第7章光纤传感检测技术

第7章光纤传感检测技术光纤：是光导纤维的简称，是用光透射率高的电介质（石英、玻璃塑料等）构成的光通路，是一种介质圆柱光波导。一般由两层光学性质不同的材料组成，即折射率较大（光密介质）的纤芯和折射率较小（光疏介质）的包层构成的同心圆柱结构。光波导：指以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束并引导光波在光纤内部或表面附近沿轴线方向传播。2R2rn2n1nn2n1纤芯包层光纤结构各种装饰性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。

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7.1光纤传感器的基础

7.1.1光纤波导原理当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θ2＞θ1。

n1n2θ2θ1(a)光的折射示意图如图（a），入射角θ1增大时，折射角θ2也随之增大，且始终θ2＞θ1。n1、n2、θ1、θ2之间的数学关系为

n1sinθ1=n2sinθ2

当θ1＞θc并继续增大时，θ2＞90º，这时便发生全反射现象，如图(c)，其出射光不再折射而全部反射回来。式中：θc——临界角θc=arcsin(n2/n1)

sinθc=n2/n1sinθ2＝sin90º＝1n1n2θ2θ1(c)光全反射示意图n1n2θ2θ1(b)临界状态示意图

当θ2=90º时，θ1仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态。这时有光在光纤中的全反射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。光纤的类型

阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，但不同于包层的折射率。折射率分布包层涂覆层纤芯n1n2n1n2梯度型：

梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。

折射率分布包层涂覆层纤芯n1n2n1n2应用电磁波理论来处理光波在光纤中的传输特性a和NA越小，γ

越小，在光纤中的传播模式越少。一般地，当γ<2.405时，只有基模能传播；而当γ>2.405时，为多模传输态。

关于传播常数β关于归一化频率γ按制作材料分：高纯度石英玻璃纤维（损耗低）多组分玻璃纤维（损耗也很低）塑料光纤（质量轻、成本低、柔软性好、加工方便等，但损耗大）按传输模式分：单模光纤（没有色散、信息容量大只能传输一种模式，纤芯直径仅几个微米，接近波长，使用不方便；）多模光纤（能传输多种模式，纤芯直径远远大于波长，使用方便；但存在模式色散）按光纤折射率的径向分布分：阶跃光纤梯度光纤7.1.2光纤的种类按用途分：通信光纤非通信光纤（为特殊光纤）按制作方法分：化学气相沉积法（CVD）或改进化学气相沉积法（MCVD）（制作高纯度石英玻璃光纤）双坩埚法或三坩埚法（制作多组分玻璃光纤）7.1.3光纤的特性1损耗光纤损耗α（dB/Km）用下式计算式中，Pi、Po分别为光纤入射端与出射端的光功率，L（Km）为光纤长度。光纤损耗：吸收损耗：光能—热能散射损耗：材料缺陷；材料弯曲2色散光纤的色散：输入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。材料色散—折射率色散：折射率随波长的变化而变化；（可采用单色光源）波导色散—结构色散：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；多模色散：各个模式在同一角频率下传输常数不同、群速度不同产生的色散（主要产生的阶跃型多模光纤中）。光纤传感器的工作原理通过被测量对光纤内传输光进行调制，使传输光的强度（振幅）相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的光信号进行检测，从而得出相应被测量的传感器—把被测量的状态转变为可测的光信号的装置7.1.4光纤传感器分类光纤传感器按其工作原理分类：功能型(或称物性型、传感型—FF型)其光纤不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和数据传输。可分为振幅调制型、相位调制型及偏振态调制型。非功能型(或称结构型、传光型—NF型)其光纤只是作为传光的媒介，还需加上其他敏感元件才能组成传感器。拾光型光纤用光纤作为探头，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。

功能型非功能型拾光型

(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。

返回(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。返回(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返回传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光线传感器干涉（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7.2光纤的光波调制技术被测量调制：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制解调：光的强度、偏振态、频率和相位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。强度调制实现方法：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；物质的荧光辐射或光路的遮断等应用：测量压力、振动、温度、位移等优点：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。7.2.1强度调制与解调微弯光纤传感器1.常用的光强调制技术（1）微弯效应A当时，纤芯传输模与包层辐射模之间的耦合程度最强在梯度型光纤中在阶跃型光纤中r（2）光强度的外调制接收光纤束反射式光强调制器的原理接收光纤入射光输出光光闸（a）发送光纤接收光纤遮光式调制器原理图入射光输出光发送光纤芯径x（b）强度调制的解调功率信噪比(SNR)p可用下式计算式中：is为信号电流；

iNph为光信号噪声电流；

iNR为前置放大器输入端等效电阻热噪声电流，增加了放大器噪声因子F，这里已考虑放大器噪声

iND为光电检测器噪声电流；

PL为总的光功率；

PS为信号功率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：普克尔效应； 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。7.2.2偏振调制与解调1调制原理（1）普克尔（pockels）效应Uoe式中：re为电光系数λ0ld（2）法拉第磁光效应磁场H光源平面偏振光偏振片平面偏振光偏振片式中：V为费尔德常数L(3)光弹效应Flh光源起偏器起偏器应力材料补偿器F式中：k为物质光弹性常数，

p为加在物体上的压强

l为光波通过的材料长度2解调原理渥拉斯顿棱镜第一光线第二光线ABCDAAθπ/4Asin(π/4+θ)Acos(π/4+θ)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。7.2.3相位调制与解调1几种物理效应（1）应力应变效应光纤的长度变化—应变效应光纤芯的直径变化—泊松效应光纤芯的折射率变化—光弹效应（2）热胀冷缩效应相位解调原理通过干涉现象把光束之间的相位差转变为光强变化，实现外差检测。几种干涉测量仪与光纤干涉传感器（1）迈克尔逊干涉仪激光器光探测器传感器可移动反射镜固定反射镜分束器式中：K0为光在空气中的传播常数；

2Δl为两相干光的光程差（2）马赫-泽德尔干涉仪激光器光探测器可移动反射镜固定反射镜分束器1分束器2传感器（3）赛格纳克（Sagnac）干涉仪激光器光探测器反射镜反射镜分束器式中：为旋转率；

A为光路围成的面积（4）法布里-珀罗干涉仪激光器传感器光探测器可移动反射镜