1、光纤传感优点光纤传感优点：灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可桡性、可实现不带电灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可桡性、可实现不带电的全光型探头；的全光型探头；频带宽动态范围大；频带宽动态范围大；可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器；可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器；便于与计算机和光纤传输系统相连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易于实现系统的遥测和控制可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境；可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境；结构简单、体积小、重量轻、耗能少结构简单、体积小、重量轻、耗能少应用：应用：磁、声、压力、温度、加速
2、度、陀螺、位移、液面、转矩、磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。光声、电流和应变等物理量的测量。上一页下一页返 回 光纤传感器始于光纤传感器始于1977年，经过年，经过20多年，目前已进入研究与应用多年，目前已进入研究与应用并重阶段。并重阶段。6.1 光纤的传光原理与特性光纤的传光原理与特性6.2 传输光的调制技术传输光的调制技术6.3 强度调制光纤传感器强度调制光纤传感器6.4 相位调制光纤传感器相位调制光纤传感器上一页下一页返 回6.1.1 光纤的结构光纤的结构6.1.2 光纤的分类光纤的分类6.1.3 光纤的传光原理光纤的传光原理6.1.4
3、 光纤的传光特性光纤的传光特性上一页下一页返 回上一页下一页返 回上一页下一页返 回多层介质结构：多层介质结构：1.纤芯：纤芯：石英玻璃，直径石英玻璃，直径575um，材料以二氧化硅为主，掺，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素杂微量元素2.包层：包层：直径直径100200um，折射率略低于纤芯，折射率略低于纤芯3.涂敷层：涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光4.护套：护套：尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤上一页下一页返 回1.按折射率变化类型分类按折射率变化类型分类按纤芯到包层折射率变化：阶跃折射率光纤渐变折射率光纤上一页下
4、一页返 回2.按传播模式种类来分按传播模式种类来分单模光纤单模光纤多模光纤多模光纤纤芯直径小纤芯直径小只能传送一种模式只能传送一种模式传输性能好传输性能好制造、连接、耦合困难制造、连接、耦合困难纤芯直径较大纤芯直径较大传播模式较多传播模式较多性能较差，带宽较窄性能较差，带宽较窄制造容易，耦合容易制造容易，耦合容易上一页下一页返 回3.按材料分类按材料分类高纯度石英玻璃纤维：高纯度石英玻璃纤维：光损耗比较小光损耗比较小多组分玻璃光纤：多组分玻璃光纤：用常规玻璃制成，损耗也很低用常规玻璃制成，损耗也很低塑料光纤：塑料光纤：用人工合成导光塑料制成，其损耗较用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但重量轻
5、，成本低，柔软性好大，但重量轻，成本低，柔软性好上一页下一页返 回结论：结论：传导模：传导模：在纤芯中传输的光在纤芯中传输的光辐射模：辐射模：进入包层的光进入包层的光要求：要求：进入光纤中的光要能在纤芯中传输，进入光纤中的光要能在纤芯中传输，而不而不要溢出纤芯。要溢出纤芯。即：即：传导模尽可能大，辐射模尽可能小，从而获传导模尽可能大，辐射模尽可能小，从而获得最小的传输损耗。得最小的传输损耗。利用石英玻璃等高透射率电介质材料制作的利用石英玻璃等高透射率电介质材料制作的光纤，是可见光至近红外光最理想光纤，是可见光至近红外光最理想 的传输媒体的传输媒体。1.光的折射与反射光的折射与反射 rinnsi
6、nsin21上一页下一页返 回 光由光密介质入射到光疏介质光由光密介质入射到光疏介质时发生时发生折射折射，如图，如图(a)，其折射角大，其折射角大于入射角，即于入射角，即n1n2时，时，ri。n1、n2、r、i间的数学关系为：间的数学关系为：)/arcsin(120nni上一页下一页返 回 当当r=90时，时，i仍仍90，此时，此时，出射光线沿界面传播如图（，出射光线沿界面传播如图（b），），称为称为临界状态临界状态。临界角临界角i0为：为：0ii上一页下一页返 回当当ii0并继续增大时，并继续增大时，r90，这时便发生，这时便发生全反射全反射现象，如现象，如图图(c)，其出射光不再折射，其出
7、射光不再折射而全部反射回来。而全部反射回来。上一页下一页返 回能在光纤中传输的光线满足全反射条件的光线，能在光纤中传输的光线满足全反射条件的光线，大于其临界入射角大于其临界入射角m时，进入纤芯的光就可以全反射的方式沿纤芯的釉向传的。时，进入纤芯的光就可以全反射的方式沿纤芯的釉向传的。ii c c ，为确保，为确保 m，必须，必须i i imim。这种以全反射方式在纤芯中传输的光线主要有子午光线和斜光线，子午光这种以全反射方式在纤芯中传输的光线主要有子午光线和斜光线，子午光线是指与纤芯轴线相交的反射线，包含子午光线的平面叫子午面，圆柱体线是指与纤芯轴线相交的反射线，包含子午光线的平面叫子午面，圆
8、柱体光纤中包含纤芯轴线的平光纤中包含纤芯轴线的平 面都是子午面。面都是子午面。上一页下一页返 回在阶跃光纤中传输的光线，能满足全反射条件的除了子午光线之外，还在阶跃光纤中传输的光线，能满足全反射条件的除了子午光线之外，还有一有一 种种斜光线斜光线。斜光线在纤芯中传的时并不保持在同一平面内，且不与。斜光线在纤芯中传的时并不保持在同一平面内，且不与纤芯轴线相纤芯轴线相 交。光线由交。光线由x点入射至纤芯后，在纤芯内是以同折射角的斜点入射至纤芯后，在纤芯内是以同折射角的斜线线XYYZ传输的，斜光线传输的，斜光线XYZ在纤芯横截面上的投影折线在纤芯横截面上的投影折线 XMN组成组成一个内接正多边形。斜
9、光线传输到界面处都要产生全反射，每次一个内接正多边形。斜光线传输到界面处都要产生全反射，每次 反射后反射后形成的轴向角相等，相应地投影折线角形成的轴向角相等，相应地投影折线角保持不变。保持不变。上一页下一页返 回 梯度光纤中满足全反射的光线也有子午光线和斜光线。所梯度光纤中满足全反射的光线也有子午光线和斜光线。所有满足全反射的子午光线，都按相同空间周期的正弦曲线传输。有满足全反射的子午光线，都按相同空间周期的正弦曲线传输。不同入射角不同入射角i i的光线，其正弦曲线的振幅的光线，其正弦曲线的振幅Rm不同；但各种入不同；但各种入射角的子午光线都能定期地自动会聚到一点，因而梯度光纤又射角的子午光线
10、都能定期地自动会聚到一点，因而梯度光纤又称之为自聚焦光纤。称之为自聚焦光纤。Rm随随i i减小，在纤芯轴线处入射且入射减小，在纤芯轴线处入射且入射角为角为0的光线将沿纤芯轴线传输，其振幅为的光线将沿纤芯轴线传输，其振幅为0。正弦子午光线的周期正弦子午光线的周期Lt2。式中。式中由光纤折射分布决由光纤折射分布决定。定。1.数值孔径（数值孔径（NA）2.传播损耗传播损耗 3.色散色散 上一页下一页返 回上一页下一页返 回反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：意义：无论光源发射功率有多大，只有无论光源发射功率有多大，只有2i张角之内的光功率能被光纤
11、张角之内的光功率能被光纤接受传播。接受传播。如入射角过大，如入射角过大，光线便从包层逸出而产生漏光。光纤的光线便从包层逸出而产生漏光。光纤的NA越大，越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率；合效率；但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.20.4。2221sinnnNAi上一页下一页返 回数值孔径（数值孔径（NA）定义为）定义为 上一页下一页返 回光从光纤一端射入
12、，从光纤另一端射出，光强发生衰减，定义为光从光纤一端射入，从光纤另一端射出，光强发生衰减，定义为:(dB/km)式中式中光线损耗光线损耗 L光纤长度光纤长度 Pi、Po分别为光纤输入输出功率分别为光纤输入输出功率上一页下一页返 回吸收损耗：吸收损耗：与组成光纤的材料的电子受激跃迁和分子共振有关。散射损耗：散射损耗：由于材料密度的微观变化，成分起伏，以及在制造光纤过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起的。辐射损耗：辐射损耗：当光纤受到具有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射损耗。上一页下一页返 回复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。材料色
13、散：材料色散：材料的折射率随光波长材料的折射率随光波长度度的变化而变化，使光信号中各波长的变化而变化，使光信号中各波长分量的光的分量的光的传播传播速度不同而引起的色散。速度不同而引起的色散。波导色散：波导色散：由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数随着信号角频由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数随着信号角频率变化而引起色散。率变化而引起色散。多模色散：多模色散：在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常数不在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同、群速度不同而产生的色散。同、群速度不同而产生的色散。传输光的调制是指将被测量加载于光波之上，对传输传输光的调制是指将被测量
14、加载于光波之上，对传输光的某些性能参数产生影响，这一技术是光纤传感器的物光的某些性能参数产生影响，这一技术是光纤传感器的物理基础和关键技术。理基础和关键技术。上一页下一页返 回上一页下一页返 回(a)强度调制强度调制(b)偏振调制偏振调制(c)相位调制相位调制(d)频率调制频率调制上一页下一页返 回6.2.1 光纤传感器结构原理光纤传感器结构原理6.2.2 光强度调制光强度调制6.2.3 光相位调制光相位调制6.2.4 偏振调制偏振调制6.2.5 频率调制频率调制上一页下一页返 回上一页下一页返 回l把被测量的状态转变为可测的光信号的装置把被测量的状态转变为可测的光信号的装置 上一页下一页返
15、回光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。l光就是一种电磁波，光就是一种电磁波，光的电矢量光的电矢量E)sin(tBE被测量调制：被测量调制：光的强度、偏振态（矢量光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位的方向）、频率和相位解调：解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制上一页下一页返 回功能型功能型非功能型非功能型拾光型拾光型 上一页下一页返 回l光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是光纤在其中不仅
16、是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：优点：结构紧凑、灵敏度高。结构紧凑、灵敏度高。缺点：缺点：须用特殊光纤，成本高，须用特殊光纤，成本高，典型例子典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。：光纤陀螺、光纤水听器等。上一页下一页返 回l光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感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。元件上受被测量调制。优点：优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。比较容易实现，成本低。缺点：缺点：灵敏度较低。灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。实用化的大都
17、是非功能型的光纤传感器。上一页下一页返 回 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。光或被其反射、散射的光。典型例子：典型例子：光纤激光多普勒速度计光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器辐射式光纤温度传感器上一页下一页返 回上一页下一页返 回内调制：内调制：发生在光纤内部，是通过光纤本身特性改变来实现光强度的调制发生在光纤内部，是通过光纤本身特性改变来实现光强度的调制；即光纤既是光的传导媒质，又是光的敏感元件，内调制光纤传；即光纤既是光的传导媒质，又是光的敏感元件，内调制光纤传感器称之为感器称之为功能型光纤传感器功能型光纤传感器外调制：
18、外调制：调制过程发生在光纤之外的环节，此时光纤只作传光媒质，外调调制过程发生在光纤之外的环节，此时光纤只作传光媒质，外调制光纤传感器又称为制光纤传感器又称为非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器或或传光型光纤传感器传光型光纤传感器。调制方式：调制方式：微弯调制微弯调制反射调制反射调制透射调制透射调制上一页下一页返 回 当光纤发生弯曲时，将引起界面入射角当光纤发生弯曲时，将引起界面入射角发生变化，若当发生变化，若当 m时，入射到界面的光将发生折射而形成辐射模，引起纤芯中时，入射到界面的光将发生折射而形成辐射模，引起纤芯中传导模强度减小。传导模强度减小。当光纤受微弯板作用产生弯曲时，使原沿纤芯轴线传
19、输的传当光纤受微弯板作用产生弯曲时，使原沿纤芯轴线传输的传导模中的一部分泄漏到包层中，成为辐射棋，使纤芯中的传导模导模中的一部分泄漏到包层中，成为辐射棋，使纤芯中的传导模减减 少。作用力越大，光纤微弯程度增加，纤芯的传导模损耗越大少。作用力越大，光纤微弯程度增加，纤芯的传导模损耗越大，从而实现对传导光波强度的调制。，从而实现对传导光波强度的调制。上一页下一页返 回 在发射光纤和接受光纤之间插入被测对象，当发射光强度一在发射光纤和接受光纤之间插入被测对象，当发射光强度一定时，被测对象的变化将引起接收光强度的变化，因而被测对象定时，被测对象的变化将引起接收光强度的变化，因而被测对象起到了光强度透射
20、调制的作用。起到了光强度透射调制的作用。被测对象一般为光吸收物质，被测对象的规律变化，将引起被测对象一般为光吸收物质，被测对象的规律变化，将引起接收光强度的规律变化。接收光强度的规律变化。通过遮光盘的上下移动来调制透射到接收光纤中的光强度。通过遮光盘的上下移动来调制透射到接收光纤中的光强度。上一页下一页返 回 接收光纤接收到的光强度，将直接受被测物端面对光的反射接收光纤接收到的光强度，将直接受被测物端面对光的反射 特性调制。特性调制。通常被测物表面涂有反光物而形成反光面，当发射光强度一通常被测物表面涂有反光物而形成反光面，当发射光强度一定时，接收光强度的大小将由反光面到光纤端面的距离定时，接收
21、光强度的大小将由反光面到光纤端面的距离x来调制。来调制。利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。应用：应用：压力、振动、位移、气体压力、振动、位移、气体优点优点:结构简单、容易实现、成本低。结构简单、容易实现、成本低。缺点缺点:易受光源波动和连接器损耗变化等的影响易受光源波动和连接器损耗变化等的影响上一页下一页返 回上一页下一页返 回 光波的相位调制可以获得很高的灵敏度，因而在光光波的相位调制可以获得很高的灵敏度，因而在光纤传感器中应用十分广泛。纤传感器中应用十分广泛。但
22、光电探测器不能直接测量光波的相位变化，目前但光电探测器不能直接测量光波的相位变化，目前采用干涉技术将相位变化转换为强度变化，通过对强度采用干涉技术将相位变化转换为强度变化，通过对强度的检测实现对光波相位的测量。的检测实现对光波相位的测量。光波的相位光波的相位 由光波长由光波长o o(真空真空)、介质折射率、介质折射率n及及介质长度介质长度L决定。决定。当光纤受到被测对象的作用而引起结构尺才的变化当光纤受到被测对象的作用而引起结构尺才的变化和内应力的变化时，将导致纤芯的折射率和内应力的变化时，将导致纤芯的折射率n或光纤的长或光纤的长度度L发生变化，从而实现光波的相位调制。发生变化，从而实现光波的
23、相位调制。上一页下一页返 回0/2nL 干涉测量是把光波相位变化转换为光波强度变化的测量方法。干涉测量是把光波相位变化转换为光波强度变化的测量方法。两相干光束干涉后的光强度为两相干光束干涉后的光强度为 式中式中 A干涉光强度；干涉光强度；A1、A 2两相干光强度；两相干光强度；两相干光的相位差。两相干光的相位差。在干涉测量时，通常取一相干光为参考，另一相干光感受被在干涉测量时，通常取一相干光为参考，另一相干光感受被测对象的调制，调制后光相位的变化引起两相干光相位差测对象的调制，调制后光相位的变化引起两相干光相位差 发生发生变化，导致干涉光强度变化，导致干涉光强度A的变化。通过对干涉光强度的测量
24、，实现的变化。通过对干涉光强度的测量，实现对两相干光相位差的测量，达到对被测对象的检测。对两相干光相位差的测量，达到对被测对象的检测。上一页下一页返 回)cos(22122212AAAAA 被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测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。这种相位变化而得到被测对象的信息。利用光弹效应的声、压力或振动传感器；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、电压传感器利用电致伸缩的电场、电压传感器 利用利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤
25、陀螺）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）优点：优点：灵敏度很高，灵敏度很高，缺点：缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。特殊光纤及高精度检测系统，成本高。上一页下一页返 回上一页下一页返 回 偏振调制采用单模光纤。理想单模光纤中的模是光偏振调制采用单模光纤。理想单模光纤中的模是光波的基模，基模是线偏振光，偏振方向是光纤的径向。波的基模，基模是线偏振光，偏振方向是光纤的径向。这种线偏振光可用光纤径向平这种线偏振光可用光纤径向平 面内两个相互垂直的偏面内两个相互垂直的偏振分量来等效，在理想状态下，这两个偏振分量具有相振分量来等效，在理想状态下，这两个偏振分量具有相同同 的传播常数和相同的传播相位
26、，在传播过程中，始的传播常数和相同的传播相位，在传播过程中，始终能合成为原来的径向偏振状终能合成为原来的径向偏振状 态。态。偏振调制是利用外界因素改变单模光纤中偏振光的偏振调制是利用外界因素改变单模光纤中偏振光的偏振状态，偏振调制的机理有电光效应、磁光效应和弹偏振状态，偏振调制的机理有电光效应、磁光效应和弹光效应。光效应。上一页下一页返 回 某些物质在磁场作用下，某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振动面会发线偏振光通过时其振动面会发生旋转，这种现象称为法拉第生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量效应。光的电矢量E旋转角旋转角与与光在物质中通过的距离光在物质中通过的距离L和磁场和磁场强度
27、强度H成正比，即成正比，即式中式中V 物质的弗尔德常数。物质的弗尔德常数。利用法拉第效应可以测量利用法拉第效应可以测量磁场。其测量原理如右图所磁场。其测量原理如右图所示。示。上一页下一页返 回 当压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电场时，晶体当压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电场时，晶体将呈现双折射现象，这种现象被称为将呈现双折射现象，这种现象被称为Pockels效应，如下图所示。并且，这种效应，如下图所示。并且，这种双折射正比于所加电场的一次方。在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为双折射正比于所加电场的一次方。在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为其中：其中：n0
28、 正常折射率；正常折射率；de 电光系数；电光系数；U 加在晶体片上的加在晶体片上的电压；电压；光波长；光波长；L 晶体长度；晶体长度；d 场方向晶体厚度。场方向晶体厚度。上一页下一页返 回 在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力的材料将会使光产生双折在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力的材料将会使光产生双折射现象，其折射率的变化与应力相关，这被称为光弹效应。由光弹效应产生的射现象，其折射率的变化与应力相关，这被称为光弹效应。由光弹效应产生的偏振光的相位变化为：偏振光的相位变化为：K 物质光弹性常数；物质光弹性常数；P 施加在物体上的压强；施加在物体上的压强；L 光波通过材料的长度。
29、光波通过材料的长度。此时出射光强为：此时出射光强为：上一页下一页返 回 光纤在制造时，采取了一些特殊的工艺，使纤芯椭光纤在制造时，采取了一些特殊的工艺，使纤芯椭圆度和内应力减小到最低程度。此时光纤的几何双折射圆度和内应力减小到最低程度。此时光纤的几何双折射和应力双折射都降到很低水平，相应偏振光的拍长和应力双折射都降到很低水平，相应偏振光的拍长(偏偏振光在一个偏振态变化周期内传播的距离振光在一个偏振态变化周期内传播的距离)将达到百米将达到百米以上，这种光纤称之为以上，这种光纤称之为低双折射单模光纤低双折射单模光纤。当被测对象作用于低双折射光纤时，光纤中的偏振当被测对象作用于低双折射光纤时，光纤中
30、的偏振光受到调制，双折射率明显加强，线偏振态发生显著变光受到调制，双折射率明显加强，线偏振态发生显著变化。因而这种光纤又称之为化。因而这种光纤又称之为偏振型光纤偏振型光纤，其传播的线偏，其传播的线偏振光直接感受检测对象的变化，属功能型光纤。振光直接感受检测对象的变化，属功能型光纤。上一页下一页返 回 保偏型光纤与偏振型光纤相反，具有很高的双折射保偏型光纤与偏振型光纤相反，具有很高的双折射，因而称之为，因而称之为高双折射光纤高双折射光纤。其偏振光的拍长在毫米级。其偏振光的拍长在毫米级，有足够的抗干扰能力，在相当长的距离内传播能保持，有足够的抗干扰能力，在相当长的距离内传播能保持线偏振态不变，故又
31、称其为线偏振态不变，故又称其为保偏型光纤保偏型光纤。采用保偏光纤时，偏振的调制是通过插入在两根保采用保偏光纤时，偏振的调制是通过插入在两根保偏光纤之间偏振敏感元件，感受被测对象的调制，此时偏光纤之间偏振敏感元件，感受被测对象的调制，此时光纤仅作传光媒质，属非功能型光纤。光纤仅作传光媒质，属非功能型光纤。l利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息l应用：应用：电流、磁场传感器：法拉第效应；电流、磁场传感器：法拉第效应；电场、电压传感器：电光效应；电场、电压传感器：电光效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；温度、压力、振动传感器：
32、双折射性温度、压力、振动传感器：双折射性l优点：优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。上一页下一页返 回上一页下一页返 回 光波频率调制是通过光学多普勒效应实现的。此时光波频率调制是通过光学多普勒效应实现的。此时光纤只起传光作用，光纤只起传光作用，属非功能型。属非功能型。光学多普勒效应：光学多普勒效应：当光源和光探测器都不动时，光当光源和光探测器都不动时，光源发出的频率为源发出的频率为fo的光波，经过运动体散射或反射后，的光波，经过运动体散射或反射后，由探测器接收到的光波频率由探测器接收到的光波频率fs发生发生 变化。变化。多普勒频移：多普勒频移：多普勒
33、效应引起的光波频率变化量多普勒效应引起的光波频率变化量f f上一页下一页返 回 运动速度运动速度V、运动方向与光源光波发射方向间夹角为、运动方向与光源光波发射方向间夹角为1 1、运、运动方向与探测器方向间夹角为动方向与探测器方向间夹角为2时，探测器接收运动体反射的光时，探测器接收运动体反射的光波频率为波频率为)1cos2(cos)()2cos1(cosVfofsfVfofs 由于光源发出的光波长由于光源发出的光波长很短，即使运动体的速度很短，即使运动体的速度v很低，很低，仍可以获得较明显的多普勒频移仍可以获得较明显的多普勒频移f f。典型应用：医学上对血液流动的探测。典型应用：医学上对血液流动
34、的探测。6.3.1 光纤水深探测器光纤水深探测器6.3.2 透射式光纤温度传感器透射式光纤温度传感器6.3.3 反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器上一页下一页返 回上一页下一页返 回上一页下一页返 回 利用光纤微弯调制原理，可以组成光纤位移传感器、光纤压力传感器利用光纤微弯调制原理，可以组成光纤位移传感器、光纤压力传感器等。等。图为根据微弯原理组成的光纤水深探测器。当光纤随铝管沉入水底时图为根据微弯原理组成的光纤水深探测器。当光纤随铝管沉入水底时、光纤承受水底处的水压力、光纤承受水底处的水压力P。显然水越深，水压力。显然水越深，水压力P越大，纵向开口槽越大，纵向开口槽处的光纤微弯程度越大
35、，传导模处的光纤微弯程度越大，传导模Io越小，辐射模越小，辐射模Ir越大，通过对传导模越大，通过对传导模Io或辐射模或辐射模Ir的检测，实现对水深度的探测。的检测，实现对水深度的探测。上一页下一页返 回亮场微弯传感器亮场微弯传感器：以纤芯中的传导模：以纤芯中的传导模Io相对变化量为检测对象的传感相对变化量为检测对象的传感器。器。脱模脱模：吸收辐射模，减小辐射模对光探测器的影响。：吸收辐射模，减小辐射模对光探测器的影响。亮场检测方式需在光纤发生微弯之前和微弯之后亮场检测方式需在光纤发生微弯之前和微弯之后 加设脱模器，在加设脱模器，在微弯前的脱模器作用是将光纤微弯变形之前射入包层的辐射模都吸收微弯
36、前的脱模器作用是将光纤微弯变形之前射入包层的辐射模都吸收掉，光纤微弯后的脱模器是吸收微弯引起的辐射模，以减小辐射模对掉，光纤微弯后的脱模器是吸收微弯引起的辐射模，以减小辐射模对光探测器的干扰。光探测器的干扰。最简单的脱模方法最简单的脱模方法：在几厘米长的光纤外面涂上黑漆，即可有效：在几厘米长的光纤外面涂上黑漆，即可有效地吸收辐射模。地吸收辐射模。亮场检测的传导光强很大，其相对变化量很小，因而检测灵敏度亮场检测的传导光强很大，其相对变化量很小，因而检测灵敏度较低，需要采用高灵敏度的光探测器。较低，需要采用高灵敏度的光探测器。上一页下一页返 回暗场微弯传感器暗场微弯传感器：以光纤包层中的辐射模：以
37、光纤包层中的辐射模Ir相对变化量为检测对象的相对变化量为检测对象的传感器。传感器。暗场检测可以获得较高的灵敏度，此时背景光经脱模器吸收后变暗场检测可以获得较高的灵敏度，此时背景光经脱模器吸收后变得很小，包层中的辐射模基本上都是因微弯效应引起的，固微弯调制得很小，包层中的辐射模基本上都是因微弯效应引起的，固微弯调制引起辐射模变化量显著，因而检测灵敏度高。引起辐射模变化量显著，因而检测灵敏度高。光探测器应是一个密封的盒子，盒子的内壁四周都装上光电他，光探测器应是一个密封的盒子，盒子的内壁四周都装上光电他，吸收包层中的辐射模并转换为相应的电信号。吸收包层中的辐射模并转换为相应的电信号。上一页下一页返
38、 回 有些半导体材料光吸收能力随温度的升高而增强，其原因是这种半导有些半导体材料光吸收能力随温度的升高而增强，其原因是这种半导体材料的禁带宽度随温度升高几乎线性地变窄，光激发功能加强。此时光体材料的禁带宽度随温度升高几乎线性地变窄，光激发功能加强。此时光波经过半导体材料时，被吸收的光功率增加，相应透过半导体的光功率将波经过半导体材料时，被吸收的光功率增加，相应透过半导体的光功率将减少，其透射的光强随温度升高而近乎线性地减小。减少，其透射的光强随温度升高而近乎线性地减小。在发射光纤与接收光纤之间夹有一片厚度约零点几毫米的半导体温度在发射光纤与接收光纤之间夹有一片厚度约零点几毫米的半导体温度敏感材
39、料，例如碲化镉和砷化镓，它们的光敏感材料，例如碲化镉和砷化镓，它们的光 吸收功能对波长为吸收功能对波长为900nm左左右的光波最为敏感，即是说这个波长的光波是很难透过，而远离右的光波最为敏感，即是说这个波长的光波是很难透过，而远离900nm波波长的光是很容易透过的。长的光是很容易透过的。上一页下一页返 回基本原理：基本原理：当激光源发出定量光强经发射光纤向反光面发射时，当激光源发出定量光强经发射光纤向反光面发射时，反光面反射光有一部分进入接收光纤。待测距离反光面反射光有一部分进入接收光纤。待测距离X越小，进入接收越小，进入接收光纤的反射光越多，从而根据光探测器的测量值就知道光纤的反射光越多，从
40、而根据光探测器的测量值就知道X的大小，的大小，实现位移量的测量。实现位移量的测量。特点：特点：动态测量范围大，灵敏度低。动态测量范围大，灵敏度低。上一页下一页返 回调制机理：调制机理：当端面磨成特定角度的两根光纤相距较远时，从发射光纤当端面磨成特定角度的两根光纤相距较远时，从发射光纤发出的所有模式的光都产生全反射，不能传到接收光纤中去。只有当发出的所有模式的光都产生全反射，不能传到接收光纤中去。只有当两根光纤抛光面充分靠近时，全反射受到抑制，大部分发射光耦合到两根光纤抛光面充分靠近时，全反射受到抑制，大部分发射光耦合到接收光纤。接收光纤。距离较远时：光波长量级距离内是空气，反射后回到发射光纤；
41、距离较远时：光波长量级距离内是空气，反射后回到发射光纤；距离较近时：光波长量级距离内是接收光纤，光波进入接收光纤。距离较近时：光波长量级距离内是接收光纤，光波进入接收光纤。特点：特点：具有很高的位移灵敏度具有很高的位移灵敏度 上一页下一页返 回 发射光纤位置固定不变，接收光纤的位置借助于弹簧片可作上下发射光纤位置固定不变，接收光纤的位置借助于弹簧片可作上下移动（纳米级），当压力移动（纳米级），当压力P作用于膜片时，接收光纤的抛光面下移，作用于膜片时，接收光纤的抛光面下移，当两抛光面靠近时，发射光纤发出的光被接收光纤接收，通过检测接当两抛光面靠近时，发射光纤发出的光被接收光纤接收，通过检测接收光
42、纤中的光波强度，实现对膜片位移量的测量。收光纤中的光波强度，实现对膜片位移量的测量。6.4.1 马赫泽德光纤温度传感器马赫泽德光纤温度传感器6.4.2 光纤弱磁场传感器光纤弱磁场传感器6.4.3 法布里珀罗温度传感器法布里珀罗温度传感器6.4.4 光纤陀螺仪光纤陀螺仪上一页下一页返 回上一页下一页返 回上一页下一页返 回原理：原理：分束器把激光器的输出光束分成两束。它们经上、下光路的分束器把激光器的输出光束分成两束。它们经上、下光路的传输之后又重新耦合传输之后又重新耦合,使它们在光检测器处互相发生干涉。使它们在光检测器处互相发生干涉。优点：优点：只有少量的或者没有光直接返回激光器只有少量的或者
43、没有光直接返回激光器,这就避免了反馈光使这就避免了反馈光使激光器不稳定和产生噪声。激光器不稳定和产生噪声。具体应用：具体应用：光纤压力传感器光纤压力传感器 光纤力传感器光纤力传感器 光纤加速度传感器光纤加速度传感器 光纤磁传感器光纤磁传感器上一页下一页返 回相干光源相干光源:激光源激光源 特点：特点：输出光单色性好、亮度高、输出光单色性好、亮度高、方向性方向性 强，有利于提高干涉测量强，有利于提高干涉测量精度和相干长度。精度和相干长度。原理：原理：由激光器发出的单色光波，由激光器发出的单色光波，经分束器后分成两束单模光，分别经分束器后分成两束单模光，分别送入两根长度基本相同的单模光纤送入两根长
44、度基本相同的单模光纤。一根单模光纤作信号光纤，感受温度场的影响；另一根作为参考。一根单模光纤作信号光纤，感受温度场的影响；另一根作为参考光纤，应屏蔽外来影响。在输出端，两束单模光重新耦合，在相干光纤，应屏蔽外来影响。在输出端，两束单模光重新耦合，在相干长度内，由于两束光波具有相同的光程长，耦合后形成一系列明暗长度内，由于两束光波具有相同的光程长，耦合后形成一系列明暗相间的干涉条纹。相间的干涉条纹。上一页下一页返 回 测温时，将信号光纤置于待测温度场中，温度变化将改变信测温时，将信号光纤置于待测温度场中，温度变化将改变信号光纤折射率，号光纤折射率，引起信号光波的相位变化，其结果输出端两相干引起信
45、号光波的相位变化，其结果输出端两相干光波出现相位差、相干后的干涉条纹产生移动。相位变化光波出现相位差、相干后的干涉条纹产生移动。相位变化2弧度弧度，干涉条纹移动一根条纹距离，在光探测器上观察到的移动条纹，干涉条纹移动一根条纹距离，在光探测器上观察到的移动条纹数，即表示待测温度的变化量。数，即表示待测温度的变化量。利用这一原理，马赫利用这一原理，马赫泽德干涉仪还常用于压力场、电场、泽德干涉仪还常用于压力场、电场、磁场的测量，都可以获得很高的灵敏度。磁场的测量，都可以获得很高的灵敏度。上一页下一页返 回 在进行弱磁场测量时，信号光纤粘合或环绕在磁致伸缩材料上，构在进行弱磁场测量时，信号光纤粘合或环
46、绕在磁致伸缩材料上，构成磁敏感臂，以增强磁灵敏度。成磁敏感臂，以增强磁灵敏度。磁棒式磁棒式：将信号光纤缠绕在磁性圆柱棒上：将信号光纤缠绕在磁性圆柱棒上磁套式磁套式：将信号光纤嵌入壁厚均匀的磁性套管中：将信号光纤嵌入壁厚均匀的磁性套管中磁带式磁带式：将信号光纤粘贴在磁性金属玻璃带上：将信号光纤粘贴在磁性金属玻璃带上 常用的磁性材料有铁、锦常用的磁性材料有铁、锦 镍，以及这三种元素的金属化合物，其镍，以及这三种元素的金属化合物，其中镍的磁致仲缩效应最大。中镍的磁致仲缩效应最大。上一页下一页返 回 由马赫由马赫泽德干涉仪组成的光纤弱磁场传感器泽德干涉仪组成的光纤弱磁场传感器 置于待测磁场中的磁敏感臂
47、受磁场影响而产生伸置于待测磁场中的磁敏感臂受磁场影响而产生伸缩效应，导致信号光纤长度发生变化，引缩效应，导致信号光纤长度发生变化，引 起信号光波起信号光波相位改变。借助干涉仪的相位移的测量，可实现对弱相位改变。借助干涉仪的相位移的测量，可实现对弱磁场强度的检测。磁场强度的检测。上一页下一页返 回 由马赫由马赫泽德干涉仪组成的光纤电流传感器泽德干涉仪组成的光纤电流传感器 将磁敏感臂换为将磁敏感臂换为电流敏感臂电流敏感臂：也是应用磁致伸缩效应原理，信号光纤上粘套镍管、镍管外也是应用磁致伸缩效应原理，信号光纤上粘套镍管、镍管外套着一个待测电流的线圈，组成电流敏感臂。套着一个待测电流的线圈，组成电流敏
48、感臂。当待测电流通过电流线圈时，电流磁场引起镍管伸缩效应，当待测电流通过电流线圈时，电流磁场引起镍管伸缩效应，使信号光纤变形，产生相位调制，实现微安级小电流的检测。使信号光纤变形，产生相位调制，实现微安级小电流的检测。上一页下一页返 回 由马赫由马赫泽德干涉仪组成的光纤电流传感器泽德干涉仪组成的光纤电流传感器 将磁敏感臂换为将磁敏感臂换为电压敏感臂电压敏感臂：也是应用压电陶瓷（也是应用压电陶瓷（PZT）或聚偏二氟乙烯（）或聚偏二氟乙烯（PVF2）的电）的电致伸缩效应原理，将信号光纤缠绕在致伸缩效应原理，将信号光纤缠绕在PZT圆筒上，圆通上下两电圆筒上，圆通上下两电极接待测电压，组成电压敏感臂。
49、极接待测电压，组成电压敏感臂。进行电压测量时，将待测电压加到进行电压测量时，将待测电压加到PZT电极上，引起电极上，引起PZT圆圆筒伸缩效应，信号光纤产生变形，信号光波相位发生变化，从而筒伸缩效应，信号光纤产生变形，信号光波相位发生变化，从而实现电压的检测。实现电压的检测。上一页下一页返 回 马赫泽德干秽仪法是相位调制中应用最马赫泽德干秽仪法是相位调制中应用最 广泛的广泛的干涉测量方法，信号光纤中设置敏感臂的目的都是为干涉测量方法，信号光纤中设置敏感臂的目的都是为了提高相位调制的灵敏度，因为相位的变化通常都是了提高相位调制的灵敏度，因为相位的变化通常都是很小的，而且信号光纤还可能受到周围其他因
50、素的影很小的，而且信号光纤还可能受到周围其他因素的影响，因而提高待测信号对相位调制的强度，这是马赫响，因而提高待测信号对相位调制的强度，这是马赫泽德干涉测量中的一项关键技术。泽德干涉测量中的一项关键技术。上一页下一页返 回原理：原理：它是由两块平行的部分透射平面镜组成的。这两块平面镜它是由两块平行的部分透射平面镜组成的。这两块平面镜的反射率的反射率(反射系数反射系数)通常是非常大的通常是非常大的,一般大于或等于一般大于或等于95%。假定。假定反射率为反射率为95%,那么在任何情况下那么在任何情况下,激光器输出光的激光器输出光的95%将朝着激将朝着激光器反射回来光器反射回来,余下的余下的5%的光
