1、第第10章章光纤传感技术光纤传感技术 本章导读本章导读 10.1 光纤传感技术概述光纤传感技术概述 10.2 光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器 10.3 光相位调制型光纤传感器光相位调制型光纤传感器 10.4 光偏振调制型光纤传感器光偏振调制型光纤传感器 10.5 光波长调制型光纤传感器光波长调制型光纤传感器 10.6 光频率调制型光纤传感器光频率调制型光纤传感器 10.7 分布式光纤传感器分布式光纤传感器下一页返回本章导读本章导读光纤传感技术是伴随光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来光纤传感技术是伴随光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为介质、感知和
2、传输外界信号的一种以光为载体、光纤为介质、感知和传输外界信号(被测量被测量)的新的新型传感技术。光纤传感器始于型传感技术。光纤传感器始于1977年，经过年，经过30多年的研究，光纤传多年的研究，光纤传感器取得了积极的进展，目前正处在研究和应用并存的阶段。它对军感器取得了积极的进展，目前正处在研究和应用并存的阶段。它对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着重要的作用。随着新兴学事、航天航空技术和生命科学等的发展起着重要的作用。随着新兴学科的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。科的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。本章在简要介绍光纤传感器原理、组成及分类的基础上，重点讨论光本章在简要介绍光
3、纤传感器原理、组成及分类的基础上，重点讨论光纤传感的光调制方式及相应的光纤传感器，最后对分布式光纤传感器纤传感的光调制方式及相应的光纤传感器，最后对分布式光纤传感器作简要介绍。作简要介绍。返回10.1光纤传感技术概述光纤传感技术概述 10.1.1光纤传感器基本工作原理光纤传感器基本工作原理国家标准国家标准GB 76651987对传感器对传感器(Transducer/Sensor)的定义是：的定义是：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。光纤传感器（置。光纤传感器（Optical Fiber Sensor，OF
4、S）的基本工作原理如）的基本工作原理如图图10-1所示，将来自光源的光经过光纤送入调制器，使被测量与输入所示，将来自光源的光经过光纤送入调制器，使被测量与输入调制器的光相互作用后，导致光的某些特性调制器的光相互作用后，导致光的某些特性(如强度、波长、频率、如强度、波长、频率、相位、偏振态等相位、偏振态等)发生变化，成为调制光，再经过光纤送入光探测器，发生变化，成为调制光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后获得被测量。经解调器解调后获得被测量。下一页返回10.1光纤传感技术概述光纤传感技术概述光纤传感包含对被测量的感知和传输两种功能。所谓感知光纤传感包含对被测量的感知和传输两种功能。所谓感知
5、(或敏感或敏感)，是指被测量按照其变化规律使光纤中传输的光波特征参量，如强度是指被测量按照其变化规律使光纤中传输的光波特征参量，如强度(振幅振幅)、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即可即可“感知感知”被测量的变化。这种被测量的变化。这种“感知感知”实质上是被测量对光纤中实质上是被测量对光纤中传播的光波实施调制。所谓传输，是指光纤将受被测量调制的光波传传播的光波实施调制。所谓传输，是指光纤将受被测量调制的光波传输到光探测器进行检测。将被测量从光波中提取出来并按需要进行数输到光探测器进行检测。将被测量从光波中提取出来并按需要
6、进行数据处理，也就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的据处理，也就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即被测量如何调制光纤中的光波参量的调制技术技术，即被测量如何调制光纤中的光波参量的调制技术(或加载技术或加载技术)及如何从已被调制的光波中提取被测量的解调技术及如何从已被调制的光波中提取被测量的解调技术(或检测技术或检测技术)。上一页 下一页返回10.1光纤传感技术概述光纤传感技术概述 10.1.2光纤传感器的组成光纤传感器的组成根据光纤传感器的工作原理可知，光纤传感器系统主要由光源、光纤、根据光纤传感器的工作原理可知，光纤传感器系统主要由光源、光纤、调制器调制器
7、(传感头传感头)、光探测器和信号调理电路等部分构成，如、光探测器和信号调理电路等部分构成，如图图10-1所所示。光纤传感器研究的主要内容是如实现对被测量的调制与解调，但示。光纤传感器研究的主要内容是如实现对被测量的调制与解调，但设计光纤传感器系统时也必须了解光源、光探测器以及传感器用光纤设计光纤传感器系统时也必须了解光源、光探测器以及传感器用光纤的相关知识，现对光纤传感器用光源、光探测器及光纤的基本特性作的相关知识，现对光纤传感器用光源、光探测器及光纤的基本特性作简要介绍。简要介绍。上一页 下一页返回10.1光纤传感技术概述光纤传感技术概述一、一、 光纤传感器的光源光纤传感器的光源光纤传感器对
8、光源的结构和特性有特定的要求。一般要求体积小，与光纤传感器对光源的结构和特性有特定的要求。一般要求体积小，与光纤的耦合效率高；发光波长与光纤传输窗口匹配，减少光纤中光传光纤的耦合效率高；发光波长与光纤传输窗口匹配，减少光纤中光传输损耗；发光强度要足够高，提要传感器的输出信号和灵敏度。另外输损耗；发光强度要足够高，提要传感器的输出信号和灵敏度。另外还要求光源稳定性好、噪声小，减小传感器输出漂移。还要求光源稳定性好、噪声小，减小传感器输出漂移。光纤传感器光源与光纤耦合时，应尽可能提高耦合效率，光纤输出端光纤传感器光源与光纤耦合时，应尽可能提高耦合效率，光纤输出端光功率与光源光强、波长及光源发光面积
9、等有关，也与光纤的粗细、光功率与光源光强、波长及光源发光面积等有关，也与光纤的粗细、数值孔径有关，它们之间耦合效率取决与光源与光纤之间的匹配程度，数值孔径有关，它们之间耦合效率取决与光源与光纤之间的匹配程度，在光纤传感器设计与实际使用中，要综合考虑各因素影响。在光纤传感器设计与实际使用中，要综合考虑各因素影响。光纤传感器用光源种类很多，按照光的相干性分为非相干光源和相干光纤传感器用光源种类很多，按照光的相干性分为非相干光源和相干光源。前者有白炽灯、光源。前者有白炽灯、LED等；后者包括各种激光器，如气体激光器、等；后者包括各种激光器，如气体激光器、LD等。等。上一页 下一页返回10.1光纤传感
10、技术概述光纤传感技术概述白炽灯是一种黑体辐射光源，常见的有钨丝灯和卤素灯两种。白炽灯白炽灯是一种黑体辐射光源，常见的有钨丝灯和卤素灯两种。白炽灯的辐射光谱限于能够通过玻璃泡的光谱部分，在的辐射光谱限于能够通过玻璃泡的光谱部分，在0.43.0 m范围。范围。白炽灯几何特性差、亮度低、光谱范围宽、寿命不长（几百小时）、白炽灯几何特性差、亮度低、光谱范围宽、寿命不长（几百小时）、稳定性差，但价格低廉，使用方便。稳定性差，但价格低廉，使用方便。常用的气体激光器有三种，分别是：常用的气体激光器有三种，分别是：He-Ne激光器，工作波长为激光器，工作波长为0.633 m或或1.15 m；CO2激光器，工作
11、波长为激光器，工作波长为10.6 m；Ar+激光器，激光器，工作波长为工作波长为0.516 m。气体激光器的特点是，发光功率大，方向性、。气体激光器的特点是，发光功率大，方向性、单色性好。但体积大，功率不稳定，使用不方便，一般多用于实验系单色性好。但体积大，功率不稳定，使用不方便，一般多用于实验系统中，在实际的光纤传感系统中用得较少。统中，在实际的光纤传感系统中用得较少。上一页 下一页返回10.1光纤传感技术概述光纤传感技术概述LED和和LD为半导体光源，为半导体光源，LED发出非相干光，发出非相干光，LD发出相干光。共同发出相干光。共同特点是体积小，寿命长（大于数万小时），驱动简单，能直接调
12、制，特点是体积小，寿命长（大于数万小时），驱动简单，能直接调制，且调制频率高。半导体光源的工作波长分别为且调制频率高。半导体光源的工作波长分别为0.85 m、1.31 m和和1.55 m。在光纤传感系统中，半导体光源是用得最多的一种。在光纤传感系统中，半导体光源是用得最多的一种。二、二、 光纤传感器的光探测器光纤传感器的光探测器由于现有的任何一种光探测器实现光电转换的工作机理都是基于光电由于现有的任何一种光探测器实现光电转换的工作机理都是基于光电效应，所以只能响应光的强度，而不能直接响应光的频率、波长、相效应，所以只能响应光的强度，而不能直接响应光的频率、波长、相位和偏振态四种光波物理参量，因
13、此光的频率、波长、相位和偏振调位和偏振态四种光波物理参量，因此光的频率、波长、相位和偏振调制信号都要通过某种转换技术转换成光强度信号，才能被光探测器接制信号都要通过某种转换技术转换成光强度信号，才能被光探测器接收，实现检测。光纤传感器使用的光探测器有光电二极管、光电三极收，实现检测。光纤传感器使用的光探测器有光电二极管、光电三极管和光电倍增管等。在光纤传感系统使用光探测器时，应注意其外特管和光电倍增管等。在光纤传感系统使用光探测器时，应注意其外特性，主要包括光谱响应特性、光电特性、暗电流以及噪声特性等，具性，主要包括光谱响应特性、光电特性、暗电流以及噪声特性等，具体光探测器特性请参阅有关资料。
14、体光探测器特性请参阅有关资料。上一页 下一页返回10.1光纤传感技术概述光纤传感技术概述三、三、 光纤传感器用光纤光纤传感器用光纤由于光纤传感器种类繁多，性能各异，对所用光纤提出了各种各样的由于光纤传感器种类繁多，性能各异，对所用光纤提出了各种各样的要求，因此与光纤通信相比，光纤传感器系统中用到的光纤种类多，要求，因此与光纤通信相比，光纤传感器系统中用到的光纤种类多，且复杂。且复杂。一般在非功能型光强度调制光纤传感器中，由于光纤只起传输光波的一般在非功能型光强度调制光纤传感器中，由于光纤只起传输光波的作用，同时光纤传感器所需光纤长度较短，对色散和损耗特性要求不作用，同时光纤传感器所需光纤长度较
15、短，对色散和损耗特性要求不高，所以采用通用的单模光纤或多模光纤就能满足要求。有时，为了高，所以采用通用的单模光纤或多模光纤就能满足要求。有时，为了提高传感器的灵敏度，而增大光纤所传输的光功率，可采用大芯径或提高传感器的灵敏度，而增大光纤所传输的光功率，可采用大芯径或大数值孔径光纤，甚至采用光纤传光束或塑料光纤，以提高与光源的大数值孔径光纤，甚至采用光纤传光束或塑料光纤，以提高与光源的耦合效率。在相位调制型光纤传感器中，为了获得测试光信号与参考耦合效率。在相位调制型光纤传感器中，为了获得测试光信号与参考光信号间高的相干度，而采用保偏光纤，使测试光纤与参考光纤输出光信号间高的相干度，而采用保偏光纤
16、，使测试光纤与参考光纤输出的光信号的振动方向一致。的光信号的振动方向一致。上一页 下一页返回10.1光纤传感技术概述光纤传感技术概述而在偏振调制型光纤传感器中，要求光信号的偏振态能敏感外界被测而在偏振调制型光纤传感器中，要求光信号的偏振态能敏感外界被测量的变化，则必须使光纤的线双折射尽量地低，如用低双折射液芯光量的变化，则必须使光纤的线双折射尽量地低，如用低双折射液芯光纤。在分布式光纤传感器中，为测量不同点的参量，可采用掺杂（如纤。在分布式光纤传感器中，为测量不同点的参量，可采用掺杂（如某些稀土元素或过渡金属离子）光纤或光栅光纤等。某些稀土元素或过渡金属离子）光纤或光栅光纤等。10.1.3光纤
17、传感器的分类光纤传感器的分类光纤传感器分类通常有三种分类法，分别是按传感原理（调制区）分光纤传感器分类通常有三种分类法，分别是按传感原理（调制区）分类法、按光纤中光波调制方式分类法和按测量对象分类法等。类法、按光纤中光波调制方式分类法和按测量对象分类法等。上一页 下一页返回10.1光纤传感技术概述光纤传感技术概述一、一、 传感原理分类法传感原理分类法被测信号对光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区。根据调制区被测信号对光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区。根据调制区以及光纤在光纤传感器中的作用，可将光纤传感器分为非功能型（传以及光纤在光纤传感器中的作用，可将光纤传感器分为非功能型（传光型，光
18、型，Non Functional Fiber，NFF型型)光纤传感器和功能型（传感光纤传感器和功能型（传感型，型，Functional Fiber，FF型型)光纤传感器。光纤传感器。1. 非功能型（或称传光型）光纤传感器非功能型（或称传光型）光纤传感器在传光型光纤传感器中（如在传光型光纤传感器中（如图图10-2所示），调制区在光纤之外，被测所示），调制区在光纤之外，被测量通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，发射光纤与接收量通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，发射光纤与接收光纤作为光传输介质，仅起传光作用，光纤作为光传输介质，仅起传光作用，上一页 下一页返回10.1光纤传感技术概
19、述光纤传感技术概述对被测量的对被测量的“感知感知”功能依靠其他功能元件完成。传感器中的光纤不功能依靠其他功能元件完成。传感器中的光纤不连续，有中断，中断部分接其他敏感元件。传光型光纤传感器调制器连续，有中断，中断部分接其他敏感元件。传光型光纤传感器调制器主要利用已有的其他敏感材料，作为其敏感元件。这样可以利用现有主要利用已有的其他敏感材料，作为其敏感元件。这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。传光介质光纤采用通信的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。传光介质光纤采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求。目前，传光型光纤传感器占光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求。目前，传光
20、型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数。据了光纤传感器的绝大多数。上一页 下一页返回10.1光纤传感技术概述光纤传感技术概述2. 功能型（或称传感型）光纤传感器功能型（或称传感型）光纤传感器传感型光纤传感器调制区位于光纤内，被测量通过直接改变光纤的某传感型光纤传感器调制区位于光纤内，被测量通过直接改变光纤的某些传输特征参量对光波实施调制。传感型光纤传感器利用对被测量具些传输特征参量对光波实施调制。传感型光纤传感器利用对被测量具有敏感和检测功能的光纤有敏感和检测功能的光纤(或特殊光纤或特殊光纤)作传感元件，将作传感元件，将“传传”和和“感感”合为一体。该类传感器中，光纤不仅起传光的作用，同时利用
21、光纤在合为一体。该类传感器中，光纤不仅起传光的作用，同时利用光纤在外界因素外界因素(弯曲、相变等弯曲、相变等)的作用下，使其某些光学特性发生变化，对的作用下，使其某些光学特性发生变化，对输入光产生某种调制作用，使在光纤内传输光的强度、相位、波长、输入光产生某种调制作用，使在光纤内传输光的强度、相位、波长、频率、偏振态等特性发生变化，从而实现传和感的功能。因此，传感频率、偏振态等特性发生变化，从而实现传和感的功能。因此，传感器中与光源耦合的发射光纤和与光探测器耦合的接收光纤为一根连续器中与光源耦合的发射光纤和与光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤，称为传感光纤，故功能型光纤传感器亦称全光纤型光纤
22、传感器，光纤，称为传感光纤，故功能型光纤传感器亦称全光纤型光纤传感器，如如图图10-3所示。所示。上一页 下一页返回10.1光纤传感技术概述光纤传感技术概述传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单，所用光纤连续，传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单，所用光纤连续，可少用光耦合器件。但是，为了使光纤能感知外界被测量，往往需要可少用光耦合器件。但是，为了使光纤能感知外界被测量，往往需要采用特殊光纤来做敏感元件，这样增加了传感器的制造难度。随着对采用特殊光纤来做敏感元件，这样增加了传感器的制造难度。随着对光纤传感器基本原理的深入研究和各种特殊光纤的大量问世，高灵敏光纤传感器基本原理的
23、深入研究和各种特殊光纤的大量问世，高灵敏度的功能型光纤传感器将得到更广泛的应用。度的功能型光纤传感器将得到更广泛的应用。二、二、 光波调制方式分类法光波调制方式分类法光纤传感器原理的核心是如何利用光的各种效应，实现对外界被测量光纤传感器原理的核心是如何利用光的各种效应，实现对外界被测量的的“传传”和和“感感”的功能。从图的功能。从图10-2和图和图10-3可知，光纤传感技术的可知，光纤传感技术的核心即被测量对光波的被调制。研究光纤传感器的调制，就是研究光核心即被测量对光波的被调制。研究光纤传感器的调制，就是研究光在调制区与外界被测量的相互作用。被测量可能引起光的某些特性在调制区与外界被测量的相
24、互作用。被测量可能引起光的某些特性（如强度、相位、波长、频率、偏振态等）变化，从而构成强度、相（如强度、相位、波长、频率、偏振态等）变化，从而构成强度、相位、频率、波长和偏振态等调制。根据被测量调制的光波的特征参量位、频率、波长和偏振态等调制。根据被测量调制的光波的特征参量的变化情况，可将光波的调制分为：强度调制、相位调制、波长调制、的变化情况，可将光波的调制分为：强度调制、相位调制、波长调制、频率调制和偏振调制五种类型。频率调制和偏振调制五种类型。上一页 下一页返回10.1光纤传感技术概述光纤传感技术概述三、三、 按测量对象分类法按测量对象分类法光纤传感器按测量对象的不同，如温度、压力、应变
25、、电流等，可分光纤传感器按测量对象的不同，如温度、压力、应变、电流等，可分为光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤应变传感器、光纤电流传为光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤应变传感器、光纤电流传感器等。感器等。 10.1.4光纤传感器的特点光纤传感器的特点光纤传感器与传统传感器相比，其主要特点是：光纤传感器与传统传感器相比，其主要特点是：(1) 抗电磁干扰，电绝缘性好，耐腐蚀，本质安全。由于光纤传感器抗电磁干扰，电绝缘性好，耐腐蚀，本质安全。由于光纤传感器利用光波获取和传递信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀，本质安全的利用光波获取和传递信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀，本质安全的传输介质，不受电磁干
26、扰，也不影响外界的电磁场，对被测介质影响传输介质，不受电磁干扰，也不影响外界的电磁场，对被测介质影响小。这使它在电力、石油、化工、冶金等强电磁干扰、易燃、易爆、小。这使它在电力、石油、化工、冶金等强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀等恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离的有效传感。强腐蚀等恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离的有效传感。上一页 下一页返回10.1光纤传感技术概述光纤传感技术概述(2) 灵敏度高。利用光波干涉技术和长光纤可使不少光纤传感器的灵灵敏度高。利用光波干涉技术和长光纤可使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。敏度优于一般的传感器。(3) 光纤质量轻、体积小、外形可
27、变。利用光纤这些特点可构成外形光纤质量轻、体积小、外形可变。利用光纤这些特点可构成外形各异、尺寸可变的各种传感器。各异、尺寸可变的各种传感器。(4) 测试对象广泛。目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、速测试对象广泛。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、电压、磁场、电场、度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电压、磁场、电场、核辐射等光纤传感器。核辐射等光纤传感器。(5) 光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗小，光纤传感器频带光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗小，光纤传感器频带宽，便于复用和构成网络，利用现有光纤通信技术组成遥测传感网
28、络，宽，便于复用和构成网络，利用现有光纤通信技术组成遥测传感网络，进行超高速测量，灵敏度和线性度好。进行超高速测量，灵敏度和线性度好。(6) 成本低。有些光纤传感器其成本将大大低于现有同类传感器；而成本低。有些光纤传感器其成本将大大低于现有同类传感器；而有些光纤传感器由于其特殊性能，它与现有仪器结合，将使其性价比有些光纤传感器由于其特殊性能，它与现有仪器结合，将使其性价比大大提高。大大提高。上一页返回10.2光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器为便于对光纤传感器的本质特性的理解，下面按光纤传感器中光调制为便于对光纤传感器的本质特性的理解，下面按光纤传感器中光调制方式分类介绍不同种类光纤传感
29、的工作原理及应用。方式分类介绍不同种类光纤传感的工作原理及应用。光强调制是光纤传感技术中相对比较简单，使用最广泛的一种调制方光强调制是光纤传感技术中相对比较简单，使用最广泛的一种调制方法。其基本原理是利用被测量的变化引起敏感元件的折射率、吸收或法。其基本原理是利用被测量的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，来改变光纤中传输光波反射等参数的变化，来改变光纤中传输光波(宽谱光或特定波长的光宽谱光或特定波长的光)的强度的强度(即调制即调制)，再通过测量输出光强的变化，再通过测量输出光强的变化(解调解调)实现对被测量的实现对被测量的测量。优点是结构简单、容易实现、成本低；缺点是受光源强度
30、波动测量。优点是结构简单、容易实现、成本低；缺点是受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。和连接器损耗变化等影响较大。下一页返回10.2光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器 10.2.1非功能型光强调制非功能型光强调制非功能型光强调制方法很多，基本调制方式大致可分为：光束切割型、非功能型光强调制方法很多，基本调制方式大致可分为：光束切割型、光闸型、松耦合型和物理效应型等。光闸型、松耦合型和物理效应型等。一、一、 光束切割型光强调制光束切割型光强调制光束切割式光强调制的基本原理是，被测量按照一定的规律控制接收光束切割式光强调制的基本原理是，被测量按照一定的规律控制接收光纤的入射端或发射光纤
31、的出射端，或特定的反射或透射光学元件，光纤的入射端或发射光纤的出射端，或特定的反射或透射光学元件，使其产生相应的线位移或角位移，导致进入接收光纤的光束被切割，使其产生相应的线位移或角位移，导致进入接收光纤的光束被切割，从而对光纤传输的光强进行调制。从而对光纤传输的光强进行调制。上一页 下一页返回10.2光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器图图10-4为透射式光纤相对位移型光强调制示意图。其特点是，发射光为透射式光纤相对位移型光强调制示意图。其特点是，发射光纤与接收光纤的端面均为垂直纤轴的平面，两端面相距纤与接收光纤的端面均为垂直纤轴的平面，两端面相距23 m。通。通常发射光纤固定不动，使接
32、收光纤的入射端受被测量控制而相对发射常发射光纤固定不动，使接收光纤的入射端受被测量控制而相对发射光纤的出射端产生微量横向位移、纵向位移或角位移光纤的出射端产生微量横向位移、纵向位移或角位移图图10-4（a）(c)，于是进入接收光纤的光束强度受位移，于是进入接收光纤的光束强度受位移(即被测量即被测量)调制。为了调制。为了消除光源波动的影响，还可采用差动接收方式消除光源波动的影响，还可采用差动接收方式图图10-4(d)，以提，以提高测量精度。高测量精度。上一页 下一页返回10.2光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器图图10-5为透射式光束位移型光强调制的示意图。其特点是，发射光纤为透射式光束位
33、移型光强调制的示意图。其特点是，发射光纤与接收光纤固定不动，在两光纤端面之间加入某种形式的光学元件与接收光纤固定不动，在两光纤端面之间加入某种形式的光学元件(如球透镜、楔镜等如球透镜、楔镜等)，被测量通过横向移动光学元件使光束位移来调，被测量通过横向移动光学元件使光束位移来调制进入接收光纤的光强。制进入接收光纤的光强。图图10-5(a)为移动球透镜式移束光强调制，为移动球透镜式移束光强调制，其灵敏度高，线性好；其灵敏度高，线性好；图图10-5(b)为楔镜式移束光强调制。为楔镜式移束光强调制。图图10-6为反射式光束位移型光强调制的示意图。其特点是，自发射光为反射式光束位移型光强调制的示意图。其
34、特点是，自发射光纤中射出的光束经过受被测量控制的反射面反射后，直接或经过转换纤中射出的光束经过受被测量控制的反射面反射后，直接或经过转换光学系统进入接收光纤，被测量通过控制反射面与接收光纤入射端面光学系统进入接收光纤，被测量通过控制反射面与接收光纤入射端面的相对线位移或角位移，使进入接收光纤的光束受到切割，从而对光的相对线位移或角位移，使进入接收光纤的光束受到切割，从而对光纤中的光强进行调制。一般情况下发射光纤为单根光纤，接收光纤可纤中的光强进行调制。一般情况下发射光纤为单根光纤，接收光纤可以与发射光纤合并为一根，也可以是独立的单根光纤或按一定规律排以与发射光纤合并为一根，也可以是独立的单根光
35、纤或按一定规律排列的光纤束，光纤端面与其轴线垂直。反射面可以是专设的平面镜或列的光纤束，光纤端面与其轴线垂直。反射面可以是专设的平面镜或棱镜，也可以是一般物体的反射面或漫射面。棱镜，也可以是一般物体的反射面或漫射面。上一页 下一页返回10.2光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器二、二、 光闸型光强调制光闸型光强调制光闸型光强调制的基本原理是，在发射光纤与接收光纤之间加置一定光闸型光强调制的基本原理是，在发射光纤与接收光纤之间加置一定形式的光闸，对进入接收光纤的光束产生一定程度的遮挡，被测量通形式的光闸，对进入接收光纤的光束产生一定程度的遮挡，被测量通过控制光闸的位移来制约遮光程度，实现对进
36、入接收光纤的光强进行过控制光闸的位移来制约遮光程度，实现对进入接收光纤的光强进行调制。如调制。如图图10-7所示，光闸的形式很多，有简单的遮光片式、散光式，所示，光闸的形式很多，有简单的遮光片式、散光式，也有比较复杂的光栅式、码盘式等。也有比较复杂的光栅式、码盘式等。三、三、 松耦合式光强调制松耦合式光强调制如如图图10-8所示，松耦合式光强调制的基本原理是，当两根光纤的全反所示，松耦合式光强调制的基本原理是，当两根光纤的全反射面靠近时，将产生模式耦合，光能从一根光纤耦合到另一根光纤中射面靠近时，将产生模式耦合，光能从一根光纤耦合到另一根光纤中去，称为松耦合。被测量通过控制松耦合区的长度或两光
37、纤的距离去，称为松耦合。被测量通过控制松耦合区的长度或两光纤的距离(即控制光波耦合程度即控制光波耦合程度)来对接收光纤中的光强进行调制。来对接收光纤中的光强进行调制。上一页 下一页返回10.2光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器四、四、 物理效应型光强调制物理效应型光强调制目前用于非功能型光强调制的物理效应主要有热色效应、荧（磷）光目前用于非功能型光强调制的物理效应主要有热色效应、荧（磷）光效应、透明度效应和热辐射效应等。效应、透明度效应和热辐射效应等。1.热色效应型光强调制热色效应型光强调制热色效应是指某些物质热色效应是指某些物质(例如钴盐溶液例如钴盐溶液)的光吸收谱强烈地随温度变化的光
38、吸收谱强烈地随温度变化而变化的物理特性。具有热色效应的物质称为热色物质。例如用白炽而变化的物理特性。具有热色效应的物质称为热色物质。例如用白炽灯照射热色溶液灯照射热色溶液(溶于异丙基乙醇中的溶于异丙基乙醇中的CoCl26H2O溶液溶液)时，其光吸时，其光吸收谱如收谱如图图10-9所示。吸收谱特征是：在光波长所示。吸收谱特征是：在光波长655 nm处形成一个强处形成一个强吸收带，光透过率几乎与温度呈线性关系；而在光波长吸收带，光透过率几乎与温度呈线性关系；而在光波长800 nm处为处为极弱吸收带，光透过率几乎与温度变化无关。而且这种热色效应完全极弱吸收带，光透过率几乎与温度变化无关。而且这种热色
39、效应完全可逆的。因此，外界温度的变化可通过热色物质对波长可逆的。因此，外界温度的变化可通过热色物质对波长655 nm处的处的光强进行调制。为了消除光源波动对测量精度的影响，还可取波长光强进行调制。为了消除光源波动对测量精度的影响，还可取波长800 nm处的光强作为参考信号。利用这一效应可以制成热色效应光处的光强作为参考信号。利用这一效应可以制成热色效应光强调制型光纤温度传感器。强调制型光纤温度传感器。上一页 下一页返回10.2光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器2.荧荧(磷磷)光效应型光强调制光效应型光强调制荧光效应是指某些荧光物质的荧光特性随温度变化的物理特性。荧光荧光效应是指某些荧光物
40、质的荧光特性随温度变化的物理特性。荧光物质的荧光现象一般遵循斯托克斯或反斯托克斯定律，长波长光辐射物质的荧光现象一般遵循斯托克斯或反斯托克斯定律，长波长光辐射(如如LED发出的红外光发出的红外光)被荧光物质吸收，通过双光子效应激发出短波被荧光物质吸收，通过双光子效应激发出短波长辐射长辐射(可见光可见光)的荧光现象称为斯托克斯或上转换荧光现象。短波长的荧光现象称为斯托克斯或上转换荧光现象。短波长光辐射光辐射(紫外线、紫外线、X射线射线)被荧光物质吸收，激发出长波长光辐射被荧光物质吸收，激发出长波长光辐射(可见可见光光)的荧光现象称为反斯托克斯或下转换荧光现象。的荧光现象称为反斯托克斯或下转换荧光
41、现象。由于双光子过程致使荧光粉发射出由于双光子过程致使荧光粉发射出554 nm的绿光，经的绿光，经3 dB耦合器后耦合器后通过接收光纤送至探测器通过接收光纤送至探测器D检测、处理，解调出探头处的温度检测、处理，解调出探头处的温度T0。上一页 下一页返回10.2光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器3. 透明度效应透明度效应透明度效应主要是指某些物质透明度随被测量变化而变化的物理效应。透明度效应主要是指某些物质透明度随被测量变化而变化的物理效应。如某些化学试剂对一定波长光的透明度随溶液如某些化学试剂对一定波长光的透明度随溶液pH值变化，某些半导值变化，某些半导体材料对一定波长光的透明度随外界温
42、度变化等。利用这一物理效应体材料对一定波长光的透明度随外界温度变化等。利用这一物理效应可实现被测量对光纤中一定波长光的强度进行调制。可实现被测量对光纤中一定波长光的强度进行调制。(1) 化学试剂透明度效应型光强调制。某些化学试剂的透明度对溶液化学试剂透明度效应型光强调制。某些化学试剂的透明度对溶液的的pH值很敏感。如酚红的透明度在红光区值很敏感。如酚红的透明度在红光区(630 nm)对溶液的对溶液的pH值很敏感，而在绿光处值很敏感，而在绿光处(560 nm)则与则与pH值无关；而溴酚蓝值无关；而溴酚蓝在绿光处在绿光处(590 nm)对对pH值很敏感，利用这一效应可以制成测量值很敏感，利用这一效
43、应可以制成测量溶液溶液pH值的光纤传感器。酚红透明度效应主要用于生理值的光纤传感器。酚红透明度效应主要用于生理pH值测量，值测量，溴酚蓝主要用于水溴酚蓝主要用于水pH值测量。值测量。上一页 下一页返回10.2光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器(2)半导体透明度效应型光强调制。多数半导体材料具有陡峭的吸收半导体透明度效应型光强调制。多数半导体材料具有陡峭的吸收端特性，即凡波长大于吸收端的光波都能穿透，而小于吸收端波长的端特性，即凡波长大于吸收端的光波都能穿透，而小于吸收端波长的光波全被吸收。在吸收端波长光波全被吸收。在吸收端波长g附近的一段范围内透过率曲线为一附近的一段范围内透过率曲线为一
44、定斜率的斜线，如定斜率的斜线，如图图10-11所示。所示。当温度升高时，半导体的透过率曲线向长波方向平移，吸收端波长当温度升高时，半导体的透过率曲线向长波方向平移，吸收端波长g变长。因此，当所选择的光源的辐射谱与变长。因此，当所选择的光源的辐射谱与g相适应时，光通过相适应时，光通过半导体时透过率半导体时透过率（，T）将随温度）将随温度(T)升高而呈线性规律递减。升高而呈线性规律递减。利用这一物理效应，可实现被测量利用这一物理效应，可实现被测量(温度温度)对光纤中的光波强度调制。对光纤中的光波强度调制。例如例如GaAs、CdTe材料的吸收范围在材料的吸收范围在900 nm附近。利用半导体透明附近
45、。利用半导体透明度效应研制的半导体光纤温度传感器如度效应研制的半导体光纤温度传感器如图图10-12所示。所示。图图10-12(a)为为透射式结构，透射式结构，图图10-12(b)为反射式结构，反射式传感头输入为反射式结构，反射式传感头输入/输出光纤输出光纤由由Y形分路器与传感头相连接。形分路器与传感头相连接。上一页 下一页返回10.2光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器这种光纤温度传感器测量温度范围这种光纤温度传感器测量温度范围0200 ，精度，精度1 ，体积小，体积小，传感头尺寸传感头尺寸3 mm5 mm左右，比较适合于电力变压器或大型发电左右，比较适合于电力变压器或大型发电机内部温升的
46、测量。机内部温升的测量。4. 热辐射效应型光强调制热辐射效应型光强调制根据普朗克根据普朗克(Planck)黑体辐射定律，如果已知物体的比辐射黑体辐射定律，如果已知物体的比辐射，则，则测出某一波长下的功率密度测出某一波长下的功率密度B就可求得热辐射体的温度。根据这一原就可求得热辐射体的温度。根据这一原理可制成热辐射光纤温度传感器。该类型光纤温度传感器属被动式光理可制成热辐射光纤温度传感器。该类型光纤温度传感器属被动式光强调制，它不需要外加光源，而直接由接收光纤或由蓝宝石光纤制成强调制，它不需要外加光源，而直接由接收光纤或由蓝宝石光纤制成的黑体腔收集外界热辐射，然后传输光纤送到探测器探测及数据处理
47、。的黑体腔收集外界热辐射，然后传输光纤送到探测器探测及数据处理。上一页 下一页返回10.2光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器蓝宝石光纤高温计（如蓝宝石光纤高温计（如图图10-13所示）由蓝宝石光纤黑体腔、传导光所示）由蓝宝石光纤黑体腔、传导光纤、光电探测和放大器、数据采集装置及计算机系统等部分组成。黑纤、光电探测和放大器、数据采集装置及计算机系统等部分组成。黑体腔置于温度测点上，对高温进行测量。蓝宝石光纤黑体腔目前主要体腔置于温度测点上，对高温进行测量。蓝宝石光纤黑体腔目前主要有两种制作方法，一种是在蓝宝石单晶光纤的一端涂证样高发射率的有两种制作方法，一种是在蓝宝石单晶光纤的一端涂证样高
48、发射率的感温介质陶瓷薄层感温介质陶瓷薄层,并经高温烧结形成微型光纤感温黑体腔并经高温烧结形成微型光纤感温黑体腔,这种感温这种感温介质必须能满足耐高温、稳定性好、且与蓝宝石单晶光纤基体结合牢介质必须能满足耐高温、稳定性好、且与蓝宝石单晶光纤基体结合牢固等一系列苛刻的要求。另一种是以蓝宝石单晶光纤为基体，在其一固等一系列苛刻的要求。另一种是以蓝宝石单晶光纤为基体，在其一端溅射铱贵金属感温介质薄膜，构成体积微小的感温黑体腔端溅射铱贵金属感温介质薄膜，构成体积微小的感温黑体腔(热传感热传感头头)。上一页 下一页返回10.2光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器由于比辐射率由于比辐射率（，T）不是常数
49、，蓝宝石光纤高温计通常采用双波）不是常数，蓝宝石光纤高温计通常采用双波长探测。设在波长长探测。设在波长1、2下测得功率密度分别为下测得功率密度分别为B1、B，则得温度，则得温度测点温度为测点温度为式中，式中，C1、C2分别为第一、第二辐射系数。分别为第一、第二辐射系数。上一页 下一页返回10.2光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器 10.2.2功能型光强调制功能型光强调制功能型光强调制区发生在传感光纤内，其基本原理是被测量通过改变功能型光强调制区发生在传感光纤内，其基本原理是被测量通过改变传感光纤的外形、纤芯与包层折射率比、吸收特性及模耦合特性等方传感光纤的外形、纤芯与包层折射率比、吸收特
50、性及模耦合特性等方法对光纤传输的光波强度进行调制。法对光纤传输的光波强度进行调制。一、一、 微弯损耗型光强调制微弯损耗型光强调制当光纤的空间状态发生微小弯曲时，会引起光纤中的模式耦合，其中当光纤的空间状态发生微小弯曲时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，即微弯损耗。光纤微弯损有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，即微弯损耗。光纤微弯损耗与宏观弯曲损耗的机制类似，源于空间滤波、模式泄漏和模式耦合耗与宏观弯曲损耗的机制类似，源于空间滤波、模式泄漏和模式耦合效应，但起主导作用的是模式耦合，即纤芯中传输的导模耦合到辐射效应，但起主导作用的是模式耦合，即纤芯中传输的导模耦
