光纤传感器的基础一课件

第7章光纤传感检测技术第7章光纤传感检测技术1关于光纤传感器：从原理上看，以光学技术为基础，将测量对象的状态变成光信号的形式取出；从材料上看以石英为主，适于在高电压、电磁干扰、海水下以及化学腐蚀气氛等环境条件下使用。2.光纤是优越的低损耗传输线，使用时可不必考虑测量设备与被测对象的相对位置，可用于一般电子传感器难以适应的场合。3.光纤传感器与光电检测器件、电子装置有良好的兼容。关于光纤传感器：从原理上看，以光学技术为基础，将测量对象的状2光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器（FOS）与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能力强、高灵敏度、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器（FOS）与常规传感器37.1光纤传感器的基础一、光纤波导原理斯涅尔(Snell)定律临界角7.1光纤传感器的基础一、光纤波导原理斯涅尔(Snell)4存在的问题：表面污染引起能量损耗解决方案：存在的问题：表面污染引起能量损耗解决方案：5完整光纤模型：光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为NA——定义为“数值孔径”。它是衡量光纤集光性能的主要参数。完整光纤模型：光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射6光纤运动路径不同，使得光脉冲沿光纤展宽——色散改善方法：阶跃光纤梯度光纤速度补偿二、光纤的特性与分类1.光纤运动路径不同，使得光脉冲沿光纤展宽——色散改善方法：阶跃7阶跃光纤梯度光纤阶跃光纤梯度光纤82.损耗①吸收损耗：紫外吸收、红外吸收、杂质吸收②散射损耗：瑞利（Rayleigh）散射、拉曼（Raman）散射瑞利散射2.损耗①吸收损耗：②散射损耗：瑞利散射9菲涅耳反射③其它损耗：菲涅耳（Fresnel）反射菲涅耳反射③其它损耗：103.其它分类方式按纤芯和包层材料性质分类：玻璃光纤塑料光纤按传输模式分类：单模光纤多模光纤按用途分类：通信光纤特殊光纤低双折射光纤高双折射光纤涂层光纤液芯光纤激光光纤红外光纤3.其它分类方式按纤芯和包层材料性质分类：按传输模式分类：11三、光纤传感器分类光纤传感器一般可分为两大类：①功能型传感器(FunctionFiberOpticSensor)，又称FF型光纤传感器利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器。三、光纤传感器分类光纤传感器一般可分为两大类：12②非功能传感器(Non-FunctionFiberOpticSensor)，又NF型光纤传感器利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。②非功能传感器(Non-FunctionFiberOp13

光纤传感器分类

光纤传感器分类14光纤传感器的基础一课件15光纤传感器的基础一课件16四.光纤传感器的发展趋势1.当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象。2.集成化光纤传感器。3.多功能全光纤控制系统。4.充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系统。5.开辟新领域。四.光纤传感器的发展趋势177.2光纤的光波调制技术光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频率和波长等方式。光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行检测。7.2光纤的光波调制技术光的调制和解调可分为：强度、相位、18一、强度调制与解调光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检测。强度调制与解调原理图一、强度调制与解调光纤传感器中光强度调制是被测19当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，传输光有一部分会泄漏到包层中去。1.几种常用的光强调制技术（1）微弯效应当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，传输光有一部分20（2）反射式光强度调制光强大小与光纤端面和被测物体间距离有关探头结构（2）反射式光强度调制光强大小与光纤端面和被测物体间距离有关21（3）透射式光强度调制利用透射实现的光强度调制途径：①线性位移、角位移②利用光闸（遮光板）进行强度调制光闸类型：光开关、光劈、可动透镜、光栅、莫尔条纹（3）透射式光强度调制利用透射实现的光强度调制途径：②利用22

利用折射不同进行光强度调制的原理包括：①利用被测物理量引起传感材料折射率的变化；②利用渐逝场耦合；③利用折射率不同的介质之间的折射与反射。（4）利用折射率变化的光强度调制利用折射不同进行光强度调制的原理包括：①利用被测物理23（5）光纤的吸收实现光强度调制

在光纤芯中掺入特殊材料，改变光纤的吸收特性。如掺入产生吸收光谱的材料，由于光纤的吸收损耗的增大导致输出功率的降低；或掺入产生荧光的杂质，利用外来辐射激发光纤，检测荧光。（5）光纤的吸收实现光强度调制在光纤芯中掺入特殊材料242.强度调制的解调强度调制型光纤传感器的关键是信号功率与噪声功率之比要足够大功率信噪比信号电流光信号噪声电流光电检测器噪声电流前置放大器输入端等效电阻热噪声电流PL总光功率Ps信号功率2.强度调制的解调强度调制型光纤传感器的关键是信号功率与噪25利用外来因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏振面的旋转（即偏振态的变化）来检测物理量，称为偏振调制。二、偏振调制与解调光波是横波。自然光线偏振光（平面偏振光）圆偏振光椭圆偏振光部分偏振光光纤传感器中的偏振调制器常利用电光、磁光、光弹等物理效应。利用外来因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏振面的旋转（即偏26当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高电压，晶体将呈现双折射现象——普克耳效应。1.调制原理（1）普克耳（Pockels）效应两正交的偏振光的相位变化：当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高电压，晶体将27普克耳效应的应用普克耳效应的应用28平面偏振光通过带磁性的物体（或磁场）时，其偏振光面发生偏转，光矢量旋转角：（2）法拉第磁光效应法拉第磁光旋转是一种磁感应旋光性费尔德常数，表征法拉第效应的大小H：磁场强度L：作用距离平面偏振光通过带磁性的物体（或磁场）时，其偏振光面发生偏转，29采用YIG的光学式磁场传感器采用YIG的光学式磁场传感器30（3）光弹效应光弹效应又称应力双折射：在垂直于光波传播方向施加应力，材料将产生双折射现象，其强弱正比于应力。偏振光的相位变化：（3）光弹效应光弹效应又称应力双折射：在垂直于光波传播方向施31三、相位调制与解调基本原理：通过被测能量场的作用，使能量场中的一段敏感单模光纤内传播的光波发生相位变化，利用干涉测量技术把相位变化变换为振幅变化，再通过光电探测器进行检测。相位调制技术实质上是产生光波相位变化的物理机制和光的干涉技术的综合应用。☆压力、张力和温度等外因能直接改变光纤波导的长度、折射率及其分布以及波导的横向几何尺寸等，若这些波导参数发生变化，则必然发生光波的相位变化，从而实现了光纤的相位调制。三、相位调制与解调基本原理：通过被测能量场的作用，使能量场中32（1）迈克尔逊干涉仪1.实现干涉测量的仪器（1）迈克尔逊干涉仪1.实现干涉测量的仪器33特点：没有或很少有光返回到激光器。

返回到激光器的光会造成激光器的不稳定噪声，对干涉测量不利。（2）马赫－泽德尔（Mach-Zehnder）干涉仪特点：没有或很少有光返回到激光器。（2）马赫－泽德尔（Mac34两束光均形成传播方向相反的闭合光路，并在分束器上会合，送入光探测器。（3）塞格纳克（Sagnac）干涉仪当把这种干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上时，若平台以角速度Ω顺时针旋转，则在顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光有相位延迟：两束光均形成传播方向相反的闭合光路，并在分束器上会合，送入光35（4）法布里—帕罗（Fabry-Perot）干涉仪根据多光束干涉原理，探测器探测到干涉光强度的变化：☆多光束干涉（4）法布里—帕罗（Fabry-Perot）干涉仪根据多光束362.四种类型光纤干涉仪结构2.四种类型光纤干涉仪结构37目前主要是利用光学多普勒效应实现频率调制。四、频率调制与解调频率调制时光纤往往只起传输光信号的作用，而不作为敏感元件。f1f2解调原理同相位调制的解调。（外差检测）目前主要是利用光学多普勒效应实现频率调制。四、频率调制与解387.3光纤传感器实例一、光纤位移传感器1.反射式光纤位移传感器7.3光纤传感器实例一、光纤位移传感器1.反射式光纤39利用2个探头获得的平均输出可以提供灵敏度，并可获得目标移动方向的信息两探头置于目标同侧两探头置于目标两侧利用2个探头获得的平均输出可以提供灵敏度，并可获得目标移动方40光纤液位传感器基于全反射原理光纤液位传感器412.集成光学微位移传感器2.集成光学微位移传感器42半导体的吸收光谱与材料的Eg有关，而Eg却随温度的不同而不同。Eg与温度t的关系可表示为：t↑Eg↓即本征吸收波长λg∝t二、光纤温度传感器1.半导体光吸收型光纤温度传感器相对发光强度透射率LED发光光谱半导体透射率T1<T2<T3T3T1T2波长透射光强度将随着温度的升高而减小，通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变化。半导体的吸收光谱与材料的Eg有关，而Eg却随温度的不同而不同432.热色效应光纤温度传感器热色效应：自然界有很多无机溶液的颜色随温度升降而变化，因此溶液的光吸收谱线也随温度升降而变化。(CH3)3CHOH+CoCl32.热色效应光纤温度传感器热色效应：自然界有很多无机溶液的443.开关型光纤温度传感器1234水银柱式光纤温度开关1浸液；2自聚焦透镜；3光纤；4水银采用各种与温度有关的遮断机构和材料（可以是石蜡、铁氧体及水银柱）响应时间长，适用于火灾报警及温度设备监视系统3.开关型光纤温度传感器1234水银柱式光纤温度开关45热双金属式光纤温度开关1遮光板；2双金属片接收光源12当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。4.遮光式光纤温度传感器热双金属式光纤温度开关接收光源12当温度升高时，双金465.其它类型的温度传感器①光纤辐射温度传感器②荧光辐射温度传感器③光纤液体温度传感器④光纤偏振温度传感器利用硅的旋光性随温度调制的偏振传感器⑤相位调制型光纤温度传感器如马赫－泽德尔光纤温度传感器5.其它类型的温度传感器①光纤辐射温度传感器47三、光纤角速度传感器（光纤陀螺）物理基础：赛格纳克效应传输时间：N匝光纤，且A=πR2：则相移：三、光纤角速度传感器（光纤陀螺）物理基础：赛格纳克效应传输时48光纤传感器的基础一课件49四、光纤压力（振动）传感器1.光纤压力（振动）传感器优点：体积小，抗电磁和射频干扰好，精度高，非接触性测量①透射式（或反射式）光纤压力（振动）传感器四、光纤压力（振动）传感器1.光纤压力（振动）传感器优点：50膜片反射式光纤压力传感器光源接收Y形光纤束壳体P弹性膜片Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。膜片反射式光纤压力传感器光源接收Y形光纤束壳体P弹性膜片Y形51②微弯式光纤压力传感器亮场检测②微弯式光纤压力传感器亮场检测522.光纤水听器原理：当光纤上加以周期性的微弯曲引起的扰动时，光纤内的光传输损耗将根据所施加的压力而产生十分灵敏的变化。2.光纤水听器原理：当光纤上加以周期性的微弯曲引起的扰动时533.光纤加速度传感器框架的纵向振动会使重物位移而导致光纤伸缩，这种变化可以以光的传输时间变化即相位变化的形式加以观察3.光纤加速度传感器框架的纵向振动会使重物位移而导致光纤伸54五、光纤电流、电压传感器由于光纤本身是很好的绝缘体，采用光纤传感技术检测电流、电压不受外界电磁干扰，有利于保护整个系统1.光纤电流传感器五、光纤电流、电压传感器由于光纤本身是很好的绝缘552.光纤电压传感器偏振调制型当晶体放在被测电压（或电场）位置，由于单晶体的折射率系数发生变化，导致单晶体发生附加线性双折射相位调制型2.光纤电压传感器偏振调制型当晶体放在被测电压（或电场）位56光纤磁场传感器光纤放射性射线传感器光纤光谱传感器光纤图像传感器……六、其它类型光纤传感器光纤磁场传感器六、其它类型光纤传感器577.4分布式光纤传感器随着光纤传感技术的发展和应用的日益广泛，仅仅依靠单点式测量，已难以满足需求，并且不能充分发挥光纤传感器的技术优势。☆分布式传感器一般是指：具有一个公共数据通道并能与控制中心实施通信联络的传感器网络。一、概述☆分布式光纤传感器测量是运用光纤的一维特性进行测量的技术，可同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。它可以在整个光纤上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量。在理论上，它可以把被测量作为光纤位置长度的函数，能得到任意大小的分辨率。7.4分布式光纤传感器随着光纤传感技术的发581、反射法：利用光纤在外部扰动作用下产生的Reyleigh、Raman、Brillouin等效应进行测量的方法。二、分布式光纤传感器主要技术测量沿光纤长度上的基本损耗或散射(1)光时域反射法OpticalTime-DomainReflectometry（OTDR）1、反射法：利用光纤在外部扰动作用下产生的Reyleigh59基于瑞利散射或拉曼散射的原理基于瑞利散射或拉曼散射的原理60(2)偏振光时域反射法(POTDR)利用后向散射光的偏振态信息进行分布式测量的技术(2)偏振光时域反射法(POTDR)612、波长扫描法(WLS)用白光照射保偏光栅，运用快速Fourier算法来确定模式耦合系数的分布。3、干涉法利用各种形式的干涉装置把被测参量对干涉光路中光波的相位调制进行解调，从而得到被测参量信息的方法。4、连续波调频法（FMCW）2、波长扫描法(WLS)62光纤光栅的制作原理：利用光纤材料的光敏性，即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤（直径为0.125mm～0.25mm）的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。其制作方法如下图所示：制作完成后的光纤光栅相当于在普通光纤中形成了一段长度为10mm左右的敏感区，可以准确感测温度、应力的变化。三、光纤光栅传感器光纤光栅的制作原理：利用光纤材料的光敏性，即外界入射光子和纤63光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时，它与光场发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并沿原传输光纤返回；其余宽带光则直接透射过去。光纤光栅的测量原理光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带64光纤光栅传感技术特点全光型高精度组网灵活实时性好兼容性强光纤光栅传感技术特点65智能材料－航空、航天领域的应用采用了FBG传感器阵列的自适应机翼DaimlerChryslerAG装有FBG气体温度传感器阵列的太空船模型CL-75四、光纤传感器的应用智能材料－航空、航天领域的应用采用了FBG传感器阵列的自适应66太空飞船X-38的再入式实验飞行器（NASA图片）传感器布测区域a.分布式温度传感方案b.分布式应力传感方案输出信号沿光纤传输光的背向散射分量光纤温度传感元平面温度场分布输入信号埋入光纤应力传感元输入信号光纤监测网损伤探测输出信号太空飞船X-38的再入式实验飞行器传感器布测区域a.分布式温67智能材料－智能型士兵在服装材料纺织的同时，实现了光纤和导线织入的全自动化。智能材料－智能型士兵在服装材料纺织的同时，实现了光纤和导线织68智能型降落伞测试现场录像智能型降落伞测试现场录像69桥梁、大坝的监测picoWaveReferenceDETECTORFFP-TFCOUPLERDAQ-CARDPCorLAPTOP桥梁、大坝的监测picoWaveReferenceDETE70－钻井平台的监测－钻井平台的监测71光纤陀螺及惯导系统

日本：MitsubishiprecisionCo.&空间及宇航所M-V火箭系统光纤陀螺及惯导系统

日本：M-V火箭系统72工业工程传感器安装嵌入式FBG温度传感器阵列的发电机定子法国Alstom公司的铁路部TransportS.A.领导研制的一种安装了FBG的智能型新型复合材料的转向架。工业工程传感器安装嵌入式FBG温度法国Alstom公司的73工业工程类传感器－结构和机械类传感FBG加速度计固定在测试和定标用电磁震动台和振荡感应器上。三轴FBG加速度计的工作原理工业工程类传感器－结构和机械类传感FBG加速度计固定在测试和74石油行业的地震采集Sabeus公司的光纤声探测阵列石油行业的地震采集Sabeus公司的光纤声探测阵列75第7章光纤传感检测技术第7章光纤传感检测技术76关于光纤传感器：从原理上看，以光学技术为基础，将测量对象的状态变成光信号的形式取出；从材料上看以石英为主，适于在高电压、电磁干扰、海水下以及化学腐蚀气氛等环境条件下使用。2.光纤是优越的低损耗传输线，使用时可不必考虑测量设备与被测对象的相对位置，可用于一般电子传感器难以适应的场合。3.光纤传感器与光电检测器件、电子装置有良好的兼容。关于光纤传感器：从原理上看，以光学技术为基础，将测量对象的状77光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器（FOS）与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能力强、高灵敏度、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器（FOS）与常规传感器787.1光纤传感器的基础一、光纤波导原理斯涅尔(Snell)定律临界角7.1光纤传感器的基础一、光纤波导原理斯涅尔(Snell)79存在的问题：表面污染引起能量损耗解决方案：存在的问题：表面污染引起能量损耗解决方案：80完整光纤模型：光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为NA——定义为“数值孔径”。它是衡量光纤集光性能的主要参数。完整光纤模型：光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射81光纤运动路径不同，使得光脉冲沿光纤展宽——色散改善方法：阶跃光纤梯度光纤速度补偿二、光纤的特性与分类1.光纤运动路径不同，使得光脉冲沿光纤展宽——色散改善方法：阶跃82阶跃光纤梯度光纤阶跃光纤梯度光纤832.损耗①吸收损耗：紫外吸收、红外吸收、杂质吸收②散射损耗：瑞利（Rayleigh）散射、拉曼（Raman）散射瑞利散射2.损耗①吸收损耗：②散射损耗：瑞利散射84菲涅耳反射③其它损耗：菲涅耳（Fresnel）反射菲涅耳反射③其它损耗：853.其它分类方式按纤芯和包层材料性质分类：玻璃光纤塑料光纤按传输模式分类：单模光纤多模光纤按用途分类：通信光纤特殊光纤低双折射光纤高双折射光纤涂层光纤液芯光纤激光光纤红外光纤3.其它分类方式按纤芯和包层材料性质分类：按传输模式分类：86三、光纤传感器分类光纤传感器一般可分为两大类：①功能型传感器(FunctionFiberOpticSensor)，又称FF型光纤传感器利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器。三、光纤传感器分类光纤传感器一般可分为两大类：87②非功能传感器(Non-FunctionFiberOpticSensor)，又NF型光纤传感器利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。②非功能传感器(Non-FunctionFiberOp88

光纤传感器分类

光纤传感器分类89光纤传感器的基础一课件90光纤传感器的基础一课件91四.光纤传感器的发展趋势1.当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象。2.集成化光纤传感器。3.多功能全光纤控制系统。4.充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系统。5.开辟新领域。四.光纤传感器的发展趋势927.2光纤的光波调制技术光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频率和波长等方式。光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行检测。7.2光纤的光波调制技术光的调制和解调可分为：强度、相位、93一、强度调制与解调光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检测。强度调制与解调原理图一、强度调制与解调光纤传感器中光强度调制是被测94当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，传输光有一部分会泄漏到包层中去。1.几种常用的光强调制技术（1）微弯效应当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，传输光有一部分95（2）反射式光强度调制光强大小与光纤端面和被测物体间距离有关探头结构（2）反射式光强度调制光强大小与光纤端面和被测物体间距离有关96（3）透射式光强度调制利用透射实现的光强度调制途径：①线性位移、角位移②利用光闸（遮光板）进行强度调制光闸类型：光开关、光劈、可动透镜、光栅、莫尔条纹（3）透射式光强度调制利用透射实现的光强度调制途径：②利用97

利用折射不同进行光强度调制的原理包括：①利用被测物理量引起传感材料折射率的变化；②利用渐逝场耦合；③利用折射率不同的介质之间的折射与反射。（4）利用折射率变化的光强度调制利用折射不同进行光强度调制的原理包括：①利用被测物理98（5）光纤的吸收实现光强度调制

在光纤芯中掺入特殊材料，改变光纤的吸收特性。如掺入产生吸收光谱的材料，由于光纤的吸收损耗的增大导致输出功率的降低；或掺入产生荧光的杂质，利用外来辐射激发光纤，检测荧光。（5）光纤的吸收实现光强度调制在光纤芯中掺入特殊材料992.强度调制的解调强度调制型光纤传感器的关键是信号功率与噪声功率之比要足够大功率信噪比信号电流光信号噪声电流光电检测器噪声电流前置放大器输入端等效电阻热噪声电流PL总光功率Ps信号功率2.强度调制的解调强度调制型光纤传感器的关键是信号功率与噪100利用外来因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏振面的旋转（即偏振态的变化）来检测物理量，称为偏振调制。二、偏振调制与解调光波是横波。自然光线偏振光（平面偏振光）圆偏振光椭圆偏振光部分偏振光光纤传感器中的偏振调制器常利用电光、磁光、光弹等物理效应。利用外来因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏振面的旋转（即偏101当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高电压，晶体将呈现双折射现象——普克耳效应。1.调制原理（1）普克耳（Pockels）效应两正交的偏振光的相位变化：当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高电压，晶体将102普克耳效应的应用普克耳效应的应用103平面偏振光通过带磁性的物体（或磁场）时，其偏振光面发生偏转，光矢量旋转角：（2）法拉第磁光效应法拉第磁光旋转是一种磁感应旋光性费尔德常数，表征法拉第效应的大小H：磁场强度L：作用距离平面偏振光通过带磁性的物体（或磁场）时，其偏振光面发生偏转，104采用YIG的光学式磁场传感器采用YIG的光学式磁场传感器105（3）光弹效应光弹效应又称应力双折射：在垂直于光波传播方向施加应力，材料将产生双折射现象，其强弱正比于应力。偏振光的相位变化：（3）光弹效应光弹效应又称应力双折射：在垂直于光波传播方向施106三、相位调制与解调基本原理：通过被测能量场的作用，使能量场中的一段敏感单模光纤内传播的光波发生相位变化，利用干涉测量技术把相位变化变换为振幅变化，再通过光电探测器进行检测。相位调制技术实质上是产生光波相位变化的物理机制和光的干涉技术的综合应用。☆压力、张力和温度等外因能直接改变光纤波导的长度、折射率及其分布以及波导的横向几何尺寸等，若这些波导参数发生变化，则必然发生光波的相位变化，从而实现了光纤的相位调制。三、相位调制与解调基本原理：通过被测能量场的作用，使能量场中107（1）迈克尔逊干涉仪1.实现干涉测量的仪器（1）迈克尔逊干涉仪1.实现干涉测量的仪器108特点：没有或很少有光返回到激光器。

返回到激光器的光会造成激光器的不稳定噪声，对干涉测量不利。（2）马赫－泽德尔（Mach-Zehnder）干涉仪特点：没有或很少有光返回到激光器。（2）马赫－泽德尔（Mac109两束光均形成传播方向相反的闭合光路，并在分束器上会合，送入光探测器。（3）塞格纳克（Sagnac）干涉仪当把这种干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上时，若平台以角速度Ω顺时针旋转，则在顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光有相位延迟：两束光均形成传播方向相反的闭合光路，并在分束器上会合，送入光110（4）法布里—帕罗（Fabry-Perot）干涉仪根据多光束干涉原理，探测器探测到干涉光强度的变化：☆多光束干涉（4）法布里—帕罗（Fabry-Perot）干涉仪根据多光束1112.四种类型光纤干涉仪结构2.四种类型光纤干涉仪结构112目前主要是利用光学多普勒效应实现频率调制。四、频率调制与解调频率调制时光纤往往只起传输光信号的作用，而不作为敏感元件。f1f2解调原理同相位调制的解调。（外差检测）目前主要是利用光学多普勒效应实现频率调制。四、频率调制与解1137.3光纤传感器实例一、光纤位移传感器1.反射式光纤位移传感器7.3光纤传感器实例一、光纤位移传感器1.反射式光纤114利用2个探头获得的平均输出可以提供灵敏度，并可获得目标移动方向的信息两探头置于目标同侧两探头置于目标两侧利用2个探头获得的平均输出可以提供灵敏度，并可获得目标移动方115光纤液位传感器基于全反射原理光纤液位传感器1162.集成光学微位移传感器2.集成光学微位移传感器117半导体的吸收光谱与材料的Eg有关，而Eg却随温度的不同而不同。Eg与温度t的关系可表示为：t↑Eg↓即本征吸收波长λg∝t二、光纤温度传感器1.半导体光吸收型光纤温度传感器相对发光强度透射率LED发光光谱半导体透射率T1<T2<T3T3T1T2波长透射光强度将随着温度的升高而减小，通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变化。半导体的吸收光谱与材料的Eg有关，而Eg却随温度的不同而不同1182.热色效应光纤温度传感器热色效应：自然界有很多无机溶液的颜色随温度升降而变化，因此溶液的光吸收谱线也随温度升降而变化。(CH3)3CHOH+CoCl32.热色效应光纤温度传感器热色效应：自然界有很多无机溶液的1193.开关型光纤温度传感器1234水银柱式光纤温度开关1浸液；2自聚焦透镜；3光纤；4水银采用各种与温度有关的遮断机构和材料（可以是石蜡、铁氧体及水银柱）响应时间长，适用于火灾报警及温度设备监视系统3.开关型光纤温度传感器1234水银柱式光纤温度开关120热双金属式光纤温度开关1遮光板；2双金属片接收光源12当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。4.遮光式光纤温度传感器热双金属式光纤温度开关接收光源12当温度升高时，双金1215.其它类型的温度传感器①光纤辐射温度传感器②荧光辐射温度传感器③光纤液体温度传感器④光纤偏振温度传感器利用硅的旋光性随温度调制的偏振传感器⑤相位调制型光纤温度传感器如马赫－泽德尔光纤温度传感器5.其它类型的温度传感器①光纤辐射温度传感器122三、光纤角速度传感器（光纤陀螺）物理基础：赛格纳克效应传输时间：N匝光纤，且A=πR2：则相移：三、光纤角速度传感器（光纤陀螺）物理基础：赛格纳克效应传输时123光纤传感器的基础一课件124四、光纤压力（振动）传感器1.光纤压力（振动）传感器优点：体积小，抗电磁和射频干扰好，精度高，非接触性测量①透射式（或反射式）光纤压力（振动）传感器四、光纤压力（振动）传感器1.光纤压力（振动）传感器优点：125膜片反射式光纤压力传感器光源接收Y形光纤束壳体P弹性膜片Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。膜片反射式光纤压力传感器光源接收Y形光纤束壳体P弹性膜片Y形126②微弯式光纤压力传感器亮场检测②微弯式光纤压力传感器亮场检测1272.光纤水听器原理：当光纤上加以周期性的微弯曲引起的扰动时，光纤内的光传输损耗将根据所施加的压力而产生十分灵敏的变化。2.光纤水听器原理：当光纤上加以周期性的微弯曲引起的扰动时1283.光纤加速度传感器框架的纵向振动会使重物位移而导致光纤伸缩，这种变化可以以光的传输时间变化即相位变化的形式加以观察3.光纤加速度传感器框架的纵向振动会使重物位移而导致光纤伸129五、光纤电流、电压传感器由于光纤本身是很好的绝缘体，采用光纤传感技术检测电流、电压不受外界电磁干扰，有利于保护整个系统1.光纤电流传感器五、光纤电流、电压传感器由于光纤本身是很好的绝缘1302.光纤电压传感器偏振调制型当晶体放在被测电压（或电场）位置，由于单晶体的折射率系数发生变化，导致单晶体发生附加线性双折射相位调制型2.光纤电压传感器偏振调制型当晶体放在被测电压（或电场）位131光纤磁场传感器光纤放射性射线传感器光纤光谱传感器光纤图像传感器……六、其它类型光纤传感器光纤磁场传感器六、其它类型光纤传感器1327.4分布式光纤传感器随着光纤传感技术的发展和应用的日益广泛，仅仅依靠单点式测量，已难以满足需求，并且不能充分发挥光纤传感器的技术优势。☆分布式传感器一般是指：具有一个公共数据通道并能与控制中心实施通信联络的传感器网络。一、概述☆分布式光纤传感器测量是运用光纤的一维特性进行测量的技术，可同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。它可以在整个光纤上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量。在理论上，它可以把被测量作为光纤位置长度的函数，能得到任意大小的分辨率。7.4分布式光纤传感器随着光纤传感技术的发1331、反射法：利用光纤在外部扰动作用下产生的Reyleigh、Raman、Brillouin等效应进行测量的方法。二、分布式光纤传感器主要技术测量沿光纤长度上的基本损耗或散射(1)光时域反射法OpticalTime-DomainReflectometry（OTDR）1、反射法：利用光纤在外部扰动作用下产生的