1、第六章第六章 光纤传感器光纤传感器2022-10-192022-10-196.1 6.1 光纤的传光原理及特性光纤的传光原理及特性6.2 6.2 光纤传感器光纤传感器6.3 6.3 功能型光纤传感器功能型光纤传感器6.4 6.4 非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器2022-10-192022-10-19 光纤传感器光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是是20世纪世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维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。的产物
2、，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器光纤传感器用光作为敏感信息的载体用光作为敏感信息的载体，用光纤作，用光纤作为为传递敏感信息的媒质传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。及光学测量的特点。概概 述述2022-10-192022-10-19光纤传感器的光纤传感器的特点特点:灵敏度高灵敏度高 电绝缘性能好电绝缘性能好 抗电磁干扰抗电磁干扰 耐腐蚀、耐高温耐腐蚀、耐高温 体积小、重量轻体积小、重量轻 光纤传感器可测量光纤传感器可测量位移、速度、加速度、位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、液位、应变、压力、流量、振动、温度、
3、电流、电压、磁场电压、磁场等物理量等物理量2022-10-192022-10-196.1 光纤的传光原理及特性光纤的传光原理及特性一、结构一、结构纤芯纤芯保护套保护套包层包层 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯折射率纤芯折射率n n1 1略大于包层折射率略大于包层折射率n n2 2（n n1 1n n2 2）。）。2022-10-192022-10-192022-10-192022-10-19二、光纤的种类二、光纤的种类按按纤芯材料纤芯材料分：分：玻璃光纤玻璃光纤：用常规玻璃制成，损耗很低；：用常规玻璃制成，损耗很低；塑料光纤塑料光纤：用人
4、工合成导光塑料制成，：用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但重量轻，其损耗较大，但重量轻，成本低，柔软性好；成本低，柔软性好；石英光纤石英光纤：光损耗比较小。：光损耗比较小。2022-10-192022-10-19二、光纤的种类二、光纤的种类根据根据纤芯到包层的折射率的变化规律纤芯到包层的折射率的变化规律分：分：阶跃型光纤：阶跃型光纤：梯度型光纤：梯度型光纤：2022-10-192022-10-19二、光纤的种类二、光纤的种类按按传输模式传输模式分分：单模光纤单模光纤：只能传播一种模式，：只能传播一种模式，单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高
5、，但制造、连接困难。好、灵敏度高，但制造、连接困难。多模光纤多模光纤：纤芯直径较大，传播模式较多，性能较差，纤芯直径较大，传播模式较多，性能较差，带宽较窄，制造容易，耦合容易。带宽较窄，制造容易，耦合容易。2022-10-192022-10-19模的概念模的概念 沿光纤传输的光可以分解为沿光纤传输的光可以分解为沿轴向和沿截面沿轴向和沿截面的的两个平面波成分；两个平面波成分；如果沿截面传输的波在纤芯和包层之间产生如果沿截面传输的波在纤芯和包层之间产生全全反射反射，且每一往复传输的相位变化是，且每一往复传输的相位变化是2的正的正数倍，就会形成数倍，就会形成驻波驻波；只有能形成驻波的那些以特定角度射
6、入光纤的只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光波才能在光纤中传播，这些光波称为光波才能在光纤中传播，这些光波称为模模。2022-10-192022-10-19三、传光原理三、传光原理112212sinsin()nnnn1、斯乃尔定理、斯乃尔定理（Snells Law）当光由光密物质当光由光密物质(折射率大折射率大)入射至光疏物入射至光疏物质时，界面处光的传输满足折射定理：质时，界面处光的传输满足折射定理：n1n2 (a)(a)光的折射示意图光的折射示意图 12参考轴参考轴n1n2(b)临界状态示意图临界状态示意图 12参考轴参考轴n1n2(c)(c)光全反射示意图光全反射示意图12参考轴参
7、考轴2022-10-192022-10-192、光纤导光原理、光纤导光原理全反射时的临界角满足：全反射时的临界角满足：221sin(90)cnnv 光纤的传播基于光纤的传播基于光的全反射原理光的全反射原理。当光线在光。当光线在光纤端面入射角纤端面入射角 增大到某一角度增大到某一角度 时，光线全时，光线全部反射。部反射。v 光线全部被反射时的入射角光线全部被反射时的入射角 称临界角，只要称临界角，只要 ，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。向前传播，最后从另一端面射出。c1cc110/19/202210/19/2022001111s
8、insincosnnn2201201sinnnn 产生全反射的最大入射角由斯乃尔定理得：产生全反射的最大入射角由斯乃尔定理得：2111010sinsincosnnnnn1n2011参考轴参考轴参考轴参考轴2022-10-192022-10-193、数值孔径（、数值孔径（Numerical Aperture)221201sincAnnNn只要在只要在2c张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。NA反映了光纤的集光能力；一般反映了光纤的集光能力；一般NA越大集光能力越强，越大集光
9、能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，越大光信号畸变越大，要选择适当。要选择适当。产品光纤不给出折射率产品光纤不给出折射率N只给数值孔径只给数值孔径NA，石英光纤的，石英光纤的数值孔径一般为：数值孔径一般为：0.20.4NA:参考轴参考轴2022-10-192022-10-19四、光纤的特性四、光纤的特性1、损耗损耗 光从光纤一端射入，从光纤另一端射出，光从光纤一端射入，从光纤另一端射出，光纤的损耗定义为光纤的损耗定义为:光纤损耗；光纤损耗；L光纤长度；光纤长度；Pi、Po分别分别为光纤输入输出功率。为光纤输入输出功率。10lgioPLPa
10、a=2022-10-192022-10-19 吸收损耗吸收损耗：物质的吸收作用将使传输的光能变成物质的吸收作用将使传输的光能变成热能，造成光能的损失。热能，造成光能的损失。与组成光纤的材料与组成光纤的材料的电的电子受激跃迁和分子共振子受激跃迁和分子共振有关有关。散射损耗：散射损耗：由于材料密度的微观变化，成分起伏，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。或缺陷引起的。弯曲弯曲损耗损耗：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成损耗。而损失掉，造成损耗。传播损耗分类：传
11、播损耗分类：2022-10-192022-10-192.色散色散 定义：定义：输入脉冲在光纤传输过程中由于光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波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象脉冲展宽现象。意义：意义：反映传输带宽，关系到通讯信息的反映传输带宽，关系到通讯信息的容量和质量，光纤色散使传输的信号脉冲容量和质量，光纤色散使传输的信号脉冲发生畸变。发生畸变。2022-10-192022-10-192.色散色散 分类：分类：材料色散材料色散：材料的折射率随光波长：材料的折射率随光波长的变化而的变化而变化，使光信号中各波长分量的光的群速度不变化，使光信号中各波长分量的光的群速度不同而引
12、起的色散。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：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。的传播常数随着信号角频率变化而引起色散。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、群速度不同而产一角频率下的传播常数不同、群速度不同而产生的色散。生的色散。2022-10-192022-10-193 3、容量、容量输入光纤的可能是强度连续变化的光束输入光纤的可能是强度连续变化的光束,也也可能是一组光脉冲可能是一组光脉冲.因为色散现象，脉冲展宽，信号畸形，限因为色散现象，脉冲展宽，信号畸形，
13、限制了光纤的信息容量和质量。制了光纤的信息容量和质量。光脉冲的展宽程度可用光脉冲的展宽程度可用延迟时间延迟时间来反映。来反映。2022-10-192022-10-194 4、抗拉强度、抗拉强度 可弯曲是光纤的突出优点。光纤的弯曲性与光可弯曲是光纤的突出优点。光纤的弯曲性与光纤的抗拉强度有关。抗拉强度大的光纤纤的抗拉强度有关。抗拉强度大的光纤,不仅强不仅强度高度高,可挠性也好可挠性也好,同时同时,其环境适应性能也强。其环境适应性能也强。光纤的抗拉强度取决于材料的纯度、分子结构光纤的抗拉强度取决于材料的纯度、分子结构状态、光纤的粗细及缺陷等因素。状态、光纤的粗细及缺陷等因素。5 5、集光本领、集光
14、本领 光纤的集光本领与数值孔径有密切的关系。光纤的集光本领与数值孔径有密切的关系。数值数值孔径大，集光本领也大。孔径大，集光本领也大。2022-10-192022-10-19五、光纤的耦合五、光纤的耦合 光纤耦合器是实现光信光纤耦合器是实现光信号号分路分路/合路合路的功能器件。的功能器件。耦合分为强耦合和弱耦耦合分为强耦合和弱耦合两种。合两种。有拼接式、熔融拉锥式有拼接式、熔融拉锥式和腐蚀光纤耦合器。和腐蚀光纤耦合器。各种光纤耦合器2022-10-192022-10-19 光纤强耦合光纤强耦合是光纤纤芯间形成直通是光纤纤芯间形成直通,传输模传输模直接进入耦合臂。直接进入耦合臂。光纤弱耦合光纤弱
15、耦合是通过光纤的弯曲是通过光纤的弯曲,或使其耦合或使其耦合处成锥状处成锥状,于是于是,纤芯中的部分传导模变为包纤芯中的部分传导模变为包层模层模,再由包层进入耦合臂中的纤芯再由包层进入耦合臂中的纤芯,形成传形成传导模。导模。2022-10-192022-10-19(a)拼接型光纤耦合器拼接型光纤耦合器 将每根光纤埋入玻璃块的弧形槽中将每根光纤埋入玻璃块的弧形槽中,在光纤侧面进在光纤侧面进行研磨抛光行研磨抛光,使光纤耦合处的包层厚度达到一定的使光纤耦合处的包层厚度达到一定的要求要求,然后将两根光纤拼接在一起然后将两根光纤拼接在一起.2022-10-192022-10-19（b）熔融拉锥型光纤耦合器
16、熔融拉锥型光纤耦合器 将两根光纤稍加扭绞将两根光纤稍加扭绞,用微火炬对耦合部位进行加用微火炬对耦合部位进行加热热,在熔融过程中拉伸光纤在熔融过程中拉伸光纤,最后拉细成型。此时最后拉细成型。此时,在两根光纤的耦合部位形成双锥区在两根光纤的耦合部位形成双锥区,两根光纤包层两根光纤包层合并在一起合并在一起,纤芯变细纤芯变细,形成了一个新的合成光波形成了一个新的合成光波通路通路,从而构成弱耦合。从而构成弱耦合。2022-10-192022-10-19(C)腐蚀光纤耦合器腐蚀光纤耦合器 将要耦合的光纤的局部将要耦合的光纤的局部外套去掉外套去掉,扭绞在一起扭绞在一起,浸蚀光纤的耦合部位浸蚀光纤的耦合部位,
17、腐腐蚀掉大部分包层蚀掉大部分包层,并将两并将两根光纤的纤芯紧紧接触根光纤的纤芯紧紧接触在一起在一起,然后进行加固。然后进行加固。还可通过控制扭力或张还可通过控制扭力或张力力,调节光纤间距调节光纤间距,以达以达到调节光纤耦合强弱的到调节光纤耦合强弱的目的。目的。装入折射率匹配液内(a)(b)(c)(a)剥离护套扭绞剥离护套扭绞(b)腐蚀腐蚀(c)固化固化 2022-10-192022-10-19 6.2 光纤传感器的分类及构成光纤传感器的分类及构成1、光纤传感器光纤传感器 定义：定义：光纤传感器是一种把光纤传感器是一种把被测量的状态被测量的状态转变转变为为可测的光信号可测的光信号的装置。由的装置
18、。由光源、敏感元件光源、敏感元件(光纤光纤或非光纤的或非光纤的)、光探测器、信号处理系统以及光纤、光探测器、信号处理系统以及光纤构成。构成。原理：原理：由光源发出的光经源光纤引导至敏感元由光源发出的光经源光纤引导至敏感元件，这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调件，这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光探测器，使光信号变为电信光经接收光纤耦合到光探测器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。号，最后经信号处理得到所期待的被测量。2022-10-192022-10-19工作原理讨论：工作原理讨论：光是一种电磁波，它的光是一种电磁波，它的物理作用物理作用和和
19、生物化学作用生物化学作用主要因其中的主要因其中的电场电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量须考虑光的电矢量E E的振动，即：的振动，即：A A 电场电场E E的振幅矢量；的振幅矢量；光相位；光相位；光波的振动频率；光波的振动频率；t t 光的传播时间。光的传播时间。可见，只要使光的可见，只要使光的强度、偏振态强度、偏振态(矢量矢量A A的方向的方向)、频率和相位频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，就可获得所需要的被测量的信息。受被测量调制，就可获得所需要的被测量的信息。sinEAt10
20、/19/202210/19/20222、光纤传感器的分类、光纤传感器的分类 功能型（或称传感型、探测型）光纤传感器功能型（或称传感型、探测型）光纤传感器 非功能型（或称传光型、结构型、强度型、混非功能型（或称传光型、结构型、强度型、混合型）光纤传感器合型）光纤传感器（1）根据光纤在传感器中的作用）根据光纤在传感器中的作用2022-10-192022-10-19 功能型（或称传感型、探测型）光纤传感器功能型（或称传感型、探测型）光纤传感器 光纤不仅起传光作用光纤不仅起传光作用,又是敏感元件又是敏感元件,即光纤本身同时即光纤本身同时具有传、感两种功能。功能型光纤传感器是利用光纤本身具有传、感两种功
21、能。功能型光纤传感器是利用光纤本身的传输特性受被测物理量的作用而发生变化的传输特性受被测物理量的作用而发生变化,使光纤中波使光纤中波导光的属性（光强、相位、偏振态、波长等）被调制这一导光的属性（光强、相位、偏振态、波长等）被调制这一特点特点,而构成的一类传感器。加长光纤的长度而构成的一类传感器。加长光纤的长度,可以得到很可以得到很高的灵敏度。缺点是技术难度大高的灵敏度。缺点是技术难度大,结构复杂结构复杂,调整较困难。调整较困难。信号信号处理处理光 探光 探测器测器光源光源光纤光纤耦合器耦合器被测对象被测对象2022-10-192022-10-19 非功能型光纤传感器：非功能型光纤传感器：光纤仅
22、起导光作用，只光纤仅起导光作用，只“传传”不不“感感”，对外界信息的，对外界信息的“感觉感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。它功能依靠其他物理性质的功能元件完成。它是在光纤的端面或在两根光纤中间放置光学材料、机是在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来感受被测物理量的变化械式或光学式的敏感元件来感受被测物理量的变化,从从而使透射光或反射光强度随之发生变化。特点是结构而使透射光或反射光强度随之发生变化。特点是结构简单、可靠简单、可靠,技术上易实现。缺点是光纤不连续技术上易实现。缺点是光纤不连续,灵敏度灵敏度较低。较低。信号处理信号处理光探测器光探测器敏感元件敏感
23、元件光源光源光纤光纤2022-10-192022-10-19图图6.8 光纤传感器的基本结构原理示意图光纤传感器的基本结构原理示意图 被被测测对对象象被被测测对对象象敏感元件敏感元件被被测测对对象象敏感元件敏感元件被被测测对对象象(a)功能型光纤传感器功能型光纤传感器(b)非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器(c)非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器(d)探针型光纤传感器探针型光纤传感器 (非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器)2022-10-192022-10-19（2 2）根据光受被测对象的调制形式）根据光受被测对象的调制形式 光强调制型光强调制型、偏振态调制型偏振态调制型、频率调制型频率
24、调制型、相位调制型相位调制型 属于功能型光纤传感器属于功能型光纤传感器 典型例子：典型例子：利用光纤在高电场下的泡克耳效利用光纤在高电场下的泡克耳效应的光纤电压传感器应的光纤电压传感器,利用光纤法拉第效应的光利用光纤法拉第效应的光纤电流传感器纤电流传感器,利用光纤微弯效应的光纤位移利用光纤微弯效应的光纤位移（压力）传感器等。（压力）传感器等。2022-10-192022-10-191 1）光强度调制型光纤传感器）光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、吸收或反射折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致等参数的变化，而导致光光强度
25、变化强度变化来实现敏感测量的传感器。来实现敏感测量的传感器。2 2）偏振调制光纤传感器）偏振调制光纤传感器 是一种利用是一种利用光偏振态光偏振态变化来传递被测对象信变化来传递被测对象信息的传感器。息的传感器。2022-10-192022-10-193 3）频率调制光纤传感器）频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频频率发生变化率发生变化来进行监测的传感器。来进行监测的传感器。4 4）相位调制传感器）相位调制传感器 利用各种干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传利用各种干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器。其基本原理是利
26、用被测对象对敏感元件的作用，感器。其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的光的相位变化，相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。而得到被测对象的信息。2022-10-192022-10-19传感器传感器光学现象光学现象被测量被测量光纤光纤分类分类干干涉涉型型相位相位调制调制光线光线传感传感器器干涉（磁致伸缩）干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）
27、干涉（电致伸缩）Sagnac效应效应光弹效应光弹效应干涉干涉电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压角速度角速度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移温度温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa非非 干干 涉涉 型型 强度调制强度调制光纤温度光纤温度传感器传感器遮光板遮断光路遮光板遮断光路半导体透射率的变化半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射振动膜或液晶的反射气体分子吸收气体分子吸收光纤漏泄膜光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度、振动、压力、加速度、位移温度温度温度温度振动、压力、加速度、位移
28、振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移振动、压力、位移气体浓度气体浓度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调偏振调制光纤制光纤温度传温度传感器感器法拉第效应法拉第效应泡克尔斯效应泡克尔斯效应双折射变化双折射变化光弹效应光弹效应电流、磁场电流、磁场电场、电压、电场、电压、温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制频率调制光纤温度光纤温度传感器传感器多普勒效应多普勒效应受激喇曼散射受激喇曼散射光致发光光致发光速度、流速、振动、加速度速度、流速、振动、加速度气体浓度气体浓度温度温度MMMMMMcbb注：注：MM多模；多模；SM单模
29、；单模；PM偏振保持；偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型功能型、非功能型、拾光型光纤传感器的分类光纤传感器的分类2022-10-192022-10-193、光纤传感器所用器件、光纤传感器所用器件 光源光源：要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定 激光器二极管、发光二极管、白炽灯等激光器二极管、发光二极管、白炽灯等 光电元件（光探测器）：光电元件（光探测器）：要求灵敏度好、响应快、线性好要求灵敏度好、响应快、线性好 光电二极管、雪崩光电二极管光电二极管、雪崩光电二极管 肖特基光电二极管、光电晶体管肖特基光电二极管、光电晶体管 其他器件其他器件：光纤
30、分路器、耦合器等光纤分路器、耦合器等2022-10-192022-10-19 6.3 功能型光纤传感器功能型光纤传感器 相位调制型：相位调制型：利用应变、光弹效应的压力、利用应变、光弹效应的压力、温度、加速度传感器。利用磁致伸缩效应的温度、加速度传感器。利用磁致伸缩效应的磁场传感器。磁场传感器。光强调制型：光强调制型：利用光纤微弯效应的位移、压利用光纤微弯效应的位移、压力传感器。临界角光纤压力、液位传感器。力传感器。临界角光纤压力、液位传感器。偏振光调制型：偏振光调制型：利用法拉第磁光效应的电流利用法拉第磁光效应的电流传感器。传感器。频率（波长）调制型频率（波长）调制型2022-10-1920
31、22-10-19一、相位调制型光纤传感器一、相位调制型光纤传感器1、相位调制的原理、相位调制的原理Ln12L：光纤长度：光纤长度n1：纤芯折射率：纤芯折射率：光波波长：光波波长2022-10-192022-10-19相关的物理效应相关的物理效应 应变效应应变效应光纤长度变化光纤长度变化 光弹效应光弹效应光纤芯折射率变化光纤芯折射率变化 泊松效应泊松效应光纤芯直径变化光纤芯直径变化2022-10-192022-10-19111122()()LLn LL nnn ：光波相位角的变化量：光波相位角的变化量L：光纤长度变化量：光纤长度变化量 n1：纤芯折射率变化量：纤芯折射率变化量L：光纤轴向应变：光
32、纤轴向应变当光纤受到物理量的作用时，相位角变化为：当光纤受到物理量的作用时，相位角变化为：注：忽略纤芯直径引起的光相位变化注：忽略纤芯直径引起的光相位变化2022-10-192022-10-192、干涉检测原理、干涉检测原理 光的频率很高光的频率很高(1014Hz)，光电探测器不能响应如此，光电探测器不能响应如此高的频率；光波的相位变化不能直接被检测到。高的频率；光波的相位变化不能直接被检测到。采用采用干涉测量技术干涉测量技术将相位调制转换为振幅调制将相位调制转换为振幅调制 干涉仪的形式：干涉仪的形式：马赫马赫-泽德干涉仪泽德干涉仪 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 塞格纳克干涉仪塞格纳克干涉仪
33、法布里法布里-泊罗干涉仪等泊罗干涉仪等2022-10-192022-10-19 结构：结构：分束器分束器1 1把激光器的输出光束分成两部分，经把激光器的输出光束分成两部分，经上、下光路的传输后又重新合路，使其在光检测器处上、下光路的传输后又重新合路，使其在光检测器处互相干涉。互相干涉。特点：特点：这种干涉仪灵敏度可精确到这种干涉仪灵敏度可精确到10-13nm10-13nm。但实现。但实现非常困难，限制在实验室工作。非常困难，限制在实验室工作。马赫马赫泽德干涉仪泽德干涉仪2022-10-192022-10-19说明：说明：上面介绍的干涉仪上面介绍的干涉仪,是由空气光路和多个光学器是由空气光路和多
34、个光学器件件(分束器和平面镜分束器和平面镜)组合而成的。组合而成的。目前能用于恶劣环境的极小、长寿命的固体激光目前能用于恶劣环境的极小、长寿命的固体激光器和光检测器，及一些光路元件，如腐蚀或搭接器和光检测器，及一些光路元件，如腐蚀或搭接的光纤的光纤光纤耦合器，以及与它们相应的集成光光纤耦合器，以及与它们相应的集成光学元件都能够从市场上买到。因而，光纤传感器学元件都能够从市场上买到。因而，光纤传感器特别是特别是相位型光纤传感器相位型光纤传感器的研究和应用得到了很的研究和应用得到了很大发展。一些小型的、稳定性高的和非常牢固的大发展。一些小型的、稳定性高的和非常牢固的干涉仪型光纤传感器已经开始得到应
35、用。干涉仪型光纤传感器已经开始得到应用。2022-10-192022-10-19“全光纤全光纤”干涉仪结构干涉仪结构“全光纤全光纤”干涉仪：干涉仪：在上图所示马赫在上图所示马赫泽德干涉仪中泽德干涉仪中,用两只用两只3dB3dB耦合器代替两只分束器耦合器代替两只分束器。它们可以把激光器的输。它们可以把激光器的输出光束分成相等的两束光出光束分成相等的两束光,也可以使从两个光路传来的光重也可以使从两个光路传来的光重新合并。这样就可以直接把激光器的输出光束耦合到光纤新合并。这样就可以直接把激光器的输出光束耦合到光纤内内,也可以相似地把光纤输出直接耦合到两个光探测器中。也可以相似地把光纤输出直接耦合到两
36、个光探测器中。因此因此,在光源和检测器之间在光源和检测器之间,该干涉仪只包含光纤元件。该干涉仪只包含光纤元件。2022-10-192022-10-19 集成化：集成化：如果把集成电路技术和目前的电光技如果把集成电路技术和目前的电光技术能力结合起来术能力结合起来,则可以把其他所有元件则可以把其他所有元件(包括包括激光器、检测器和信号处理器等激光器、检测器和信号处理器等)组装在一小块组装在一小块与光纤可以对接、耦合简单的小型集成片上。与光纤可以对接、耦合简单的小型集成片上。2022-10-192022-10-19 所有干涉仪型传感器有个共同之处：在每种传感所有干涉仪型传感器有个共同之处：在每种传感
37、器中器中,光源的输出光束均被光源的输出光束均被分分成两束或两束以上的成两束或两束以上的光。这些分开的光束沿不同光路传输之后光。这些分开的光束沿不同光路传输之后,又重新又重新合并合并激励光敏检测器。激励光敏检测器。所有干涉仪有所有干涉仪有极高灵敏度极高灵敏度,然而由于对使用环境然而由于对使用环境的严格要求，限制了它们在实际条件下的应用。的严格要求，限制了它们在实际条件下的应用。2022-10-192022-10-193、实例与应用、实例与应用 相位调制型光纤压力和温度传感器相位调制型光纤压力和温度传感器激光器激光器扩束器扩束器分束器分束器参考光纤参考光纤测量光纤测量光纤温度温度(压力压力)演示演
38、示2022-10-192022-10-19 光纤加速度传感器光纤加速度传感器m光纤光纤1壳体壳体质量块质量块光纤光纤2结构特点：结构特点：干涉仪一条臂中有干涉仪一条臂中有一段光纤被固定在外壳的上端与一段光纤被固定在外壳的上端与悬挂物体之间。而另一段相同长悬挂物体之间。而另一段相同长度的光纤则固定在悬挂物体与外度的光纤则固定在悬挂物体与外壳的下端之间。壳的下端之间。原理：原理：如果让加速度计的外壳如果让加速度计的外壳以加速度以加速度a a向上运动向上运动,那么在加速那么在加速该物体所需的作用力该物体所需的作用力F F的作用下的作用下,上面的一段光纤将伸长上面的一段光纤将伸长L,L,下面下面的一段
39、光纤则缩短的一段光纤则缩短LL。检测相。检测相差可得加速度。差可得加速度。2022-10-192022-10-19光纤加速度传感器结构简图光纤加速度传感器结构简图2022-10-192022-10-19S:光纤截面积光纤截面积 T：每根光纤上张应力的变化量：每根光纤上张应力的变化量m：质量块质量：质量块质量a:加速度加速度maTdTSF2212质量块所受的力：2022-10-192022-10-1912LLn光的相移为：124Ln maE d2LTmaEES光纤轴向应变：E：光纤材料的弹性模量：光纤材料的弹性模量L：光纤轴向应变：光纤轴向应变2022-10-192022-10-19 光纤磁场传
40、感器光纤磁场传感器相关的物理效应：相关的物理效应：基于法拉第磁光效应基于法拉第磁光效应 置于外磁场中的物体，在光与外磁场作用下，其光学特性（如吸光置于外磁场中的物体，在光与外磁场作用下，其光学特性（如吸光特性，折射率等）发生变化的现象。特性，折射率等）发生变化的现象。基于磁致伸缩效应基于磁致伸缩效应 某些材料在变化的磁场中尺寸发生变化某些材料在变化的磁场中尺寸发生变化 磁致伸缩效应使得光纤的长度、折射率发生变化，从而引起光磁致伸缩效应使得光纤的长度、折射率发生变化，从而引起光的相移的相移 常见磁致伸缩材料：常见磁致伸缩材料：Fe,Ni,Co;Fe-Ni,Fe-Co2022-10-192022-
41、10-19三种基本结构形式三种基本结构形式2022-10-192022-10-19二、光强调制型光纤传感器二、光强调制型光纤传感器1、光纤微弯位移和压力传感器、光纤微弯位移和压力传感器2022-10-192022-10-19 这类传感器的敏感元件是一个能引起光纤产生微弯的这类传感器的敏感元件是一个能引起光纤产生微弯的变形器（波形板）。变形器（波形板）。波形板波形板(变形器变形器)2022-10-192022-10-19 微弯光纤传感器是根据微弯光纤传感器是根据光纤弯曲光纤弯曲(微弯微弯)时纤芯中的光时纤芯中的光注入包层的原理注入包层的原理研制而成的。研制而成的。光纤的弯曲能够使光从纤芯射入包层
42、而产生损耗，光纤的弯曲能够使光从纤芯射入包层而产生损耗，通过检测纤芯中的传导光功率，就能测量出与之成一通过检测纤芯中的传导光功率，就能测量出与之成一定关系的压力的大小。定关系的压力的大小。2022-10-192022-10-19三、偏振态调制型三、偏振态调制型相关的物理效应：相关的物理效应：法拉第旋光效应（磁光效应）法拉第旋光效应（磁光效应）：某些介质中传：某些介质中传播的线偏振光受到沿光传播方向的磁场作用时，播的线偏振光受到沿光传播方向的磁场作用时，线偏振光的偏振面发生旋转的现象。线偏振光的偏振面发生旋转的现象。E介质介质EH2022-10-192022-10-19激光器I1I1-I2I1+
43、I2I2起偏器起偏器检偏器检偏器输电线输电线I应用：光纤电流传感器应用：光纤电流传感器 如图所示如图所示,从激光器发出的激光经起偏器变成线偏振从激光器发出的激光经起偏器变成线偏振光光,再经显微物镜（再经显微物镜（1010）聚焦耦合到单模光纤中。）聚焦耦合到单模光纤中。检测偏转角的大小检测偏转角的大小,就可得到相应的电流值。就可得到相应的电流值。2022-10-192022-10-19VHL偏振面偏转的角度：rIH2VLrI2v:偏转角偏转角 v V:费尔德常数费尔德常数 v L：受磁场作用的光纤长度：受磁场作用的光纤长度v H：导线距离为：导线距离为r处的磁场强度处的磁场强度2022-10-1
44、92022-10-19)45sin(02211AAI)45sin(02222AAI受磁场作用的光束由光纤出端经显微物镜耦受磁场作用的光束由光纤出端经显微物镜耦合到偏振棱镜，并分解成振动方向相互垂直合到偏振棱镜，并分解成振动方向相互垂直的两束偏振光，它们的光强信号分别为：的两束偏振光，它们的光强信号分别为：A光的电场光的电场E的振幅矢量的振幅矢量2022-10-192022-10-191212sin 222IIVLIpVNIIIr经信号处理后输出信号经信号处理后输出信号：N光纤绕在输电线上的匝数光纤绕在输电线上的匝数2PIVN由此可见由此可见,只要系统的只要系统的V V和和N N一经确定一经确定
45、,就可通过输就可通过输出信号出信号P P的大小的大小,获得被测输电线上的电流值。获得被测输电线上的电流值。2022-10-192022-10-196.4 非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器在输入光纤与输出光纤之间放置敏感元件，敏感元件在输入光纤与输出光纤之间放置敏感元件，敏感元件在物理量的作用之下对传输的光强进行调制，如：在物理量的作用之下对传输的光强进行调制，如：光纤相对位置改变光纤相对位置改变遮断光路遮断光路吸收光能量吸收光能量一、传输光强调制型一、传输光强调制型依据敏感元件对依据敏感元件对光强的调制光强的调制工作，分为工作，分为传输光强传输光强调制型调制型和和反射光强调制型反射光强调制
46、型。2022-10-192022-10-191、改变光纤相对位置、改变光纤相对位置受抑全内反射光纤压力传感器受抑全内反射光纤压力传感器输出光纤输出光纤膜片膜片弹簧片弹簧片输入光纤输入光纤支架支架演示演示2022-10-192022-10-19光纤间隙（光纤间隙（m)相对透射光强相对透射光强00.4760520 x90-输入光纤输入光纤(n)输出光纤输出光纤(n)2022-10-192022-10-19光纤加速度传感器光纤加速度传感器输出光纤输出光纤输入光输入光支架支架悬臂光纤悬臂光纤质量块质量块阻尼油阻尼油2022-10-192022-10-192 2、遮断光路遮断光路的光强调制型光纤传感器的
47、光强调制型光纤传感器(1)光栅式光纤水声传感器光栅式光纤水声传感器纤芯纤芯包层包层输入光输入光输出光输出光可动栅可动栅固定栅固定栅 两根光纤的端面间两根光纤的端面间相隔一微小间隙相隔一微小间隙,间隙间隙中放置一对光栅中放置一对光栅,光栅光栅由等宽的由等宽的全透射和全反全透射和全反射射(不透光的不透光的)交替形成交替形成的栅格构成。当这两个的栅格构成。当这两个光栅发生光栅发生相对移动相对移动时时,光的透射强度就随之发光的透射强度就随之发生变化。生变化。2022-10-192022-10-19相对位移（相对位移（m)相对光强相对光强0151.0输出光纤输出光纤输入光纤输入光纤光栅光栅膜片膜片202
48、2-10-192022-10-19(2)具有双金属片的光纤温度传感器具有双金属片的光纤温度传感器 双金属片：由两种不同热膨胀系数的金属片双金属片：由两种不同热膨胀系数的金属片粘合在一起组成。粘合在一起组成。lxhbhTKlx2T:温度变化温度变化 l：双金属片长度：双金属片长度 K：常数：常数2022-10-192022-10-19光纤束光纤束光纤束光纤束双金属片双金属片遮光板遮光板温度温度050光透射率光透射率2022-10-192022-10-193、利用半导体光吸收的光纤温度传感器、利用半导体光吸收的光纤温度传感器 (P136)敏感元件：敏感元件：输入光纤和输出光纤两端面间所夹的一片厚度
49、输入光纤和输出光纤两端面间所夹的一片厚度约零点几毫米的半导体光吸收片。约零点几毫米的半导体光吸收片。工作过程：工作过程：光源发出的稳定光通过输入光纤传到半导体薄光源发出的稳定光通过输入光纤传到半导体薄片片,透射光强受到所测温度的调制透射光强受到所测温度的调制,并由输出光纤接收并由输出光纤接收,传传到光电探测器转换成电信号输出到光电探测器转换成电信号输出,从而达到测温的目的。从而达到测温的目的。2022-10-192022-10-19工作原理：工作原理：半导体的禁带宽度半导体的禁带宽度E Eg g随温度随温度T T增加近似增加近似线性地减小线性地减小,半导体吸收边的波长随温度增加而向半导体吸收边
50、的波长随温度增加而向长波长的方向移动。随着吸收边波长长波长的方向移动。随着吸收边波长gg的变长的变长,半导体的透光率增大。即在光源半导体的透光率增大。即在光源一定的情况下一定的情况下,通过半导体的透射光强随温度通过半导体的透射光强随温度T T的增加而减小。的增加而减小。2022-10-192022-10-19温度温度K禁带宽度禁带宽度06002.4GaPGaAsSiInP图图6.21 半导体的禁带宽度与温度的关系半导体的禁带宽度与温度的关系波长波长m相对光强相对光强透射率透射率T1T2T3图图6.22 半导体的透射光强与温度的关系半导体的透射光强与温度的关系 光源光谱光源光谱 吸收边吸收边 2
