1、2022-8-15电子科大传感器第七章光纤传感器1电子科大传感器第七章电子科大传感器第七章光纤传感器光纤传感器电子科大传感器第七章光纤传感器1一、概论一、概论二、光导纤维以及光在其中的传播二、光导纤维以及光在其中的传播三、光纤传感器的光源三、光纤传感器的光源四、光纤传感器用光探测器四、光纤传感器用光探测器五、光调制技术五、光调制技术六、光纤位移传感器六、光纤位移传感器七、光纤速度、加速度传感器七、光纤速度、加速度传感器八、光纤振动传感器八、光纤振动传感器九、光纤温度传感器九、光纤温度传感器本章小结本章小结目目 录录电子科大传感器第七章光纤传感器1一、概一、概 论论1 1、光纤传感器技术的形成、
2、光纤传感器技术的形成2 2、光纤传感器技术的特点、光纤传感器技术的特点3 3、光纤传感器的组成与分类、光纤传感器的组成与分类电子科大传感器第七章光纤传感器11 1、光纤传感器技术的形成、光纤传感器技术的形成p光纤传感器技术是上世纪70年代末发展起来的一门崭新的技术，是传感器技术的新成就。p光纤传感器是随着光导纤维实用化与光通信技术的发展而形成的。光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通信技术中。p在实际光通信过程中发现,。因此，科技人员推测，如果能测量出光波量变化的大小，就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小，于是就出现了光纤传感器技术。电子科大传感器第七章光
3、纤传感器12 2、光纤传感器技术的特点、光纤传感器技术的特点p光纤传感器较传统的传感器相比有许多特点：灵敏度高结构简单体积小耗电量少耐腐蚀绝缘性好光路可弯曲便于实现远调（远距离调控）。p光纤传感器技术是一门多学科性科学，涉及知识面广泛，如纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术和微型计算机应用等。电子科大传感器第七章光纤传感器13 3、光纤传感器的组成与分类、光纤传感器的组成与分类（1）功能性光纤传感器（2）传光型光纤传感器电子科大传感器第七章光纤传感器1（1 1）功能型光纤传感器）功能型光纤传感器p 利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感 器，称为功能型传感器功能型传感器。电子科大
4、传感器第七章光纤传感器1（2 2）传光型光纤传感器）传光型光纤传感器l一种是将敏感元件置于入射与接收光纤中间，在被测对象的作用下，或使敏感元件遮断光路，或使敏感元件的光透射率发生变化，这样，光探测器通光量便成为被测对象调制后的信号；另一种是在光纤一端设置“敏感元件+发光元件”的组合部件，敏感元件感受被测对象的作用并将其转换为电信号后作用于发光元件，而发光元件的发光强度作为测量所得的信息。光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他敏感元件才能构成传感器，称为敏感元件才能构成传感器，称为传光型传感器传光型传感器。有两种形式：有两种形式：
5、电子科大传感器第七章光纤传感器1二、光导纤维以及光在其中的传播二、光导纤维以及光在其中的传播传播原理：全反射传播原理：全反射光纤基本结构光纤基本结构光线传输光线传输电子科大传感器第七章光纤传感器1三、光纤传感器的光源三、光纤传感器的光源1 1、光纤传感器光源要求、光纤传感器光源要求2 2、光纤传感器光源分类、光纤传感器光源分类电子科大传感器第七章光纤传感器11 1、光纤传感器光源要求、光纤传感器光源要求由于光纤传感器结构所限，要求由于光纤传感器结构所限，要求光源的体积小光源的体积小，便于与光纤耦合；便于与光纤耦合；光源要有光源要有足够的亮度足够的亮度，以提高传感器输出的光功，以提高传感器输出的
6、光功率；率；光源发出的光波长应适合光源发出的光波长应适合，以减少光波在光纤中，以减少光波在光纤中传播时的能量损耗；传播时的能量损耗；光源工作时光源工作时稳定性好、噪声小稳定性好、噪声小，能在室温下连续，能在室温下连续长期工作；长期工作；光源要光源要便于维护，使用方便便于维护，使用方便。电子科大传感器第七章光纤传感器12 2、光纤传感器光源分类、光纤传感器光源分类p非相干光源非相干光源包括白炽光源与发光二极管；包括白炽光源与发光二极管；p相干光源相干光源包括各种激光器：半导体激光器、氦氖激光器、包括各种激光器：半导体激光器、氦氖激光器、固体激光器；固体激光器；在大多数光纤传感器中希望使用相干光源
7、。在大多数光纤传感器中希望使用相干光源。电子科大传感器第七章光纤传感器1四、光纤传感器用光探测器四、光纤传感器用光探测器p光纤传感器用光探测器的要求p光纤传感器用光探测器的分类电子科大传感器第七章光纤传感器1p 光纤传感器用光探测器的要求光纤传感器用光探测器的要求(1)(1)线性好，按比例地将光信号转换为电信号；线性好，按比例地将光信号转换为电信号；(2)(2)灵敏度高，能敏感微小的输入光信号，并输出较灵敏度高，能敏感微小的输入光信号，并输出较 大的电信号；大的电信号；(3)(3)响应频带宽、响应速度快、动态特性好响应频带宽、响应速度快、动态特性好；(4)(4)性能稳定、噪声小性能稳定、噪声小
8、等。等。电子科大传感器第七章光纤传感器1p 光纤传感器用光探测器的分类光纤传感器用光探测器的分类光电二极管光电二极管光敏电阻光敏电阻光电池光电池电子科大传感器第七章光纤传感器1五、光调制技术五、光调制技术 按照调制方式分类，光调制可以分按照调制方式分类，光调制可以分为：（为：（1 1）强度调制；（）强度调制；（2 2）相位调制；）相位调制；(3)(3)偏振调制；（偏振调制；（4 4）频率调制；（）频率调制；（5 5）波长调制波长调制电子科大传感器第七章光纤传感器1p 相位调制与干涉测量相位调制与干涉测量1 1）光学干涉仪的共同特点）光学干涉仪的共同特点2)2)四种相位调制类型的光纤干涉仪的结构
9、四种相位调制类型的光纤干涉仪的结构3 3）四种相位调制类型的光纤干涉仪的工作原理）四种相位调制类型的光纤干涉仪的工作原理电子科大传感器第七章光纤传感器11 1）光学干涉仪的共同持点）光学干涉仪的共同持点 光学干涉仪的共同持点是它们的相干光在空气中传播，光学干涉仪的共同持点是它们的相干光在空气中传播，由于空气受环境温度变化的影响，引起空气的折射扰动及声由于空气受环境温度变化的影响，引起空气的折射扰动及声波干扰，这种影响都会导致空气光程的变化，从而引起干涉波干扰，这种影响都会导致空气光程的变化，从而引起干涉测量工作不稳定，以致准确度降低。测量工作不稳定，以致准确度降低。利用利用单模光纤单模光纤作干
10、涉仪的光路，就可以排除上述影响，作干涉仪的光路，就可以排除上述影响，并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制，从而可以制并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制，从而可以制造出千米量级光路长度的光纤干涉仪。造出千米量级光路长度的光纤干涉仪。电子科大传感器第七章光纤传感器12 2）四种相位调制类型的光纤干涉仪的结构）四种相位调制类型的光纤干涉仪的结构 a：迈克尔逊干涉仪；：迈克尔逊干涉仪；b：马赫：马赫-泽德干涉仪；泽德干涉仪；c：塞格纳克干涉仪；：塞格纳克干涉仪；d：法布里：法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪电子科大传感器第七章光纤传感器13 3）四种相位调制光纤干涉仪的工作原理）四种相位调制光纤干
11、涉仪的工作原理 在四种干涉仪中在四种干涉仪中,以一个或两个以一个或两个3dB3dB耦合器取代了分光耦合器取代了分光器，光纤光程取代了空气光程，并且这些干涉仪中都是以光器，光纤光程取代了空气光程，并且这些干涉仪中都是以光纤作为相位调制元件（传感器），被测物理量作用于光纤传纤作为相位调制元件（传感器），被测物理量作用于光纤传感器，导致其光纤中光相位的变化或光的相位调制。感器，导致其光纤中光相位的变化或光的相位调制。电子科大传感器第七章光纤传感器1 当真空中波长为当真空中波长为的光入射到长度为的光入射到长度为L L的光纤时的光纤时,若若以其入射端面为基准，则出射光的相位为：以其入射端面为基准，则出射
12、光的相位为：式中：式中：K K0 0为光在真空中的传播常数，为光在真空中的传播常数，n n为纤芯折射率。为纤芯折射率。由此可见由此可见:纤芯折射率的变化及光纤长度的变化纤芯折射率的变化及光纤长度的变化,都都 会导致光相位的变化。即：会导致光相位的变化。即：电子科大传感器第七章光纤传感器1p 频率调制频率调制1 1）光学多普勒频移原理）光学多普勒频移原理2 2）激光多谱勒测速系统）激光多谱勒测速系统电子科大传感器第七章光纤传感器11 1）光学多普勒频移原理）光学多普勒频移原理从物理学知，光学中的多普勒现象是指由于观察者和目从物理学知，光学中的多普勒现象是指由于观察者和目标的相对运动，使观察者接收
13、到的光波频率产生变化的标的相对运动，使观察者接收到的光波频率产生变化的现象。现象。多普勒频移基本公式多普勒频移基本公式(见下面）。见下面）。电子科大传感器第七章光纤传感器1 多普勒频移基本公式多普勒频移基本公式 如一频率为如一频率为f f的静止光源入射到速度为的静止光源入射到速度为v v的运动物体上时，从运的运动物体上时，从运动物体上观测的频率来看，有：动物体上观测的频率来看，有：其中：其中：c c为真空中光速，为真空中光速，为物体至光源方向与物体运动方为物体至光源方向与物体运动方向之向之间的夹角。间的夹角。但是，一般最关心的还是运动物体所散射的光的但是，一般最关心的还是运动物体所散射的光的频
14、移频移,而光而光源与源与观察者则是相对静止的。对于这种情况，可以作为一个双重多普观察者则是相对静止的。对于这种情况，可以作为一个双重多普勒勒频移频移来考虑，即先考虑从光源到运动物体，然后再考虑从运动物来考虑，即先考虑从光源到运动物体，然后再考虑从运动物体体到观察者。到观察者。f1=f1-(v/c)21/21-(v/c)cos f1+(v/c)cos电子科大传感器第七章光纤传感器1 双重多普勒双重多普勒频移频移l物体物体P P相对于光源相对于光源S S运动时，在运动时，在P P点观察到的光频率点观察到的光频率f f1 1为：为：f f1 1=f1-(v/c)=f1-(v/c)2 2 1/21/2
15、1-(v/c)cos1-(v/c)cos1 1 l频率频率f f1 1的光通过物体的光通过物体P P产生散射，在产生散射，在Q Q处所观察到的光频率处所观察到的光频率f f2 2为：为：f f2 2=f=f1 11-(v/c)1-(v/c)2 2 1/21/21-(v/c)cos1-(v/c)cos2 2 l联立，并考虑到联立，并考虑到vcvc，可近似把双重多普勒频移公式表示为：，可近似把双重多普勒频移公式表示为：f f2 2=f1-(v/c)cos=f1-(v/c)cos1 1+cos+cos2 2其中：其中：S S为光源，为光源，P P为运动物体，为运动物体，QQ是观是观 察者所处的位置。
16、察者所处的位置。电子科大传感器第七章光纤传感器12 2）激光多谱勒测速系统）激光多谱勒测速系统测测速速点点A偏振片偏振片R 为了区别并消除从发射透镜和光纤前端面反射回来的光，在光为了区别并消除从发射透镜和光纤前端面反射回来的光，在光探测器前装一块偏振片探测器前装一块偏振片R R，从而使光探测器只能检测出与原光束偏振，从而使光探测器只能检测出与原光束偏振方向相垂直的偏振光。方向相垂直的偏振光。后向散射光后向散射光电子科大传感器第七章光纤传感器1p 激光多谱勒测速系统原理激光多谱勒测速系统原理l激光沿着光纤入射到测速点激光沿着光纤入射到测速点A A上，然后上，然后后向散射光后向散射光与光纤与光纤端
17、面的反射或散射光将沿着光纤返回，其中纤维端面的反端面的反射或散射光将沿着光纤返回，其中纤维端面的反射或散射光是作为参考光使用。射或散射光是作为参考光使用。l为了区别并消除从发射透镜和光纤前端面反射回来的光，为了区别并消除从发射透镜和光纤前端面反射回来的光，在光探测器前装一块偏振片在光探测器前装一块偏振片R R，从而使光探测器只能检测，从而使光探测器只能检测出与原光束偏振方向相垂直的偏振光。出与原光束偏振方向相垂直的偏振光。l信号光与参考光一起经光探测器进入频谱分析器处理，最信号光与参考光一起经光探测器进入频谱分析器处理，最后分析器给出测量结果。后分析器给出测量结果。电子科大传感器第七章光纤传感
18、器1六、光纤位移传感器六、光纤位移传感器1 1、简单的光纤开关、定位装置、简单的光纤开关、定位装置2 2、移动球镜光学开关传感器、移动球镜光学开关传感器3 3、反射型光纤位移传感器、反射型光纤位移传感器电子科大传感器第七章光纤传感器11 1、简单的光纤开关、定位装置、简单的光纤开关、定位装置(a)(a)光纤记数装置光纤记数装置(b)(b)编码盘装置编码盘装置(c)(c)定位装置定位装置(d)(d)液位控制装置液位控制装置属传光型光纤传感器属传光型光纤传感器电子科大传感器第七章光纤传感器1（a a）光纤开关、定位装置）光纤开关、定位装置 被记数工件随传送带移被记数工件随传送带移动，一个工件从光纤
19、断开处动，一个工件从光纤断开处通过时，挡光一次，在光纤通过时，挡光一次，在光纤输出端得到一个光脉冲，用输出端得到一个光脉冲，用记数电路和显示装置将通过记数电路和显示装置将通过光纤的工件数显示出来。光纤的工件数显示出来。电子科大传感器第七章光纤传感器1（b b）编码盘装置）编码盘装置 转动的金属盘上穿有透光转动的金属盘上穿有透光孔。当孔与光纤对齐时，在光孔。当孔与光纤对齐时，在光纤输出端就有光脉冲输出，这纤输出端就有光脉冲输出，这是通过孔位的变化对光强进行是通过孔位的变化对光强进行调制。调制。电子科大传感器第七章光纤传感器1（c c）定位装置）定位装置 在大量生产中对工在大量生产中对工件进行重复
20、性加工操作件进行重复性加工操作时，用这种方法对工件时，用这种方法对工件定位。定位。电子科大传感器第七章光纤传感器1（d d）液位控制装置）液位控制装置 用以判断光纤与液面是否用以判断光纤与液面是否接触。当光纤与液面接触时，接触。当光纤与液面接触时，光学界面折射情况改变，从而光学界面折射情况改变，从而使光纤接收端的光强度发生改使光纤接收端的光强度发生改变。光纤接收端面的结构有许变。光纤接收端面的结构有许多种，其基本原理多数是以改多种，其基本原理多数是以改变光线的全反射状况来实现液变光线的全反射状况来实现液位控制的。位控制的。电子科大传感器第七章光纤传感器12 2、移动球镜光学开关传感器、移动球镜
21、光学开关传感器p这是一种高灵敏度面检测装这是一种高灵敏度面检测装置；置；p光强为光强为I I0 0的光束，通过发送的光束，通过发送光纤照射到球镜上，球透镜光纤照射到球镜上，球透镜把光束聚集到两个接收光纤把光束聚集到两个接收光纤的端面上；的端面上；p当球透镜在平衡位置时，从当球透镜在平衡位置时，从两个接收光纤得到的光强两个接收光纤得到的光强I I1 1和和I I2 2是相同的；是相同的；p如果球透镜在垂直于光路的如果球透镜在垂直于光路的方向上产生微小位移时，在方向上产生微小位移时，在两个接收光纤上得到的光强两个接收光纤上得到的光强I I1 1和和I I2 2 将发生变化，光强比将发生变化，光强比
22、值值I I1 1/I/I2 2 的对数值与球透镜的对数值与球透镜位移位移x x呈线性关系，但与初呈线性关系，但与初始光强无关。始光强无关。电子科大传感器第七章光纤传感器1球镜位移与光强比值的变化关系球镜位移与光强比值的变化关系电子科大传感器第七章光纤传感器13 3、反射型光纤位移传感器、反射型光纤位移传感器p光源发出的光进入发送光纤，从光纤测头端面射出，照射到光源发出的光进入发送光纤，从光纤测头端面射出，照射到A A面上，面上，A A面的反射光有一部分进入接收光纤。面的反射光有一部分进入接收光纤。当当A A面到测头端面之间的距离面到测头端面之间的距离z z变变化时，进入接收光纤的光强度随之发生
23、变化化时，进入接收光纤的光强度随之发生变化，从而使光探测器上发出，从而使光探测器上发出的电信号也随之发生变化。这是一种的电信号也随之发生变化。这是一种振幅调制型的位移传感器振幅调制型的位移传感器。反射镜反射镜面面电子科大传感器第七章光纤传感器1七、光纤速度、加速度传感器七、光纤速度、加速度传感器1 1、光纤激光渡越速度计、光纤激光渡越速度计2 2、利用马赫、利用马赫-泽德干涉仪的光纤加速度计泽德干涉仪的光纤加速度计电子科大传感器第七章光纤传感器11 1、光纤激光渡越速度计、光纤激光渡越速度计 激光耦合进梯度光纤，由光纤射出后，由透镜透镜L L1 1准直，再经过涅拉斯顿棱镜涅拉斯顿棱镜P P将激
24、光束分为夹角为夹角为1 1的两束光的两束光。此两束光经过透镜透镜L L2 2在其焦平面焦平面F F2 2上聚成上聚成两个光点。透镜两个光点。透镜L L3 3把两个光点投射到15-45cm远的被测物体上，在被测物体处在被测物体处(如气流如气流)，光束呈，光束呈现出两个光斑。现出两个光斑。将两个斑点连线的方向调整到与气流方向平行，气流中携带的粒子可相继通过两个斑点。1.打印机；2.微计算机；3.相关器；4.鉴频器；5.光探测器；6.激光器；7.接收光纤。电子科大传感器第七章光纤传感器1p 被光班照亮的粒子使光发生散射，散射光进入望近镜望近镜透镜透镜L L4 4，经MM1 1、MM2 2进行两次反射
25、以后在S S平面平面处形成双斑点图像。p调整好接收光纤，使两根光纤的端面分别对准一个光调整好接收光纤，使两根光纤的端面分别对准一个光斑斑。p光纤端面接收到的散射光，经过干涉滤光片后到达光探测器。p根据接收到两个光斑的时间差，以及在流场中两个光根据接收到两个光斑的时间差，以及在流场中两个光斑的距离，通过电路处理，就可以计算出气流的速度。斑的距离，通过电路处理，就可以计算出气流的速度。电子科大传感器第七章光纤传感器12 2、利用马赫、利用马赫-泽德干涉仪的光纤加速度计泽德干涉仪的光纤加速度计 1.氦氖激光器；氦氖激光器；2.12.分束器；分束器；3.反向镜；反向镜；4.11.透镜；透镜；5.单模光
26、纤；单模光纤；6.质量块；质量块；7.顺顺变变 柱体；柱体；8.10.压电变换器；压电变换器；9.驱动器；驱动器；13.光探测器；光探测器；14.差动放大器；差动放大器；15.频谱仪频谱仪电子科大传感器第七章光纤传感器1p 原原 理理激光束通过分束器后分为两束光：透射光作为参考光束，反激光束通过分束器后分为两束光：透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。射光作为测量光束。测量光束经透镜耦合进入单模光纤，单模光纤紧紧缠绕在一测量光束经透镜耦合进入单模光纤，单模光纤紧紧缠绕在一个顺变柱体上，顺变柱体上端固定有质量块。个顺变柱体上，顺变柱体上端固定有质量块。顺变柱体作加速运动时，质量块的惯性力使圆柱
27、体变形，从顺变柱体作加速运动时，质量块的惯性力使圆柱体变形，从而使绕在其上面的单模光纤被拉伸，引起光程差的改变。而使绕在其上面的单模光纤被拉伸，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在分束器处相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束在分束器处会合，产生干涉效应。在垂直位置放置的两个光探测器接收会合，产生干涉效应。在垂直位置放置的两个光探测器接收到亮暗相反的干涉信号，两路电信号由差动放大器处理。到亮暗相反的干涉信号，两路电信号由差动放大器处理。电子科大传感器第七章光纤传感器1八、光纤振动传感器八、光纤振动传感器电子科大传感器第七章光纤传感器1p 原原 理理激光束通过分束器
28、、光纤入射到振动体上的一点，反射光作为信号光束，经过同一光学系统，被引入到探测器。参考光束是从由部分透射面R上反射产生的。在实际系统中，用光纤输出端面作为R面。信号光束只受到垂直振动分量信号光束只受到垂直振动分量U Ucostcost的调制。由于的调制。由于振动体使反射点靠近或远离光纤，从而改变了信号光束振动体使反射点靠近或远离光纤，从而改变了信号光束的光路长度，相应改变了信号光与参考光的相对相位，的光路长度，相应改变了信号光与参考光的相对相位，产生了相位调制。信号光与参考光之间的相位差为产生了相位调制。信号光与参考光之间的相位差为：式中，式中，为激光波长，为激光波长，为光波圆频率。为光波圆频
29、率。电子科大传感器第七章光纤传感器1九、光纤温度传感器九、光纤温度传感器 干涉仪包括激光器、干涉仪包括激光器、扩束器、分束器、两扩束器、分束器、两个显微物镜、两根单个显微物镜、两根单摸光纤（其中一根为摸光纤（其中一根为测量臂，一根为参考测量臂，一根为参考臂）、光探测器等。臂）、光探测器等。p 温度影响相位温度影响相位p 干涉法干涉法电子科大传感器第七章光纤传感器1p 原原 理理l干涉仪工作时，激光器发出的激光束经分束器分别送入长长度基本相同度基本相同的测量光纤与参考光纤，将两根光纤的输出端汇合在一起，则两束光即产生干涉，从而出现了干涉条纹则两束光即产生干涉，从而出现了干涉条纹。l当测量臂光纤受到温度场的作用时，产生相位变化，从而当测量臂光纤受到温度场的作用时，产生相位变化，从而引起干涉条纹的移动引起干涉条纹的移动。l干涉条纹移动的数量将反映出被测温度的变化干涉条纹移动的数量将反映出被测温度的变化。l光探测器接收干涉条纹的变化信息，并输入列适当的数据处理系统，最后得到测量结果。2022-8-15电子科大传感器第七章光纤传感器1
