光电检测技术与应用-8光纤传感技术与系统

1、第6章 光纤传感技术与系统光电检测技术及应用光电检测技术及应用主讲：张广远光纤传感技术与系统光纤传感技术与系统 光纤光纤是是20世纪后半叶的世纪后半叶的重要发明之一。重要发明之一。 光纤、激光器、半导体光电探测器光纤、激光器、半导体光电探测器构成光电子学新领域。构成光电子学新领域。 世界光纤之父高锟世界光纤之父高锟 英籍、美籍华人，世界著名光纤专家，原香港中文大学校长，英籍、美籍华人，世界著名光纤专家，原香港中文大学校长，1996年当选为中国科学院外籍院士，中国科学院紫金山天文台将一颗年当选为中国科学院外籍院士，中国科学院紫金山天文台将一颗小行星命名为小行星命名为“高锟星高锟星”。2009年诺

2、贝尔奖获得者，克服疾病参加领年诺贝尔奖获得者，克服疾病参加领奖会，免除仪式。奖会，免除仪式。 中国光纤之父赵梓森院士，中国光谷在武汉中国光纤之父赵梓森院士，中国光谷在武汉高锟高锟赵梓森赵梓森1 1 概述概述 光纤：光纤： 是是光导纤维光导纤维简称，是用光简称，是用光透射率高透射率高的介质构成的的介质构成的光通路光通路。 微细的光纤封装在微细的光纤封装在塑料护套塑料护套中，能够弯曲不断裂。通常光纤一端的中，能够弯曲不断裂。通常光纤一端的发发射射装置使用装置使用发光二极管（发光二极管（LEDLED）或一束或一束激光激光将光脉冲传送至光纤，光纤另一将光脉冲传送至光纤，光纤另一端的端的接收接收装置为装

3、置为光敏元件光敏元件。 光波导：光波导： 将以将以光光的形式出现的电磁波能量，利用的形式出现的电磁波能量，利用全反射全反射的原理，的原理，约束并引导约束并引导光光波在光纤波在光纤内部或表面内部或表面附近沿光光纤的附近沿光光纤的轴线轴线方向传播。方向传播。 光纤的制作：光纤的制作： 先在高温下做成先在高温下做成预制棒预制棒，然后在高温炉中，然后在高温炉中加温软化加温软化，拉成长丝拉成长丝，再进，再进行行涂覆涂覆、套塑套塑，成为光纤芯线。，成为光纤芯线。 光纤的用途：光纤的用途：光纤通信光纤通信光纤光纤传感传感光纤光纤照明照明1 1 概述概述光纤传感器是传感技术发展的一个主导方向。光纤传感器是传感

4、技术发展的一个主导方向。 光纤传感器：光纤传感器： 当光纤受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、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，光纤的传输特性将随之改变，且二者之间磁场等条件变化时，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，由此研制出光纤传感器。存在一定的对应关系，由此研制出光纤传感器。 优点：优点：灵敏度和精度极高，安全性好，抗电磁干扰能力强，灵敏度和精度极高，安全性好，抗电磁干扰能力强，绝缘强度高，耐高温、耐腐蚀性好，轻质、柔韧、宽频带，易绝缘强度高，耐高温、耐腐蚀性好，轻质、柔韧、宽频带，易集成为光纤系统。集成为光纤系统。 应用：应

5、用：可以测量声场、磁场、压力、温度、加速度、转动可以测量声场、磁场、压力、温度、加速度、转动( (陀螺陀螺) )、位移、液位、流量、电流、辐射等、位移、液位、流量、电流、辐射等1 1 概述概述2.1 光纤光纤的结构和分类的结构和分类一、光纤的结构一、光纤的结构（纤芯、包层、涂覆层）（纤芯、包层、涂覆层） 纤芯：纤芯：高透明材料；高透明材料； 包层：包层：折射率略小于纤芯折射率略小于纤芯，形成光波导效应，使大部分光电磁场被，形成光波导效应，使大部分光电磁场被束束缚在纤芯中传输缚在纤芯中传输； 涂覆层：涂覆层：保护光纤保护光纤不受水汽不受水汽侵蚀和侵蚀和机械机械擦擦伤，又增加光纤的柔韧。伤，又增加

6、光纤的柔韧。 在涂覆层外，往往加在涂覆层外，往往加油塑料外套油塑料外套。2 光纤光纤的传输理论的传输理论包层包层 涂覆层涂覆层纤芯纤芯纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套光纤的导光能力：光纤的导光能力：取决于纤芯和包层的性质。取决于纤芯和包层的性质。光纤的机械强度：光纤的机械强度：取决于塑料保护外套。取决于塑料保护外套。包层包层 涂覆层涂覆层纤芯纤芯纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套二、光纤的分类二、光纤的分类 按光纤的原材料分为四类：按光纤的原材料分为四类：(1) 石英系光纤：石英系光纤： 纤芯和包层由纤芯和包层由高纯度高纯度sio2掺杂制成；掺杂制成； 光耗光耗最低最低、强度和可靠性最高

7、、强度和可靠性最高、应用最广泛、价格最高应用最广泛、价格最高。(2) 多组分玻璃纤维：多组分玻璃纤维： 光纤由光纤由钠玻璃钠玻璃掺杂制成；掺杂制成； 光损较低，可靠性偏低。光损较低，可靠性偏低。(3) 塑料包层光纤：塑料包层光纤： 纤芯是纤芯是石英石英，包层是，包层是硅树脂硅树脂；(4) 全塑光纤：全塑光纤： 纤芯和包层由纤芯和包层由塑料塑料制成；价格低、光损大、可靠性低。制成；价格低、光损大、可靠性低。 根据光纤截面上根据光纤截面上折射率分布折射率分布分为两类：分为两类：(1) 阶跃型光纤阶跃型光纤（阶跃折射率光纤）（阶跃折射率光纤） 纤芯的折射率纤芯的折射率分布均匀分布均匀，在纤芯和包层的

8、界面上，在纤芯和包层的界面上折射率发生突变折射率发生突变，光，光线行进轨迹呈线行进轨迹呈锯齿形锯齿形。(2) 渐变型光纤渐变型光纤（梯度型光纤）（梯度型光纤） 纤芯的折射率从纤芯的折射率从芯中芯中至至芯边缘芯边缘按抛物线按抛物线减小减小，包层的折射率是，包层的折射率是常数常数，光线行进轨迹呈光线行进轨迹呈蛇形蛇形。 根据光纤中光传播模式的数量分为两类：根据光纤中光传播模式的数量分为两类：(1) 多模光纤：多模光纤：芯的直径芯的直径15m50m。 工作波长工作波长传播模式为多个模式传播模式为多个模式的光纤。的光纤。(2) 单模光纤：单模光纤：芯的直径为芯的直径为8m10m。 工作波长，工作波长，

9、只能传输一个传播模式只能传输一个传播模式的光纤，是应用的光纤，是应用最广泛最广泛的光纤。的光纤。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质一、光的传输一、光的传输全反射现象：全反射现象： 当光线由光当光线由光密密媒质媒质( (折射率折射率n1) )射入光射入光疏疏媒质媒质( (折射率折射率n2，n1n2) )时，时，若入射角大于等于临界角若入射角大于等于临界角f fsin1( (n2/ /n1) )，在媒质界面上会发生，在媒质界面上会发生全反射全反射现现象。象。 ?c cmaxmax 光按直线传播，在光按直线传播，在纤芯纤芯和和包层包层的的界面界面上光发生反射。上光发生反射。 包

10、层的折射率包层的折射率n n2 2小于小于纤芯的折射率纤芯的折射率n n1 1，存在着，存在着临界角临界角?c c。 光线在界面上入射角光线在界面上入射角?大于大于?c c时，发生时，发生全反射全反射现象。现象。 如如?小于小于?c c，入射光有一部分反射，另一部分，入射光有一部分反射，另一部分通过界面进入通过界面进入包层包层，经过，经过多次反射，多次反射，光能量很快衰减光能量很快衰减。 只有满足全反射条件的光线才能携带能量传向远方。只有满足全反射条件的光线才能携带能量传向远方。?c=sin 1（n2/ /n1) 光在光纤中传播：光在光纤中传播：2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传

11、输及性质二、光纤的主要参数1. .数值孔径数值孔径 光从空气入射到光纤输入端面时，处在某一光从空气入射到光纤输入端面时，处在某一角锥角锥内的光线进入光纤后内的光线进入光纤后，就被截留在纤芯中，此，就被截留在纤芯中，此光锥半角光锥半角( (q qC) )的正弦称为数值孔径的正弦称为数值孔径。 数值孔径数值孔径NA是光纤的一个基本参数，反映了光纤与光源或探测器等元是光纤的一个基本参数，反映了光纤与光源或探测器等元件耦合时的件耦合时的耦合效率耦合效率，只有入射光处于，只有入射光处于2q qC的光锥的光锥内内, 光纤才能导光。光纤才能导光。 一般希望有一般希望有大的数值孔径大的数值孔径，这有利于耦合效

12、率的提高，但数值孔径过，这有利于耦合效率的提高，但数值孔径过大，会造成光信号畸变。大，会造成光信号畸变。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质 NA与光纤的几何尺寸无关与光纤的几何尺寸无关，仅与纤芯和包层的折射率有仅与纤芯和包层的折射率有关关，纤芯和包层的折射率，纤芯和包层的折射率差别越大差别越大，数值孔径就越大，光纤，数值孔径就越大，光纤的的集光能力就越强集光能力就越强。 石英光纤的石英光纤的NA0.20.4。NAnnn=22210C1sinq数值孔径数值孔径NA2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质2. .光纤的传输模式光纤的传输模式 光纤中每一个允许传

13、播的波称为一个模，某种光纤只能传输特定模光纤中每一个允许传播的波称为一个模，某种光纤只能传输特定模数的光。数的光。光纤传输模数的参数光纤传输模数的参数n n： 由纤芯半径由纤芯半径r、传输光波长传输光波长l l及光纤的数值孔径及光纤的数值孔径NA确定。确定。lnNAr2= n n值值小于小于2.41的光纤，纤芯很细的光纤，纤芯很细( (5 m mm10 m mm) )，仅能传输基模，故称，仅能传输基模，故称为为单模单模光纤。光纤。 n n值值大大的光纤传输的模数多，称为的光纤传输的模数多，称为多模多模光纤，通常纤芯直径较粗光纤，通常纤芯直径较粗( (几十几十m mm以上以上) )，能传输几百个

14、以上的模。，能传输几百个以上的模。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质( (1) )单模光纤单模光纤 光纤传输性能好，常用于功能型光纤传感器，光纤传输性能好，常用于功能型光纤传感器，制成的传制成的传感器比多模传感器有更好的线性、更高的灵敏度和动态测量感器比多模传感器有更好的线性、更高的灵敏度和动态测量范围。但由于纤芯太小，范围。但由于纤芯太小，制造、连接和耦合都很困难。制造、连接和耦合都很困难。( (2) )多模光纤多模光纤 光纤性能较差。但纤芯截面大，容易制造，连接耦合也光纤性能较差。但纤芯截面大，容易制造，连接耦合也比较方便。比较方便。常用于非功能型光纤传感器常用于非功

15、能型光纤传感器。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质3. .传输损耗传输损耗 光波在光纤中传输，随着传输光波在光纤中传输，随着传输距离的增加距离的增加，光功率逐渐下降光功率逐渐下降，这就，这就是光纤的传输损耗。是光纤的传输损耗。 形成光纤损耗的原因很多，形成光纤损耗的原因很多，光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗，光纤与光源的耦合损耗，光纤之间的连接损耗等，都会处的辐射损耗，光纤与光源的耦合损耗，光纤之间的连接损耗等，都会造成光信号在光纤中的传播有一定程度的损耗。造成光信号在光纤中的传播有一定程度的损耗。 通常用衰减率通常用衰减率

16、 表示传播损耗。表示传播损耗。)dB/km()/lg(1001LII=2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质 光纤的损耗对传输系统的光纤的损耗对传输系统的中继距离中继距离影响很大。影响很大。 通常采用通常采用加大输入光强加大输入光强来补偿光纤损耗。来补偿光纤损耗。 固有损耗：固有损耗：难以消除难以消除 源于源于石英材料石英材料的本征吸收和瑞利散射，这限制了光纤的本征吸收和瑞利散射，这限制了光纤的最小损耗；的最小损耗； 非固有损耗：非固有损耗：可以减小可以减小 源于因材料、工艺引起的杂质吸收和光纤弯曲，通过提源于因材料、工艺引起的杂质吸收和光纤弯曲，通过提纯材料、改善工艺和精心

17、设计、制作来减小损耗。纯材料、改善工艺和精心设计、制作来减小损耗。 有的光纤传感器就是利用有的光纤传感器就是利用被测量被测量的变化引起光纤损耗，通的变化引起光纤损耗，通过光纤光强的变化进行精密测量。过光纤光强的变化进行精密测量。光纤的损耗机理分为两种：光纤的损耗机理分为两种：2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质4. .色散色散 光纤的色散是由于光信号中的光纤的色散是由于光信号中的不同频率成分或不同的模式不同频率成分或不同的模式，在光纤中，在光纤中传输时，传输时，由于速度不同而使得传播时间不同由于速度不同而使得传播时间不同，从而产生，从而产生波形畸变波形畸变的现象。的现象。

18、当输入光束是当输入光束是光脉冲光脉冲时，随着光的传输，光脉冲的时，随着光的传输，光脉冲的宽度宽度可被展宽，如可被展宽，如果光脉冲变得太宽以致发生重叠或完全吻合，施加在光束上的信息就会丧果光脉冲变得太宽以致发生重叠或完全吻合，施加在光束上的信息就会丧失。失。 光纤中产生的脉冲展宽现象称为色散。光纤中产生的脉冲展宽现象称为色散。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质光纤的色散分为三种：光纤的色散分为三种： 材料色散：材料色散： 因光纤的因光纤的折射率随波长变化折射率随波长变化产生的。产生的。 结构色散：结构色散： 由光纤的由光纤的几何结构几何结构决定的色散，它是模式本身的色散。决

19、定的色散，它是模式本身的色散。 模式色散：模式色散： 多模式传输下，因多模式传输下，因模式不同模式不同引起的色散。引起的色散。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质常用光纤类型及参数常用光纤类型及参数类类 型型折射率分布折射率分布纤芯直径纤芯直径/ /m mm包层直径包层直径/ /mm数值孔径数值孔径单单 模模28801250.100.15多模阶跃光纤多模阶跃光纤( (玻璃玻璃) )802001002500.10.3多模阶跃光纤多模阶跃光纤( (玻璃玻璃/ /塑料塑料) )200100023012500.180.50多模梯度光纤多模梯度光纤501001251500.10.22

20、.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质一、光纤传感技术的分类一、光纤传感技术的分类（1）功能型）功能型（传感型光纤传感器）传感型光纤传感器） 光纤既感知信息，又传输信息。光纤既感知信息，又传输信息。 主要使用单模光纤，主要使用单模光纤，改变光纤的几何尺寸和材料性质可以改善改变光纤的几何尺寸和材料性质可以改善灵敏度。灵敏度。 3 光光纤传感原理纤传感原理光纤光纤敏感敏感元件元件光源光源光源光源光纤光纤光电元件光电元件光电元件光电元件测测量量对对象象测测量量对对象象 功能型光纤是功能型光纤是连续连续的，结构比较的，结构比较简单简单，但为了能够灵敏地感受外界，但为了能够灵敏地感受外界

21、因素的变化，需要用因素的变化，需要用特种光纤作探头特种光纤作探头，使得制造比较困难。，使得制造比较困难。（2） 非功能型：非功能型： 光纤光纤仅起传输信息仅起传输信息的作用，的作用，利用在两根光纤中间或光纤端面放置利用在两根光纤中间或光纤端面放置敏感元件敏感元件，来感受被测量的变化。，来感受被测量的变化。光纤光纤敏感敏感元件元件光源光源光源光源光纤光纤光电元件光电元件光电元件光电元件测测量量对对象象测测量量对对象象光纤光纤光纤光纤敏感元件敏感元件光源光源光电元件光电元件光电元件光电元件测测量量对对象象测测量量对对象象 非功能型光纤传感器可以非功能型光纤传感器可以充分利用充分利用现有的性能优良的

22、现有的性能优良的敏感元件敏感元件来提来提高灵敏度。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主要是数值孔径和芯径较大的阶跃型的光纤主要是数值孔径和芯径较大的阶跃型多模光纤多模光纤。探针型光纤传感器：探针型光纤传感器： 是非功能型光纤传感器，不需要外加敏感元件。光纤把测量对象辐射是非功能型光纤传感器，不需要外加敏感元件。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。或反射、散射的光信号传播到光电元件。 使用单模光纤或多模光纤。典型的例子有光纤激光多普勒速度传感器使用单模光纤或多模光纤。典型的例子有光纤激光多普勒速度

23、传感器和光纤辐射温度传感器等。和光纤辐射温度传感器等。光纤光纤光纤光纤敏感元件敏感元件光源光源光电元件光电元件光电元件光电元件测测量量对对象象测测量量对对象象3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件1. 非相干光源非相干光源(1) 热光源：热光源： 物质的热辐射，结构简单、使用方便、物质的热辐射，结构简单、使用方便、连续光谱连续光谱。(2) 气体放电光源：气体放电光源： 光谱不连续光谱不连续、高强度、短波长。、高强度、短波长。(3) 发光二极管：发光二极管： 可靠性较高、连续可靠性较高、连续工作时间长、光功率工作时间长、光功率电流线性度好。电流线性度好。一、光纤传感器的常用光源一、

24、光纤传感器的常用光源 分为相干光源分为相干光源(各种激光器各种激光器)和非相干光源和非相干光源(白炽光、发光二极管白炽光、发光二极管)。实际。实际中，一般要求光源的尺寸小、发光面积大、波长合适、足够亮、稳定性好、中，一般要求光源的尺寸小、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。噪声小、寿命长、安装方便等。2. 相干光源相干光源激光良好的单色性、方向性、相干性及高亮度。激光良好的单色性、方向性、相干性及高亮度。(1) 固体激光器：固体激光器：用于测量用于测量吸收光谱吸收光谱。(2) 液体激光器：液体激光器：因使用不方便，在光纤传感领域很少使用。因使用不方便，在光纤传感

25、领域很少使用。(3) 气体激光器：气体激光器： 氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氦分子激光器。氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氦分子激光器。(4) 半导体激光二极管：半导体激光二极管： 应用广泛，发光原理与发光二极管相似，应用广泛，发光原理与发光二极管相似，输出光由非相干光变为了相干输出光由非相干光变为了相干光光。(5) 光纤激光器：光纤激光器： 与光纤耦合好，与光纤器件兼容，能进行全光纤测试。与光纤耦合好，与光纤器件兼容，能进行全光纤测试。3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件光探测器光探测器 包括光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管、光电池等。光探测器包括光

26、敏二极管、光敏三极管、光电倍增管、光电池等。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、带宽等参数将直接在光纤传感器中有着十分重要的地位，它的灵敏度、带宽等参数将直接影响传感器的总体性能。影响传感器的总体性能。3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件二、光纤传感检测系统的无源器件二、光纤传感检测系统的无源器件1. 光纤连接器光纤连接器 是是光纤之间可拆卸（活动）连接光纤之间可拆卸（活动）连接的器件。的器件。 用于光纤线路与光发射机、光接收机及无源器件之间的用于光纤线路与光发射机、光接收机及无源器件之间的连接连接。 光纤连接器会引入光纤连接器会引入插入损耗插入损耗，影响传输

27、性能。，影响传输性能。 对光纤连接器的对光纤连接器的要求要求：插入损耗小、重复插拔、寿命长、互换性好、：插入损耗小、重复插拔、寿命长、互换性好、拆卸方便等。拆卸方便等。3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件2. 光纤耦合器光纤耦合器(1) T型耦合器：型耦合器： 把把一根光一根光纤输入纤输入的光信号按照一定比例的光信号按照一定比例分配给两根光纤分配给两根光纤，或或是把是把两根光两根光纤输入纤输入的光信号组合在一起，的光信号组合在一起，输入一根光纤输入一根光纤。(2) 星型耦合器：星型耦合器： 把把n根光纤输入根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给的光功率组合在一起，均匀地分配

28、给m根光纤输出根光纤输出。(3) 定向耦合器：定向耦合器： 分别取出光纤中分别取出光纤中不同方向传输的光信号不同方向传输的光信号，用作分路器，用作分路器。(4) 波分复用器波分复用器/解复用器：解复用器： 波分复用器波分复用器是把是把多个不同波长多个不同波长的发射机输出的光信号的发射机输出的光信号组合组合在一起，在一起，输入输入到一根到一根光纤；解复用器是把光纤；解复用器是把一根光纤输出一根光纤输出的的多个不同波长多个不同波长的光信号，的光信号，分配分配给给不同的接收机。不同的接收机。3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件3. 光环形器光环形器 环形器能够把光信号流按一个方向，从

29、一个端口送到另一个端口，并防环形器能够把光信号流按一个方向，从一个端口送到另一个端口，并防止光信号沿错误方向止光信号沿错误方向传播引起不必要的串扰。传播引起不必要的串扰。 环形器在使用中通常是端口环形器在使用中通常是端口1输入的信号由端口输入的信号由端口2输出，端口输出，端口2输入的信输入的信号由端口号由端口3输出。输出。光环形器在光传输的双向路由中有广泛的应用。光环形器在光传输的双向路由中有广泛的应用。光环形器的损耗小，光环形器的损耗小，相邻端口的隔离度很高。相邻端口的隔离度很高。光环形器示意图光环形器示意图3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件4. 光衰减器光衰减器光衰减器允

30、许用户光衰减器允许用户降低光信号电平降低光信号电平。衰减器采用衰减器采用金属蒸发膜来吸收光能金属蒸发膜来吸收光能，实现光的衰减，实现光的衰减，衰减量的大小与膜衰减量的大小与膜的厚度成正比的厚度成正比。 衰减器分为衰减器分为固定固定衰减器和衰减器和可变可变衰减器。衰减器。（a）固定衰减器）固定衰减器（b）可变衰减器）可变衰减器3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件5. 法拉第旋转镜法拉第旋转镜通过通过反射镜反射镜将将输出光的偏振态输出光的偏振态在在输入光的偏振态输入光的偏振态基础上旋转基础上旋转90。 基于此，可以在光路的任何一点，基于此，可以在光路的任何一点，使输入方向上的光的偏

31、振态与输出方使输入方向上的光的偏振态与输出方向的光的偏振态实现正交向的光的偏振态实现正交，从而消除光纤，从而消除光纤的的双折射双折射，实现光纤系统中的偏振，实现光纤系统中的偏振不敏感性。不敏感性。3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件光纤传感器光纤传感器强度强度调制型光纤传感器调制型光纤传感器相位相位调制型光纤传感器调制型光纤传感器频率频率调制光纤传感器调制光纤传感器时分时分调制光纤传感器调制光纤传感器偏振偏振调制光纤传感器调制光纤传感器 被测量对光纤内被测量对光纤内传输的光进行调制传输的光进行调制，使传输光的振幅、波长、相位，使传输光的振幅、波长、相位、频率或偏振态等发生变化，

32、再对被调制的光信号进行检测，从而得出、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。相应的被测量。 光调制是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上的过程光调制是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上的过程。3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件1 1、强度调制、强度调制 被测物理量被测物理量改变光纤中传输光的强度改变光纤中传输光的强度。 强度调制是光纤传感器使用最早的调制方法。强度调制是光纤传感器使用最早的调制方法。 特点是技术特点是技术简单可靠、价格低廉简单可靠、价格低廉。可采用。可采用多模多模光纤，光纤的连接器和光纤，光纤的连接器和耦合器均已商品化。光

33、源可采用耦合器均已商品化。光源可采用LED和白炽灯等非相干光源，探测器一般和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。用光敏二极管、光敏三极管和光电池。三种典型强度调制示意图三种典型强度调制示意图 光光源源入入射射光光纤纤调调制制区区出出射射光光纤纤微微弯弯调调制制器器可可动动反反射射调调制制器器可可动动透透射射调调制制器器入入射射出出射射入入射射出出 射射被测量被测量 利用光纤反射传感器的光强调制利用光纤反射传感器的光强调制 应用于应用于表面粗糙度及小位移测量表面粗糙度及小位移测量。 微弯损耗光强调制微弯损耗光强调制 当光纤当光纤受力微弯受力微弯时，时，一部分纤芯模式能

34、量会转化为包层模式能量一部分纤芯模式能量会转化为包层模式能量，通，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。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。 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) )作用于光纤时，引起光纤的纤芯和包作用于光纤时，引起光纤的纤芯和包层的层的折射率发生变化折射率发生变化，若包层的折射率变得大于或等于纤芯的折射率，则，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光在纤芯和包层界面上的全反射遭到破坏全反射遭到破坏，输出光强的变化即实现强度调，输出光

35、强的变化即实现强度调制。制。 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 采用端面为平面的采用端面为平面的两根光纤两根光纤，一根为入射光纤，一根为出射光纤，光纤，一根为入射光纤，一根为出射光纤，光纤间距间距约约23 mm。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时，出射光强随之发生变化。，出射光强随之发生变化。SSDDSSDDDD 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射线等射线等辐射辐射会使光纤材料的会使光纤材料的吸收损耗增加吸收损耗增加，光纤的，光纤的输出功率输出

36、功率降低降低，从而形成强度调制。，从而形成强度调制。 不同材料对不同的射线敏感，因此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改变光纤材料的成分可对不同的射线进行测量线进行测量。光源光源光纤光纤辐射计辐射计射线射线探测器探测器光纤微弯传感器光纤微弯传感器位移或压力位移或压力变形器变形器光纤微弯曲光纤微弯曲光强变化光强变化用于大型结构健康监测：用于大型结构健康监测： 构成构成阵列阵列系统，对大型建筑工程如桥梁、水坝、坑道等的结构变系统，对大型建筑工程如桥梁、水坝、坑道等的结构变形进行长时间检测。形进行长时间检测。 埋入结构的光纤直径小于埋入结构的光纤直径小于140微米微米时，不

37、会降低材料的时，不会降低材料的抗拉强度抗拉强度和疲劳寿命和疲劳寿命。二、相位调制原理二、相位调制原理 lfLn12= 式中式中 为光波波长；为光波波长； 为纤芯折射率；为纤芯折射率； 为光纤长度。为光纤长度。 )(211LnLn=lfl1nL相位测量相位测量 不能直接测量：光的频率很高，不能直接测量：光的频率很高，10101414HzHz。 间接测量：光学干涉测量技术。间接测量：光学干涉测量技术。 相位调制是光纤传感器中最基本的调制技术，以灵敏度相位调制是光纤传感器中最基本的调制技术，以灵敏度高著称。高著称。 公式表明，公式表明，纤芯折射率纤芯折射率n变化和光纤长度变化和光纤长度L变化导致的光

38、变化导致的光相位变化。相位变化。被测量改变光波的相位。被测量改变光波的相位。 纵向纵向( (轴向轴向) )的机械应力对光波相位影响的机械应力对光波相位影响 当光纤受到当光纤受到纵向纵向( (轴向轴向) )的机械应力的机械应力作用时，由于应力应作用时，由于应力应变效应，变效应，光纤的长度光纤的长度( (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) )都将变化都将变化，这些变化将导致光纤中，这些变化将导致光纤中光波相位的变化光波相位的变化。 温度对光波相位影响温度对光波相位影响 将光纤放在变化的温度场中，由于将光纤放在

39、变化的温度场中，由于温度应变效应温度应变效应，引起，引起光纤的光纤的折射率和几何长度的变化折射率和几何长度的变化，引起相位变化。，引起相位变化。 光波相位的光波相位的干涉测量干涉测量 光探测器对光的相位变化都不敏感光探测器对光的相位变化都不敏感，须采用，须采用干涉技术干涉技术将将相相位变化转化为强度变化位变化转化为强度变化，才能够实现对物理量的测量。，才能够实现对物理量的测量。 相位变化将引起相位变化将引起干涉条纹的运动干涉条纹的运动，记录干涉条纹移动的数，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，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

40、测量的原理。这就是干涉测量的原理。迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪马赫马赫曾特尔干涉仪曾特尔干涉仪萨格奈克干涉仪萨格奈克干涉仪法布里法布里珀罗干涉仪珀罗干涉仪v 光经光经分束器分束器分为二束，分为二束，一束一束相位受被测试信息调制，相位受被测试信息调制，一束一束作作为参考光；为参考光；v 二束光二束光叠加形成干涉花纹；叠加形成干涉花纹；v 检测检测干涉条纹的变化，干涉条纹的变化，确定确定两束光相位的变化，两束光相位的变化，解算解算出使相出使相位变化的待测物理量。位变化的待测物理量。 相位调制原理示意图相位调制原理示意图 探探测测器器激激光光器器信信号号臂臂参参考考臂臂三、频率调制原理三、频率调制原

41、理 单色光照射运动物体，反射回来，由于单色光照射运动物体，反射回来，由于多普勒效应多普勒效应发生频移。发生频移。 式中式中f f为单色光频率；为单色光频率；c c为光速；为光速；v v为运动物体的速度。为运动物体的速度。 此频率的光此频率的光与与参考光参考光共同作用于共同作用于光探测器光探测器上，产生上，产生差拍差拍，用，用频谱频谱分析器求出频率变化分析器求出频率变化，推算出被测速度。，推算出被测速度。 被测量改变光纤中光波的频率。光纤只作为传光元件，频率调制多是被测量改变光纤中光波的频率。光纤只作为传光元件，频率调制多是利用光学多普勒效应来实现的。利用光学多普勒效应来实现的。)/1 (/10

42、0cvfcvff=移后例：例： 设激光频率为设激光频率为f0，流体流速为，流体流速为u u。根据多普勒效应，光纤接收到的散射根据多普勒效应，光纤接收到的散射光频率为光频率为f0 f或或f0 f( (视流向而定视流向而定) )，由检偏器检出散射光与光纤端面反，由检偏器检出散射光与光纤端面反射光射光( (参考光参考光) )中振动方向相同的光，探测器检测出二者的中振动方向相同的光，探测器检测出二者的差频差频 f，可知，可知流流体的流速体的流速。四、偏振调制四、偏振调制 被测量改变光的被测量改变光的偏振特性偏振特性，使光的，使光的某一方向振动某一方向振动比其他方比其他方向占优势，向占优势，通过检测光的

43、偏振态变化通过检测光的偏振态变化(即偏振面的旋转即偏振面的旋转)来测量来测量被测量被测量。 偏振调制主要基于偏振调制主要基于人为旋光现象和人为双折射人为旋光现象和人为双折射现象，如法现象，如法拉第磁光效应、克尔电光效应和光弹效应等。拉第磁光效应、克尔电光效应和光弹效应等。 书书P168，图，图7-9，7-10五、时分调制五、时分调制 利用外界因素调制返回信号的利用外界因素调制返回信号的基带频谱基带频谱，检测检测基基带的带的延迟时间、幅度大小延迟时间、幅度大小的变化，测量各种物理量的的变化，测量各种物理量的大小和空间分布。大小和空间分布。 光纤辐射剂量仪光纤辐射剂量仪 光光电电二二极极管管探探光

44、光源源X X 射射 线线 辐辐 射射光光 强强指指 标标p pn n放放大大器器光光纤纤结构图结构图光纤传感器实例光纤传感器实例光纤射线传感器结构光纤射线传感器结构 用用x x、射线辐照光纤，使光纤损耗增加，输出功率射线辐照光纤，使光纤损耗增加，输出功率P P0 0减少，减少，光强下降。光强下降。 X X、射线的辐射剂量不同，输出射线的辐射剂量不同，输出P P0 0下降辐度不同。下降辐度不同。 光纤电流传感器光纤电流传感器 v 镍护套光纤镍护套光纤固定于通电固定于通电螺线管中心螺线管中心；v 螺线管螺线管电流不同电流不同使螺线管中的使螺线管中的磁场不同磁场不同；v 镍护套发生磁致伸缩，使镍护套

45、发生磁致伸缩，使光纤在径向、轴向受到应力光纤在径向、轴向受到应力；v 光纤芯折射率和长度都发生变化，引起光纤芯折射率和长度都发生变化，引起相位差异相位差异。 探探测测器器激激光光电电流流源源光光纤纤镍镍护护套套参参考考光光纤纤I II I螺螺线线管管lfLn12= 光纤烟气传感器光纤烟气传感器 leII=0 平行单色光入射到平行单色光入射到被测烟气被测烟气的颗粒场的颗粒场( (含有微粒和分子含有微粒和分子) )，受到颗，受到颗粒团的散射和吸收，粒团的散射和吸收，光强衰减。光强衰减。 式中式中为消光系数，为消光系数，l l为光程为光程。 电源电源He-NeHe-Ne激光器激光器耦合器耦合器分路器

46、分路器光纤光纤探测器探测器浓度场浓度场透镜组透镜组记录仪记录仪 光纤温度传感器光纤温度传感器是工业中应用最多的光纤传感器之一。光纤温度传感器是工业中应用最多的光纤传感器之一。1. .半导体吸收式温度传感器半导体吸收式温度传感器 半导体材料的半导体材料的光吸收和温度有关系曲线光吸收和温度有关系曲线，半导体材料的吸，半导体材料的吸收边波长收边波长l lg( (T) )随温度增加而向较长波长方向位移。随温度增加而向较长波长方向位移。 适当选择发光二极管，使其光谱范围正好落在吸收区域，适当选择发光二极管，使其光谱范围正好落在吸收区域，即可做成即可做成透射式光纤温度传感器透射式光纤温度传感器。透过半导体

47、的光强随温度。透过半导体的光强随温度升高而减少。升高而减少。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感器 通过改变通过改变反射面与光纤端面之间的距离反射面与光纤端面之间的距离来调制反射光的强度。来调制反射光的强度。Y形光形光纤束纤束由几百根至几千根直径为几十由几百根至几千根直径为几十m mm的阶跃型多模光纤集束而成。它被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。分成纤维数目大致相等，长度相同的两束。 用来用来测量小位移测量小位移，能检测，能检测零点几零点几m mm的位移量。用于镀层不平度、零件的位移量。用于镀层不平度、零件椭圆度

48、、锥度、偏斜度等测量，也用来测量微弱振动，而且是非接触测量椭圆度、锥度、偏斜度等测量，也用来测量微弱振动，而且是非接触测量。 （书P175，图7-21）光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器1. .光纤涡流流量计光纤涡流流量计 采用一根采用一根横贯液流管横贯液流管的大数值孔径的多模的大数值孔径的多模光纤作为传感元件。光纤受到光纤作为传感元件。光纤受到液体涡流液体涡流的作用的作用而振动，这种振动与液体的流速有关。而振动，这种振动与液体的流速有关。入射光水管重物斑图dlh 这种流量计这种流量计结构简单、安全可靠结构简单、安全可靠，可用于，可用于易燃、易爆及腐蚀性易燃、易爆及腐蚀性的液体测量。的液

49、体测量。 光纤直径光纤直径很细很细，对流体的，对流体的流阻小流阻小，对，对流场流场几乎没有影响几乎没有影响。 对低速流体不敏感。对低速流体不敏感。涡列的形成：涡列的形成： 根据流体力学原理，由于根据流体力学原理，由于光纤不是流线体光纤不是流线体，在一定条件下，在其下，在一定条件下，在其下游会产生游会产生涡流涡流。这种涡流是在光纤下游两侧产生的有规律的漩涡，称为。这种涡流是在光纤下游两侧产生的有规律的漩涡，称为卡门卡门“涡街涡街”，由于，由于漩涡列漩涡列之间的相互作用，涡列一般不稳定，但是实之间的相互作用，涡列一般不稳定，但是实验证明，当满足验证明，当满足h/ /l0.281时，涡列是稳定的。时

50、，涡列是稳定的。入射光水管重物斑图dlh光纤振动的形成：光纤振动的形成： 当每个漩涡产生并泻下时，它会在当每个漩涡产生并泻下时，它会在光纤上产生一种侧向力光纤上产生一种侧向力，这样就有，这样就有一个一个周期力作用在光纤周期力作用在光纤上，上，使其振动使其振动。 野外的电线在风吹动下会嗡嗡作响，就是这种现象。野外的电线在风吹动下会嗡嗡作响，就是这种现象。 光纤振动的频率：光纤振动的频率：dsf/u= 式中式中，u u为流速；为流速；d为光纤直径；为光纤直径；s为斯特罗哈数为斯特罗哈数( (无量纲无量纲) ) 。光纤振动的频率的测定：光纤振动的频率的测定： 当光通过当光通过未受扰动的光纤未受扰动的

51、光纤时，如果光纤直径为时，如果光纤直径为200 m mm300 m mm，在距离光纤端面约，在距离光纤端面约1520 cm的地方可以的地方可以观察到观察到清晰而稳定的斑图清晰而稳定的斑图，它的，它的分布是无规则的分布是无规则的。 当当光纤振动光纤振动时，这些时，这些斑图就会不断地振动斑图就会不断地振动，如用，如用光探测光探测器接收斑图器接收斑图的一个小区域，即可通过的一个小区域，即可通过频谱仪读出光纤振动的频谱仪读出光纤振动的频率频率。再算出。再算出流速流速，在管子尺寸一定的条件下，就可得出，在管子尺寸一定的条件下，就可得出流流量量。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

52、成光纤速度传感器。由于光纤很细利用多普勒效应可构成光纤速度传感器。由于光纤很细( (外径约几十外径约几十m mm) )，能装在注射器针头内，插入血管中。又由于，能装在注射器针头内，插入血管中。又由于光纤速度传感器没有触电的危险，所以用于测量心脏内的血流光纤速度传感器没有触电的危险，所以用于测量心脏内的血流十分安全。十分安全。光纤多普勒血流传感器：光纤多普勒血流传感器： 测量光束通过测量光束通过光纤探针光纤探针进到被测血流中，经直径约进到被测血流中，经直径约7 m mm的的红血球散射红血球散射，一部分光按原路返回，得到多普勒频移信号，一部分光按原路返回，得到多普勒频移信号f f，频移，频移 f为

53、为lqucos2nf = 式中，式中，u u为血流速度；为血流速度；n为血液的折射率；为血液的折射率；q q为光纤轴线与血管轴线的为光纤轴线与血管轴线的夹角；夹角；l l为激光波长。为激光波长。 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 将参考光信号与多普勒频移信号进行混频，就得到要探测的信号。将参考光信号与多普勒频移信号进行混频，就得到要探测的信号。这种方法称为光学外差法。这种方法称为光学外差法。ff 经光电二极管将混频信号变换成光电流送入频谱分析仪，得出对应于

54、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血流速度的多普勒频移谱( (速度谱速度谱) )，如右图所示。，如右图所示。光纤磁传感器光纤磁传感器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 利用法拉第磁光效应测量磁场的方法很多，如利用法拉第磁光效应测量磁场的方法很多，如强度强度调制方式，调制方式，偏振光偏振光度度测量方式和测量方式和外差外差方式等，这里仅介绍偏振光度测量方式。方式等，这里仅介绍偏振光度测量方式。按工作原理分为两种：按工作原理分为两种： 根据根据法拉第磁光效应法拉第磁光效应直接实现磁光转换；直接实现磁光转换； 根据根据磁

55、致伸缩效应磁致伸缩效应，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。 偏振光经保偏光纤、自聚焦透镜进入法拉第磁光盒，经多次反射后偏振光经保偏光纤、自聚焦透镜进入法拉第磁光盒，经多次反射后进入渥拉斯登棱镜，把偏振光变成振动方向相互垂直的两束光。进入渥拉斯登棱镜，把偏振光变成振动方向相互垂直的两束光。光源保偏光纤法拉第盒PHD1D2- -+ +渥拉斯渥拉斯登棱镜登棱镜基于法拉第磁光效应的偏振光度测量：基于法拉第磁光效应的偏振光度测量： 设无磁场时出射光的偏振轴与棱镜的偏振轴夹角为设无磁场时出射光的偏振轴与棱镜的偏振轴夹角为45 ，这样，这样D1和和D2光电管接收的光强

56、为光电管接收的光强为)45(sin)45(cos202201qq=IIII 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为两偏振光的为两偏振光的强度。强度。 采用图中的采用图中的“加加”、“减减”和和“除除”法运算后，输出法运算后，输出q2sin2121=IIIIP通过测量通过测量P就能确定就能确定q q、确定、确定B。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，这种现象即为磁在磁场作用下，磁性物体的尺寸会发生改变，这种现象即为磁致伸缩效应。致伸缩效应。 光纤磁致伸缩效应传感器是在

57、光纤磁致伸缩效应传感器是在光纤上涂覆磁致伸缩性能光纤上涂覆磁致伸缩性能良好的良好的材料薄膜材料薄膜，或者将，或者将光纤紧绕在磁致伸缩材料芯棒光纤紧绕在磁致伸缩材料芯棒上。在外磁场作用上。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，都会导下，由于磁致伸缩效应，纤芯长度变化及纤芯折射率变化，都会导致致光程的相应变化光程的相应变化。磁场光源磁性膜光纤参考光纤光检测器电输出1. .医用内窥镜医用内窥镜 由于光纤柔软、自由度大、传输图像失真小，引入医用内窥镜后，可由于光纤柔软、自由度大、传输图像失真小，引入医用内窥镜后，可以方便的检查人体的许多部位。以方便的检查人体的许多部位。医用光

58、纤传感器医用光纤传感器 医用光纤传感器体积小、电绝缘和抗电磁性能好，特别适于身体的医用光纤传感器体积小、电绝缘和抗电磁性能好，特别适于身体的内部检测。内部检测。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、颅内和心血管等，测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，在探针端部的开孔上安装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。膜片通过悬臂梁与反射镜相连。有对压力敏感的防水薄膜。膜片通过悬臂梁与反射镜相连。 导管光纤束反射镜防水薄

59、膜悬臂梁Pp防水薄膜防水薄膜分布式光纤传感器分布式光纤传感器 同时测量空间多个点甚至连续分布的环境参数。同时测量空间多个点甚至连续分布的环境参数。 利用光纤本身特征的功能型光纤可构成性能优良的分布式光纤传感器利用光纤本身特征的功能型光纤可构成性能优良的分布式光纤传感器，特别适于需要同时监测在光纤通过的路途上大量位置处连续变化的物理，特别适于需要同时监测在光纤通过的路途上大量位置处连续变化的物理量，如建筑物、桥梁、水坝、储油罐等大型结构中应力的检测，石油钻井量，如建筑物、桥梁、水坝、储油罐等大型结构中应力的检测，石油钻井平台、飞机、航天器、电力变压器、发电机组、反应堆等场合应力和温度平台、飞机、

60、航天器、电力变压器、发电机组、反应堆等场合应力和温度分布的实时监测等。分布的实时监测等。 分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤；分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤； 一次测量就可获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架一次测量就可获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况；设成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况； 系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值；化一般只能观测其平均值；分布式光纤传感技术的特征：分布式光纤传感技术的特征