第六章光纤传感检测技术

光电传感与检测技术

第六章光纤传感检测技术一光纤传感器的基础

1光纤的发展与动态2光纤传感器的发展与动态3光纤波导原理4光纤的种类5光纤的特性6光纤传感器分类二光纤的光波调制技术

1强度调制与解调2偏振调制与解调

3相位调制与解调4频率调制与解调

5波长调制

三光纤传感器实例

1光纤位移传感器2光纤温度传感器3光纤角速度传感器

4光纤压力传感器5光纤电流传感器

四分布式光纤传感器

1概述（定义和特点）2分类3主要技术第六章光纤传感检测技术主要内容：光纤传感器FOS(FiberOpticalSensor)是20世纪70年代发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质或作为感受被测量的敏感器。一光纤传感器的基础▲其实质是通过光调制器，将一个携带着待测信息（被测对象）的信号叠加到载波光波上，经光纤传输后由光探测系统解调、经信号处理系统处理后检测出所需要的待测信号。▲而光调制器能使光纤的传输参数或载波光波参数随待测信号的变化而改变。这些参数包括：光纤的折射率、光波的强度（振幅）、位相、频率、偏振以及波长等。

主要优点：◆灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可挠性强、可实现不带电的全光型探头。◆频带宽、动态范围大。◆可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器。◆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。◆可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境。◆结构简单、体积小、重量轻、耗能少。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量。1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/Km●1980年光通讯产业形成各种装饰性的光导纤维发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。上海东方明珠2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

3光纤导光的原理一次涂覆层纤芯

包层套层一次涂覆层包层纤芯套层多层介质结构：①

纤芯：石英玻璃，直径5-75um，材料以SiO2为主，掺杂微量元素，掺杂的作用是提高材料折射率。②

包层：直径100-200um，折射率略低于纤芯。③

涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。④

套层：尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。纤芯包层涂敷层尼龙外层12×12光纤阵列聚乙烯外壳聚烯烃双绞线纸聚乙烯内壳光纤带抗应变的钢索光缆的结构光纤

的结构（1）斯乃尔定理（Snell'sLaw）当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θr＞θi

。n1、n2、θr、θi之间的数学关系为：

n1sinθi=n2sinθr

可见，入射角θi增大时，折射角θr也随之增大，且始终θr＞θi。n1n2θrθi光的折射示意图当θr

=

90º时，θi

仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播如图，称为临界状态。这时有n1n2θrθi临界状态示意图

n1n2θrθi光全反射示意图sinθr＝sin90º＝1

sinθi0=n2/n1

θi0

=

arcsin(n2/n1)式中：θi0——临界角。当θi＞θi0并继续增大时，θr＞90º，这时便发生全反射现象，如图，其出射光不再折射而全部反射回来。光的全反射实验（2）光纤导光原理及数值孔径NA入射光线AB与纤维轴线OO相交角为θi，入射后折射(折射角为θj)至纤芯与包层界面C点，与C点界面法线DE成θk角，并由界面折射至包层，CK与DE夹角为θr。则θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1n0sinθi=n1sinθjn1sinθk=n2sinθr

sinθi=(n1/n0)sinθj

sinθk=(n2/n1)sinθr

因θj=90º－θk

所以光纤导光示意图n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般为空气，故n０≈1，nl为纤芯折射率，n2为包层折射率。当n０=1时当θr=90º的临界状态时，θi=θi0，上式sinθi0为“数值孔径”NA(Numerical

Aperture)。θjθiθkθrABCDEFGKOON0n2n1当θr=90º时θi0=arcsinNA当θr>90º时，光线发生全反射，则θi<θi0=arcsinNA结论：arcsinNA是一临界角，凡入射角θi＞arcsin(NA)的光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反，只有入射角θi＜arcsin(NA)的光线才可进入光纤被全反射传播。θjθiθkθrABCDEFGKOON0n2n1当θr<90º时，sinθi>NA，θi>arcsinNA，纤芯内的光线消失。（3）光纤的主要参数由右图和折射定律可导出光线由折射率为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：

θjθiθkθrABCDEFGKOON0n2n1

式中NA——定义为“数值孔径”。它是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有2θc张角内的光，才能被光纤接收、传播(全反射)；NA愈大，光纤的集光能力愈强。产品光纤通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的NA=0.2～0.4。①②n1n2n2n2n1光纤的临界角对应光纤的入射角临界值为渐变光纤的导光原理示意图在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。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（1）、按材料性质：4光纤的种类高纯度石英玻璃光纤

耐温度较高，导光效率佳塑料光纤

损耗小，体积小，广泛应用于短距离传输，医疗器械，光纤传感，汽车，光纤照明等领域

多组分玻璃光纤

用更常规的玻璃制作，损耗很低高纯度石英玻璃光纤多组分玻璃光纤

塑料光纤4光纤的种类（2）、按折射率分布：阶跃折射率光纤渐变折射率光纤（3）、按光纤的传输模式：单模光纤多模光纤（4）、按用途分：通信光纤特殊光线：液芯光纤、红外光纤等（5）、按制作方法分：CVDMCVD美国Bell实验室和英国南安安普顿大学20世纪70年代首次提出5光纤的特性（1）损耗光纤纤芯材料和包层物质的吸收、散射、畸变，以及光纤弯曲处的辐射损耗等,它表示光强度相对衰减与光纤长度的关系。设光纤输入输出端的光功率分别为，光纤长度为L，则光纤损耗为（2）色散光纤的色散是输入光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。可分为以下几种：①材料色散：材料的折射率随波长的变化而变化，使得光信号中各波长分量的光的群速度不同而引起的②波导色散:由于波导结构不同，某一波导模式的传输常数随信号角频率变化而引起的色散有时也称为结构色散③多模色散：在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下传输常数不同、群速度不同而产生的色散，是阶跃型多模光纤中脉冲展宽的主要根源，可在梯度光纤中大大减少。单模光纤中起主要作用的是材料色散和波导色散!（3）光纤的模式是光波沿光纤传播的途径和方式。

（4）归一化频率归一化频率是光纤的最重要的结构参数，它能表征光纤中传播模式的数量。归一化频率的值可由纤芯半径r、光波长λ0

及其材料折射率n（或数值孔径NA）确定。①当<2.405时，就是单模光纤的条件，当＞2.405时，一定是多模光纤；②当纤芯与包层折射率越大，光纤中允许存在的模式越多，即光纤端面接收角越大，光纤中被激励的模式数越多。6光纤传感器分类（１）光纤传感器的结构原理

以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。见图(a)。光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。见图(b)。信号处理电源信号接收敏感元件（a）传统传感器导线光纤信号处理光接收器敏感元件光源（b）光纤传感器

可见，光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。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。光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即A——电场E的振幅矢量；ω——光波的振动频率；φ——光相位；t——光的传播时间。可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制、相位调制、波长调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。（２）光纤传感器的分类传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光纤传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非

干

涉

型

强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调制光纤温度传感器法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制光纤温度传感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、加速度气体浓度温度MMMMMMcbb注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a，b，c功能型、非功能型、拾光型Ａ按光纤在传感器中的作用光纤传感器分为功能型、非功能型两大类。

①

功能型（全光纤型）光纤传感器

FF（FunctionFibreOptilSensor）利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器传感型光纤传感器（功能型光纤传感器）（本征型）光敏器件入射光纤信号出射光纤原理：指利用外界因素改变光纤中光的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的。特点：传感合一，信息的获取和传输都在光纤之中。②非功能型（或称传光型）光纤传感器NFF（Non-FunctionFibreOptilSensor）光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其它物理性质的功能元件完成，光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。信号处理光受信器敏感元件光源光纤传光型光纤传感器：非功能型光纤传感器——NoneFunctionFilter—NFF（非本征型）

光敏器件

调制器入射光纤出射光纤信号原理：利用其它敏感元件测得特征量，由光纤进行数据传输。特点：是充分利用现有的传感器，便于推广应用。一光纤传感器的基础

1光纤的发展与动态2光纤传感器的发展与动态3光纤波导原理4光纤的种类5光纤的特性6光纤传感器分类二光纤的光波调制技术

1强度调制与解调2偏振调制与解调

3相位调制与解调4频率调制与解调

5波长调制与解调

三光纤传感器实例

1光纤位移传感器2光纤温度传感器3光纤角速度传感器

4光纤压力传感器5光纤电流传感器

四分布式光纤传感器

1概述（定义和特点）2分类3主要技术第六章光纤传感检测技术主要内容：Ｂ根据光受被测对象的调制形式形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制、波长调制等。▲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光载波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。⑴强度调制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。其基本结构主要由光源、调制区、光探测器三大部分组成。强度调制型光纤传感器的特点是：技术上比较容易实现，所采用光纤多为光通信用多模光纤，而相关的光纤接头和耦合器等部件，国内已有产品供应。强度调制分为：①非功能型光强调制②功能型光强调制①非功能型光强调制非功能型光强调制的基本原理是根据光束位移、遮挡、耦合及其它物理效应，通过一定的方式使进入接收光纤的光强随外界信号变化而改变。基本调制方式大致可分为5种类型：a光束切割型b遮光型光强调制c开关式光强调制d松耦合型e物理效应型a光束切割型光强调制光束切割型光纤位移传感器简图b遮光型光强调制移动光栅式光纤压力传感器c开关式光强调制

入射和出射光纤相对位置固定不动，外界物体运动使光强发生变化，外界物体如薄膜或管式压力计、热膨胀元件、液位等。DrPδ弹性薄膜入射光：被透镜准直成半径为r的平行光束；出射光强变化与挡板位移δ的关系：与（δ/r）成比例。

d松耦合型光强调制松耦合型光强调制原理示意图物理效应型光强调制主要是基于外调制技术，外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤本身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常用的调制器是反射器和遮光屏。e物理效应型光强调制反射式光强调制器的原理结构(a)和输出电压与位移的关系(b)物理效应型光强调制典型代表：半导体光吸收型光纤温度传感器②功能型光强调制功能型光强调制是指光纤本身作为传感元件，被测量通过改变传感光纤的外形、纤芯与包层折射率比、吸收特性及模耦合特性等方法对光纤传输的光波强度进行调制。a微弯损耗与光纤微弯型光强调制b变折射率型光强调制功能型光强调制a微弯损耗与光纤微弯光强调制微弯损耗强度调制器的原理如图。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。微弯损耗强度调制传感器原理图b变折射率型光强调制液体芯光纤传感器探头示意图液体光纤温度传感器结构示意图液体折射率随温度减小(2)偏振调制与解调光波是横波。光振动的电场矢量E和磁场矢量H与与光线传播方向s正交。按照光的振动矢量E、H在垂直于光线平面内矢端轨迹的不同，又可分为线偏振光（又称平面偏振光）、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光。利用光波的这种偏振性质可以制成光纤的偏振调制传感器。在许多光学系统中，尤其是包含有单模光纤的系统中，光波的偏振特性起着重要作用。理解光纤系统中的偏振现象是讨论光纤偏振元件和传感器的核心问题。许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态。光纤传感器中的偏振调制器普遍采用的物理效应有①旋光效应、②磁光效应、③普克尔效应、④克尔效应及⑤光弹效应。①

基于旋光效应的偏振调制

石英晶体的旋光性实验系统石英晶体波长为λ的光线经过石英晶体时，光矢量受到旋转，如图所示。按照菲涅耳的解释，进入石英晶体的线偏振光可以分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。设左、右旋圆偏振光在石英晶体中的折射率分别为nL、nR，则线偏振光穿过石英晶体后其光矢量的旋转角α为：

式中的d为光线穿过石英晶体的几何长度。光矢量的旋转角α与温度有关，究其原因，只能是石英晶体的折射率nL、nR受温度的调制。②

基于磁光效应的偏振调制在光学各向同性的透明介质上，外加磁场H，可以使穿过它的平面偏振光的偏振方向发生旋转，这种现象称为磁致旋光效应或法拉第效应。处于磁场中的光纤会使在光纤中传播的偏振光发生偏振面的旋转，其旋转角度θ与磁场强度H、磁场中光纤的长度L成正比：法拉第磁光效应

平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面发生偏转，这种现象称为法拉第磁光效应。P1+-旋光物质P2P1、P2偏振片S光源式中，I为导线中通过的电流。这种结构可以制成电流传感器。光纤电流传感器

根据法拉第旋光效应，由电流所形成的磁场会引起光纤中线偏振光的偏转，通过检测偏转角的大小，就可得到相应电流值。如上图所示，从激光器发生的激光经起偏器变成偏振光，再经显微镜（×10）聚焦耦合到单模光纤中。为了消除光纤中的包层模，可把光纤浸在折射率高于包层的油中，再将单模光纤以半径R绕在高压载流导线上。上图为一种全光纤结构的光纤电流传感器。其中单偏光纤代替了上述结构中的起偏器，并用了一个多圈传感线圈。电流测量范围可达0.l～5000A。③

基于普克尔效应的偏振调制

各向异性晶体中的普克尔效应是一种很有用的电光效应，当电场施加到光正在其中传播的各向异性晶体时，所引起的感应双折射正比于所加电场的一次方，故普克尔效应又称为线性电光效应。如果在晶体两端接上电极，两极间加一个电场，通光方向平行于外加电场时，称为纵向运用，也叫纵向调制。这种情况下晶体折射率的变化Δn与电场E的关系为：折射率变化引起的相位差为：

普克尔效应

如图所示，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。在晶体中，两正交的偏振光的相位变化：④基于克尔效应的偏振调制

克尔效应又称平方电光效应，是一种分子对称性的微观畸变，是在施加电场的作用下，电子云产生轻度的排列取向的结果，发生在一切物质中。由感应双折射引起的寻常光折射率no和异常光折射率ne与外加电场E之间的关系为：

两光波间的相位差为：基于克尔效应的偏振调制

光克尔调制器结构示意图

⑤基于光弹效应的偏振调制

设单轴晶体的主折射率ne对应于MN方向上振动光的折射率；主折射率no对应于垂直于MN方向上的振动光的折射率，则由光弹效应产生的相位差与压强p的关系为

式中，k为物质的常数；no−ne为表征光弹效应的强弱；l为光波通过材料的长度。形变应力双折射实验装置

在实用的光纤压力传感器中，为了加大光束在光弹材料中的光路长度，往往把光纤卷绕在一个小的圆柱体上，以在光纤中产生大的双折射而获得较大的线圈张力。双折射产生两个独立传播的线偏振本征模。采用适当的分析仪，检测光纤中传播光的偏振面旋转与强度变化相关。

偏振调制传感探头

(3)相位调制与解调相位调制是光纤传感中最重要的传感技术，其基本的传感机理是，外界信号（被测量）按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生相应的变化，光相位的变化量即反映被测的外界量。相位调制型光纤传感器的特点①灵敏度高

光学中的干涉法是目前最灵敏的探测技术之一。在光纤干涉仪中，由于以光纤代替空气光程，光纤的长度可达数米且不受机械限制，比普通的光学干涉仪更加灵敏。②几何形状灵活多样

由于传感器的敏感部分由光纤本身构成，而光纤又十分柔软，可绕性能好，所以敏感部分的几何形状可根据使用要求设计成不同形式的传感元件，如平面式、线列阵式、梯度式等。③工作对象广泛

任何物理量，只要对干涉仪中的光程产生影响，即可用相位调制型光纤传感器探侧。④需要特殊类型的光纤

在光纤干涉仪中，为获得最佳干涉效应，应使同一模式的光叠加，且两相干光的振动方向必须一致，因此希望采用高双折射的单模光纤。实现相位调制的物理效应(ⅰ)应力应变效应光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，将产生三个主要的物理效应，导致光纤中光相位的变化：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(ⅱ)热胀冷缩效应在所有干涉型光纤传感器中，光纤中传播光的相位响应φ都是与待测场中光纤的长度L成正比。这个待测场可以是变化的温度T。由于干涉型光纤传感器中的信号臂光纤可以足够长，因此信号光纤对温度变化有很高的灵敏度。(4)频率调制与解调光频率调制，是指用被测量对光纤中传输的光波频率进行调制，频率偏移即反映被测量的变化。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，是一种非功能型调制。目前主要是利用光学多普勒效应实现频率调制。图中，S为光源，P为运动物体，Q是观察者所处的位置。若物体P的运动速度为v，方向与PS及PQ的夹角分别为θ1和θ2，则从S发出的频率为f的光经过运动物体P散射，观察者在Q处观察到的频率为f1。光学多普勒概念

多普勒频移是最有代表性的一种光频率调制。当频率为f的光入射到相对于观察者速度为v的运动物体上时，从运动物体反射到观察者的光的频率变成f1，f1与f之间有如下关系：

式中，c为真空中的光速；θ1、θ2为物体运动方向与光源、物体运动方向与观察者的夹角。

多普勒频移为光纤多普勒系统激光多普勒光纤测速系统

通过测量多普勒频移量Δω=ωs-ω0实现流体速度的测量干涉光的光强I(t)为：◆利用频谱分析仪测量光敏器件电信号，即可测出频移。◆由于余弦函数为偶函数，对于的正负不易断定，因此零差测量法只能测量运动大小，不能测量物体运动方向。一光纤传感器的基础

1光纤的发展与动态2光纤传感器的发展与动态3光纤波导原理4光纤的种类5光纤的特性6光纤传感器分类二光纤的光波调制技术

1强度调制与解调2偏振调制与解调

3相位调制与解调4频率调制与解调

5波长调制

三光纤传感器实例

1光纤位移传感器2光纤温度传感器3光纤角速度传感器

4光纤压力传感器5光纤电流传感器

四分布式光纤传感器

1概述（定义和特点）2分类3主要技术第六章光纤传感检测技术主要内容：三光纤传感器实例1光纤位移传感器

反射式光纤位移传感器结构简单、设计灵活、能适应恶劣环境，在实际工作中得到了广泛应用。其结构示意图如下图所示。由光源发出的光经发射光纤束传输入射到被测目标表面,目标表面的反射光由与发射光纤束扎在一起的接收光纤束传输至光敏元件。根据被测目标表面光反射至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。

x发送光纤束接受光纤束反射面

其工作原理如下图：由于光纤有一定的数值孔径，当光纤探头端部紧贴被测件时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去，接收光纤中无光信号；当被测表面逐渐远离光纤探头时，发射光纤照亮被测表面的面积越来越大，于是相应的发射光锥和接收光锥重合面积B1越来越大，因而接收光纤端面上被照亮的B2区也越来越大，有一个线性增长的输出信号。

当整个接收光纤被全部照亮时，输出信号达到了位移-输出信号曲线上的“光峰点”，光峰点以前的这段曲线叫前坡区；当被测表面继续远离时，由于被反射光照亮的B2面积达到极值，逐渐有部分反射光不能反射进接收光纤，还由于接收光纤更加远离被测表面，接收到的光强逐渐减小，光敏输出器的输出信号逐渐减弱,进入曲线的后坡区，如下图所示。

位移-输出信号曲线

在位移-输出曲线的前坡区,输出信号的强度增加得非常快,这一区域可以用来进行微米级的位移测量。在后坡区,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。在光峰区,信号达到最大值,其大小取决于被测表面的状态。所以这个区域可用于对表面状态进行光学测量。

位移-输出信号曲线

所使用光纤束的特性是影响这种类型光纤传感器的灵敏度的主要因素之一。这些特性包括光纤的数量、尺寸和分布，以及每根光纤的数值孔径。而光纤探头端部的发射光纤和接收光纤的分布状况对探头测量范围和灵敏度的大小有较大影响。一般在光纤探头的端部，发射光纤与接收光纤有以下四种分布：

(a)随机分布；

(b)半球形对开分布；

(c)共轴内发射分布；

(d)共轴外发射分布。如下图所示。

发射光纤与接收光纤的四种分布(a)随机分布；(b)半球形对开分布；(c)共轴内发射分布；(d)共轴外发射分布。

光纤位移传感器的一个典型例子是：发射、接收各300根光纤组成一根0.762mm的光缆。

光纤内芯是折射率为1.62的火石玻璃，包层是折射率为1.52的玻璃。光缆的后部被分成两支，一支用于发射光，一支用于接收光。光源是2.5V的白炽灯泡，而接收光信号的敏感元件是光电池。光敏检测器输出与接收到的光强成正比的电信号。对于每0.25μm位移产生1V的电压输出，分辨率是0.025μm。

光纤传感器位移-输出信号曲线的形状取决于光纤探头的结构特性，但是输出信号的绝对值却是被测表面反射率的函数。

为了使传感器的位移灵敏度与被测表面反射率无关，可以采取“归一化”过程。即将光纤探头调整到位移-输出曲线的光峰位置上，调整输入光，使输出信号达到满量程，这样就可对被测表面的颜色、灰度进行补偿。“归一化”后，就可将探头移到前坡区或后坡区进行测量。

光纤液位传感器

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。(a)主要由一个Y型光纤、全反射锥体、LED光源以及光电二极管组成，(b)是一种U型结构，当测头侵入到液体内时，无包层的光纤的数值孔径增加，液体起到包层作用，接收光强与液体折射率和测头弯曲形状有关，(c)是两根多模光纤由棱镜耦合在一起，对光源和光电接收器要求不高。

由于同种液体在不同浓度时折射率也不同，因此这种液位传感器也可以做液位计。光纤液位计可用于易燃、易爆场合，但不能探测污浊液体及会粘附在测头表面的粘稠物质。2光纤温度传感器

⑴遮光式光纤温度计下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。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。这种形式的光纤温度计能测量10℃～50℃的温度。检测精度约为0.5℃。它的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。光源接收热双金属式光纤温度开关121遮光板2双金属片⑵透射型半导体光纤温度传感器

当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长λg的光将被半导体吸收，而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的,λg称为半导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时，电子吸收光后能从价带跃迁入导带，显然，要发生本征吸收，光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即h——普朗克常数；v——光频因λ＝c/v，则产生本征吸收条件：因此，对于波长大于λg的光，能透过半导体，而波长小于λg的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料具有不同的本征吸收波长，图为在室温(20℃)时，120μm厚的GaAs材料的透射率曲线。

由图看出，GaAs在室温时的本征吸收波长约为880nm左右，半导体的吸收光谱与Eg有关，而半导体材料的Eg随温度的不同而不同，Eg与温度t的关系可表示为式中：Eg（0）——绝对零度时半导体的禁带宽度；α——经验常数(eV／K)；β——经验常数(K)。

GaAs的光谱透射率曲线8508009009501000010203040t=20℃波长λ/nm透射率(%)对于GaAs材料，由实验得α=5.8×10-4eV/K

由此可见，半导体材料的Eg随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长λg随温度上升而增大。反映在半导体的透光特性上，即当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的λg(t)相匹配的发光二极管作为光源，如图，则透射光强度将随着温度的升高而减小。LED发光光谱半导体透射率T1<T2<T3T3T1T2相对发光强度半导体透射测量原理透射率波长⑶热色效应光纤温度传感器

许多无机溶液的颜色是随温度变化的，因而溶液的光吸收谱线也随温度变化，其中钴盐溶液表现出最强的光吸收作用。利用无机溶液的这种热色特性，可以制成温度传感器。钴盐溶液的频谱特征是，在波长600nm附近形成了一个强带，而在500nm附近有一个非常弱的带。下图所示是含有15%水的0.1mol/L异丙基乙醇中的溶液，在5～75℃之间的不同温度下，波长为400～800nm范围内的吸收频谱。从这些频谱中看出钴盐溶液所具有的强烈的热色效应，这与Co（Ⅱ）离子的存在有着密切的关系，同时这样的热色特性是完全可逆的，因此，可将溶液制成热色换能器探头，并分别采用波长为655nm和800nm的光来作为敏感信号和参考信号。异丙基乙醇中溶液，在不同温度下，波长为400～800nm范围内的吸收频谱这种温度传感器的结构如下图所示。采用一个60W的卤素灯炮作为光源，并用一个斩波器把输入光变成一个频率稳定的光脉冲信号，然后通过显微镜L把光脉冲导入光纤3送到有热色溶液的探头4中。光通过热色溶液后再由探头底的镜面反射回来，被另一根光纤接收，通过光纤耦合器5把接收到的光信号分成两路，分别经滤光器6（655nm）和7（800nm）进行选择。前者选取的655nm的光信号的振幅是受温度调制的测量信号后者选取的800nm波长的光信号与温度无关，故作为参考信号。这两个光信号分别由PIN光电二极管转换成交流电信号，再经锁相放大，使噪声通过其中的有源波得到有效抑制，获得两个直流信号，最后用一个多通道12位A/D变换器10把信号接入微型计算机系统11进行数据处理。由于系统利用测量信号与参考信号的比值来表示测量结果，从而消除了电源的波动及以光纤中与温度无关的因素所引起的损耗对测量的影响，保证系统测量的准确性。

温度探头装置是一根有镜面层的玻璃毛细管，里面充满了钴盐热色溶液。把两根光纤终端部分插入溶液后，利用CAF33硅树脂胶来封口，最后整个探头覆盖一层保护膜，探头的外径最小为1.5mm，长为10mm。测量范围在25～50℃之间，精度±0.2℃原理：当闭合光路相对惯性空间以转速Ω转动时，顺、逆时针传播的光将产生一个非互易性的光程差，由于光程差又引入了两相反传播的光波之间的时间差，进一步引入相位延迟。3光纤角速度传感器

其中，A为光纤圈的面积，N为光纤的圈数，Ω为角速度。（1）采用弹性元件的光纤压力传感器

利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就可以实现压力的检测。下图为简单的利用Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。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示意图光源接收121Y形光纤束2壳片3膜片3P4光纤压力传感器

弹性膜片材料是恒弹性金属，如殷钢、铍青铜等。但金属材料的弹性模量有一定的温度系数，因此要考虑温度补偿。若选用石英膜片，则可减小温度的影响。膜片的安装采用周边固定，焊接到外壳上。对于不同的测量范围，可选择不同的膜片尺寸。一般膜片的厚度在0.05mm～0.2mm之间为宜。对于周边固定的膜片，在小挠度(y＜0.5t，t为膜片厚度)的条件下，膜片的中心挠度y为R—膜片有效半径；t—膜片厚度；

p—外加压力；E－膜片材料的弹性模量；μ—为膜片的泊松比。可见，在一定范围内，膜片中心挠度与所加的压力呈线性关系。若利用Y形光纤束检测位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。这种传感器结构简单、体积小、使用方便，但如果光源不稳定或长期使用后膜片的反射率下降，影响其精度。

改进型的膜片反射式光纤压力传感器的结构如图(a),这里采用了特殊结构的光纤束，光纤束的一端分成三束,其中一束为输入光纤,两束为输出光纤。三束光纤在另一端结合成一束,并且在端面成同心环排列分布,如图(b)。其中最里面一圈为输出光纤束1,中间一圈为输入光纤束,外面一圈为输出光纤束2。当压差为零时，膜片不变形,反射到两束输出光纤的光强相等,即I1＝I2。当膜片受压变形后,使得处于里面一圈的光纤束,接收到的反射光强减小,而处于外面一圈的光纤束2接到的反射光强增大，形成差动输出。

PI2I1I0

p>0P=0P<0I1I0I2I1I0I2I1I0I242(外圈)1(内圈)3(输入)(a)传感器结构

(b)探头截面结构(c)测量原理两束输出光的光强之比A——与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；p——待测量压力。可见，输出光强比I2／Il与膜片的反射率、光源强度等因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。（2）光弹性式光纤压力传感器晶体在受压后其折射率发生变化，呈现双折射的现象称为光弹性效应。利用光弹性效应测量压力的原理及传感器结构如图。发自LED的入射光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈45º的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强，即可测出压力的变化。其中1/4波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。P6789101112345P偏振光线偏振光椭圆偏振光(b)传感器结构(a)检测原理

1光源2、8起偏器3、91/4波长板4、10光弹性元件5、11检偏器6光纤7自聚焦透镜为了提高传感器的精度和稳定性，下图为另一种检测方法的结构。输出光用偏振分光镜分别检测出两个相互垂直方向的偏振分量；并将这两个分量经“差／和”电路处理，即可得到与光源强度及光纤损耗无关的输出。该传感器的测量范围为103Pa～106Pa，精度为±1％，理论上分辨力可达1.4Pa。这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度。输出前置放大前置放大I2－I1I2+I1驱动123456I1I2PD1PD2光弹性式光纤压力传感器的另一种结构1光纤2起偏器3光弹性元件41/4波长板5偏振分光镜6反射镜5光纤电流传感器

现代工业的高速发展，对电网的输送和检测提出了更高的要求，传统的高压大电流的测量手段将面临严峻的考验．随着光纤技术和材料科学的发展而发展起来的光纤电流传感系统，因具有很好的绝缘性和抗干扰能力，较高的测量精度，容易小型化，没有潜在的爆炸危险等一系列优越性，而受到人们的广泛重视．光纤电流传感器的主要原理是利用磁光晶体的法拉弟效应。

据

，通过对法拉弟旋转角θ的测量，可得到电流所产生的磁场强度H，从而可以计算出电流大小。由于光纤具有抗电磁干扰能力强、绝缘性能好、信号衰减小的优点，因而在法拉弟电流传感器研究中，一般均采用光纤作为传输介质。6光纤流量、流速传感器

当一个非流线体置于流体中时，在某些条件下会在液流的下游产生有规律的旋涡。这种旋涡将会在该非流线体的两边交替地离开。当每个旋涡产生并泻下时，会在物体壁上产生一侧向力。这样，周期产生的旋涡将使物体受到一个周期的压力。若物体具有弹性，它便会产生振动，振动频率近似地与流速成正比。即

式中：v——流体的流速；d——物体相对于液流方向的横向尺寸；s——与流体有关的无量纲常数。因此，通过检测物体的振动频率便可测出流体的流速。光纤涡街流量计便是根据这个原理制成的，其结构如图。（1）光纤涡街流量计在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤，当流体流动时，光纤就发生振动，其振动频率近似与流速成正比。由于使用的是多模光纤，故当光源采用相干光源(如激光器)时，其输出光斑是模式间干涉的结果。当光纤固定时，输出光斑花纹稳定。当光纤振动时，输出光斑亦发生移动。对于处于光斑中某个固定位置的小型探测器，光斑花纹的移动反映为探测器接收到的输出光强的变化。利用频谱分析，即可测出光纤的振动频率。根据上式或实验标定得到流速值，在管径尺寸已知的情况下，即可计算出流量。光纤涡街流量计特点：可靠性好，无任何可动部分和联接环节，对被测体流阻小，基本不影响流速。但在流速很小时，光纤振动会消失，因此存在一定的测量下限。

分析记录光源频谱探测器12345（2）光纤多普勒流速计下图为利用光纤多普勒计来测量流体流速的原理。当待测流体为气体时，散射光将非常微弱，此时可采用大功率的Ar激光器（出射光功率为2W，λ=514.5nm）以提高信噪比。特点：非接触测量，不影响待测物体的流动状态。光纤多谱勒流量计结构探测器频谱分析仪He-Ne激光器123456781、3——分束器；2——反射镜；4——透镜；5——流体管道；6——窗口；7、8——光纤

分布式光纤传感器是将传感光纤沿场排布，并采用独特的检测技术，对沿光纤传输路径上场的空间分布和随时间变化的信息进行测量或监控。这类传感器只需要一个光源和一个检测线路，集传感与传输于一体，可实现对庞大和重要结构的远距离测量和控制。（定义）该技术是在20世纪70年代末提出的，并在多个领域得以广泛应用。目前，这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。目前有两种方式发展比较快，一种是以光纤的后向散射光或前向散射光损耗时域检测技术为基础的光时域分布式，另一种是以光波长检测为基础的波长域分布式。四分布式光纤传感器1概述（定义和特点）

时域分布式光纤传感器的物理基础是光学时域反射技术（OpticalTime-domainReflectometry），简称OTDR。其基本原理是利用分析光纤中后向散射光或前向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗。当光纤某一点受温度或应力作用时，该点的散射特性将发生变化，因此通过显示损耗与光纤长度的对应关系来检测外界信号分布于传感光纤上的扰动信息。下面是一种基于后向散射光检测的OTDR原理图。脉冲激光光源后向散射回波传感光纤3dB光电检测与信号处理系统由于外界因素引起的沿光纤长度上的某一点散射信号的变化，可以通过OTDR方法独立地探测出来，而不受其他点散射信号改变的影响，因此可以采用OTDR方法实现对光纤的分布式测量。相对回波光功率初始脉冲作用点终端费涅尔回波长度Z后向散射光检测波形示意图

分布式光纤传感技术的特点：①分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤;②一次测量就可以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；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;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；由于在检测过程中需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。(1)利用后向瑞利散射的传感技术;(2)利用喇曼效应的传感技术;(3)利用布里渊效应的传感技术;(4)

利用前向传输模耦合的传感技术。依据信号的性质，该类传感技术可分为4类2分类

当光通过光纤介质时，有一部分光会偏离原来的传播方向而向空间散射，形成3种散射：★

第1种是频率与入射光相同的瑞利散射，它是由光纤折射

率的微小变化引起的；★

第2种是与入射光频差为几十太赫兹的喇曼散射，它是由

光子与光学声子的相互作用而引起的；★

第3种是与入射光频差为几十吉赫兹的布里渊散射，它是

由光子与低频声子的相互作用而引起的。光纤中后向散射光的频谱分布布里渊散射是入射光波场与介质内弹性声波场相互作用而产生的一种光散射现象。依据弹性声波场产生的原因，它可分为自发布里渊散射和受激布里渊散射两种。自发布里渊散射：介质的宏观弹性振动，其振动的频率较低。由于介质内的自发热运动所产生的弹性声波场较弱，对其测量与观察较困难，一般采用法布里—珀罗干涉仪实现频率的检测。受激布里渊散射：受激布里渊散射过程中的弹性声波场是通过电致伸缩效应而发生的。这种相干声波场与入射激光耦合而产生受激布里渊散射的相干辐射。如果入射激光足够强，以致于介质内电致伸缩效应感应产生的声波场和相应的散射光波场的增益大于它们各自的损耗，则将出现介质内感应声波场与布里渊散射光波场的受激放大。

瑞利散射是造成光纤传输衰减的主要因素，虽然其背向散射效应较强，但在常规材料的光纤中它随温度的变化不明