光纤传感技术

第七章光纤传感技术光纤的根本概述功能型光纤传感器非功能型光纤传感器光纤传感器的应用举例1/16/20241光导纤维传感器〔简称光纤传感器〕是20世纪七十年代迅速开展起来的一种新型传感器。光纤最早用于通讯，随着光纤技术的开展，光纤传感器得到进一步开展。与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点：1.不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；2.可根据需要做成各种形状，可以弯曲；3.可以用于高温、高压,绝缘性好,耐腐蚀。根本采用石英玻璃，主要由三局部组成中心——纤芯；外层——包层；护套——尼龙料。光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯折射率n1略大于包层折射率n2〔n1＞n2〕。第一节光纤的结构与传光原理〔一〕光纤的结构单模：8~10μm多模：大于50μm包层玻璃纤维尼龙外层涂敷层纤芯外层直径1mm一、结构和种类阶跃折射率光纤阶跃剖面n(r)an2n1r纤芯〔二〕光纤的种类光纤按纤芯和包层材料的性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两类；按折射率分有阶跃型和梯度型二种。右图所示为阶跃型光纤，纤芯的折射率n1分布均匀，不随半径变化。包层内的折射率n2分布也大体均匀。可是纤芯与包层之间折射率的变化呈阶梯状。在纤芯内，中心光线沿光纤轴线传播。通过轴线平面的不同方向入射的光线〔子午光线〕呈锯齿形轨迹传播。1/16/20244渐变剖面n(r)梯度折射率光纤an2n1r纤芯右图所示为梯度型光纤，纤芯的折射率n1不是常数，从中心轴线开始沿径向大致按抛物线规律逐渐减小。因此光在传播中会自动地从折射率小的界面处向中心会聚。光线偏离中心轴线越远，那么传播路程越长。传播的轨迹类似正弦波曲线。这种光纤又称自聚焦光纤。右以下图所示为经过轴线的子午光线传播的轨迹。1/16/20245

名词解释：子午光线当入射光线通过光纤轴线，且入射角

1大于界面临界角时，光线将在柱体界面上不断发生全反射，形成曲折回路，而且传导光线的轨迹始终在光纤的主截面内。这种光线称为子午光线，包含子午光线的平面称为子午面。

1/16/20246子午平面1/16/20247光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来分，可分为多模光纤和单模光纤两类。多模光纤多用于非功能型〔NF〕光纤传感器；单模光纤多用于功能型〔FF〕光纤传感器。下面介绍模的概念模的概念在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的平面波和沿垂直方向〔剖面方向〕传播的平面波。沿剖面方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上将产生反射。如果此波在一个往复〔入射和反射〕中相位变化为2π的整数倍，就会形成驻波。只有能形成驻波的那些特定角度射入光纤的光才能在光纤内传播，这些光波就称为模。在光纤内只能传输一定数量的模。通常纤芯直径较粗〔几十微米以上〕时，能传播几百个以上的模，而纤芯很细〔5～10微米〕，只能传播一个模。前者称为多模光纤，后者为单模光纤。光进入光学纤维后,屡次在内壁上发生全内反射,光从纤维的一端传向另一端.光学纤维:中央折射率大,表层折射率小的透明细玻璃丝.二、光纤的传光原理1/16/202410图7-3〔a〕光线入射角小于临界角θ1折射率n2折射率n1θ2θ1<θc入射光反射光折射光当光线以较小的入射角，由光密媒质进入光疏媒质时，一局部光线被反射，另一局部折射入光疏媒质。如下图。折射角满足斯奈尔〔Snell〕定律那么图7-3〔b〕光线入射角等于临界角θ1折射率n2折射率n1θ1＝θc入射光反射光折射光当逐渐加大入射角θ1，一直到θc，折射光就会沿着界面传播，此时如右图所示折射角θ1＝90o。这时，入射角θ1＝θc，θc称为临界角，由下式决定：θ2图7-3〔c〕光线入射角大于临界角折射率n1θ1折射率n2θ1>θc入射光全反射光当继续加大入射角θ1，〔即θ1>θc)，光不再产生折射，只有反射，形成光的全反射现象，如右图所示。外反射：1/16/202414入射角大于临界角的光线发生全反射内反射，全内反射：1/16/202415图7-4光纤导光示意图θ1θ0φ1ABCn0n2n1dD2θ0阶跃型多模光纤的传光原理光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；光线在光纤端面入射角φ减小到某一角度φc时，光线全部反射。只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经假设干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。θ1θ0φ1ABCn0n2n1dD2θ0由斯奈尔〔Snell〕定律：假设满足即就能产生全反射。可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质〔n1、n2〕决定的，与光纤的几何尺寸无关。入射角的最大值为：将sinθc定义为光导纤维的数值孔径,用NA表示,那么NA意义讨论：NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2θc张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。假设入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA。2023-10-17三、传光损耗在实际上，光纤传光中，存在费涅耳反射损耗、光吸收损耗、全反射损耗以及弯曲损耗等。下面简要分析阶跃型多模光纤的损耗。1/16/202422当n0<n1入射角小于临界角时，在界面上将产生反射和折射光束。θ1折射率n1折射率n0θ2θ1<θc入射光Ii反射光Ir折射光设入射光束的光强为Ii，反射光束的光强为Ir，定义R=Ir/Ii为费涅耳反射损耗，由费涅耳公式可以推导出费涅耳反射损耗为〔一〕费涅耳反射损耗

光强的透射系数T1应为光通过媒体时，或多或少要被媒体吸收。由普通物理学可知，透过媒体的光强I与入射光强I0之间有以下关系：〔二〕光吸收损耗入射光强I0θ1θ0φ1ABC空气n0n2n1d透射光强I式中：a－光纤纤芯的吸收系数，x－光透过媒体层的距离〔7-6〕当子午光线沿光纤传播时，光路的长度x和实际光纤长度L不相同，由上图可知，与光程AB相对应的光纤长度是AC，所以光纤单位长度上的几何程长lm为入射光强I0θ1θ0φ1ABC空气n0n2n1d透射光强I这样，光路长度为lm将由上式可知，光在光纤全程传播中，因光吸收损耗，透过光将受到衰减。光纤越长，光能量衰减越大。将透过光与入射光强的比值定义为透射系数T2，即代入式那么得〔三〕全反射损耗全反射损耗——纤层和包层之间的界面不平滑引起散射和包层媒体的光吸收作用所引起的损耗。由以下图可以看出，光路在2AC长的光纤中反射一次。当光纤长度为L时，总反射次数N为L/2AC。当光纤的直径为d时，θ1θ0φ1ABC空气n0n2n1d透射光强Ilm入射光强I0lm那么由上式可知，随着入射角的增加，光路长度和反射次数也会增加，光的衰减也会越来越严重。考虑每次全反射的损耗率为A，那么光强的透射系数T3为1/16/202428将三种损耗综合考虑，可以得出光纤的总透射率T为：式中：T——光纤的总透射率R——费涅耳反射损耗率a——光纤纤芯的吸收系数L——光纤总长度d——光纤纤芯的直径θ1——光线在光纤端面上的折射率1/16/202429四、光纤传感器的分类光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能型传感器又称NF型光纤传感器。四种相位调制类型的

光纤干预仪的结构A:迈克尔逊干预仪；b：马赫-泽德干预仪；c:塞格纳克干预仪；d：法布里-珀罗干预仪1/16/202431功能型光纤传感器这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。优点：结构紧凑、灵敏度高。 缺点：须用特殊光纤，本钱高， 典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。非功能型光纤传感器传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤只起传光作用。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，本钱低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。〔一〕相位调制的原理相位调制的根本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干预条纹发生变化，通过检测干预条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。第二节功能型光纤传感器一、相位调制型光纤传感器

当一束波长为

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的关系为：当光纤受到外界物理量的作用，那么光波的相位角变化Δ为：利用光的相位变化可测量出温度、压力、加速度、电流等物理量。光纤温度传感器干预仪包括激光器、扩束器、分束器、两个显微物镜、两根单摸光纤(其中一根为测量臂，一根为参考臂)、光探测器等。〔二〕应用举例1/16/202436原理干预仪工作时．激光器发出的激光束经分束器分别送入长度根本相同的测量光纤与参考光纤，将两根光纤的输出端集合在一起，那么两束光即产生干预，从而出现了干预条纹。当测量臂光纤受到温度场的作用时，产生相位变化，从而引起干预条纹的移动。显然干预条纹移动的数量将反映出被测温度的变化。光探测器接收干预条纹的变化信息．并输入到适当的数据处理系统，最后得到测量结果。例如，一米长的石英光纤，温度变化1℃，干预条纹移动17条，而压力变化154kPa，才移动一根干预条纹。加长光纤长度可以提高灵敏度。1/16/202437输出ID入射光强度调制IDtt光源出射光IS信号光探测器IOtIit二、光强调制型光纤传感器强度调制原理〔一〕微弯曲损耗原理当光线在光纤的直线段以大于临界角入射界面〔φ1>φc〕，那么光线在界面上产生全反射。当光线射入微弯曲段的界面上时，入射角将小于临界角〔φ1<φc〕。此时，一局部光在纤芯和包层的界面上反射；另一局部光那么透射进入包层，从而导致光能的损耗。基于这一原理，研制成光纤微弯曲传感器。1/16/202439光纤微弯曲位移〔压力〕传感器由两块波形板〔变形器〕构成。其中一块是活动板；另一块是固定板。一根阶跃多模光纤〔或渐变型多模光纤〕从一对波形板之间通过。当活动板受到微扰〔位移或压力作用〕时，光纤就会发生周期性微弯曲，引起传播光的散射损耗，使光在芯模中再分配：一局部光从芯模〔传播模〕耦合导包层模〔辐射模〕；另一局部光反射回芯模。当活动板的位移或所加的压力增加时，泄漏到包层的散射光随之增大；相反，光纤芯模的输出光强就减少。光纤芯透射光强度与外力的关系如以下图所示。1/16/202440这样光强受到了调制。通过检测泄漏出包层的散射光强度或光纤芯透射光强度，就能测出位移〔或压力〕信号。光纤微弯曲传感器，灵敏度高，结构简单，动态范围宽，线性度较好，性能稳定。1/16/202441〔二〕临界角光纤压力传感器临界角光纤压力传感器也是光强调制型传感器。如右图所示，在一根单模光纤的段部切割一个反射面。切割角刚小于临界角。临界角φc由纤芯折射率n1和光纤端部介质的折射率n3决定：如果临界角部接近45º，那么就需要在端面再切割一个反射面。1/16/202442入射光线在界面上的入射角是一定的。由于入射角小于临界角，一局部光折射入周围介质；另一局部那么返回光纤。返回的反射光被分束器偏转到光电探测器输出。当被测介质的压力〔或温度〕变化时，将使纤芯的折射率n1和介质的折射率n3发生不同程度的变化，引起临界角发生改变，返回纤芯的反射光强度也就变化。基于这一原理，有可能设计出一种微小探针压力传感器。这种传感器的缺点是灵敏度较低。然而频率响应高、尺寸小却是它的独特优点。1/16/202443三、偏振态调制型光纤传感器平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转，这种现象称为法拉第磁光效应。光矢量旋转角:式中V——正常光折射率；

L——物质中的光程；H——磁场强度。(7-16)法拉第磁光效应磁场偏振光片磁光材料Lθ检偏片光源光纤的磁光效应最典型的应用就是高压传输线用的电流传感器，其结构如下图。将光纤绕在被测导线上，设圈数为N，导线中通过的电流为I，由安培环路定律，距导线轴心为R处的磁场为P2WP

探测器1探测器2I1I2光源光纤I

P11/16/202446

由前面二式可知，电流强度I与线偏振光的偏振面旋转角度θ成正比。该解调方法的特点是可以有效消除光源强度波动对测量结果的不利影响。P2WP

探测器1探测器2I1I2光源光纤I

P1可得偏转角和1/16/202447由于探测器不能直接检测光的偏振态，需要将光偏振态的变化转换为光强度信号。一种检测方法采用Wollaston棱镜WP，由光源发射的激光经起偏器P1变为线偏振光进入传感光纤，在输出端将检偏器P2输出的正交偏振分量在空间上分成两路输出，分别被探测器1与探测器2接收。探测器1与探测器2接收的光强信号分别为经信号处理可得到偏振面的偏转角P2WP

探测器1探测器2I1I2光源光纤I

P11/16/202448该解调方法的特点是可以有效消除光源强度波动对测量结果的不利影响。P2WP

探测器1探测器2I1I2光源光纤I

P1设：那么：得：当线偏振光旋转角度θ很小时，有1/16/202449第三节非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器中主要是光强调制型。可分为传输光强调制型和反射光强调制型。一、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〕之间配置机械式或光学式的敏感元件。敏感元件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、遮断光路和吸收光能等。1/16/202450图7－13受抑全内反射光纤压力传感器的光纤输出光纤〔固定〕垂直位移输入光纤n=1.48n=1.48xθ90º－θ〔一〕改变光纤相对位置的光强调制型光纤传感器原理受抑全内反射光纤压力传感器，是利用改变光纤轴相对位置对光强进行调制的。传感器有两根多模光纤：一根固定；另一根在压力作用下可以垂直位移。如右图所示。图7－13受抑全内反射光纤压力传感器的光纤输出光纤〔固定〕垂直位移输入光纤n=1.48n=1.48xθ90º－θ

两根光纤相对的端面被抛光，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〔中间约有几个波长距离的薄层空气〕，一局部光将透射入空气层，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〞。输出光纤〔固定〕垂直位移当一根光纤相对另一根固定光纤垂直位移距离x时，那么两根光纤端面之间的距离变化xsinθ。如左以下图所示。透射光强随距离发生变化如右以下图所示。由曲线可知，光强变化与间隙距离的变化呈非线性关系。

xθ90º－θθx输入光纤图7－14透射光强与光纤间隙距离的关系因此在实际使用中，应限制光纤的位置距离，使传感器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，光纤端面的倾斜面〔90º－θ〕要切割得较小。1/16/2024542023-10-241/16/202455〔二〕遮断光路的光强调制型

光纤传感器原理在两根大芯径多模光纤之间放置一对线光栅。当两光栅相对平行移动时，透射光强度发生变化。图7－17光栅调制光强的原理图1/16/202456当两光栅所处的位置正好是全透过局部和不透过局部重合，这时将没有光透过光栅，输出光强为零。当两光栅所处的位置正好是全透过和全透过局部重合，这时输出光强为最大。可见输出光强将随两光栅的相对位移成周期性变化。假设两个光栅的间距为5μm、格子宽5μm的栅元组成，那么透射光强如下右图所示。图7－17光栅调制光强的原理图图7－19透射光相对强度与光栅相对位移的关系1/16/202457二、反射光强调制型光纤传感器反射式位移传感器，其根本原理如下图。光源发出的光通过光纤射向被测物体，其反射光由接收光纤收集，送到探测器，接收光强将随着反射物体外表与光纤探头端面的距离变化。通过信号处理得到光纤端面与被测面之间距离的变化〔位移〕。探测器光源被测面传输光纤接收光纤反射式位移传感器1/16/202458Ra交叠面R=r+2dT接收光纤被测面传输光纤传输光纤像da2r为了定量的说明接收光强变化与位移之间的关系，参考以下图。反射镜面即被测物的移动是与光纤探头端面垂直的。反射镜面在其反面距离d处形成输入光纤的虚象。因此光强调制作用是与虚光纤和接收光纤的耦合是等效的。θ01/16/202459Ra交叠面R=r+2dT假设两根光纤均为阶跃折射率光纤，芯径为2r，数值孔径为NA，两光纤间隔为a，并定义1/16/202460Ra交叠面R=r+2dT接收光纤被测面传输光纤传输光纤像da2r当距离时，两光纤的光耦合为零，即没有反射光进入接受光纤；当距离时，两光纤的光耦合随距离的增大而加强；当时，两光纤的耦合最强，接收光强到达最大值。此时输入光纤的像发出的光锥完全覆盖接收光纤端面。当时，两光纤的耦合反而减少。θ01/16/202461反射光强与位移的关系如右图所示。当位移d相对光纤直径r较小时〔d<<r〕，反射光强如右图的左半局部；当位移较大〔d>>r〕时，那么按x-2的规律变化。曲线在峰顶的两侧有两段近似线性的工作区域〔AB段和CD段〕。AB段的斜率比CD段的大，线性也较好。因此位移和压力传感器的工作范围选择在AB段，偏置工作点那么设在AB段的中点M点。AB段的灵敏度和线性度较好，但测量范围较小。CD段可以测量较大的范围，偏置工作点设置在N点，但灵敏度较低。1/16/202462光纤传感器由于它的独特的性能而受到广泛的重视,它的应用正在迅速地开展。下面我们介绍几种主要的光纤传感器。第四节光纤传感器的应用举例1/16/202463光纤加速度传感器的组成结构如以下图所示。它是一种简谐振子的结构形式。激光束通过分光板后分为两束光,透射光作为参考光束,反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时,由于质量块M对光纤的作用,从而使光纤被拉伸,引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干预效应。激光干预仪的干预条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号,经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值。一、光纤加速度传感器1/16/202464利用马赫一泽德干预仪的光纤加速度计1/16/202465如右图所示，在两根光纤之间悬挂一块质量块，光纤1牢固地固定在壳体上端盖和质量块上；光纤2牢固地固定在质量块和传感器底座上。安装时光纤稍微绷紧。这两根光纤分别被熔接在干预仪的每一条臂上。光纤加速度传感器工作原理的具体分析1/16/202466当传感器受到垂直向上的加速度时，惯性力的作用将使光纤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。这样质量块加速所受力F为F＝2SΔT=ma式中S—为光纤的截面积；

ΔT—为每根光纤上单位面积张力的变化量；m—质量块质量a—加速度式中的因子2是指两根光纤。1/16/202467张应力变化引起的光纤应变由下式给出式中E—光纤材料的弹性模数。当光纤受应变后，光速经过长度为L光纤的传播，光的相位将发生变化。其变化为：式7－241/16/202468当折射率Δn1所引起的作用很小时，可以忽略。这样光纤中传播光的相位移为将代入上式，且因那么得1/16/202469由上式可知，光相位的变化〔两根光纤那么变化量加倍〕与加速度成正比。利用光学干预技术就可测出加速度。1/16/202470在光纤加速度传感器中，光纤起着支承质量块的弹簧的作用，因而质量块将会振动，可以计算出其的振动频率。当质量块沿光纤轴向位移距离x所需的弹簧力F为由此可得式中k—光纤的弹性常数；E—光纤材料的弹性模量；S—光纤的截面积；L—光纤的长度1/16/202471由此可得质量块连在弹性常数为k的光纤上时，其谐振频率为将代入上式，且因那么可得1/16/202472左上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。右上图为光纤加速度传感器对加速度的响应特性。可见具有良好的线性响应。1/16/202473二、光纤磁场传感器镍、铁、钴等金属结晶材料和铁基非晶态金属玻璃〔FeSiB〕具有很强的磁致伸缩效应。将单模光纤和磁致伸缩材料粘合在一起，沿磁场轴向放置。由于磁致伸缩材料的磁致伸缩效应，光纤被迫产生纵向应变，使光纤的长度合折射率发生变化，从而引起光纤中的传播光产生相移。1/16/202474光纤磁场传感器由三种结构形式如上图所示。a、在磁致伸缩材料的圆柱上卷绕光纤；b、在光纤外表上包上一层镍护套或用电镀方法镀上一层约10μm后的镍或镍合金金属层。c、用环氧树脂将光纤粘贴在具有高磁致伸缩效应的金属玻璃带上。1/16/202475相位调制光纤磁场传感器的灵敏度极高，一种包镍护套的光纤传感器，当光纤长1米时，可检测到1.4×10-3A/m的磁场强度。如采用更强的磁致伸缩效应的金属玻璃材料左护套，当光纤长度为1千米时，预计可检测小至4×10-9A/m的磁场。光纤磁场传感器的线性度也很好，如右图所示为包镍的光纤传感器对于频率为10kHz的交流磁场的响应曲线。1/16/202476三、光纤流量传感器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预的结果。这种流量传感器结构示意图如右图所示。光源频谱分析记录探测器123451夹具2密封胶3液体流管4光纤5张力载荷1/16/202477当流体流动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时,根据流体力学原理，在某些条件下，在非流线体的下游两侧产生有规那么的旋涡，其旋涡的频率f近似与流体的流速成正比，即

式中:v——流速;d——流体中物体的横向尺寸大小;S——斯特罗哈〔Strouhal〕数,它是一个无量纲的常数,仅与雷诺数有关