第四章光纤传感器

第四章光纤传感器第1页，共80页，2023年，2月20日，星期四

光纤传感器(FOS：FiberOpticalSensor)是20世纪70年代中期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。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。

光纤传感器的特点:①电绝缘性能好。②抗电磁干扰能力强。③非侵入性。④高灵敏度。⑤容易实现对被测信号的远距离监控。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4.4光纤传感器第2页，共80页，2023年，2月20日，星期四第3页，共80页，2023年，2月20日，星期四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。上海东方明珠第4页，共80页，2023年，2月20日，星期四光纤传感器外形

第5页，共80页，2023年，2月20日，星期四光纤的传光原理第6页，共80页，2023年，2月20日，星期四4.4光纤传感器4.4.1光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用第7页，共80页，2023年，2月20日，星期四4.4.1光导纤维的结构和导光原理圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率（n2<n1）第8页，共80页，2023年，2月20日，星期四斯乃尔（Snell）定理当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射（a）折射角大于入射角：（b）临界状态：（c）全反射：临界角仅与介质的折射率的比值有关第9页，共80页，2023年，2月20日，星期四光纤导光第10页，共80页，2023年，2月20日，星期四n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故n0≈1第11页，共80页，2023年，2月20日，星期四当θr=90°的临界状态时，

定义为“数值孔径”NA（NumericalAperture）相对折射率差arcsinNA是一个临界角，θi

>arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；θi<arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。第12页，共80页，2023年，2月20日，星期四4.4光纤传感器4.4.1光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用第13页，共80页，2023年，2月20日，星期四4.4.2光导纤维的主要参数1.数值孔径（NA）2.光纤模式3.传播损耗第14页，共80页，2023年，2月20日，星期四1.数值孔径（NA）反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2θi张角之内的光功率能被光纤接受传播。 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。第15页，共80页，2023年，2月20日，星期四求n1=1.46，n2=1.45的阶跃型光纤的数值孔径值；如果外部介质为空气n0=1，求光纤的最大入射角。答：°第16页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.光纤模式按传输模式分为单模光纤和多模光纤。阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为

希望V小：d不能太大，n2与n1之差很小第17页，共80页，2023年，2月20日，星期四

单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光，常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性度；但因芯小，难以制造和耦合。第18页，共80页，2023年，2月20日，星期四多模光纤允许多个模数的光在光纤中同时传播，通常纤芯直径较大，达几十微米以上。由于每一个“模”光进入光纤的角度不同，它们在光纤中走的路径不同，因此它们到达另一端点的时间也不同，这种特征称为模分散。特别是阶跃折射率多模光纤，模分散最严重。这限制了多模光纤的带宽和传输距离。第19页，共80页，2023年，2月20日，星期四渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线形成递减，中心轴折射率最大，因此，光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形，如图所示，具有光自聚焦效果，故渐变折射率多模光纤又称为自聚焦光纤。因此渐变折射率多模光纤的模分散比阶跃型小得多。第20页，共80页，2023年，2月20日，星期四3.传播损耗损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响

传播损耗（单位为dB）式中,I——光纤长度；

a——单位长度的衰减；

I0——光导纤维输入端光强；

I——光导纤维输出端光强。第21页，共80页，2023年，2月20日，星期四4.4光纤传感器4.4.1光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用第22页，共80页，2023年，2月20日，星期四4.4.3光纤传感器结构原理把被测量的状态转变为可测的光信号的装置光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。第23页，共80页，2023年，2月20日，星期四1，光纤是光信号的传输媒介；2，当光信号在光纤中传播时，表征光信号的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移等)的作用而间接或直接地发生变化；3，将光纤用作传感元件来探测各种待测量(物理量、化学量和生物量等)。光纤传感器工作原理第24页，共80页，2023年，2月20日，星期四第25页，共80页，2023年，2月20日，星期四光纤传感器光学测量的基本原理光就是一种电磁波，

光的电矢量E被测量调制：光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制第26页，共80页，2023年，2月20日，星期四发光二极管激光二极管光源第27页，共80页，2023年，2月20日，星期四专用的光纤连接头及光纤插座

光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。第28页，共80页，2023年，2月20日，星期四光电转换器件采用光电二极管第29页，共80页，2023年，2月20日，星期四光纤传感器与电类传感器的对比分类内容光纤传感器电类传感器调制参量光的振幅、相位、频率、偏振态电阻、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、电缆光纤传感器是与电类传感器并行互补的一类新型传感器。第30页，共80页，2023年，2月20日，星期四4.4光纤传感器4.4.1光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用第31页，共80页，2023年，2月20日，星期四4.4.4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光纤传感器相位调制干涉（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

非干涉型光纤传感器强度调制遮光板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模温度、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光纤传感器偏振调制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光纤传感器频率调制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——多模光纤；SM——单模光纤；PM——偏振保持光纤第32页，共80页，2023年，2月20日，星期四光纤传感器的分类光纤在传感器中的作用光受被测量调制的形式光纤传感器中对光信号的检测方法不同

第33页，共80页，2023年，2月20日，星期四(1)光纤的传感器中的作用功能型非功能型拾光型

第34页，共80页，2023年，2月20日，星期四光纤传感器分类1．功能型光纤传感器它指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。功能性光纤传感器中光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素的作用下，其光学特性(光强、相位、频率、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。这类传感器主要使用单模光纤。第35页，共80页，2023年，2月20日，星期四振幅变化第36页，共80页，2023年，2月20日，星期四(a)功能型（全光纤型）光纤传感器光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。

第37页，共80页，2023年，2月20日，星期四非功能型(传光型)光纤传感器这类光纤传感器中光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成，光纤在系统中是不连续的。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。非功能型光纤传感器使用的光纤主要是数值孔径和芯径大的阶跃型多模光纤。第38页，共80页，2023年，2月20日，星期四反射式第39页，共80页，2023年，2月20日，星期四(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。第40页，共80页，2023年，2月20日，星期四2．非功能型(传光型)光纤传感器传感探针型光纤传感器:光纤把测量对象辐射的光信号或测量对象反射、散射的光信号传播到光电元件上,通常使用单模或多模光纤。典型的例子有光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。第41页，共80页，2023年，2月20日，星期四(c)拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。典型例子： 光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器第42页，共80页，2023年，2月20日，星期四PIN1PIN2滤波器1智能仪表滤波器2光纤高温炉黑体辐射腔蓝宝石光纤光谱型第43页，共80页，2023年，2月20日，星期四(2)根据光受被测对象的调制形式(a)强度调制型光纤传感器(b)偏振调制光纤传感器(c)频率调制光纤传感器(d)相位调制传感器第44页，共80页，2023年，2月20日，星期四(a)强度调制型光纤传感器利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。应用：压力、振动、位移、气体优点:结构简单、容易实现、成本低。缺点:易受光源波动和连接器损耗变化等的影响第45页，共80页，2023年，2月20日，星期四强度调制型示例：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。第46页，共80页，2023年，2月20日，星期四

非功能性：通过光束位移、遮挡、耦合等方式使接收光纤的光强变化。光反射依靠折射率变化测液位：光强调制型光纤传感器光传输第47页，共80页，2023年，2月20日，星期四强度调制型示例：微弯光纤压力传感器DSFF变形器光纤d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，原来光束以大于临界角θC的角度θ1在纤芯内传输为全反射但在微弯处θ2<θ1，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。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。第48页，共80页，2023年，2月20日，星期四（b）偏振调制光纤传感器利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息应用： 电流、磁场传感器：法拉第效应； 电场、电压传感器：泡克尔斯效应； 压力、振动或声传感器：光弹效应； 温度、压力、振动传感器：双折射性优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。第49页，共80页，2023年，2月20日，星期四偏振态调制型光纤传感器自然光：在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量呈对称分布。可用相互垂直的光振动描述自然光。光波是一种横波：光振动的电场矢量E和磁场矢量H始终与传播方向v垂直。第50页，共80页，2023年，2月20日，星期四

如果光在传播过程中，只存在某一确定方向的振动，这种光称为线偏振光或完全偏振光，简称偏振光。

根据光波振动方向的分布和变化规律，又分为部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。第51页，共80页，2023年，2月20日，星期四第52页，共80页，2023年，2月20日，星期四弹光效应是一种由应力应变引起的双折射效应。双折射会使光波的偏振态发生相应的变化。

由应力引起的感应双折射正比于所施加的力，因此可以通过检测偏振光的强度检测应力。

偏振态调制是指外界信号（被测量）通过一定的方式使光波的偏振态发生规律性偏转，或产生双折射，通过检测光偏振态的变化即可测出外界被测量。第53页，共80页，2023年，2月20日，星期四（c）频率调制光纤传感器被测对象引起的光频率的变化来进行监测利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；利用光致发光的温度传感器等。第54页，共80页，2023年，2月20日，星期四

在频率调制型光纤传感器中，光纤只起着传输光的作用，它的工作原理是光学多普勒效应，即由于观察者和目标的相对运动，观察者接收到的光波频率将发生变化。采用光学多普勒测量系统，可以方便的实现在非接触条件下对液体流速流量的测量，如血液、气流及其他液体。（非功能型）频率调制型光纤传感器光源观测者被测量移动速度v被测量第55页，共80页，2023年，2月20日，星期四（d）相位调制传感器被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。

利用光弹效应的声、压力或振动传感器； 利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器； 利用电致伸缩的电场、电压传感器利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）优点：灵敏度很高，缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。第56页，共80页，2023年，2月20日，星期四当一束波长为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及纤芯直径d有关。光纤受到温度等物理量的作用时，这三个参数会发生不同程度的变化，从而引起光相移。相位调制型光纤传感器折射率改变：某些光纤的纤芯线和外包封材料在温度下降时折射率相互接近，使发生全反射的可能变小，传输损耗增大，用于低温探测。第57页，共80页，2023年，2月20日，星期四相位变化第58页，共80页，2023年，2月20日，星期四4.4光纤传感器4.4.1光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用第59页，共80页，2023年，2月20日，星期四4.4.5光纤传感器的特点（1）电绝缘。（2）抗电磁干扰。（3）非侵入性。（4）高灵敏度。（5）容易实现对被测信号的远距离监控。

第60页，共80页，2023年，2月20日，星期四控制室光纤各类油罐参数检测压力容器参数检测核工业环境参数检测煤矿中CH4等参数检测第61页，共80页，2023年，2月20日，星期四控制室光纤高压变压器高压电动机强电磁干扰电气设备微波设备第62页，共80页，2023年，2月20日，星期四取样送检样品光谱仪被测物传统光谱仪物质成分检测光纤光纤光谱仪被测物光纤光谱仪物质成分检测第63页，共80页，2023年，2月20日，星期四4.4光纤传感器4.4.1光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用第64页，共80页，2023年，2月20日，星期四4.4.6光纤传感器的应用强度调制型： 基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；相位调制型： 利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型： 主要是利用晶体的光弹性效应。光纤压力传感器第65页，共80页，2023年，2月20日，星期四非接触测量方式LEDPIN光纤第66页，共80页，2023年，2月20日，星期四适用于高、低液位报警密封加油控制LEDPIN液体LEDPIN液体第67页，共80页，2023年，2月20日，星期四第68页，共80页，2023年，2月20日，星期四LEDPINn1n2n2'随温度变化n2'折光型第69页，共80页，2023年，2月20日，星期四R,θ光纤传感头参考频率LEDPIN锁相放大器混气室N2O2流量计第70页，共80页，2023年，2月20日，星期四光源出口待测气体white室探测器信号处理第71页，共80页，2023年，2月20日，星期四传统分布测量检测仪表S1S2S3Sn电缆第72页，共80页，2023年，2月20日，星期四第73页，共80页，2023年，2月20日，星期四采用弹性元件的光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片的中心挠度若利用Y形光纤束位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。1Y形光纤2壳体3膜片与所加的压力呈线性关系第74页，共80页，2023年，2月20日，星期四光纤传感器的应用光纤位移传感器1．反射式光强调制测量位移由光纤输出的光照射到反射面上发生反射，其中一部分反射光返回光纤，测出反射