第七章-光纤传感器

第7章

光纤式传感器光(导)纤(维)是20世纪70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越来越突出，它为人类21世纪的通信基础——信息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，所以不仅在通信方面，在传感器等方面也获得了应用。第7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，由此便研制出光纤传感器。20世纪70年代初研制出第一根实用光纤后，20世纪80年代已发展了60多种不同的光纤传感器。目前，已研发出测量位移、速度、加速度、压力、温度、流量、电场、磁场等各种物理量的数百种光纤传感器。第7章

光纤式传感器

光纤传感器的优点如下(1)具有很高的灵敏度。(2)频带宽、动态范围大。(3)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传感器，这些物理量包括声场、磁场、压力、温度、加速度、转动(陀螺)、位移、液位、流量、电流、辐射等。第7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、腐蚀等各种恶劣环境。(7)结构简单、体积小、重量轻、耗能少。第7章

光纤式传感器7.1

光纤传感器的组成及分类7.2

光调制方式7.3

光纤式传感器应用举例7.1

光纤传感器的组成及分类7.1.1

光纤传感器的基本组成7.1.2

光纤传感器的分类7.1.1

光纤传感器的基本组成

光纤传感器主要包括光导纤维、光源、光探测器三个重要部件。

①光源

分为相干光源(各种激光器)和非相干光源(白炽光、发光二极管)。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、稳定性好、噪声小、寿命长、安装方便等。7.1.1

光纤传感器的基本组成

②光探测器

包括光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管、光电池等。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、带宽等参数将直接影响传感器的总体性能。7.1.2

光纤传感器的分类

光纤传感器一般可分为功能型和非功能型两大类。1.功能型光纤传感器

功能型光纤传感器又称传感型光纤传感器，主要使用单模光纤，基本结构原理如图所示。光纤在这类传感器中不仅是传光元件，而且利用光纤本身的某些特性来感知外界因素的变化，所以它又是敏感元件。

在功能型光纤传感器中，由于光纤本身是敏感元件，因此改变几何尺寸和材料性质可以改善灵敏度。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，往往需要用特种光纤作探头，使得制造比较困难。

2.非功能型光纤传感器

非功能型光纤传感器又称传光型光纤传感器。它是利用在两根光纤中间或光纤端面放置敏感元件，来感受被测量的变化，光纤仅起传光作用，如图所示。

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和传输光的功率，这类传感器使用的光纤主要是数值孔径和芯径较大的阶跃型多模光纤。

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射、散射的光信号传播到光电元件。这种光纤传感器也称为探针型光纤传感器，使用单模光纤或多模光纤。典型的例子有光纤激光多普勒速度传感器和光纤辐射温度传感器等。第7章

光纤式传感器7.1

光纤传感器的组成及分类7.2

光调制方式7.3

光纤式传感器应用举例√7.2

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检测，从而得出相应的被测量。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。这个过程称为光波的调制，简称光调制。

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：强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等。而且，同一种光调制方式可以实现多种物理量的检测，同一物理量也可利用多种光调制方式来实现测量。7.2

光调制方式7.2.1

强度调制7.2.2

波长调制7.2.3

偏振调制7.2.4

相位调制及干涉测量7.2.5

频率调制7.2.1

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度，再通过测量光强的变化检测出被测量的方法，称为强度调制，如图所示。Is为外力场强。

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、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，光纤的连接器和耦合器均已商品化。光源可采用LED和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。7.2.1

强度调制

1.微弯损耗光强调制

根据模态理论，当光纤受力微弯时，一部分纤芯模式能量会转化为包层模式能量，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。

当把多模光纤夹在一个空间周期为L的梳状结构变形器中时，只要适当选择空间周期L和光纤传输模式间的传输常数差，使其相匹配，则变形器位移产生的光纤微弯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，形成模辐射。

模态理论表明，当纤芯传输模b1和包层传输模b2的传输常数之差为时，纤芯传输模与包层传输模之间的耦合最强。在梯度光纤中在阶跃光纤中n(0)、n(r)为距离光纤轴为0和r处的折射率；r为纤芯半径。上面两式中

2.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，一根为出射光纤，光纤间距约2～3mm。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，出射光强随之发生变化。

3.利用折射率的变化进行光强调制

当某些物理量(如温度或压力等)作用于光纤时，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，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。

4.利用光纤的吸收特性进行光强调制

X射线、g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。7.2.2

波长调制

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，称为波长调制。波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长调制。7.2.3

偏振调制

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(即偏振面的旋转)来测量被测量的方法，称为偏振调制。在光纤传感器中，偏振调制主要基于人为旋光现象和人为双折射现象，如法拉第磁光效应、克尔电光效应和光弹效应等。

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。线偏振光电场矢量方向与传播方向组成的面称为线偏振光的振动面。若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，称为圆偏振光；如果矢量轨迹为一个椭圆，称为椭圆偏振光。

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方向占优势，称为部分偏振光。若外界作用使自然光的振动方向只有一个，称为起偏。利用光波的偏振性质，可以制成偏振调制传感器。注意，关于光的振动方向通常是指电场矢量的方向。

1.法拉第磁光效应

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q与光在物质中通过的距离L及磁场强度H成正比，即式中，Vd为物质的费尔德常数。

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I，在高压输电线上绕有N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下，偏振面旋转的角度为q。利用q＝VdLH可得

光纤材料的Vd非常小(0～0.0161/A)，用此法测量的电流值可达几十到几十万安。

2.克尔电光效应

在与入射光垂直的方向上加高电压，各向同性体便可呈现双折射现象，这种现象即为克尔电光效应。一束入射光变成两束出射光，两束出射光的相位差为式中，K为克尔常数。L为光程，d为电极间距。

3.光弹效应

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，这种现象称为光弹效应。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。偏振调制的解调原理渥拉斯顿棱镜解调原理解偏过程：如图为偏振光分束器，方解石组成。两棱镜光轴垂直，光线垂直入射到No.1，光束不分开，但o光1和e光1速度不同。到达No.2时，光轴垂直，o光1和e光1的角色互换，o光2对应的折射率从n0到ne，e光2对应的折射率从ne到n0，ne<n0，所以两光束分开。偏振角为θ。光束传播示意图eooe45o偏振角与光分量的关系：偏振角θ与光源强度和通道能量衰减无关，只与两分光束的光强有关系。由偏振角θ值可推知需要传感的物理量两光分量对应的振幅分别为：7.2.4

相位调制及干涉测量

1.相位调制

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，以灵敏度高著称。例如，若信号监测系统可以检测1mrad的相移，则每米光纤的检测灵敏度对温度为10－8℃、对压力为10－7Pa、对应变为10－7(即0.1me)，动态范围可达1010。理论表明，当真空中波长为l0的光入射到长度为L的光纤时，若以其入射端面为基准，则出射光的相位为式中，K0为光在真空中的传播常数，n为折射率。由此，纤芯折射率n变化和光纤长度L变化导致的光相位变化为

当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时，由于应力应变效应，光纤的长度(应变效应)、光纤的直径(泊松效应)、纤芯折射率(光弹性效应)都将变化，这些变化将导致光纤中光波相位的变化。若将光纤放在变化的温度场中，由于温度应变效应，引起光纤的折射率和几何长度的变化也会引起相位变化。干涉测量

目前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，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，这就是干涉测量的原理。光纤干涉仪的一般系统结构如图所示。L—激光器；P1—分束器；P2—耦合器；D—检测器(1)迈克尔逊干涉仪

基本原理如左图所示。激光波长为632.8nm时，可检测平面镜6.3×10－14m的位移。下图为实际应用。(2)马赫—曾特尔干涉仪

结构如右图所示。与迈克尔逊干涉仪相比，优点是只有少量或者没有光直接返回激光器，避免了反馈光使激光器不稳定和产生噪声。下图为实际应用。(3)萨格奈克干涉仪

结构如右图所示。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，则出现差别。下图为实际应用。可以求得顺、反时针两光束之间的光程差为式中，A为光路系统围成的面积，c为光速，w为光路系统旋转的角速度。

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纤陀螺的设计基础。

(4)法布里—珀罗干涉仪

原理如右图所示。两平行平面镜的反射率通常非常大，一般大于或等于95%。下图为实际应用。

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都按系数R2递减，这里R是反射系数。设相邻两出射光束间的相位差为q，可得

当q＝0,2p,4p,…时，干涉光强有最大值。当q＝p,3p,5p,…时干涉光强有最小值。注意到反射率越大，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。7.2.5

频率调制

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，这种方法称为频率调制。这里光纤本身只作为传光元件，而频率调制多是利用光学多普勒效应来实现的。

如图所示，S为单色光源，P为运动物体，Q是观察者所处的位置。设物体P的运动速度为u，运动方向与PS和PQ的夹角分别为q1和q2。根据多普勒效应，对于从光源S发出的频率为f的光，在P点观察到的频率f1可表示为SPQuq1q2第7章

光纤式传感器7.1

光纤传感器的组成及分类7.2

光调制方式7.3

光纤式传感器应用举例√√7.3

光纤式传感器应用举例7.3.1

光纤位移传感器7.3.2

光纤温度传感器7.3.3

光纤流速传感器7.3.4

光纤压力传感器7.3.5

光纤磁传感器7.3.6

医用光纤传感器7.3

光纤式传感器应用举例7.3.7

工业用内窥镜7.3.8

光纤加速度传感器7.3.9

光纤光栅传感器7.3.10

光纤层析成像分析技术及应用7.3.11

光纤纳米生物传感器7.3.12

分布式光纤传感器7.3.13

光纤传感领域的发展7.3.2

光纤位移传感器

1.反射强度调制型位移传感器

通过改变反射面与光纤端面之间的距离来调制反射光的强度。Y形光纤束由几百根至几千根直径为几十mm的阶跃型多模光纤集束而成。它被分成纤维数目大致相等，长度相同的两束。

发送光纤束和接收光纤束在汇集处端面的分布有多种，如随机分布、对半分布、同轴分布(分为接收光纤在外层和接收光纤在内层两类)，如图所示。典型位移－输出曲线如图所示。在输出曲线的前坡区I,输出信号强度增加得很快,这一区域可以用于微米级的位移测量。在后坡区II,信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比,可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。反射式光纤位移传感器的原理如右图。1、探头紧贴被测件时，无光接收没有电信号。2、被测表面逐渐远离探头时，有一个线性增长的输出信号。有一最大输出值—“光峰点”。3、继续远离时，输出信号越来越弱，与距离平方成反比。反射光强与位移的关系如图所示。可以看出，随机分布时传感器的灵敏度和线性都较好。还可以看出，AB段的灵敏度和线性好，但测量范围小，CD段的斜率小即灵敏度低，但线性范围宽。1—随机分布；2—对半分布；3—同轴分布；4—同轴分布AMBCDM

假设传感器工作在AB段，偏置工作点在M，被测物体的反射面与光纤端面之间的初始距离是M点所对应的距离XM。由曲线可知，随位移增加光强增加，反之则光强减少，故由此可确定位移方向。光纤位移传感器一般用来测量小位移。最小能检测零点几mm的位移量。这种传感器已在镀层不平度、零件椭圆度、锥度、偏斜度等测量中得到应用，它还可以用来测量微弱振动，而且是非接触测量。内调制式位移传感器

利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式光纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移，从而使光纤发生微弯变形，改变模式耦合，纤芯中的光部分透人包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的强度也不同、从而实现了光强度的调制。由于光强与位移之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤位移传感器.理论和实验都已证明，使光纤沿轴向产生周期性微弯时，传播常数为和的模之间就会产生光功率的耦合。波纹板周期的长度Λ与传播常数间满足下式：He—Ne激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤的一端。此光纤没有涂覆层，数值孔径等于0.22。在变形器前5cm长的光纤上涂上黑色涂料，以便消除包层模中的光。变形器由两块有机玻璃波纹板组成，每块波纹板共有5个波纹，每个波纹的长度为3mm。变形器的一块波纹板可通过千分表用手动调节的方法使它相对另一块产生位移。另一块板可用压电式变换器产生动态位移。2光纤液面位移传感器光纤液面位移传感器可用于易燃、易爆场合，但不能检测污浊液体及会粘附在测头表面的粘稠性物质。光纤液位传感器类型结构特点：光纤测头端有一个圆锥体反射器。当测头置于空气中没接触液面时，光线在圆锥体内发生全内反射而回到光电二极管。当测头接触液面时，由于液体折射率与空气不同，全内反射被破坏，有部分光线透入液体内，使返回到光电二极管的光强变弱；返回光强是液体折射率的线性函数。返回光强发生突变时，表明测头已接触到液位。光电接收器的要求不高。由于同种溶液在不同浓度时的折射率不同，经标定，这种液位传感器也可作浓度计。7.3.2

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；在非相干型中有辐射温度计、半导体吸收式温度计、荧光温度计等。

1.半导体吸收式温度传感器

半导体材料的光吸收和温度有关。半导体材料的吸收端波长lg(T)随温度增加而向较长波长方向位移。光纤环氧胶半导体反射膜一种光纤温度单端式探头

若能适当选择发光二极管，使其光谱范围正好落在吸收边的区域，即可做成透射式光纤温度传感器。透过半导体的光强随温度升高而减少。

图示为双光纤参考基准通道法半导体吸收式光纤温度传感器的结构框图。

光源为GaAlAs发光二极管，测温介质为测量光纤上的半导体材料CdTe。参考光纤上面没有敏感材料。采用除法器消除外界干扰，提高测量精度。测温范围在40℃～120℃之间，精度为±1℃。2热色效应光纤温度传感器2.干涉型光纤温度传感器

温度变化能引起光纤中传输的光的相位变化，利用光纤干涉仪检测相位变化即可测得温度。图示是利用马赫—曾特尔干涉仪测温的原理图。光通过信号臂产生的相位变化为式中，L为感受温度变化的光纤段的长度。7.3.3

光纤流速传感器光纤多普勒血流传感器

利用多普勒效应可构成光纤速度传感器。由于光纤很细(外径约几十mm)，能装在注射器针头内，插入血管中。

图示为光纤多普勒血流传感器的原理图。测量光束通过光纤探针进到被测血流中，经直径约7mm的红血球散射，一部分光按原路返回，得到多普勒频移信号f＋Df。

另一束进入驱动频率为f1＝40MHz的布喇格盒(频移器)，得到频率为f－f1的参考光信号。f1+Dff-f1

将参考光信号与多普勒频移信号进行混频，就得到要探测的信号。这种方法称为光学外差法。f+Df

经光电二极管将混频信号变换成光电流送入频谱分析仪，得出对应于血流速度的多普勒频移谱(速度谱)，如右图所示。f1+Dff-f1f+Df

典型的光纤血流传感器可在0～1000cm/s速度范围内使用，空间分辨率为100mm，时间分辨率为8ms。光纤血流传感器的缺点是光纤插入血管中会干扰血液流动，另外背向散射光非常微弱，在设计信号检测电路时必须考虑。7.3.4

光纤压力传感器DSFF变形器光纤A1微弯光纤压力传感器光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中.θ1θn0n2n1θ2θ3光纤微弯增大，散射掉的光随之增加，纤芯输出光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移等物理量。线偏振光光源起偏器λ/4波片Pyrex玻璃检偏器p圆偏振光椭圆偏振光p光纤G-lens起偏器波片晶体检偏器2光弹式光纤压力传感器3快门式4动栅式光栅常数越小，灵敏度越高。7.3.5

光纤磁传感器

按工作原理可分为：①根据法拉第磁光效应直接实现磁光转换，②根据磁致伸缩效应，利用力或其他物理量间接实现磁光转换。

偏振光经保偏光纤、自聚焦透镜进入法拉第磁光盒，经多次反射后进入渥拉斯登棱镜，把偏振光变成振动方向相互垂直的两束光。渥拉斯登棱镜

1.利用法拉第磁光效应的光纤传感器

设无磁场时出射光的偏振轴与棱镜的偏振轴夹角为45，这样D1和D2光电管接收的光强为式中，q为偏振面的旋转角度；I0为入射光强；I1、I2为两偏振光的强度。

采用图中的“加”、“减”和“除”法运算后，其输出通过测量P就能确定q偏振调制型光纤电流传感器，其基本原理是前述介绍的法拉第效应（磁光效应）。如果这个磁场是由长直载流导线产生的，根据安培环路定律：偏振调制型光纤电流传感器式中：I-载流导线中的电流强度；R-光纤缠绕半径。根据法拉第旋光效应，引起光纤中线偏振光的偏转角为：由检测及信号处理后得输出信号为：V为费尔德常数；l为受磁场作用光纤长度，N为光纤圈数。

测量范围：0-1000A

2.利用磁致伸缩效应的光纤传感器

在磁场作用下，磁性物体的尺寸会发生改变，这种现象即为磁致伸缩效应。光纤磁致伸缩效应传感器是在光纤上涂覆磁致伸缩性能良好的材料薄膜，或者将光纤紧绕在磁致伸缩材料芯棒上。在外磁场作用下，由于磁致伸缩效应，纤芯长度变化及纤芯折射率变化，都会导致光程的相应变化。

图示为结构原理图。其灵敏度与磁性体磁致伸缩效应的强弱、膜厚度和膜长度有关，主要取决于材料的磁致伸缩常数。7.3.6

医用光纤传感器

在医用领域，用来测量人体和生物体内部医学参量的光纤传感器越来越引起有关方面的关注和兴趣。医用光纤传感器体积小、电绝缘和抗电磁性能好，特别适于身体的内部检测。可以用来测量体温、体压、血流量、pH值等医学参量。光纤多普勒血流传感器已用于薄壁血管、小直径血管、蛙的蛛网状组织，老鼠的视网膜皮层的血流测量等。

1.医用内窥镜

由于光纤柔软、自由度大、传输图像失真小，引入医用内窥镜后，可以方便的检查人体的许多部位。上图为腹腔镜的剖视图。图像导管直径约3.4mm。下图为观察部位的照片。

2.光纤体压计

可用来检测人体各部位的体压，如膀胱、直肠、颅内和心血管等，测量范围通常为0～40kPa。

图所为一种医用体压计探针的结构示意图，在探针端部的开孔上安装有对压力敏感的防水薄膜。膜片通过悬臂梁与反射镜相连。

p防水薄膜7.3.7

工业用内窥镜在工业生产的某些过程中，经常需要检查某些系统内部结构状况，而这些系统由于种种原因不能打开或靠近观察，采用光纤图像传感器可解决这一难题。7.3.8

光纤加速度传感器光纤加速度传感器如图所示。7.3.9

光纤光栅传感器

1978年首次观察到掺锗光纤中因光诱导产生的光栅效应，其后又发展了紫外光侧面写入光敏光纤光栅技术。所谓光纤的光敏性是指掺杂光纤中通过激光时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化。如用激光干涉条纹侧面辐照掺锗光纤，就会使其成为光纤光栅，并且在500℃以下稳定不变，用500℃以上的高温可擦除。这种光栅制作简单，在光纤通信和光纤传感中都有相当重要的应用。

光纤光栅是利用光纤的光敏性(也称为光致折射率变化效应)制成的。光纤光栅实质上是一种波长选择反射器，它的反射信号的波长会受施于其上的温度和应变的影响而发生变化。利用光纤光栅的温度和应变两种效应，可以检测许多物理量，在传感技术中应用前景十分广阔。光纤光栅工作原理λ1λ2…λn芯层包层Λ包层折射率n2芯层折射率n1感光折射率nλ1λ2…λn芯层包层+1级-1级紫外掩模写入法相位掩模板由于周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响。因此，如果宽带光波在光栅中传播时，入射光能在相应的频率上被反射回来，其余的透射光谱则不受影响，光纤光栅就起到反射镜的作用。这类调谐波长反射现象首先是由威廉•布喇格爵士给出解释的，因而这种光纤光栅被称为布喇格光纤光栅，其反射条件被称为布喇格条件。光纤布喇格光栅传感原理光纤光栅的栅距可通过改变写入光栅的两相干紫外光束的相对角度得到调整，从而可以制作出不同反射波长的Bragg光栅。7.3.10

光纤层析成像分析技术及应用

光纤层析成像分析技术源于X射线层析成像分析(CT)，其基本原理是，当光线经过被测样品时，不同的样品材料的吸收特性不同，因此对经过样品的光线进行测量、分析，并根据预定的拓扑结构和设计进行解算就可得到所需要的样品参数。根据不同的原理和应用场合，可分为光相干层析成像分析技术(OCT)和光过程层析成像分析技术(OPT)。

光相干层析成像分析技术(OCT)的基本原理如图所示，一个光脉冲在样品的不同深度处反射回来的时间是不同的，通过测量光脉冲从样品中反射回来的时间延时，可得到样品深度方向的结构图像。

若想反映mm量级的深度差别，则时间延迟要短至10－15s，电子设备难以直接测量，故利用迈克尔逊干涉仪进行测量。

光纤相干层析成像技术(OCT)主要应用于生物、医学、化学分析等领域，如视网膜扫描、胃肠内视和用于实现彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。OCT为生物细胞和机体的活性检测提供了一种有效的方式，已有实例应用于对生长中的细胞进行观察和监测。

图示为清华大学建立的我国第一台OCT装置得到的葱表皮的光学相干CT图象。该图像实际尺寸为10mm×4mm，图中横向分辨率约为20mm，纵向分辨率约为25mm。图中表皮层、导管和筛管的细胞结构，不需做切片便可看清。

图示为兔子眼球的OCT图像，其中角膜、晶状体、睫状体等结构都十分清晰。

OPT则面向工业工程——油井、管线等场所，高精度地解决流体的过程测量问题。由于OPT具有适用于狭小的或不规则的空间、安全性高、测量区域不受电磁干扰以及可组成测量网络的多项长处，为工业过程的安全测量提供了一种优良的手段。7.3.11

光纤纳米生物传感器

目前最新的生物检测技术多采用纳米传感器。其中一类是运用纳米纤维技术的光学生物传感器。纳米尺度的光纤尖端的制作是光纤纳米传感器的基础，左图为熔接—熔拉腐蚀法实验结果。右图为纳米光纤用于细胞检测。光纤传感器的分类根据光纤在传感器中的作用可分为功能型、非功能型三大类根据光受被测对象的调制形式可分为：强度调制型、相位调制型、偏振调制型、频率调制型四大类根据光是否发生干涉可分为干涉型和非干涉型根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量可分为分布式和点式7.3.12

分布式光纤传感器

分布式传感器是指能同时测量空间多个点甚至空间连续分布的环境参数的传感器。

利用光纤本身特征的功能型光纤可构成性能优良的分布式光纤传感器，特别适于需要同时监测在光纤通过的路途上大量位置处连续变化的物理量，如建筑物、桥梁、水坝、储油罐等大型结构中应力的检测，石油钻井平台、飞机、航天器、电力变压器、发电机组、反应堆等场合应力和温度分布的实时监测等。根据不同的原理，可构成不同的分布式光纤传感器，如相位调制型传感器和散射型传感器。分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力，其基本特征为：

①分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤；

②一次测量就可获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况；

③系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值；

④系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系；

⑤检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比；

⑥由于在检测过程中需要进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间。典型的分布式光纤传感器相位调制型传感器Mach-Zehnder干涉式传感器Sagnac干涉式传感器散射型传感器瑞利散射型光纤传感器布里渊散射型光纤传感器拉曼散射型光纤传感器相位调制型光纤传感器相位调制

当光纤受到机械应力作用或环境温度变化时，光纤的长度、芯径、纤芯折射率将发生变化，这些变化将导致光波的相位变化.由于相位变化很难直接检测，所以实际中通常使光发生干涉，将相位的变化转变为光强的变化进行检测，之后再解调获得相位变化(1)M-Z干涉型光纤传感器用作分布式振动传感随机干扰干涉臂相位的随机变化干涉仪输出功率的随机变化以M-Z干涉仪作为周界监控系统时，入侵事件出现将导致接收信号功率的变化M-Z干涉型光纤传感器的信号处理通过顺时针和逆时针传输的相位受干扰光信号到达A点和B点的时延差可计算出产生干扰的位置。A点和B点分别对应M-Z干涉仪两个耦合器的位置。P点是干扰发生的位置使用时使干涉仪两臂中同时存在顺时针和逆时针传输的光信号处理的目标——对干扰事件进行定位（适用于周界监控及管道监控等应用）耦合器C2和C3构成M-Z干涉仪在计算机中对PD1和PD2接收到的光信号进行互相关计算，就可以获得干扰出现的时延差，继而实现干扰定位利用M-Z干涉仪进行分布式传感的系统结构图121(2)光纤SAGNAC干涉型分布式传感器激光器发出的光经耦合器分为两束分别耦合进由同一光纤构成的光纤环中，沿相反方向传输，并于耦合器处发生干涉。当传感光纤受到外界干扰时，正反向两光束会产生不同的相移，并于耦合器处发生干涉，干涉信号的光强与干扰发生位置具有一定关系。R1R2

Sagnac干涉仪的另一个典型应用是光纤陀螺，即当环形光路有转动时，顺逆时针的光会有非互易性的光程差，可用于转动传感122光纤中光散射瑞利散射布里渊散射拉曼散射

散射型光纤传感器Part瑞利散射LordJohnWilliamRayleigh，英国物理学家，

在声学、波的理论、光学、光的散射、电力学、电磁学、水力学、液体流动理论方面都做出了不可磨灭的贡献，1904年，他因发现了惰性元素氩（Ar）而荣获了该年度的诺贝尔物理学奖。瑞利(1842-1919)瑞利散射：尺度远小于入射光波长的粒子所产生的散射现象，是光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的。该散射的散射光波长等于入射光波长,无频率变化（无能量变化，波长相同），是一种弹性光散射。光纤中的瑞利散射：是一种基本损耗机制，是由于在制造过程中光纤密度的随机涨落引起折射率的局部起伏，使得光向各个方向散射。图1光纤中光散射示意图瑞利散射的物理机制光脉冲在光纤中传播时，由于瑞利散射而发生能量损耗，通过检测后向散射光的强度，就可获得衰减程度沿光纤的分布状况，这是一种最简单的分布式传感器，也是光纤通信中查找光缆故障和缺陷定位的一种诊断技术。

在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射(OTDR)结构来实现被测量的空间定位。依据瑞利散射光在光纤中受到的调制作用，该传感技术可分为强度调制型和偏振态调制型。

OTDR原理如图所示。根据后向散射功率的对数斜率ai是否变化，可知道光纤内是否存在故障点。观测后向散射脉冲的到达时间t，便可测得故障点的位置z。

式中，c为真空中光速；n为纤芯折射率。

OTDR的空间分辨率，即可分辨的两个故障点的最小距离，是由脉冲宽度t决定的，可表示为

一般情况下，OTDR反射信号很弱，要获得高信噪比，常常需要对多个探测脉冲求平均。

利用适当的光纤结构，使损耗系数ai与环境的某个物理量有关，则可对其进行分布式测量。例如：①外界压力或变形使光纤产生的微弯损耗；②在光纤中掺杂稀土离子后，衰减与环境温度有关；③利用保偏光纤，当环境使光纤产生应力，将导致光信号的偏振状态发生变化；④利用克尔效应或法拉第磁光效应，通过监测偏振状态来测量电场和磁场的分布。布里渊散射路易.马赛尔.布里渊(MarcelBrillouin，1854-1948)，法国物理学家和数学家，布里渊散射是布里渊于1922年提出，可以研究气体，液体和固体中的声学振动。布里渊(1854-1948)布里渊散射：布里渊散射的本质是入射光与声学声子相互作用的非弹性散射。分为自发布里渊散射和受激布里渊散射。多普勒效应使散射光频率不同于入射光。自发布里渊散射：在常温状态下光纤中的原子、分子或离子因自发热运动作连续弹性力学振动，形成了光纤中的自发声波场。沿光纤方向的声振动使得光纤的密度随时间和空间周期性变化，从而使得光纤上的折射率被周期调制。这种自发声波被看作是沿光纤运动着的光栅。当泵浦光射入光纤中时，将会受到“光栅”的“衍射”作用，产生自发布里渊散射光。向前向后都有散射(应用于BOTDR)受激布里渊散射：当进入光纤的入射光泵浦功率超过某一阈值时，光纤内产生的电致伸缩效应，使得沿光纤产生周期性形变或弹性振动，即光纤中产生了相干声波，该声波沿其传播方向使光纤折射率被周期性调制，从而形成了一个以该声速运动的折射率光栅，使入射光产生散射，散射光频率下移，当满足波场相位匹配时，声波场得到极大增强，从而使光纤内的电致伸缩声波场和相应的散射光波场的增强大于它们各自的损耗，将出现声波场和散射光场的相干放大，从而导致大部分传输光功率被转化为后向散射光，产生受激布里渊散射(SBS)过程。

只有向后散射（应用于BOTDA）BOTDR——传感原理布里渊散射光频移会随着温度和光纤应变的上升而线性增加：fB=fB0+fTT(℃)+fεε(με)

布里渊散射光功率会随温度的上升而线性增加,随应变增加而线性下降：通过测量布里渊散射光频移和光功率，就可以求得被测量点的温度和应力的大小。

134BOTDR与BOTDA(BRILLOUINOPTICALTIMEDOMAINANALYSIS)BOTDR系统从一端输入泵浦脉冲，在同一端检测返回信号的中心波长和功率。使用方便，但自发布里渊散射信号很微弱，检测困难。在BOTDA中，处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光（泵浦光）与一连续光（探测光）注入传感光纤。利用受激布里渊散射效应，散射光强度更强135拉曼散射拉曼散射（Ramanscattering），光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。又称拉曼效应。1923年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。1928年，印度物理学家C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象,因光散射方面的研究工作和喇曼效应的发现，获得了1930年度的诺