光纤传感器介绍

2024/4/1

第二讲

光纤传感器介绍光纤干涉测量技术12024/4/1光纤传感器的发展20世纪60年代，激光使得利用光的各种属性（干涉、衍射、偏振、反射、吸收和发光等）的光检测技术，作为非接触、高速度、高精确度的检测手段获得了飞速的发展。20世纪70年代，由于光纤不但具有良好的传光特性，而且其本身就可用来进行信息传递，无需任何中间媒体就能把测量值与光纤内的光特性变化联系起来，因此，在20世纪80年代光纤传感器就已显示出广阔的应用前景。氙闪光灯聚光器触发电极激光束红宝石棒Al2O322024/4/1但是在当时，光纤传感器真正投入实际应用的却不多，这主要是因为与传统的传感技术相比，光纤传感器的优势是本身的物性特性而不是功能特性。因此，光纤传感技术的重要应用之一是利用光纤质轻、径细、强抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小，集信息传感与传输于一体等特点，解决常规检测技术难以完全胜任的测量问题。光纤传感器的发展32024/4/120世纪90年代后期，光通信带动下的光子产业取得了巨大的成功，光纤传感器呈产业化发展，在国际上形成了许多应用领域，即医学和生物、电力工业、化学和环境、军事和职能结构、石油行业、汽车行业、船舶、航空航天等领域。光纤传感器的发展42024/4/1传感器（Sensor，Transducer）是完成信息获取（检测）、传输和转换的器件。光纤传感器（OpticalFiberSensor）则是以光纤作为功能材料的传感器。光纤传感器的发展微弯光纤压力传感器光纤温度传感器52024/4/1图a经典测量系统结构图b光纤测量系统结构经典的传感器完成的是从非电量到电量的转换。光纤传感器完成的是从非光量到光量的转换。它们的区别是，光纤传感器以光作感知信息的载体，而不是电；用光纤传送信息，而不是导线。光纤传感器与经典传感器的区别6

光纤传感器(FOSFiberOpticalSensor)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。

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2024/4/1什么是光纤传感器？72024/4/1光纤传感器的基本原理光纤传感器的基本原理：光导纤维不仅可以作为光波的传播介质，而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量（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、转动等）的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。82024/4/1光纤的基本知识91966年，英籍华裔学者高锟（CharlesK.Kao）发表了关于传输介质新概念的论文《光频率介质纤维表面波导》，指出了利用光纤（OpticalFiber）进行信息传输的可能性和技术途径，并指明通过“原材料提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向，他奠定了现代光通信——光纤通信的基础。2024/4/1光纤的基本知识光纤是一种传输光信息的导光纤维，主要由高强度石英玻璃、常规玻璃和塑料制成。光纤由纤芯、包层、护套组成。10光主要在纤芯中传输，光纤的导光能力主要取决于纤芯和包层的折射率，纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2，典型数值是n1=1.46~1.51，n2=1.44~1.50.n2n1纤芯包层纤芯包层涂敷层护套2024/4/1光纤的基本知识850nm窗口，典型的衰减值为2dB/km；1300nm窗口，典型的衰减值为0.4dB/km；1550nm窗口，具有最低的衰减，典型值为0.2dB/km。112024/4/1光纤传感器的分类——按功能分根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类1）功能型（全光纤型）光纤传感器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122024/4/1光纤传感器的分类2）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，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发送器光纤以多模光导纤维来传输光信号，根据光接受强度不同进行测量，而对被测参数起检测作用的是其他敏感元件。这种传感器多用于工业检测液位、压力、形变、温度、流速、电流、磁场等。它的优点是性能稳定可靠，结构简单，造价低廉.缺点是灵敏度低。3）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。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象

传感型与传光性光纤传感器都可再分成光强调制、相位调制、偏振态调制以及波长调制等几种形式。132024/4/1光纤传感技术的分类——按调制方式分强度调制型偏振调制型相位调制型波长调制型142024/4/1光纤传感器的分类——强度调制型强度调制型光纤传感器：

是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。

有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大152024/4/1类型方式主要应用强度调制安装斩波器、光开关、调制辐射式温度传感器安装光楔、光栅、动闸位移、压力、流量传感器发光或受光纤自调制振动、频率、重量传感器反射式强度调制微位移、液位传感器光纤微弯扰式模式调制压力传感器液体折射率变化进行调制浓度、折射率传感器光纤吸收特性进行调制x、射线传感器比较光纤出射模斑的强度调制流量传感器利用数字编码技术进行强度调制转动、转速传感器利用电压式表面声波衍射进行强度调制光开关光纤传感器的分类——强度调制型16光强度调制型光纤传感器——光纤压力传感器在压力作用下光纤产生微弯变形导致光强度变化，从而引起光纤传输损耗的改变，并由吸收、发射或折射率变化来调制发射光，可制成微弯效应的光纤压力传感器。由于齿板的作用，在沿光纤光轴的垂直方向上加有压力时，光纤产生微弯变形，光波导方式改变，传输损耗增加。这种传感器具有较高的灵敏度。2024/4/1172024/4/1光纤传感器的分类——偏振调制型偏振调制型光纤传感器：是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。

有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的普克尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。优点：这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。类型方式主要应用偏振态调制Faraday效应（磁光效应）电流、电压、磁场传感器克尔电光效应光电效应182024/4/1

在干涉和衍射里，光波的振动是以标量形式来处理的，即未考虑振动的方向，只研究光振动的大小和强度分布。而研究光的偏振现象，光波必须用矢量来描述。

光除了有干涉和衍射现象外还有偏振现象电磁波的振动方式19Maxwell电磁波理论和实验表明，光波是横波。光的偏振现象2024/4/1法拉第效应20许多物质在磁场的作用下可以使穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转，这种现象称为磁致旋光效应或法拉第效应。播传方向振动面线偏振光偏振调制型光纤传感器——光纤电流传感器单模光导纤维的偏振特性极易受到外界各种物理量的影响，如在高电场下的克尔效应和在强磁场下的法拉第效应，利用这一原理可制成大电流、高电压测试传感器。（1）容易安装，不用断开导线，仅将细长、柔软的绝缘光纤卷绕在导体上就可检测电流，能实现整个传感装置的小与轻量化；（2）无电磁噪音的干扰。（3）计测范围广，没有铁心磁饱和的制约，同时，法拉第效应的响应速度快，具有从低频到高频、到大电流的广阔测量范闱；（4）因为信号通过光纤传输。波形畸变小。传输损耗小，故可实现长距离的信号传输。212024/4/1类型方式主要应用相位调制Sagnac光纤干涉仪微位移、粗糙度测量F-P光纤干涉仪光洁度、加速度、速度测量Michelson光纤干涉仪角度等传感器光纤传感器的分类——相位调制型相位调制型光纤传感器：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涉条纹发生变化，通过检测干涉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。

通常有利用光弹效应的声、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、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。优点：这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。22相位调制型光纤传感器——光纤温度传感器用单模光导纤维构成干涉仪，外界各种物理量的影响因素能导致光导纤维中光程的变化，从而引起干涉条纹的变动。这种传感器的优点是有极高的灵敏度，主要用于光纤陀螺、光纤水听器、动态压力和应变测量、机械振动测量等方面。激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界温度（或压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。2024/4/1232024/4/1类型方式主要应用波长调制利用热色物质的颜色变化进行波长调制pH值测量、温度测量利用荧光光谱变化进行波长调制温度测量利用黑体辐射进行波长调制温度测量利用滤光器参数变化进行波长调制气体浓度传感器利用棱镜光栅进行波长调制位移分色计利用被测物自身吸收特性进行波长调制气体成分传感器光纤传感器的分类——波长调制型

波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能型传感器。242024/4/1光纤传感技术的分类——按光学现象分干涉型非干涉型分布式传感器Bragg传感器252024/4/1类型被测量光学现象检测对象光纤类型干涉型Michelson干涉仪速度、振动、位移多普勒效应频率多模梯度光纤振动、位移多次反射干涉单模光纤温度热膨胀相位Mach-Zehnder干涉仪声压声光效应相位（干涉）单模光纤变形、振动、加速度光弹性效应温度热膨胀电流、磁场磁致伸缩效应电流热膨胀电压电致伸缩效应位移、应变多次反射Sagnac干涉仪旋转速度Sagnac效应相位（干涉）保偏光纤电流、磁场Faraday效应光纤传感技术的分类262024/4/1类型被测量光学现象检测对象光纤类型非干涉型电压电光效应偏振单模光纤电流、磁场Faraday效应磁致伸缩效应压力、变形微弯曲损耗传输损耗多模光纤温度Plank定律辐射量大芯径光纤位移三角反射光强多模光纤浓度折射率调制折射率多模光纤分布式传感器温度、压力、位移、浓度、含水率吸收、散射时间频率单模光纤多模光纤保偏光纤Bragg传感器温度、应力调谐波长反射机理干涉光栅掺杂光纤光纤传感技术的分类27分布式光纤传感技术的应用2024/4/128分布式光纤传感技术用于航空领域的多参量监测太空飞船X-38的再入式实验飞行器（NASA图片）传感器布测区域a.分布式温度传感方案b.分布式应力传感方案输出信号沿光纤传输光的背向散射分量光纤温度传感元平面温度场分布输入信号埋入光纤应力传感元输入信号输出信号光纤监测网损伤探测2024/4/1292024/4/1灵敏度高原因：光测量以光波长为计量单位。利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。例如，相位变化10-6rad用现代手段可以检测到，则它对应的被测量位移的大小是（10-3~10-4)nm。光纤传感器的优点302024/4/1抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀，本质安全理由：光纤传感器是利用光波传输信息，光纤的主要材质是SiO2，是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这使它在大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感。光纤传感器的优点312024/4/1重量轻、体积小，外形可变原因：光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可挠的优点，因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器。这有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。

目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量的光纤传感器在现场实用。测量对象广泛光纤传感器的优点322024/4/1对被测介质影响小这对于医药生物领域的应用极为有利。

有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络。便于复用，便于成网成本低有些种类的光纤传感器的成本将大大低于现有同类传感器。光纤传感器的优点332024/4/1为何选择相位调制的干涉型光纤传感器？

在这众多的调制方法中，选择介绍相位调制，即干涉型的光纤传感器，主要是因为这种测量具有极高的灵敏度和很高的精度。342024/4/1从历史上看，光干涉仪广泛应用于高分辨的实验室测量装置。但是，一般的光干涉仪是以自由空间作光路，因此造成以下缺点而限制了它的应用：干涉仪体积大，易受空气、环境、温度、声波与振动的影响，使测量不稳定，准确度低，调整也较困难。干涉型光纤传感器的介绍一般光干涉仪的缺点352024/4/1干涉型光纤传感器的介绍干涉型光纤传感器以光纤作光路，减少了干涉仪器的长臂安装和校准的困难，容易实现小型化，并且易于用中长光纤的方法使干涉光路对环境参数的响应灵敏度增加。其结果使传统的光学干涉仪从实验室走出来，成为有高机械强度和精密灵活的生产现场实用的仪表。因此相位调制是光纤传感器中最基本的传感技术，最灵敏，要求也较高，可测量的最小相位变化为10-7rad。362024/4/1干涉型光纤传感器的介绍举例对于真空中的光波长λ0=0.83µm的光波，光程差：这相当于一个原子核的大小。可见，高精度的长度检测要用相位调制。372024/4/1有很高的检测灵敏度例如：可对温度为10-6rad/(m·ºC)、压力为10rad/(m·Pa)、应变为10-7、轴向为11.4rad/(m·µε)进行检测。如果检测系统可以检测µrad(一般是这个数量级)的相位移，则每米光纤的检测灵敏度可达到对温度为10-8

ºC、对压力为10-7Pa、对应变为10-7µε。干涉型光纤传感器的特点动态测量范围大，可达1010。探头形式多样，适用于不同的测试环境，相应速度也快。相位调制一般与干涉测量技术并用。382024/4/1相位调制干涉型光纤传感器的基本结构采用极长的传感光纤，用以提高仪器的灵敏度。392024/4/1利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量的传感器，称为相位调制传感型光纤传感器。相位调制光纤传感器主要通过被测能量场的作用使光纤内传播的光波相位发生变化，再利用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。光纤中光波的相位由光纤波导的物理长度、折射