光导纤维传感器

第十二章光导纤维传感器第十二章光导纤维传感器

光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新技术，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，在光电子学中创造了一个新的领域。它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。在实际应用中发现，光纤在外界环境因素（如温度、压力、电场、磁场等）的影响下，其传输的光波特征参量（如光强、相位、频率、偏振态等）将发生变化。通过测量光波特征参量的变化，就可以获得导致这些光波特征参量变化的温度、压力、电场、磁场等物理量的大小，据此出现了光纤传感技术和光纤传感器。光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点：(1)它具有很高的灵敏度。(2)频带宽动态范围大。(3)光纤直径只有几微米到几百微米，抗拉高，柔软性好，可根据实际需要做成各种形状，深入到机器内部或人体弯曲的内脏等常规传感器不宜到达的部位进行检测。(4)可以构成传感不同物理量的传感器，如检测声场、磁场、压力、温度、加速度、转动(陀螺)、位移、液位、流量、电流、辐射、振动、应变、化学量、生物医学量等等。(5)抗电磁干扰能力强。光纤主要由电绝缘材料做成，工作时利用光子传输信息，因而不受电磁场干扰的影响；此外，光波易于屏蔽，外界光的干扰也很难进人光纤。第十二章光导纤维传感器第十二章光导纤维传感器光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点：

(1)它具有很高的灵敏度。

(2)频带宽动态范围大。

(3)光纤直径只有几微米到几百微米，抗拉高，柔软性好，可根据实际需要做成各种形状，深入到机器内部或人体弯曲的内脏等常规传感器不宜到达的部位进行检测。

(4)可以构成传感不同物理量的传感器，如检测声场、磁场、压力、温度、加速度、转动(陀螺)、位移、液位、流量、电流、辐射、振动、应变、化学量、生物医学量等。第十二章光导纤维传感器光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点：

(1)它具有很高的灵敏度。

(2)频带宽动态范围大。

(3)光纤直径只有几微米到几百微米，抗拉高，柔软性好，可根据实际需要做成各种形状，深入到机器内部或人体弯曲的内脏等常规传感器不宜到达的部位进行检测。

(4)可以构成传感不同物理量的传感器，如检测声场、磁场、压力、温度、加速度、转动(陀螺)、位移、液位、流量、电流、辐射、振动、应变、化学量、生物医学量等。第十二章光导纤维传感器

(5)抗电磁干扰能力强。光纤主要由电绝缘材料做成，工作时利用光子传输信息，因而不受电磁场干扰的影响；此外，光波易于屏蔽，外界光的干扰也很难进人光纤。

(6)光纤集传感与信号传输于一体，利用它很容易构成分布式传感系统。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集中控制。

(7)耐高温，绝缘性能好，防爆，耐腐蚀，可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种高危、恶劣环境。

(8)结构简单、体积小、质量轻、耗能少。－－12.1.1光导纤维的结构及其传光原理12.1光导纤维概述光纤是一种多层介质结构的同心圆柱体，由纤芯、包层和保护层(涂敷层和护套)组成，如图所示。纤芯和包层通常由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。涂敷层可保护光纤，使其不受水蒸气的侵蚀和机械擦伤，同时增加了光纤的柔韧性，以延长光纤的寿命。护套采用不同颜色的管套（多为尼龙或塑料材料），一方面起保护作用，另一方面以颜色区分多条光纤。多根单条光纤即光缆。光纤的基本结构光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。众所周知，光在同一种介质中是直线传播的。由几何光学知识可知，当光线以较小的入射角（φ1<φc，φc为临界角），由光密介质(折射率为n1)射人光疏媒质(折射率为n2)时，一部分光线被反射，另一部分光线折射入光疏介质(如图(a)所示)。折射角φ2满足折射定律：光线入射角小于、等于和大于临界角时界面上发生的内反射根据能量守恒定律，反射光与折射光的能量之和等于入射光的能量。12.1.1光导纤维的结构及其传光原理当入射角逐渐加大时，折射角φ2也随之增大，当折射角增大至90°时，折射光将沿着界面传播（如上图（b）所示），此时的入射角φ1=φc，φc称为临界角。根据折射定律，临界角φc为：当继续增大入射角（即φ1>φc），光不再产生折射，只有反射，形成光的全反射现象（如图（c）所示）。光纤传输原理下面以阶跃型多模光纤为例说明光纤的传光原理。右图光纤传输原理。如图所示，当光线以一定的角度θi入射到光纤端面时，在端面发生折射进入光纤后，又以入射角φi入射到12.1.1光导纤维的结构及其传光原理12.1.1光导纤维的结构及其传光原理折射率(n1)较大的光密介质(纤芯)与折射率(n2)较小的光疏介质(包层)的交界面，光线在这里有一部分透射到光疏介质，一部分反射回光密介质。当入射角φi>φc时，光线就不会透射出界面，而发生全反射。光在纤芯和包层的界面上反复进行全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端面射出，这就是光纤的传光原理。根据折射定律，由上图可知：若要光在光纤和包层的界面上发生全反射，则界面上的光线入射角需大于临界折射角，此时φ’≥90°，而：当Φi＝Φc

，即时Φ’=90°，sinΦ’=90°，则有：因此，为了满足光在光纤内的全反射条件，光入射到光纤端面的入射角θi应满足：一般光纤所处环境为空气介质，其折射率近似为真空的折射率，即n0=1，则有：实际工作时，通常需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍能够继续向前传输。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。12.1.1光导纤维的结构及其传光原理12.1.2光纤的主要特征数值孔径（NA）定义为：数值孔径是表示光纤波导特性的重要参数，它反映光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率。应该注意，光纤的数值孔径仅决定于光纤的折射率n1和n2，而与光纤的几何尺寸无关。数值孔径NA越大，临界角φc越大，光纤可以接受的辐射能量就越多，即光纤与探测器耦合效率也越高，且保证以全反射形式向前传播。即在光纤端面，无论光源的发射功率有多大，只有2θc张角内的入射光才能被光纤接收和传播。如果入射角超出这个范围，进入光纤的光线将会进入包层而散失(产生漏光)。但实践证明，NA的数值不能无限增大，它受全反射条件的限制，NA值增大将使光信号产生的“模式色散”也越大，引起的光信号畸变和衰减12.1.2光纤的主要特征也越大，所以要适当选择NA的大小。光纤制成以后，它是一个常数。对石英光纤来说，NA=0.25，求得θc=15°，2θc=30°，称为光纤的接收角。这表明在30°范围内入射的光线将沿光纤传输，大于这一角度的光线将穿越包层而被吸收，不能传输到远端。上式又可表示为：式中，Δ为最大相对折射率的差。

12.1.2光纤的主要特征光波在光纤中的传播途径和方式称为光纤模式。对于不同入射角的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播模式不同。在光纤中传播模式很多不利于光信号的可靠传播。因为同一种光信号若采取多模式传播，将使一部分光信号分成多个不同时间到达接收端的小信号，从而导致合成信号的畸变，因此一般总希望光纤信号的模式数量要少。光纤分为单模光纤和多模光纤。单模光纤直径较小(2~12μm)，只能传输一种模式，如图(a)所示。这种模式可以按两种相互正交的偏振状态出现，其特点是芯线径较细，芯径和包层间的相对折射率之差较小。其优点是传输性能好，信号畸变小，信息容量大，线性度好，灵敏度高，频带极宽。但由于纤芯尺寸太小，制造、连接和耦合都比较困难。多模光纤能传输多种模式，甚至几百到几千个模式，如图(b)和图(c)所示。其特点是芯线和包层间的折射率之差大，传输的能量也大。

12.1.2光纤的主要特征芯线直径较大(50～100μm)，包层厚度约为芯线径的1/10。其性能较差，输出波形有较大的差异，但由于纤芯截面积大，容易制造，连接和耦合也比较方便。光纤传输损耗主要来源于材料吸收损耗(因材料密度及成分浓度不均匀引起)、散射损耗(因光纤拉制时粗细不均匀引起)和光波导弯曲损耗(因光纤在使用中可能发生弯曲引起)。目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。由于其中存在杂质离子、原子等缺陷都会对光信号有吸收作用，从而造成材料吸收损耗。散射损耗主要是由于材料密度及成分浓度不均匀引起的，这种损耗与光波长的12.1.2光纤的主要特征四次方成反比。因此散射随着波长的缩短而迅速增大。可见光波段并不是光纤传输的最佳波段，而在近红外波段(1～1.7μm)有传输损耗的极小值区段。因此长波长光纤已成为目前发展的方向。光纤拉制的粗细不均匀，造成纤维尺寸沿轴线变化，同样会引起光的散射损耗。另外纤芯和包层界面的不光滑、污染等，也会造成严重的散射损耗。光波导弯曲损耗是使用过程中因使用不当而产生的一种损耗。光波导的过度弯曲会引起传输模式的转换，激发高阶模进入包层产生损耗。当弯曲的曲率半径大于10cm时，损耗可忽略不计。12.1.3光纤的分类根据芯线径向折射率分布不同，光纤可分成：阶跃型光纤的折射率为阶跃变化，且固定不变。单模光纤大多是阶跃型光纤，多模光纤的折射率分布既有阶跃型的也有渐变型的。对于阶跃型多模光纤，由于不同模式在纤芯中传播的群速度不同，因而各个模式到达光纤输出端面的群延时不同，结果使传输的光脉冲展宽，这种现象称为模式色散。色散的存在使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽。渐进型光纤的折射率从中心开始沿径向逐步降低。由于不同模式的群速度相同，故这种光纤可以显著地减小模式色散，且所含信息容量较大，处理简便。12.2光纤传感器的特点、组成及分类－－12.2.1光纤传感器的特点光线传感器具有以下特点：

(1)电、磁绝缘性好。这是光纤的独特性能。由于光纤中传输的是光信号，即使用于高压大电流、强磁场、强辐射等恶劣环境也不易受干扰，使其特别适合于电力系统。此外还有利于克服光路中介质成分及背景辐射的影响，因而适用于一些特殊情况下的测量。

(2)绝缘性能高。光纤是不导电的非金属材料，其外层的涂覆材料硅胶也不导电，因此光纤绝缘性能高，很方便测量带高压电设备的各种参数。

(3)强度高，耐高温高压，抗化学腐蚀，物理和化学性能稳定，防爆性能好。由于在光纤内部传输的是能量很小的光信息，不会产生火花、高温和漏电等不安全因素，因此，不会引发爆炸或燃烧，安全性能好。光纤传感器适合于有强腐蚀性对象、易燃易爆环境的参数测量。

(4)导光性能好。对传输距离较短的光纤传感器来说，其传输损耗可以忽略不计，利用这一特性制成了锅炉火焰检测器，监视其火焰的状态。

(5)灵敏度高。即使在被测对象很小的情况下，光路仍能接受较大立体角的能量，因而测量灵敏度高。因为石英光纤的传输损耗低，可实现小目标近距离测量远距离传输的目的，满足现场各种使用要求。

(6)光纤传感器的结构简单，体积很小，重量轻，耗电少，几乎不破坏被测场（如温场、磁场等）。可实现对小热容量温度场的点测等的精密测量。

(7)光纤柔软可挠曲，克服了光路不能转弯的缺点，可在密闭狭窄空问等特殊环境下进行测量，如对核爆实验中爆炸中心参数的测量，必须在密闭环境中进行，且要克服高温、高压、高辐射等因素的影响。12.2.1光纤传感器的特点12.2.2光纤传感器的组成(8)光纤构形灵活，可制成单根、成束、Y形、阵列等结构形式，可以在一般传感器难以应用的场合实现测量。光纤传感器通常由以下几部分构成：

(1)光源，其性能直接影响光纤传感器的检测结果。

(2)敏感元件：可以为光纤或非光纤的，其作用是将被测参数转换成便于传输的光信号。

(3)信号传输部分：通过光导纤维进行信号传输。

(4)光探测器：对来自光导纤维的信号进行接收、整形等处理。

(5)信号处理系统：根据不同的测控系统的要求，提取、解读接收到的信号，获取所需要的被测量。光纤传感器常用的相关器件有以下部分：

(1)光纤传感器的光源：大多采用相干光源(激光器)，例如半导体激光器、氦氖激光器和固体激光器。

(2)光纤接头：光源与光纤、探测器与光纤以及光纤与光纤之间均由光纤接头连接。使用时的插入损耗越小越好。活接头主要用于光源与光纤耦合；死接头多用于光纤对接，连接的专用工具是光纤融接器。

(3)光纤耦合器：可将光源射出的光束分别耦合进两条以上的光纤，或者将两束光纤的出射光同时耦合给探测器。分立式耦合器主要由棱镜、聚焦透镜和调节支架组成。固定式耦合器由两块基板嵌入光纤加工后用匹配胶粘合而成。12.2.2光纤传感器的组成12.2.3光纤传感器的分类光纤传感器的一般分类方法如下：1)功能型(或称物性型、传感型)这类光纤传感器不仅作为光传播的媒介而且还充当敏感元件，将被测量转换成光信号的变化量。因为光纤既是电光材料又是磁光材料，所以可以利用克尔效应、法拉第效应等，制成测量强电流、高电压等传感器；其次可利用光纤的传输特性把输入量变为调制的光信号。因为表征光波特性的参量，如振幅(光强)、相位和偏振态会随着光纤的环境(如应变、压力、温度、电场、射线等)而改变，故利用这些特性便可实现传感测量。12.2.3光纤传感器的分类2)非功能型(或称结构型、传光型)光纤在非功能型光纤传感器中只作为传光的介质，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化。非功能型传感器的特点是结构比较简单，能够充分综合其他敏感器件和光纤本身的优点，因此发展很快。在用途上，非功能型传感器要多于功能型传感器，而且非功能型传感器的制作和应用也比较容易，所以目前非功能型传感器品种较多。功能型传感器的构思和原理往往比较巧妙，可解决一些特别棘手的问题。但无论哪一种传感器，最终都利用光探测器将光纤的输出变为电信号。12.2.3光纤传感器的分类按调制手段不同，光纤传感器可分为为强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制、波长调制型光纤传感器。

按被测量不同，光纤传感器可分为电压、电流、磁场、位移、速度、加速度、振动、应变、压力、温度、流量、化学量、生物量光纤传感器。12.3光纤传感器的应用－－12.3.1光强调制光纤传感器能够对光纤内光强产生调制作用的因素很多，如能够引起传输光强变化的光纤弯曲、光纤内光路截断或遮挡、吸收、反射、接收等过程中光纤反射光强变化等。光强调制类光纤传感器对光纤的性能要求不高，为了增强调制深度，一般采用多模光纤。这种传感器利用的微弯状态下的光纤所产生的弯曲损耗对光强进行幅值调制的传感器。其原理如下图所示。如前所述，在直光纤段，正常传输的光线打到纤芯和包层之间的界面上时，其入射角大于临界角(Φ1>Φ2)，则光线在界面上产生全反射。理想情况下，光在直光纤中传播是无损的。当光线入射到微弯曲段的界面上时，入射角将小于临界角(Φ1<Φ2)。此时，将会有一部分光能投射进入包层，从而导致光能的损耗。

12.3.1光纤传感器的应用光纤微弯传感器如图所示，其变形器由两个波浪型板构成。上面的板是活动的，下面的板是固定的。波形板一般采用有机玻璃、尼龙等非金属材料构成。一根光纤（阶跃型或梯度型多模光纤）从中穿过。当活动板受到微绕（位移或压力）作用时，光纤会发生波浪微弯，引起传播光的弯曲损耗，使光能在芯模中再分配：一部分在界面上反射回纤芯；另一部分从纤芯折射到包层。当活动板的位移或所施加的压力增加时，泄漏到包层的散射光随之增大，则纤芯输出光的强度相应减小，光强得到了调制。通过检测光能衰减的程度，或光纤纤芯透射光强度就能测出位移（或压力）信号。光纤微弯曲传感器实际测量光路如图（b）所示。光纤微弯传感器最大的优点是光功率维持在光纤内部，这样可以避免周围环境的影响，适宜在恶劣环境中使用。其灵敏度很高，能检测小至100μPa的压力变化。它具有兼容多模光纤技术，结构简单，动态范围宽、线性度较好、性能稳定等优点。光纤微弯传感器最大的优点是光功率维持在光纤内部，这样可以避免周围环境的影响，适宜在恶劣环境中使用。其灵敏度很高，能检测小至100μPa的压力变化。它具有兼容多模光纤技术，结构简单，动态范围宽、线性度较好、性能稳定等优点。12.3.1光纤传感器的应用传输光强调制型光纤传感器，一般在两根光纤(输入光纤和输出光纤)之问配置有机械式或光学式的敏感元件，敏感元件在被测量作用下调制传输光强的方式有：改变输入光纤和输出光纤之间的相对位置、遮断光路和影响光能吸收程度等。12.3.1光纤传感器的应用受抑全内反射光纤压力传感器，是典型的利用改变光纤轴向相对位置对光强进行调制的光纤传感器，如左下图所示。传感器由两根光纤组成，一根固定，另一根可随被测量变化垂直移动。两根光纤的相对端面是抛光面，并与光纤轴线成一足够大的角度θ，以便使光纤中传播的所有模式的光产生全内反射。当两根光纤充分靠近(中间仅有几个波长距离的薄层空气)，一部分光将透射进空气层并进入输出光纤。这种现象称为受抑全内反射现象，它类似于量子力学中的“隧道效应”或“势垒穿透”。当一根光纤相对另一根固定光纤垂直位移距离x时，则两根光纤端面之间的距离变化为xsinθ。因而透射光强随距离发生变化。右下图为光源波长λ=0.63μm，光纤纤芯折射率n1=1.48，数值孔径NA=0.2，θ角分别为52°、64°和76°时光纤透射光强与间隙之间的关系。由曲线可知，光强变化与间隙距离的变化呈非线性关系。因此在使用中应12.3.1光纤传感器的应用限制光纤的位移距离，使传感器工作在变化距离较小的一段线性范围内。从曲线还可以看出，θ角越大，曲线的线性段斜率越大。所以为了使传感器获得较高的灵敏度，光纤端面的倾斜角(90°-θ)要切割得较小。受抑全内反射原理透射光强与光纤间隙距离的关系下图为基于受抑全内反射原理的光纤压力传感器原理图。一根光纤固定在支架上，另一根光纤通过支架安装在铍青铜弹簧片上。支架上端与膜片相连。当膜片受压力而挠曲并可动光纤作垂直位移时，投射入输出光纤的光强被调制。经光电探测器12.3.1光纤传感器的应用转换成电信号，便能够检测出压力信号。

受抑全内反射光纤传感器的灵敏度相当高，它可以检测到1μPa的微小压力信号。只要适当增加入射光功率，即能检测100Hz到100kHz的深海噪声。其缺点是要求严格的机械公差，机械调整比较困难，而且光不能约束在光纤内部，在外场工作不易稳定。这些缺点限制了它在外场的应用。受抑全内反射光纤压力传感器12.3.2相位调制光纤传感器当一束波长为λ的相干光在光纤中传播时，光波的相位角与光纤的长度L，纤芯折射率n1和纤芯直径d有关，若光纤受物理量的作用，会使这三个参数发生不同程度的变化，从而引起光的相移。一般情况下，光纤长度和折射率的变化引起光相位的变化要比光纤直径变化引起的变化大得多，可忽略光纤直径引起的相位变化。由普通物理学可知，在一段长为L的单模光纤（纤芯折射率n1）中，波长为λ的输出光相对输入端来说，其相位角φ为：当光纤受到外界物理量的作用，则光波的相位角变化为：12.3.2相位调制光纤传感器采用光纤的相位检测技术可以测量出温度、压力、加速度、电流等物理量。由于光的频率很高（约为1014Hz），光电探测器不能够相应这样高的频率。也就是说，光电探测器不能跟踪以这样高的频率进行变化的瞬时值，因此，光波的相位变化是不能够直接被检测到的。为了能检测光波的相位变化，就必须应用光学干涉测量技术将相位调制转换成振幅(强度)调制。通常，在光纤传感器中常采用马赫一泽德(Mach_zhender)干涉仪等四种不同的干涉测量仪。它们有一个共同之处，即光源的输出光被分束器(棱镜或低损耗光纤耦合器)分成光功率相等的两束光(也有分成几束光)，并分别耦合到两根或几根光纤中去。在光纤的输出端再将这些分离光束汇合起来，输出到一个光电探测器。在干涉仪中采用锁相零差、合成外差等解调技术，可以检测出相位调制信号。12.3.2相位调制光纤传感器下图所示为利用普通的马赫一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。这是一款功能型光纤传感器，由两根同样材质，且长度基本相同的单模光纤组成，其出射端是平行的，则它们的出射光就会在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹。其中一根为测量用的光纤，直接感受被测量温度的变化，另一根为参考用光纤，使它置于恒定的温度场内。那么当被测温度变化时，测量光纤出射光的相位将发生变化，从而导致屏幕上干涉条纹的移动。相位每变化2π，干涉条纹移动一条。通过计量屏幕上干涉条纹移动的数目，就可求出相位的变化量，也就可以推出相应的温度变化量。12.3.2相位调制光纤传感器用马赫-泽德干涉仪测量压力或温度相位调制型光纤传感器原理

He-Ne激光器发射波长为λ=0.6328μm的单色光，经扩束镜扩束后准直为平行光，再经过分束器分成两路，并分别经透镜进行光束直径聚焦。聚焦后光束大小等于12.3.2相位调制光纤传感器测量光纤和参考光纤的入射端面直径的大小。这两根光纤(单模光纤)构成干涉仪的两个臂。令两臂的光程长大致相等(在光源相干长度内)，那么来自两根光纤的光束经过准直和合成后，两束出射光在屏幕上将产生干涉条纹，在屏幕后某一固定点上设置半导体PIN管，用以检出干涉条纹的移动。

下图所示为光纤加速度传感器原理图。在两根光纤之间悬挂一块质量块。光纤1和光纤2牢固地固定在质量块和传感器座上，安装时应使光纤稍微绷紧，这两根光纤分别被熔接在干涉仪的两条臂上。12.3.2相位调制光纤传感器当传感器受到垂直向上的加速度作用时，则惯性作用下将使光纤1的轴向应变增强，长度伸长ΔL，而光纤2的轴向应变减弱，长度缩短ΔL。这样，使质量块加速所需的力F为：张应力变化引起的光纤应变由下式给出：当光纤受应变后，光纤长度L发生变化，其输出端光的相位将发生变化，此相位变化由光波的相位角变化给出。对于拉伸应变情况，光的相移的变化主要是由光纤长度变化引起，光纤折射率变化对出射光相位变化的作用很小，可以忽略。这样，每根光纤中传播光的相移为：将上面几个式得，且因，则有：12.3.2相位调制光纤传感器由上式可知，光相位的变化（两根光纤则变化量加倍）与加速度成正比。利用光学干涉测量技术就可测出加速度。这种光纤加速度传感器的灵敏度极高，最小可检测lμg的加速度。为消除横向加速度的影响，结构上加了两片薄膜如上图所示，这两片薄膜的横向刚度大，可以有效地起到隔离横向加速度的作用，而其轴向刚度极小，因此并不影响加速度传感器的谐振频率。光纤加速度传感器的谐振频率，可以按一般二阶系统计算的方法得出。我们知道，在传感器中光纤是支撑质量块的弹性元件。因此，使质量块沿光纤轴向位移距离x所需的弹簧力F为：由此可得：12.3.2相位调制光纤传感器当质量块m连在弹性模量为k的光纤上时，其谐振频率由下式给出：由上面两个式子，且因，则得：下图为典型的光纤加速度传感器的频响特性。可以看出，光纤加速度传感器的频率响应并不高，一般只能响应几百赫兹频率的振动。但对加速度却有良好的线性响应，如下图所示。光纤加速度传感器的频率特性干涉仪输出与加速度的关系12.3.3利用半导体吸收的光纤温度传感器半导体光纤(或吸收)温度计是由一个半导体吸收器、光纤、光源和包括光探测器的信号处理系统等组成。其特点是：体积小、灵敏度高、工作可靠容易制作，且没有杂散光损耗。它是利用某些半导体材料（如GaAs）具有极陡的吸收光谱，对光的吸收随着温度的升高而明显增大的性质制成的。由半导体物理知道，半导体的禁带宽度Eg随温度T增加近似线性地减小，如左下图所示。因此半导体的本征吸收侧波长λg（λg=ch/Eg，式中c为光速，h为普朗克常数）随温度增加而向长波长方向移动。半导体的光透射特性如右下图所示，图中T1<T2<T3，λg为吸收边沿波长。边沿线左边的光能被半导体吸收，右边的光能被透过。因此，半导体的光谱特性可分为三个区域：短波部分，入射光全部被吸收，透射为零；长波部分，吸收为零，入射光全部透过；中间部分，吸收的边沿随温度升高而向长波方向移动。半导体的禁带宽度半导体的光投射特性曲线

选择光源发出的光谱峰落在吸收的边沿上，即等于λg。则当温度升高时，透过半导体的辐射功率（两条曲线下面的面积）将明显减少。

下图所示为半导体光纤温度计测温探头结构图。在输入光纤和输出光纤两端面间夹一片厚度约零点几毫米的半导体光吸收片，并用不锈钢套管加以固定，使半导体与光纤成为一体。12.3.3利用半导体吸收的光纤温度传感器半导体光纤温度计测温探头结构如果对测量准确度要求不高时，半导体光纤温度计可以由上述测温探头、一个光源、一个探测器和一个对数放大器组成，其特点是结构简单、制造容易、成本低，便于推广。如果增加一个参考光源，其辐射功率与温度无关，而与耦合效率和光纤衰减等于扰因素有关，就构成了双波长半导体光纤温度计。它是利用接收端参考光辐射功率与信号光辐射功率之比来确定温度，这样可将两者受到的干扰因素的影响相互抵消，提高了测量的准确性。12.3.3利用半导体吸收的光纤温度传感器一个实用的双波长半导体光纤温度计如下图所示，它由半导体测温探头、两个光源、一个光探测器和信号处理控制电路组成。光源是采用两只不同波长的发光二极管：一只是AlGaAs发光二极管，波长为λ1≈0.88μm；另一只是InGaPAs发光二极管，波长为λ2≈1.27μm。它们由脉冲发生器激励而发出两束脉冲光，并通过一个光耦合器一起射入光纤中。两个光脉冲进入探头后，半导体吸收元件对波长为λ1的光进行吸收，吸收率随温度而变化，而对波长为λ2的光不吸收，即几乎是全部透过，故取λ1光作为测量信号，而取λ2光作为参考信号。光脉冲信号从探头出来后通过输出光纤传送到光探测器上，然后进入采样放大转换电路，最后由除法器以参考光为标准对与温度相关的测量信号进行归一化。采样放大转换电路和除法器合称为信号处理电路。显然除法器的输出只取决于半导体透射特性曲线边沿的位移，即与温度有关。该温度汁的测温范围是-30～300℃，准确度可达l℃。12.3.3利用半导体吸收的光纤温度传感器12.3.3利用半导体吸收的光纤温度传感器双波长半导体光线温度计原理框图12.3.4频率调制光纤传感器

利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率变化来测量物理量的光纤传感器，称为频率调制型光纤传感器。基于光学多普勒效应实现频率调制的激光多普勒光纤测速传感器和光纤多普勒血流速度传感器，就是典型的频率调制型光纤传感器。12.3.4频率调制光纤传感器当光源和观察者（光接收器）有相对运动时，观察者所接收到的光波频率不同于光源的频率，两者相接近时，接收到的频率增大，反之，则减小，这种现象称为光的多普勒效应。由于多普勒效应而引起的频率变化数值称为多普勒频移。如下图所示，一束频率为f0的光从静止光源入射到相对于光源运动速度为v的运动物体上，根据多普勒效应，则从运动物体反射的光频率为：光学多普勒效应12.3.4频率调制光纤传感器由于光速c>>v，所以简化为：

同样根据多普勒效应，静止探测器接受到的运动物体散射光频率为：

由上面几个式子得：

频率移动为：

利用多普勒效应可以进行速度、流速、流量等测量例如，光纤式血液流速测量，激光多普勒超低速（1cm/h）、超音速测量等。12.3.4频率调制光纤传感器下图所示为光纤多普勒血流速度传感器示意图。激光器产生频率为f0的光经分束器分成两束。其中被声光调制器（布拉格盒）调制成（f0-f1）的一束光射入探测器中；另一束频率f0为的光经光纤入射到血液中。由于血液里的红血球以速度v运动，根据光学多普勒效应，其反射光的频率为fs(fs=f0±Δf)。它与（f0-f1）的光在光电探测器中混频后形成（f1±Δf)的振荡信号，经频谱分析仪处理，可测量出Δf，带入散射光频率公式中，即可得到血流速度v。信号光频率fs可能大于f0，也可能小于f0，取决于血流运动的方向。采用耦合器、光纤偏振控制器、光纤声光频移器等功能型光纤元件，构建了功能型全光纤激光多普勒测速仪，如下图所示。12.3.4频率调制光纤传感器光纤多普勒血液流动速度传感器原理多功能型全光纤激光多普勒测速仪

激光器发出的激光经耦合器平均入射到两单模光纤中，再经物镜出射汇聚到探测点，运动粒子经过探测点，产生散射光并被探测器接受，散射光中携带了粒子速度信息。为了保证两入射光在探测点相互干涉，用光纤偏振控制器保证两光束偏