光纤传感器课件

光纤传感器课件

光纤即光导纤维是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新的光学技术，创造了光电子学新领域。光纤的出现产生了光纤通讯技术，特别是光纤在有线通讯网的优势越来越突出，它为人类21世纪的通讯基础------信息高速公路奠定了基础，为多媒体（符号、数字、语言、图形和动态图象）通信提供了实现的必须条件。光纤传感器始于1977年，经过数十年的研究，光纤传感器取得了十分重要的进展，对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着十分重要的作用。

光纤传感器与常规传感器相比，有如下优点：1.具有很高的灵敏度。2.频带宽动态范围大。3.光纤直径只有几微米到几百微米；抗拉强度为铜的17倍。而且光纤柔软性好，可根据实际需要作好各种形状，深入到机器内部或人体弯曲的内脏等常规传感器不宜到达的部位进行检测。4.测量范围很大，如测量物理量有：声场、磁场、压力、温度、加速度、转动、位移、液位、流量、电流、辐射等。5.抗电磁干扰能力强。光纤主要由绝缘材料组成，工作时利用光子传输信息，不怕电磁场干扰；光波易于屏蔽，外界光的干扰也很难进入光纤。6.光纤集传感与信号传输于一体，利用它很容易构成分布式传感测量，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。7.可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。8.结构简单、体积小、质量轻、耗能少。

9.1光纤传感器的原理结构及种类9.1.1光纤传感器的原理光纤传感器由光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理系统及光导纤维等主要部分组成。光纤传感系统的基本原理是：光纤中光波参数（如光强、频率、波长、相位以及偏振态等）随外界被测参数的变化而变化，所以，可通过检测光纤中光波参数的变化以达到检测外界被测物理量的目的。P139图9.1光纤传感器构成示意图

9.1.2光纤的结构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。

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—，n2=1.44---1.50.P139图9.2光纤的基本结构9.1.3光纤的种类光纤按纤芯和包层材料性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两大类；按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型；按传播模式的多少分为单模光纤和多模光纤；按用途分为通信光纤和非通信光纤。

1、按纤芯和包层材料性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两大类1）高纯度石英（sio2）玻璃纤维，这种材料的光损耗比较小。2）多组分玻璃纤维，用常规玻璃制成，损耗较小。3）塑料光纤，用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但质量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。2、按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型

1）阶跃型光纤（折射率固定不变）：指纤芯和包层折射率不连续的光纤。

2）梯度型光纤（纤芯折射率近似呈平方分布）：在中心轴上折射率最大，沿径向逐渐变小，界面处n1=n2，n1的分布大多按抛物线规律，其关系式为：

n1=n.(1-A.r2/2)n为纤芯中心折射率，如A为常数，如r为径向坐标采用梯度折射率光纤时，光射入光纤后会自动从界面向轴心会聚，故也称为自聚焦光纤。P140图9.3光纤的种类和光传播形式

3、按传播模式的多少分为单模光纤和多模光纤光波，本质上是一种电磁波，在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向和截面传输的两种平面波成分。沿截面传输的平面波将会在纤芯与包层的界面处产生反射。如果此波的每一个往复传输（入射和反射）的相位变化是360°的整数倍时，就可以在截面内形成驻波，这样的驻波光线组又称为模。只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光，才能在光纤内传播，在光纤内只能传输一定数量的模。当光纤直径很小（一般为5---10微米），只能传播一个模时，这样的光纤称为单模光纤；光纤直径较大（通常为几十微米以上），能传播几百个以上的模时，这样的光纤被称为多模光纤。每一个允许传播的波称为模式；只能传播一个光线模式的光纤称为单模光纤；能传播许多光线模式的光纤称为多模光纤；传播速度最快的模称为基模。单模光纤、多模光纤是当前光纤通信中技术上最常用的光纤类型，统称为普通光纤维。

4、按用途分为通信光纤和非通信光纤通信光纤：用于光通讯系统。实际使用中大多使用光缆，即多根光纤组成的线缆。非通信光纤：指特殊用途的非通讯光纤，主要有低双折射率光纤、高双折射率光纤、涂层光纤、多模梯度光纤、激光光纤、红外光纤。9.2光的传输原理9.2.1光的全反射定律光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。折射率：光线在真空中的传播速度与光线在该介质中的传播速度之比。介质的折射率越高，则光线在该介质中传播得越慢。当光线以较小的入射角φ1（φ1﹤φc，φc为临界角），由光密媒质（折射率n1）射入光蔬媒质（折射率n2）时，一部分光线被反射，另一部分光线折射入光蔬媒质，折射角φ2满足斯乃尔法则n1sinφ1=n2sinφ2

当加大入射角φ1，φ1﹥φc时，光不再产生折射，只有反射，就形成光的全反射现象。

P140图9.4光线在临界面上发生的内反射示意图

P139图9.光纤集传感与信号传输于一体，利用它很容易构成分布式传感测量，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。通信光纤：用于光通讯系统。非通信光纤：指特殊用途的非通讯光纤，主要有低双折射率光纤、高双折射率光纤、涂层光纤、多模梯度光纤、激光光纤、红外光纤。空气折射率n0=1，得数值孔径NA：可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。数值孔径是衡量光纤集光性能的一个主要参数，它决定了能被传播的光束的半孔径角的最大值θc，反映了光纤的集光能力。2功能型和非功能型光纤传感器实际使用中大多使用光缆，即多根光纤组成的线缆。当加大入射角φ1，φ1﹥φc时，光不再产生折射，只有反射，就形成光的全反射现象。1光纤传感器的原理结构及种类按用途分为通信光纤和非通信光纤。传感器信号的感受是利用光纤的端面或在两根光纤中间放置光学材料、机械式或光学式的敏感元件，感受被测物理量的变化。可以分为光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。利用光纤微弯效应的光纤位移（压力）传感器9.2.2光纤的传光原理

P141图9.5阶跃型多模光纤中子午光线的传播

只有在光纤端面一定入射角范围内的光线才能在光纤内部产生全反射而传播出去。能产生全反射的最大入射角可以通过临界角定义求得。

n0sinθ=n1sinθ1=n1cosφ1=n1(1-sin2φ1)1/2

当在纤芯与包层产生全反射时光纤的数值孔径（NA）φ1---φc，θ---θc：sinφc=n2/n1n0sinθc=n1（1-（n2/n1）2）1/2=（n12-n22）1/2

空气折射率n0=1，得数值孔径NA：

NA=sinθc==（n12-n22）1/2

数值孔径是衡量光纤集光性能的一个主要参数，它决定了能被传播的光束的半孔径角的最大值θc，反映了光纤的集光能力。无论光源发射功率多大,只有2θc张角的光才能被光纤接收.一般石英光纤的N～。

9.3光导纤维传感器的类型9.3.1光纤传感器的分类

1．按测量对象分类：分为光纤温度传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器。

2．按光纤中光波调制的原理分类：分为强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器。

3．按光纤在传感器中的作用分类：分为功能型光纤传感器（FF型，functionfiber）和非功能型光纤传感器（NFF型，nonfunctionfiber）9.3.2功能型和非功能型光纤传感器

1．功能型光纤传感器功能型光纤传感器主要使用单模光纤，它是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤，构成“传”和“感”合为一体的传感器。它是靠被测物理量调制和影响光纤的传输特性，把被测物理量的变化转变为调制的光信号。可以分为光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。P142图9.6功能型光纤传感器的原理结构图

利用光纤在高电场下的泡克平斯效应的光纤电压传感器；利用光纤法拉第效应的光纤电流传感器；利用光纤微弯效应的光纤位移（压力）传感器光纤本身为敏感元件，加长光纤的长度可提高传感器的灵敏度；光纤的输出端采用光敏元件，它所接受的光信号便是被测量调制后的信号，并使之转变为电信号。2．非功能型光纤传感器在非功能型光纤传感器中，光纤不是敏感元件，它只起到传递信号的作用。传感器信号的感受是利用光纤的端面或在两根光纤中间放置光学材料、机械式或光学式的敏感元件，感受被测物理量的变化。

非功能型分两种：一种是把敏感元件置于发送、接受的光纤中间，在被测对象参数作用下或使敏感元件遮断光路，或使敏感元件的光穿透率发生某种变化，受光的光敏元件所接受的光量，便成为被测对象参数调制后的信号。另一种是在光纤终端设置“敏感元件+发光元件”组合体，敏感元件感知被测对象参数的变化，并将其转变为电信号，输出给发光元件（如LED），最后光敏元件以发光二极管LED的发光强度作为测量所得的信息。P143图9.7非功能型光纤传感器敏感元件在中间原理结构图P143图9.8非功能型光纤“敏感元件+发光元件”组合体原理结构图

9.3.3光纤传感器的主要部件

1．光源：一般采用半导体光源或半导体激光器，如砷化镓发光二极管和激光器。

2．耦合器：其作用是使光源发出的光通量尽可能进入光纤，若不用耦合器，光的损耗会很大。

3．探测器：它通过耦合器接收光信号并将其转换为电信号，再使电信号经信号处理而输出。但要注意光源、传输光纤和光电探测器三者之间的光谱匹配。

4．连接器：用于光纤间对接的专门部件，通常是一个三维可调的精密机械机构，目的是在尽可能减少光损失的条件下实现光纤间的连接。

P139图9.3．探测器：它通过耦合器接收光信号并将其转换为电信号，再使电信号经信号处理而输出。1．按测量对象分类：分为光纤温度传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器。17透射光强与光纤间隙距离的关系由普通物理学知道，在一段长为L的单模光纤（纤芯折射率n1）中，波长为l的输出光相对于输入端来说，其相位角f为受抑全内反射光纤压力传感器是利用改变光纤轴向相对位置对光强进行调制的一个典型例子。可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。4．连接器：用于光纤间对接的专门部件，通常是一个三维可调的精密机械机构，目的是在尽可能减少光损失的条件下实现光纤间的连接。17透射光强与光纤间隙距离的关系通信光纤：用于光通讯系统。当加大入射角φ1，φ1﹥φc时，光不再产生折射，只有反射，就形成光的全反射现象。20光纤微位移传感器测量位移1、按纤芯和包层材料性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两大类能传播许多光线模式的光纤称为多模光纤；采用梯度折射率光纤时，光射入光纤后会自动从界面向轴心会聚，故也称为自聚焦光纤。9.4功能型光纤传感器

9.4.1相位调制型光纤传感器

1．相位调制的原理

由普通物理学知道，在一段长为L的单模光纤（纤芯折射率n1）中，波长为l的输出光相对于输入端来说，其相位角f为当光纤受到外界物理量的作用时，则光波的相位角变化为这样，就可以应用光的相位检测技术测量出温度、压力、加速度、电流等物理量。

干涉测量仪的基本原理：光源的输出光都被分束器（棱镜或低损耗光纤耦合器）分成光功率相等的两束光（也有的分成几束光），并分别耦合到两根或几根光纤中去。在光纤的输出端再将这些分离光束汇合起来，输到一个光电探测器，这样在干涉仪中就可以检测出相位调制信号。因此，相位调制型光纤传感器实际上为一光纤干涉仪，故又称为干涉型光纤传感器。5非功能型光纤传感器2光纤的传光原理光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。1、按纤芯和包层材料性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两大类4．连接器：用于光纤间对接的专门部件，通常是一个三维可调的精密机械机构，目的是在尽可能减少光损失的条件下实现光纤间的连接。光纤传感系统的基本原理是：光纤中光波参数（如光强、频率、波长、相位以及偏振态等）随外界被测参数的变化而变化，所以，可通过检测光纤中光波参数的变化以达到检测外界被测物理量的目的。但要注意光源、传输光纤和光电探测器三者之间的光谱匹配。用一个小型光电探测器接收斑图中的亮区，便可接收到光纤振动的信号，经过频谱仪分析便可检测出振动频率，由此可计算出液体的流速及流量。采用梯度折射率光纤时，光射入光纤后会自动从界面向轴心会聚，故也称为自聚焦光纤。当加大入射角φ1，φ1﹥φc时，光不再产生折射，只有反射，就形成光的全反射现象。光纤传感器分为两类：一类是利用光纤本身具有的某种敏感功能的FF型，简称功能型传感器；2）多组分玻璃纤维，用常规玻璃制成，损耗较小。功能型光纤传感器主要使用单模光纤，此时光纤不仅起传光作用，而且还是敏感元件。单模光纤、多模光纤是当前光纤通信中技术上最常用的光纤类型，统称为普通光纤维。2光强调制型光纤传感器

2．应用举例若传感光纤受物理量的作用，则光纤的长度、直径和折射率将会发生变化，将会引起传播光的相位角也发生变化。如果在传感光纤和参考光纤的汇合端放置一个光电探测器，就可以将合成光强的强弱变化转换成电信号大小的变化，如图所示。图9.9测量压力或温度的相位调制型光纤传感器原理图

图9.10输出光电流与光相位变化的关系9.4.2光强调制型光纤传感器

光强调制型光纤传感器的工作原理是利用外界因素改变光纤中光的强度，通过检测光纤中光强的变化来测量外界的被测参数，即强度调制。

1．微弯损耗光强调制

图9.11微弯损耗光强调制器及其传感器

2．临界角光纤压力传感器

临界角光纤传感器也是一种光强调制型传感器。临界角jc由纤芯折射率n1和光纤端部介质的折射率n3决定，当被测介质压力（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随之发生变化。基于这一原理，有可能设计出一种微小探针型压力传感器。

图9.13临界角光强调制型光纤传感器9.5非功能型光纤传感器

非功能型光纤传感器主要是光强调制型。按照敏感元件对光强调制的原理，又可以分为传输光强调制型和反射光强调制型。

9.5.1遮断光路的光强调制型光纤传感器

图9.14用于油库的双金属片光纤温度传感器9.5.2改变光纤相对位置的光强调制型光纤传感器

受抑全内反射光纤压力传感器是利用改变光纤轴向相对位置对光强进行调制的一个典型例子。

图9.18受抑全内反射光纤压力传感器

图9.17透射光强与光纤间隙距离的关系

图9.16受抑全内反射光纤压力传感器原理图

9.6光纤传感器的应用

9.6.1光纤微位移测量传感器

图所示为测量微位移的Y形光纤传感器的原理示意图，其中一根光纤表示传输入射光线，另一根表示传输反射光线。传感器与被测物的反射面的距离在0～之间变化时，可以通过测量显示电路将距离显示出来，测量显示电路如图所示。

图9.19Y形光纤微位移传感器原理示意图图9.20光纤微位移传感器测量位移

但要注意光源、传输光纤和光电探测器三者之间的光谱匹配。光纤的输出端采用光敏元件，它所接受的光信号便是被测量调制后的信号，并使之转变为电信号。光纤主要由绝缘材料组成，工作时利用光子传输信息，不怕电磁场干扰；沿截面传输的平面波将会在纤芯与包层的界面处产生反射。9测量压力或温度的相位调制型光纤传感器原理图4．连接器：用于光纤间对接的专门部件，通常是一个三维可调的精密机械机构，目的是在尽可能减少光损失的条件下实现光纤间的连接。通信光纤：用于光通讯系统。如果在传感光纤和参考光纤的汇合端放置一个光电探测器，就可以将合成光强的强弱变化转换成电信号大小的变化，如图所示。16受抑全内反射光纤压力传感器原理图16受抑全内反射光纤压力传感器原理图它是靠被测物理量