自动检测与转换技术-第九章

1、第9章 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特性，所以不仅必

2、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9章 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多种不同多种不同的光纤传感器。目前，已研发

3、出的光纤传感器。目前，已研发出测量位移、速度、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、磁场等各种物理量理量的数百种光纤传感器。的数百种光纤传感器。第9章 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)(1)具有很高的灵敏度。具有很高的灵敏度。 (2)(2)频带宽、动态范围大。频带宽、动态范围大。 (3)(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量的可以用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器，这些物理量包括声场、磁场、压力、温度、传感器，这些物理量

4、包括声场、磁场、压力、温度、加速度、转动加速度、转动( (陀螺陀螺) )、位移、液位、流量、电流、位移、液位、流量、电流、辐射等。辐射等。第9章 光纤式传感器 ( (5) )便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系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。统的遥测和控制。 ( (6) )可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。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9章 光纤式传感器9.1&9.2 光纤及其传光原理光纤及其传光原理9.3 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的

5、组成及分类9.4&9.5 光调制方式光调制方式9.6 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例9.1&9.2 光纤及其传光原理9.1.1 光纤的结构光纤的结构9.1.2 光纤的传光原理光纤的传光原理9.1.3 光纤的主要参数光纤的主要参数9.1.1 光纤的结构 如图所示如图所示，中心圆柱体称为中心圆柱体称为纤芯纤芯，由某种玻璃，由某种玻璃或塑料制成。纤芯外围的圆筒形外壳称为或塑料制成。纤芯外围的圆筒形外壳称为包层包层，通，通常也是由玻璃或塑料制成。包层外面有涂敷层，之常也是由玻璃或塑料制成。包层外面有涂敷层，之外是一层塑料保护外套。外是一层塑料保护外套。光纤的导光能力取决于纤光纤的导光能力取决

6、于纤芯和包层的性质芯和包层的性质，机械强度取决于塑料保护外套。，机械强度取决于塑料保护外套。9.1 光纤及其传光原理9.1.1 光纤的结构光纤的结构9.1.2 光纤的传光原理光纤的传光原理9.1.3 光纤的主要参数光纤的主要参数9.1.2 光纤的传光原理 当光线由当光线由光密媒质光密媒质( (折射率折射率n1) )射入射入光疏媒质光疏媒质( (折折射率射率n2，n1n2) )时，若入射角大于等于时，若入射角大于等于临界角临界角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现象全反射现象。 9.1.2 光纤的传光原理 光在光纤中传播的基本原理可用光在光纤中

7、传播的基本原理可用光线光线或或光波光波的概的概念来描述。光线的概念是一个简便、近似方法，可用念来描述。光线的概念是一个简便、近似方法，可用来导出一些重要概念，如全反射的概念、来导出一些重要概念，如全反射的概念、光线截留光线截留的的概念等。然而，要进一步研究光的传播理论，将光看概念等。然而，要进一步研究光的传播理论，将光看作射线就不够了，必须借助波动理论。即需要考虑到作射线就不够了，必须借助波动理论。即需要考虑到光是电磁波动现象光是电磁波动现象以及以及光纤是圆柱形介质波导光纤是圆柱形介质波导等，才等，才能研究能研究光在圆柱形波导中允许存在的传播模式光在圆柱形波导中允许存在的传播模式，并导并导出经

8、常要提到的出经常要提到的波导参数波导参数( (V值值) )等概念。等概念。9.1.2 光纤的传光原理 以以阶跃型阶跃型多模光纤为例，在多模光纤为例，在子午面子午面内光线从空气内光线从空气( (折射率折射率n0) )射入光纤端面，射入光纤端面，与轴线的夹角为与轴线的夹角为q q0，若入射角小于某一，若入射角小于某一值值q qC，光线在纤芯和包层的界面上将发，光线在纤芯和包层的界面上将发生全反射，光线射不出纤芯，从而能够生全反射，光线射不出纤芯，从而能够从光纤的一端传播到另一端，这就是光从光纤的一端传播到另一端，这就是光纤传光的基本原理。纤传光的基本原理。子午面子午面通过物点和光轴的截面称为子午面

9、9.1.2 光纤的传光原理由由Snell定律得定律得0101sin(8.1)sinnnqq001111sinsincos(8.2)nnnqq则则 即即21101100sincos1 sinnnnnq9.1.2 光纤的传光原理 若要使入射光线在纤芯和包层的界面上发生全反若要使入射光线在纤芯和包层的界面上发生全反射，由临界角定义，应满足射，由临界角定义，应满足121sin/(8.3)nn代入代入21101100sincos1 sinnnnnq9.1.2 光纤的传光原理2221201220101sin1(8.5)nnnnnnnq 能使光线在光纤内全反射的最大入射角能使光线在光纤内全反射的最大入射角q

10、 qC可由上可由上式求得，即式求得，即 得得9.1.2 光纤的传光原理22C1201sin(8.6)nnNAnq式中，式中，NA称为光纤的称为光纤的数值孔径数值孔径，它表示当入射光从外，它表示当入射光从外部介质射入光纤时，只有入射角小于部介质射入光纤时，只有入射角小于q qC的光才能在光的光才能在光纤中传播。纤中传播。9.1 光纤及其传光原理9.1.1 光纤的结构光纤的结构9.1.2 光纤的传光原理光纤的传光原理9.1.3 光纤的主要参数光纤的主要参数9.1.3 光纤的主要参数 1. .数值孔径数值孔径 定义：光从空气入射到光纤输入端面时，处在定义：光从空气入射到光纤输入端面时，处在某一某一角

11、锥角锥内的光线一旦进入光纤，就将被内的光线一旦进入光纤，就将被截留截留在纤在纤芯中，此芯中，此光锥半角光锥半角( (q qC) )的正弦称为的正弦称为数值孔径数值孔径。 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耦合效率，只光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率，只有入射光处于有入射光处于2q qC的光锥内的光锥内, 光纤才能导光。一般希光纤才能导光。一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但望有大的数值孔径，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。数值孔径过大，会造成光信号畸变。9.1.3 光纤的主

12、要参数 可知，可知，NA与光纤的几何尺寸无关，仅与纤芯和包层与光纤的几何尺寸无关，仅与纤芯和包层的折射率有关，纤芯和包层的折射率差别越大，数的折射率有关，纤芯和包层的折射率差别越大，数值孔径就越大，光纤的集光能力就越强。石英光纤值孔径就越大，光纤的集光能力就越强。石英光纤的的NA0.20.4。22C1201sin(8.6)nnNAnq由由9.1.3 光纤的主要参数 2. .光纤的传输模式光纤的传输模式 根据电介质中电磁场的根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程麦克斯韦方程，考虑到，考虑到光纤光纤圆柱形波导圆柱形波导和纤芯和纤芯包层界面处的包层界面处的几何边界条几何边界条件件时，则时，则只存在波动方程

13、的特定只存在波动方程的特定( (离散离散) )解解。允许存。允许存在的不同的解代表许多离散的沿波导轴传播的波。在的不同的解代表许多离散的沿波导轴传播的波。每一个允许传播的波称为一个每一个允许传播的波称为一个模模。9.1.3 光纤的主要参数 光纤传输的光波，可分解为光纤传输的光波，可分解为沿轴向沿轴向和和沿横沿横截面截面传输的两种平面波。因为沿横截面传输的传输的两种平面波。因为沿横截面传输的平面波是在纤芯和包层的界面处全反射的，所平面波是在纤芯和包层的界面处全反射的，所以，当每一次往返相位变化是以，当每一次往返相位变化是2p p的整数倍时，的整数倍时，将在截面内形成将在截面内形成驻波驻波。能形成

14、驻波的光线称为。能形成驻波的光线称为“模模”，“模模”是离散存在的，是离散存在的，某种光纤只能传输某种光纤只能传输特定模数的光特定模数的光。9.1.3 光纤的主要参数 实际中常用由麦克斯韦方程导出的实际中常用由麦克斯韦方程导出的归一化频率归一化频率n n作为确定光纤传输模数的参数作为确定光纤传输模数的参数。n n的值可以由纤芯半的值可以由纤芯半径径r、传输光波波长传输光波波长l l及光纤的数值孔径及光纤的数值孔径NA确定，即确定，即2(8.7)NArnl9.1.3 光纤的主要参数当当N比较大时比较大时，光纤传输的，光纤传输的模的总数模的总数N近似为近似为22/2()(8.8)/4()Nnn阶跃

15、型梯度型n n值小于值小于2.41的光纤，纤芯很细的光纤，纤芯很细( (5 m mm10 m mm) )，仅能，仅能传输传输基模基模( (截止波长最长的模式截止波长最长的模式) )，故称为，故称为单模光纤单模光纤。n n值大的光纤传输的模数多，称为值大的光纤传输的模数多，称为多模光纤多模光纤，通常纤，通常纤芯直径较粗芯直径较粗( (几十几十m mm以上以上) )，能传输几百个以上的模。，能传输几百个以上的模。9.1.3 光纤的主要参数 ( (1) )单模光纤单模光纤 这类光纤传输性能好，常用于这类光纤传输性能好，常用于功能型光纤传感器功能型光纤传感器，制成的传感器比多模传感器有，制成的传感器比

16、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，制造、连接和耦合都很困难。于纤芯太小，制造、连接和耦合都很困难。 ( (2) )多模光纤多模光纤 这类光纤性能较差。但纤芯截这类光纤性能较差。但纤芯截面大，容易制造，连接耦合也比较方便。这种光纤面大，容易制造，连接耦合也比较方便。这种光纤常用于常用于非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器。9.1.3 光纤的主要参数 3. .传输损耗传输损耗 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，光功光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。形成光纤损耗率逐渐下降，这就

17、是光纤的传输损耗。形成光纤损耗的原因很多，光纤纤芯材料的的原因很多，光纤纤芯材料的吸收吸收、散射散射，光纤弯曲，光纤弯曲处的处的辐射损耗辐射损耗，光纤与光源的，光纤与光源的耦合损耗耦合损耗，光纤之间的，光纤之间的连接损耗连接损耗等，都会造成光信号在光纤中的传播有一定等，都会造成光信号在光纤中的传播有一定程度的损耗。通常用衰减率程度的损耗。通常用衰减率A表示传播损耗表示传播损耗1010lg( /)(dB/km)IIAL9.1.3 光纤的主要参数 4. .色散色散 光纤的色散是由于光信号中的不同频率成分或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，在光纤中传输时，由于速度不同而使不同的模式

18、，在光纤中传输时，由于速度不同而使得传播时间不同，从而产生得传播时间不同，从而产生波形畸变波形畸变的现象。的现象。 当输入光束是光脉冲时，随着光的传输，当输入光束是光脉冲时，随着光的传输，光脉光脉冲的宽度可被展宽冲的宽度可被展宽，如果光脉冲变得太宽以致发生，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失。重叠或完全吻合，施加在光束上的信息就会丧失。这种光纤中产生的脉冲展宽现象称为色散。这种光纤中产生的脉冲展宽现象称为色散。9.1.3 光纤的主要参数常用光纤类型及参数如表所示。常用光纤类型及参数如表所示。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

19、层直径/ /mm数值孔径数值孔径单单 模模28801250.100.15多模多模阶跃光纤阶跃光纤( (玻璃玻璃) )802001002500.10.3多模多模阶跃光纤阶跃光纤( (玻璃玻璃/ /塑料塑料) )200100023012500.180.50多模多模梯度光纤梯度光纤501001251500.10.29.1 光纤及其传光原理9.1.1 光纤的结构光纤的结构9.1.2 光纤的传光原理光纤的传光原理9.1.3 光纤的主要参数光纤的主要参数第9章 光纤式传感器9.1&9.2 光纤及其传光原理光纤及其传光原理9.3 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的组成及分类9.4&9.5 光调制方式光调制方

20、式9.6 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例9.3 光纤传感器的组成及分类9.3.1 光纤传感器的基本组成光纤传感器的基本组成9.3.2 光纤传感器的分类光纤传感器的分类9.3.1 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

21、声小、寿命长、安装方便等。定性好、噪声小、寿命长、安装方便等。9.3.1 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。9.3 光纤传感器的组成及分类9.3.1 光纤传感器的基本组成光纤传感器的基本组成9.3.2 光纤传感器的分类光纤传感器的分类9.3.2 光纤传感器的分类 光纤传感器一般可光纤传感器一般可分为分为功能型

22、功能型和和非功能型非功能型两大类。两大类。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。9.3.2 光纤传感器的分类 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件，因此元件，因此改变几何尺寸和材料性质可以改善灵敏

23、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连续的，结构比较。功能型光纤传感器中光纤是连续的，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。9.3.2 光纤传感器的分类 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传光型光纤传感器又称传光型光纤传感器。它是利用在两根光器。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，光纤仅起传量的变化，光纤仅起

24、传光作用，如图所示。光作用，如图所示。9.3.2 光纤传感器的分类 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。9.3.2 光纤传感器的分类 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

25、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。9.3 光纤传感器的组成及分类9.3.1 光纤传感器的基本组成光纤传感器的基本组成9.3.2 光纤传感器的分类光纤传感器的分类第9章 光纤式传感器9.1&9.2 光纤及其传光原理光纤及其传光原理9.3 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的组成及分类9.4&9.5 光调制方式光调制方式9.6 光纤式传感器应用

26、举例光纤式传感器应用举例9.4&9.5 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。9.4&9.5 光调制方式

27、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。9.4&9.5 光调制方式9.4.1 强度调制强度调制(功能型功能型)9.4.2 波长调制波长调制(功能型功能型)9.4.3 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量(功能型功能型)9.4.4 频率调

28、制频率调制(功能型功能型)9.4.5 偏振调制偏振调制(功能型功能型)9.5.1 强度调制强度调制(遮断光路遮断光路-非功能型非功能型)9.5.2 强度调制强度调制(改变位置改变位置-非功能型非功能型)9.4.1 强度调制 利用被测量直接或间接地改变光纤中传输光的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。9.4.1 强度调制 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

29、、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。9.4.1 强度调制 1. .微弯损耗光强调制微弯损耗光强调制

30、 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。9.4.1 强度调制 当把多模光纤夹在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

31、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。9.4.1 强度调制 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122/(8.9)bbb L2 /(8.10) rb 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9.4.1 强度调制在阶跃光纤中在阶跃光纤中2/(8.11) rb 222(0)( )2(0)nn rnn( (0) )、n( (r) )为距离

32、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9.4.1 强度调制 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。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。9.4.1 强度调制 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

33、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。生输出光强的变化即实现强度调制。9.4.1 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

34、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。9.4&9.5 光调制方式9.4.1 强度调制强度调制(功能型功能型)9.4.2 波长调制波长调制(功能型功能型)9.4.3 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量(功能型功能型)9.4.4 频率调制频率调制(功能型功能型)9.4.5 偏振调制偏振调制(功能型功能型)9.5.1 强度调制强度调制(遮断光

35、路遮断光路-非功能型非功能型)9.5.2 强度调制强度调制(改变位置改变位置-非功能型非功能型)9.4.2 波长调制 利用外界因素改变光纤中光的波长，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

36、、利用滤光器参数的变化和利用位移进行波长调制。长调制。9.4.2 波长调制 如如图所示，是利用位移进行波长调制的原理。图所示，是利用位移进行波长调制的原理。光光纤线性位移、光栅旋转纤线性位移、光栅旋转或或衍射板位移衍射板位移都能进行波长调都能进行波长调制。由此可以设计出光纤位移传感器。制。由此可以设计出光纤位移传感器。9.4&9.5 光调制方式9.4.1 强度调制强度调制(功能型功能型)9.4.2 波长调制波长调制(功能型功能型)9.4.3 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量(功能型功能型)9.4.4 频率调制频率调制(功能型功能型)9.4.5 偏振调制偏振调制(功能型功能型)9.5.1 强

37、度调制强度调制(遮断光路遮断光路-非功能型非功能型)9.5.2 强度调制强度调制(改变位置改变位置-非功能型非功能型)9.4.3 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109 、

38、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，动态范围可达围可达1010。9.4.3 相位调制及干涉测量 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002 /2/(8.12)LLnK nLfll0()(8.13)K L n n Lf 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

39、位变化为致的光相位变化为9.4.3 相位调制及干涉测量 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，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

40、引起相位变化。9.4.3 相位调制及干涉测量 最常用的相位调制方法是在最常用的相位调制方法是在PZT圆管上绕若干圈圆管上绕若干圈光纤，并且稍稍拉紧。对单模光纤，当光纤，并且稍稍拉紧。对单模光纤，当l l633 nm，圆管工作频率远低于机械共振频率时，通过施加圆管工作频率远低于机械共振频率时，通过施加70100 V的反转电压可产生的反转电压可产生2p p弧度的相移。若工作在机弧度的相移。若工作在机械共振频率，相移的调制幅度可增加几个数量级。械共振频率，相移的调制幅度可增加几个数量级。9.4.3 相位调制及干涉测量 图示为带有共轴压电换能器的光纤相位调制器。图示为带有共轴压电换能器的光纤相位调制器

41、。光纤置于光纤置于PZT圆管的轴线上，圆管与光纤间充以声学圆管的轴线上，圆管与光纤间充以声学材料材料( (环氧树脂环氧树脂) )。PZT圆管工作于圆管工作于厚度模式厚度模式，由圆管，由圆管薄壁产生的声波会聚于圆管中心，对纤芯施加压力，薄壁产生的声波会聚于圆管中心，对纤芯施加压力，通过光弹效应使光纤的折射率受到调制。通过光弹效应使光纤的折射率受到调制。9.4.3 相位调制及干涉测量 图示为被覆压电外套的光纤相位调制器。在图示为被覆压电外套的光纤相位调制器。在光纤上被覆一层压电塑料外套，如聚偏二氟乙烯光纤上被覆一层压电塑料外套，如聚偏二氟乙烯( (PVDF) )，外套的内外表面被覆金属膜作电极。，

42、外套的内外表面被覆金属膜作电极。9.4.3 相位调制及干涉测量 2. .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。9.4.3 相位调制及干涉测量光纤干涉仪的一般系统结构

43、如图所示。光纤干涉仪的一般系统结构如图所示。L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9.4.3 相位调制及干涉测量 ( (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632.9 nm时，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 )9.4.3 相位调制及干涉测量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

44、赫马赫曾特尔干涉曾特尔干涉仪仪 结构如右图所示。与迈结构如右图所示。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。9.4.3 相位调制及干涉测量 ( (3) )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

45、出现差别。下图为实际应用。差别。下图为实际应用。9.4.3 相位调制及干涉测量可以求得顺、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线陀螺的设计基础。的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。9.4.3 相位调制及干涉测量 ( (4) )法布里法布里珀

46、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9.4.3 相位调制及干涉测量 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

47、位差为q q，可得，可得202221411(1)1sin2TRIIFTRRRFq ,其中,9.4.3 相位调制及干涉测量 当当q q0, ,2p p, ,4p p,时，干涉光强有最大值。当时，干涉光强有最大值。当q qp p, ,3p p, ,5p p,时干涉光强有最小值。注意到时干涉光强有最小值。注意到2maxmin11IRIR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灵敏的位移测量装置之一。202221411(1)1sin2TRIIFTRRRFq ,其中,9.4&9.5 光调制

48、方式9.4.1 强度调制强度调制(功能型功能型)9.4.2 波长调制波长调制(功能型功能型)9.4.3 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量(功能型功能型)9.4.4 频率调制频率调制(功能型功能型)9.4.5 偏振调制偏振调制(功能型功能型)9.5.1 强度调制强度调制(遮断光路遮断光路-非功能型非功能型)9.5.2 强度调制强度调制(改变位置改变位置-非功能型非功能型)9.4.4 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

49、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。9.4.4 频率调制 如图所示，如图所示，S为单色光源，为单色光源，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，运动方向，运动方向与与PS和和PQ的夹角分别为的夹角分别为q q1和和q q2。根据多普勒效应，对。根据多普勒效应，对于从光源于从光源S发出的频率为发出的频率为f的光，在的光，在P点观察到的频率点观察到的频率f1可表示为可表示为2111 ( / )(8.14)1coscffcuuqSPQuq1q29.

50、4.4 频率调制 频率为频率为f1的光通过物体的光通过物体P产生散射，在产生散射，在Q处所观处所观察到的频率察到的频率f2可表示为可表示为22212212212121 ( / )1 ( / )1cos1cos1cos1 ( / )(8 15)1(coscos)coscosccfffccccfccuuuuuqqquuuqqqq9.4.4 频率调制考虑到考虑到u u c，则可把双重多普勒频移方程表示为，则可把双重多普勒频移方程表示为2121(8.16)1(coscos)ffcuqq9.4.4 频率调制 如图所示，设激光频率为如图所示，设激光频率为f0，流体流速为，流体流速为u u。根根据多普勒效应

51、，光纤接收到的散射光的频率为据多普勒效应，光纤接收到的散射光的频率为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，由检偏器检出散射光与光纤端面反射光光纤端面反射光( (参考光参考光) )中振动方向相同的光，探中振动方向相同的光，探测器检测出二者的差频测器检测出二者的差频 f，可知流体的流速。，可知流体的流速。9.4&9.5 光调制方式9.4.1 强度调制强度调制(功能型功能型)9.4.2 波长调制波长调制(功能型功能型)9.4.3 相位调制及干涉测量相位调制及干涉测量(功能型功能型)9.4.4 频率调制频率调制(功能型功能型)9.4.5 偏振调制偏振调制(功能型功

52、能型)9.5.1 强度调制强度调制(遮断光路遮断光路-非功能型非功能型)9.5.2 强度调制强度调制(改变位置改变位置-非功能型非功能型)9.4.5 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。9.4.5 偏振调

53、制 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，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

54、偏振光椭圆偏振光。9.4.5 偏振调制 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。9.4.5 偏振调制 1. .法拉第磁光效应法拉第磁光效应 法

55、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d(8.17)V LHq式中，式中，Vd为物质的为物质的费尔费尔德常数德常数。9.4.5 偏振调制 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，

56、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d(8.18)IV Nq 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。9.4.5 偏振调制 2. .克尔电光效应克尔电光效应 在与入射光垂直的方向上加高电压，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22 (8.19)VLK

57、d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。9.4.5 偏振调制 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，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。9.4 光调制方式9.4.1 强度调制强度调制(功能型功能型)9.4.2 波长调制波长调制(功能型功能型)9.4.3 相位调制及干涉测量相位调

58、制及干涉测量(功能型功能型)9.4.4 频率调制频率调制(功能型功能型)9.4.5 偏振调制偏振调制(功能型功能型)9.5.1 强度调制强度调制(遮断光路遮断光路-非功能型非功能型)9.5.2 强度调制强度调制(改变位置改变位置-非功能型非功能型)第9章 光纤式传感器9.1&9.2 光纤及其传光原理光纤及其传光原理9.3 光纤传感器的组成及分类光纤传感器的组成及分类9.4&9.5 光调制方式光调制方式9.6 光纤式传感器应用举例光纤式传感器应用举例9.6 光纤式传感器应用举例9.6.1 光纤温度传感器光纤温度传感器9.6.2 光纤位移传感器光纤位移传感器9.6.3 光纤流量、流速传感器光纤流量

59、、流速传感器9.6.4 光纤磁传感器光纤磁传感器9.6.5 医用光纤传感器医用光纤传感器9.6.6 分布式光纤传感器分布式光纤传感器9.6 光纤式传感器应用举例9.6.7 工业用内窥镜工业用内窥镜9.6.8 光纤加速度传感器光纤加速度传感器9.6.9 光纤光栅传感器光纤光栅传感器9.6.10 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9.6.11 光纤纳米生物传感器光纤纳米生物传感器9.6.12 光纤传感领域的发展光纤传感领域的发展9.6.1 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

60、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计、半导体吸收式温度计、荧光温度计等。度计等。9.6.1 光纤温度传感器 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的关系曲线如图所半导体材料的光吸收和温度的关系曲线如图所示。半导体材料的吸收边波长示。半导体材料的吸收边波长l lg( (T) )随温度增加而向随温度增加而向较长波长方向位