到等进行调制，再通过解调得到被测信号；常使用单模光纤。被测信号；常使用单模光纤。 光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制。光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制。外界信号可能引起光的某些特性外界信号可能引起光的某些特性( (如强度、波长

11、、如强度、波长、频率、相位、偏振态等频率、相位、偏振态等) )变化，从而构成强度、变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态等调制器。根据波长、频率、相位和偏振态等调制器。根据光被光被调制的原理调制的原理，光纤传感器分为：，光纤传感器分为：强度调制型强度调制型、频频率调制型率调制型、波长调制型波长调制型、相位调制型相位调制型及及偏振态调偏振态调制型制型。光纤传感器的分类光纤传感器的分类 待测物理量引起光纤中的待测物理量引起光纤中的传输光强变化传输光强变化，通过检测光强的，通过检测光强的变化实现对待测量的测量变化实现对待测量的测量 。1 1、光、光强调制型光纤传感器强调制型光纤传感器 光源强度

12、为光源强度为Ii传感头传感头被测信号的作用使强度发生变化被测信号的作用使强度发生变化(受到了外场的调制受到了外场的调制) 输出光强输出光强I0的包络线与被测信号的的包络线与被测信号的形状一样形状一样信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号。测信号。 在频率调制型光纤传感器中，光纤只起着传输光的作用，在频率调制型光纤传感器中，光纤只起着传输光的作用，它的工作原理是它的工作原理是光学多普勒效应光学多普勒效应，即由于观察者和目标的，即由于观察者和目标的相对运动，观察者接收到的光波频率将发生变化。采用光相对运动，观察者接收到的光波频率将发生变化。采用光学多

13、普勒测量系统，可以方便的实现在非接触条件下对液学多普勒测量系统，可以方便的实现在非接触条件下对液体流速流量的测量，如血液、气流及其他液体。（体流速流量的测量，如血液、气流及其他液体。（非功能非功能型）型）2 2、频率、频率调制型光纤传感器调制型光纤传感器光源光源观测者观测者被测量移动速被测量移动速度度v被测量被测量2118021coscosDvfff 当一束波长为当一束波长为的相干光在光纤中传播时，光波的相位角的相干光在光纤中传播时，光波的相位角与光纤的长度与光纤的长度L、纤芯折射率、纤芯折射率n1及纤芯直径及纤芯直径d有关。光纤受有关。光纤受到温度等物理量的作用时，这三个参数会发生不同程度的

14、到温度等物理量的作用时，这三个参数会发生不同程度的变化，从而引起光相移。变化，从而引起光相移。3 3、相位、相位调制型光纤传感器调制型光纤传感器 折射率改变折射率改变：某些光纤的纤芯线和外包封材料在温度下降时折：某些光纤的纤芯线和外包封材料在温度下降时折射率相互接近，使发生全反射的可能变小，传输损耗增大，用射率相互接近，使发生全反射的可能变小，传输损耗增大，用于低温探测。于低温探测。 由于光的频率很高，光电探测器不能检测相位的变化，因由于光的频率很高，光电探测器不能检测相位的变化，因此需要用光学干涉技术将相位调制转换为振幅调制。在光此需要用光学干涉技术将相位调制转换为振幅调制。在光纤传感器中常

15、采用马赫泽德（纤传感器中常采用马赫泽德（Mach-Zehader）干涉仪）干涉仪等仪器完成这一过程。等仪器完成这一过程。3 3、相位、相位调制型光纤传感器调制型光纤传感器单膜光纤激光器单膜光纤激光器 参考光纤参考光纤被调制光纤被调制光纤被测量被测量激光器激光器比较二者输出相位的不同，最比较二者输出相位的不同，最小可测得小可测得0.025微米的位移。微米的位移。 根据光波的干涉测量基本知识，两束相干光根据光波的干涉测量基本知识，两束相干光(信号光束和信号光束和参考光束参考光束)同时照射在一光电探测器上，若光振幅分别为同时照射在一光电探测器上，若光振幅分别为E1和和E2，如果其中一光束的相位由于某

16、种因素影响或调，如果其中一光束的相位由于某种因素影响或调制，在干涉场中就会引起干涉条纹强度的变化。干涉场中制，在干涉场中就会引起干涉条纹强度的变化。干涉场中各点的光强数学表达式为各点的光强数学表达式为：22212122cosAAAA A 光的光的偏振态偏振态就是光波中电矢量震动的轨迹的规律。就是光波中电矢量震动的轨迹的规律。 偏振态调制偏振态调制是指外界信号（被测量）通过一定的方式使光是指外界信号（被测量）通过一定的方式使光波的偏振态发生规律性偏转，或产生双折射，通过检测光波的偏振态发生规律性偏转，或产生双折射，通过检测光偏振态的变化即可测出外界被测量。偏振态的变化即可测出外界被测量。 偏振态

17、调制主要利用偏振态调制主要利用磁致旋光效应、弹光效应磁致旋光效应、弹光效应等物理效应。等物理效应。 磁致旋光效应磁致旋光效应也称也称法拉第旋光效应法拉第旋光效应，是指某些物质在外磁，是指某些物质在外磁场作用下，能使通过它的平面偏转光的偏振方向发生旋转。场作用下，能使通过它的平面偏转光的偏振方向发生旋转。旋转角度与通过法拉第材料的长度和外加磁场强度成正比。旋转角度与通过法拉第材料的长度和外加磁场强度成正比。可以用来检测电流强度。可以用来检测电流强度。4 4、偏振态、偏振态调制型光纤传感器调制型光纤传感器 弹光效应弹光效应是一种由是一种由应力应变引起的双折射效应应力应变引起的双折射效应。双折射会使

18、光波的偏振态发生相应的变化。双折射会使光波的偏振态发生相应的变化。 由应力引起的感应双折射正比于所施加的力，因此可以通由应力引起的感应双折射正比于所施加的力，因此可以通过检测偏振光的强度检测应力。过检测偏振光的强度检测应力。光纤传感器与电类传感器的比较光纤传感器与电类传感器的比较电电类类传传感感器器被被测测参参量量光光纤纤传传感感器器被被测测参参量量电 源电 源电量检测电量检测光 源光 源光量检测光量检测电类传感器电类传感器光纤传感器光纤传感器电缆电缆光缆光缆光纤传感器与电类传感器的比较光纤传感器与电类传感器的比较分类分类 内容内容 光纤传感器光纤传感器电类传感器电类传感器调制参量调制参量振幅

19、：吸收、反射等振幅：吸收、反射等相位：偏振相位：偏振电阻、电容、电感等电阻、电容、电感等敏感材料敏感材料温温-光敏、力光敏、力-光敏、光敏、磁磁-光敏光敏 温温-电敏、力电敏、力-电敏、电敏、磁磁-电敏电敏 传输信号传输信号光光电电传输介质传输介质光纤、光缆光纤、光缆电线、电缆电线、电缆 光纤传感器是与电类传感器并行互补的一类新型传感器。光纤传感器是与电类传感器并行互补的一类新型传感器。 本质防爆本质防爆适合于易燃、易爆等危险物品检测适合于易燃、易爆等危险物品检测 对电绝缘对电绝缘适合于高电压场合检测适合于高电压场合检测 无感应性无感应性适合于强电磁场干扰环境下检测适合于强电磁场干扰环境下检测

20、 化学稳定性化学稳定性适合于环保、医药、食品工业检测适合于环保、医药、食品工业检测 时域变换性时域变换性适合于多点分布测量适合于多点分布测量 低损耗低损耗 、高精度高精度 、几何形状适应性强几何形状适应性强、尺寸小尺寸小 、重重量轻量轻 、频带宽、非接触式频带宽、非接触式等等 在机械、电子、航空航天、化工、生物医学、电力、在机械、电子、航空航天、化工、生物医学、电力、交通、食品等领域的自动控制、在线检测、故障诊断、交通、食品等领域的自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警以及军事等方面都有广泛应用。安全报警以及军事等方面都有广泛应用。 光纤传感器的特点光纤传感器的特点 光纤制造基本过程光纤制造基本过程光纤制作工艺光纤制作工艺制制 棒棒 拉拉 丝丝 性能测试性能测试 玻璃加工玻璃加工 清清 洗洗 包装入库包装入库 预制棒尺寸：预制棒尺寸： 直径：直径：60mm60mm，80mm80mm，150mm150mm 长度：长度： 1m1m2m2m光纤预制棒光纤预制棒预制棒要求：预制棒要求： 高