第9章光纤传感器

第九章光纤传感器

1第一节光纤传感器基础

第二节光调制与解调技术第三节光纤传感器实例(穿插在第二节中)1、光纤的结构和传光原理

2、光纤的分类

4、光纤传感器的分类3、光纤的特性1、强度调制与解调（重点）2、偏振调制与解调3、相位调制与解调（重点）4、频率调制与解调（重点）2

液体检测光纤传感器埋入式光纤应变传感器开关式光纤传感器几种光纤传感器实物图3（一）、光纤的结构和传光原理1、光纤的结构纤芯包层保护套一、光纤传感器基础

42、光纤的传光原理—全反射原理

包层n2n1纤芯折射光θ2θ1θ1入射光反射光根据光的折射定律：临界角包层n2n1纤芯折射光θ2θc入射光5（二）、光纤的分类1、按折射率分布分类──阶跃光纤与渐变光纤1）阶跃光纤其折射率分布的表达式为：6光在阶跃光纤中的传播光在阶跃光纤中的传播轨迹，即按“之”字形传播及沿纤芯与包层的分界面掠过，如图所示。空气的折射率n0θ07光在空气的折射率n0=1，应用多次光的折射定律可得：全反射要求θ1=θc，且8NA的物理意义：能使光在光纤内以全反射形式进行传播的接收角θc之正弦值。说明：a、NA表示光纤的集光能力。b、光纤一般不给出折射率n，只给数值孔径NA。92）渐变光纤10112、按传播模式分类──多模光纤与单模光纤光纤模式的概念式中：a1为纤芯半径；常用麦克斯韦方程导出的归一化频率ν作为光纤传输模数的参数：12要实现单模传输，必须使光纤的诸参量满足一定的条件，即其归一化频率ν

≤2.4048。例，对于NA=0.12的光纤要在λ=1.3微米以上实现单模传输时，光纤纤芯的半径应为13理论分析可得，光纤传输模的总数：(阶跃型)或（渐变型）1）多模光纤ν≥2.41，光纤传输的模数多，称为多模光纤。2）单模光纤ν<2.41，只能传输基模，称为单模光纤。14多模光纤与单模光纤的比较多模好比多辆不同速度的汽车，到达的时间有差异单模好比是一辆高速火车，运载量大15

多模光纤与单模光纤的比较163、按工作波长分类──短波长光纤与长波长光纤1）短波长光纤光波波长在0.6～0.9μm

范围内（典型值为0.85μm），习惯上把在此波长范围内呈现低衰耗的光纤称作短波长光纤。2）长波长光纤在波长1.31μm和1.55μm附近，石英光纤的衰耗急剧下降如图所示习惯上把工作在1.0～2.0μm波长范围的光纤称之为长波长光纤。17光纤主要工作波长光纤的衰减图OH-衰减(dB/km)654321OH-OH-第一窗口第二窗口第三窗口水峰值0.70.80.91.01.11.21.31.41.51.6λμm

654321184、按套塑类型分类──紧套光纤与松套光纤1）紧套光纤所谓紧套光纤是指二次、三次涂敷层与予涂敷层及光纤的纤芯，包层等紧密地结合在一起的光纤。2）松套光纤所谓松套光纤是指，经过予涂敷后的光纤松散地放置在一塑料管之内，不再进行二次、三次涂敷。191、损耗系数定义为：每公里光纤对光功率信号的衰减值，表达式为：单位（dB/km）

光纤的损耗机理（三）、光纤的特性

202、光纤的色散光纤的色散就是输入脉冲在光纤传输过程中，由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。光纤的色散可以分为三部分即模式色散（多模光纤以此为主）材料色散波导色散

（单模光纤以此为主）21模色散：不同方向的光路径不同，到达的时间不同22光纤传感器和传统传感器的比较（a）传统传感器

信号处理电源信号接收敏感元件导线光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器（四）光纤传感器的分类23光纤传感器类型: 1、功能型光纤传感器：把光纤作为敏感元件，又称传感型光纤传感器。2、非功能型光纤传感器：光纤仅作为光的传输介质，又称传光型光纤传感器。24光纤传感器原理示意图入射光波的特征参量：振幅、相位、偏振态、频率等入射光波出射光波光纤——光波传输的煤质外界因素：温度、压力、电场、位移等25（一）、强度调制与解调（二）、偏振调制与解调二、光调制与解调技术（三）、相位调制与解调（四）、频率调制与解调26调制：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。解调：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。27光波参数:光强、偏振态、相位、频率、波长等相应的有：1)、强度调制光纤传感器2)、偏振调制光纤传感器3)、相位调制光纤传感器4)、频率调制光纤传感器光纤传感器根据光进行调制的方式不同分为：28

利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。（一）、强度调制与解调29使光波的强度发生变化：（1）两光纤横向或者纵向运动；（2）光纤弯曲；（3）折射率的改变；（4）光纤对被测信号的吸收；（5）倏逝波的耦合。30应用1、光纤微弯位移和压力传感器光纤微弯位移（压力）传感器原理光纤微弯对传播光的影响光纤芯透射光强度与外力的关系31能测量10℃～50℃的温度。检测精度约为0.5℃。缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。

热双金属式光纤温度开关光源接收121遮光板2双金属片应用2、光纤温度传感器热双金属式光纤温度开关32应用3、反射式光纤位移传感器

传光型光纤传感器。反射式光纤位移传感器原理图33光纤分布方式：反射光强与位移的关系接收光照面积与距离的关系教材P219习题与思考题9-434是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。（二）、偏振调制与解调1、普克耳效应（电光效应）2、法拉弟旋转效应（磁光效应）3、光弹性效应教材P209图9-10教材P210图9-1135应用：偏振态调制型光纤传感器教材P217偏振态调制型光纤电流传感器测试原理图基于法拉弟旋转效应（磁光效应）工作36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。（三）、相位调制与解调一）相位调制的原理37基于几个物理效应

1、应力应变效应1)光纤的长度变化——应变效应2)光纤芯的直径变化——泊松效应3)光纤芯的折射率变化——光弹效应

2、热胀冷缩效应38当光纤受到外界物理量作用时，光波的相位角变化为：39二）实现干涉测量的仪器1、Michelson干涉仪2、Mach-Zehnder干涉仪3、Sagnac干涉仪4、Fabry-Perot干涉仪401、光纤Michelson干涉仪

Laser

DPZTdriverM1M2PZTFDCLl1l241光纤Michelson干涉仪的工作原理422、光纤Mach-Zehnder干涉仪

433、光纤Sagnac干涉仪

激光器光探测器a结构b原理b光束a光束444、光纤Fabry-Perot干涉仪激光器部分透射反射镜光探测器45应用1、光纤压力和温度传感器用马赫-泽德干涉仪测量压力或温度的相位调制型光纤传感器原理图46三种基本结构形式光纤磁场传感器基本结构应用2、光磁场传感器--磁致伸缩效应47应用3：：光纤陀螺用集成光学芯片

（光纤Sagnac干涉仪）Y波导调制器48产品实物图

49应用4：光通信用集成光学强度调制器

（光纤Mach-Zehnder干涉仪）

偏置电极信号电极光纤M－Z干涉型光波导50（四）、频率调制与解调是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。多普勒效应：如