光纤传感器课程课件

光纤传感技术及其应用主讲：姜德生（教授，博士导师）光纤传感技术国家重点工业性试验基地武汉理工大学光纤传感技术研究开发中心光纤传感技术

讲解大纲一、概论光纤的发展与动态光纤技术的发展与动态光纤传感的原理与分类光纤传感的特点二、光纤传感技术的有关基本概念光纤传光原理模式及其对光纤传光的影响三、传感器的调制技术强度调制相位调制偏振态调制频率调制波长调制四、光纤干涉仪马赫—曾德尔光纤干涉仪萨格纳克光纤干涉仪迈克尔逊光纤干涉仪法布里—珀罗光纤干涉仪一、概论光纤的发展与动态1966年高昆博士提出光纤传输的理论1969年日本平板玻璃公司制出200dB/KM梯度光纤1970年美国康宁公司制出世界第一根20dB/KM低损耗光纤1972年日本电子技术综合研究所制出7dB/KMSiO2芯光纤1973年美国贝尔实验室用化学沉积法（CVD）制光纤1978年对1.5μm光传输接通理论值约0.2dB/KM1980年光通讯产业形成光纤传感器的发展与动态70年代末，美国最先发表FOS文章1981年美国召开光纤陀螺会议1981年英国第一届国际FOS会议1984年西德第二届FOS会议1986年美国第三届FOS会议1988年日本第四届FOS会议1989年美国第五届FOS会议2000年意大利第十四届FOS会议光纤的结构光纤的结构n1n2n2n1n2纤芯包层涂覆层护套光纤传感器的基本原理将被测参量转换为光信号参数的变化光纤模式及其对光信号传输的影响n2n1多模阶跃光纤nr多模梯度光纤n2n1单模梯度光纤光纤传感器与电类传感器对比

分类内容光纤传感器电类传感器调制参量振幅：吸收、反射等相位：偏振…电阻、电容、电感等敏感材料温-光敏、力-光敏、磁-光敏…温-电敏、力-电敏、磁-电敏…传输信号光电传输介质光纤、光缆电线、电缆从对比可见光纤传感器与电类传感器是并行互补的一类新型传感器光纤传感器的分类传输型光纤仅传输信号，不起敏感作用传感型光纤既传输信号，又是敏感元件光纤传感器的特点*本质防爆适合于易燃、易爆等危险物品检测

*对电绝缘适合于高电压场合检测

*无感应性适合于强电磁场干扰环境下检测

*化学稳定性适合于环保、医药、食品工业检测

*时域变换性适合于多点分布测量

*低损耗*大容量*高精度*尺寸小*重量轻*非接触式光纤传感器的传光原理全反射

n1>n2

入射角>θ法线n1n2θ光纤传光与数值孔径n0200n2n1I.强度调制强度调制示意图IP0t输出输入光源探测器横向光源探测器纵向光源角度探测器光源差动探测器探测器1.利用小的线位移或角位移进行强度调制变形器光纤(a)压力传感器FFSD(b)微弯传感器力变形器调制器光纤SD支点3.利用微弯产生损耗进行强度调制无包层纤芯n0反射光入射光液ni>n0反射面包层(a)温度传感器油滴液光液散射光(b)水中含油量检验4.利用折射率变化进行强度调制讨论：光敏器件不能直接测量光的偏振态，必须通过起偏器和检偏器才能检测其偏振状态。偏振态调制主要是利用物质的旋光性、法拉第效应、克尔效应、光弹效应等。

III.偏振态调制旋光物质1.旋光性光源D1D2高通低通PZT3dB磁性材料3dBH+-2.利用磁致伸缩效应的传感器沿MN方向存在压力或张力时，o、e光折射率差与外压强关系为式中，P为外压强，K为光弹系数。若光波通过物质厚度为L，则产生相位差

其中λ为光波长。则出射光强为光源起偏器补偿器检偏器应力材料MFNF4.光弹效应IV.频率调制激光器布喇格盒f0f0f1υf0-f1f0-f1f0±△f混频器探测器信号处理电路输出f1±△fV.波长（颜色）调制讨论：

波长调制就是利用被测参量改变光纤中的波长。波长调制不受光强变化影响，但解调技术较复杂。波长调制主要有热-色调制和位移-波长调制。光强度I75℃50℃25℃400nm800nm波长λ（nm）1.利用热色物质的颜色变化进行波长调制D1/D2温度D1D2655nm800nm白光氯化钴溶液2.利用黑体辐射进行波长调制D1D2铱金薄膜透镜窄带滤波器温度蓝宝石光纤黑体腔Al2O3薄膜3.利用位移进行波长调制

SD（b）光栅旋转（a）位移红光蓝光入射光（c）衍射板位移衍射板SD四、光纤干涉仪根据双光束相干原理，两个光电探测器接受光强分别为式中，I0为光强，a为耦合系数，φs为被测参数引起的相移。

激光器信号处理电路D2S(t)3dB13dB2D11．

马赫—曾德尔光纤干涉仪光分路器光干涉仪光开关集成示意图即：①式中： Ω为角速度，λ为光源波长，为相位移，c为光速，A为光纤陀螺面积，N为光纤圈的个数目前，的测量水平可达10-11~10-12水平，可取10-10，λ为1.5×10-6米，c为3×108米/秒，A≈2×10-3米2，N=103，代入①式，可得2.萨格纳克光纤干涉仪

激光器光探测器3dB(a)R12△T(b)激光器光探测器反射镜可动端S0(t)3dB式中，为两光纤臂相位差（包括被测参量引起的相位差）。3.迈克尔逊光纤干涉仪聚合物反射式镜面聚合物玻璃衬底镜面固体材料空气腔金属管环氧镜面白光棒状透镜输出光纤d输入光纤I其输出光强为式中，I0为入射光强，T为镜面透射率，R为镜面反射率，为相邻光束相位差，F为精细度，

其中，n为腔内介质折射率，θ为腔内光线与法线的夹角，

d为两镜面之间距离。

4.法布里—珀罗（F—P）光纤干涉仪五、光信号的解调技术D1D2锁相放大信号Sd（t）S0（t）参考信号LDS0（t）斩波器振幅调制器探测器D1锁相放大探测器D2锁相放大器中PSD（相敏控波）实现调制信号和参考信号相乘，经低通滤波后即可得比例于被测信号的解调信号S0‘（t）。结构框图1.强度解调单光路微弱光信号解调He-NeD1D2D0锁相放大+-÷目的：消除光源光强波动的影响。双光路弱光信号

被动零差法相位跟踪零差法外差法2.光波相位解调被动零差法激光器D1D2+-相位检测φAPIT讨论：1.被动零差法是给PIT输入一固定调制信号。2.相位跟踪零差法是根据相位检测系统的输出给PI下一变化的调制信号，使干涉信号总是在（π/2）附近，这样，灵敏度提高。It外差法

D中放限频器鉴频器基带放大器输出本振激光器低通滤波器fDfLfS信号参考光路由布拉格盒引入外频率f1，使参考光频率为,f0为原有激光频率信号光为 ,fS为多普勒频移信号光与参考光混频，输出电信号频率为式中：可由频谱仪测得。讨论：外频率引入是为了识别被测物体方向。3.频率检测（解调）

零差解调

MHe-NeD频谱分析仪光纤SMM反射参考光

信号光

探测器D得到

其光强为

式中为多普勒频移探测器的输出频率为的电信号进频谱分析仪，即可求的大小，进而求fS，代入多普勒公式即可求得速度V。讨论：零差法只能求V的大小，不能测方向。4.波长（颜色）解调

二波长单光路解调λ2λ1Dλ1=0.558μm，λ2=0.600μm二波长检测系统中，一种颜色是不变的作参考，另一种颜色受外界（PH变化）调制。二波长双光路解调输出D1D2+D1/D2-λ1λ2光纤黑体单光路一个光敏器件对不同波长的灵敏度不同5.光谱仪解调测量系统光栅CCD计算机光纤在波长检测中，二波长强度之比不足以反应全部信息解调光纤光栅用于分布式光纤传感系统F宽带光源－Σ光纤法-柏分析器压电单元扫描波形1.光纤传感系统的组成光调制器光源及光敏器件被测参量光连接器光纤解调器电连接器信号处理组成：传感器、传输系统、探测系统六、光纤传感器系统与设计一、传感器的设计：

根据被测量、灵敏度、动态范围、噪声与干扰要求。

根据被测量地点分布决定传感器位置分布与结构。

根据被测量的要求决定是数字量还是模拟量。

二、传输系统的设计：

根据传感器的阵列决定传输方式。

根据传感器的通道数决定供电和频响等。

考虑传输系统噪声、环境温度、现场条件决定光缆要求2.光纤传感器的设计原则三、探测系统的设计：

根据调制光所携带信息要求选择光电探测器的类型与参数。根据传输系统要求，需要对多路信号分离解调。 对数字化数据需进行译码，以便将脉冲代码换为模拟代码。 根据整个光路的衰减，计量、复核光源与探测系统的选择。

时分多路系统输入脉冲光源S1S2SnD输出脉冲系列S1S2Sn3.光纤传感器系统的分类连续光源S1S2Sn探测器阵列光源树状耦和器探测器阵列S1S2Sn（1）压—光多路传输S1S2Sn多路开关与压频变换LED光—电光纤多路传输系统（2）波分多路传输S1S2Sn波长分路器D1D2Dnλ1λ2λn波长耦合器光源SD活连接熔接连接几种活连接1—3dB/个

熔接连接0.1—1dB/个

插入损耗

光纤长度损耗

其它损耗（温度影响等）

光源衰减的损耗

衰减计算：七、光纤传感器的应用光纤传感器在易燃易爆场合的应用控制室光纤各类油罐参数检测压力容器参数检测核工业环境参数检测煤矿中CH4等参数检测光纤传感器在高电压、强电磁场干扰场合的应用控制室光纤高压变压器高压电动机强电磁干扰电气设备微波设备光纤传感器在实时－在线检测中的应用取样送检样品光谱仪被测物传统光谱仪物质成分检测光纤光纤光谱仪被测物光纤光谱仪物质成分检测传统分布测量光纤传感技术在分布测量中的应用

（时域变换技术）检测仪表S1S2S3Sn电缆OTDR技术用于分布检测光纤传感技术在分布测量中的应用

（时域变换技术）光纤S1T1S2T2S3T3SnTn波形图S0‘（t）S0（t）tttttt激光光强信号斩波后光信号被测信号S0（t）参考信号锁相放大器输出解调信号S0‘（t）被测信号被斩波调制后信号S0（t）传感信号光纤传输网络0～10mA0～5V光／电变换计算机电阻电容光纤传输网络光纤·传输量大·传输距离远·不怕电磁干扰·接口方式齐全电感电脉冲光参量光纤转速传感器非接触测量方式LEDPIN光纤光纤温度传感器阻光型LEDPIN光纤砷化镓片光纤T1<T2<T3T2IT3T1LEDλ

光纤温度传感器折光型LEDPINn1n2n