1、2022年12月13日1第七章第七章 光纤传感技术光纤传感技术l光纤的基本概述l功能型光纤传感器l非功能型光纤传感器l光纤传感器的应用举例2022年12月13日4阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤阶跃阶跃 剖面剖面 n(r)a n2n1 r 纤 芯2022年12月13日5渐变渐变 剖面剖面n(r)梯度折射率光纤梯度折射率光纤 a n2 n1 r纤 芯2022年12月13日6 名词解释：名词解释：子午光线子午光线 当入射光线通过光纤轴线当入射光线通过光纤轴线，且入射角，且入射角 1大大于界面临界角于界面临界角 时，光线将在柱体时，光线将在柱体界面上不断发生全反射，形成曲折回路，而界面上不断发生全反射，
2、形成曲折回路，而且传导光线的轨迹始终在光纤的主截面内。且传导光线的轨迹始终在光纤的主截面内。这种光线称为子午光线，包含子午光线的平这种光线称为子午光线，包含子午光线的平面称为子午面。面称为子午面。)/(sin121nnc2022年12月13日7z子午平面子午平面 在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的平面波和沿垂直方向（剖面方向）传播的平面波。沿剖面方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上将产生反射。如果此波在一个往复（入射和反射）中相位变化为2的整数倍，就会形成驻波。只有能形成驻波的那些特定角度射入光纤的光才能在光纤内传播，这些光波就称为模。在光纤内只能传输一定数量的模。通常纤芯直径较粗（几
3、十微米以上）时，能传播几百个以上的模，而纤芯很细（510微米），只能传播一个模。前者称为多模光纤，后者为单模光纤。2022年12月13日10光进入光学纤维后光进入光学纤维后,多次多次在内壁上发生全内反射在内壁上发生全内反射,光从纤维的一端传向另光从纤维的一端传向另一端一端.光学纤维光学纤维:中央折射率中央折射率大大,表层折射率小的透表层折射率小的透明细玻璃丝明细玻璃丝.2211sinnsinn12cnnsinci2n1n21nn 外反射：外反射：ci入 射 角 大入 射 角 大于 临 界 角于 临 界 角的 光 线 发的 光 线 发生全反射生全反射2n1n21nn 内反射，全内反射：内反射，全
4、内反射：121111100s1ncosnsinnsinnin121nnsin2221n-nnsin00122210n-nn1sinc22210n-nn1sinNAc 2008-10-172022年12月13日22三、传光损耗 在实际上，光纤传光中，存在费涅耳反射损耗、光吸收损耗、全反射损耗以及弯曲损耗等。下面简要分析阶跃型多模光纤的损耗。（一）费涅耳反射损耗201201)()(nnnnR221)1(RTaxeII01secACABlm1secACABlm1secLx 1sec02aLeIIT1secLx 1sec0aLeIIaxeII0（三）全反射损耗dtgACtgACd1121,21tgdL
5、N 2022年12月13日28 由上式可知，随着入射角的增加，光路长度和反射次数也会增加，光的衰减也会越来越严重。考虑每次全反射的损耗率为A，则光强的透射系数T3为1tgdLN 1)1()1(3tgdLNAAT2022年12月13日2911)1()1(sec2tgdLaLAeRT 将三种损耗综合考虑，可以得出光纤的总透射率T为：式中：T光纤的总透射率R费涅耳反射损耗率a光纤纤芯的吸收系数L光纤总长度d光纤纤芯的直径1光线在光纤端面上的折射率A:迈克尔逊干涉仪；b：马赫-泽德干涉仪；c:塞格纳克干涉仪；d：法布里-珀罗干涉仪这类传感器利用光纤这类传感器利用光纤 本身对外界被测对象本身对外界被测对
6、象具有敏感能力和检测具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。l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。传光型光纤传感器的光纤传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其测对象的调制功能是由其它光电转换元件实
7、现的，它光电转换元件实现的，光纤只起传光作用。光纤只起传光作用。优点：优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。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。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。Ln12光光纤纤轴轴应应变变式式中中：LLnnLnLLnLL)(2)(21111（二）应用举例二、光强调制型光纤传感器2022年12月13日39（一）微弯曲损耗原理当光线在光纤的直线段以大于临界角入射界面（1c），则光线在界面上产生全反射。当光线射入微弯曲段的界面上时，入射角将小于临界角（1c）。此时，一部分光在纤
8、芯和包层的界面上反射；另一部分光则透射进入包层，从而导致光能的损耗。基于这一原理，研制成光纤微弯曲传感器。2022年12月13日40 光纤微弯曲位移（压力）传感器由两块波形板（变形器）构成。其中一块是活动板；另一块是固定板。一根阶跃多模光纤（或渐变型多模光纤）从一对波形板之间通过。当活动板受到微扰（位移或压力作用）时，光纤就会发生周期性微弯曲，引起传播光的散射损耗，使光在芯模中再分配：一部分光从芯模（传播模）耦合导包层模（辐射模）；另一部分光反射回芯模。当活动板的位移或所加的压力增加时，泄漏到包层的散射光随之增大；相反，光纤芯模的输出光强就减少。光纤芯透射光强度与外力的关系如下图所示。2022
9、年12月13日41这样光强受到了调制。通过检测泄漏出包层的散射光强度或光纤芯透射光强度，就能测出位移（或压力）信号。光纤微弯曲传感器，灵敏度高，结构简单，动态范围宽，线性度较好，性能稳定。2022年12月13日42（二）临界角光纤压力传感器 临界角光纤压力传感器也是光强调制型传感器。如右图所示，在一根单模光纤的段部切割一个反射面。切割角刚小于临界角。临界角c由纤芯折射率n1和光纤端部介质的折射率n3决定：131sinnnc 如果临界角部接近45，那么就需要在端面再切割一个反射面。2022年12月13日43 入射光线在界面上的入射角是一定的。由于入射角小于临界角，一部分光折射入周围介质；另一部分
10、则返回光纤。返回的反射光被分束器偏转到光电探测器输出。当被测介质的压力（或温度）变化时，将使纤芯的折射率n1和介质的折射率n3发生不同程度的变化，引起临界角发生改变，返回纤芯的反射光强度也就变化。基于这一原理，有可能设计出一种微小探针压力传感器。这种传感器的缺点是灵敏度较低。然而频率响应高、尺寸小却是它的独特优点。VHLdlHVL0 2022年12月13日46 光纤的磁光效应最典型的应用就是高压传输线用的电流传感器，其结构如图所示。将光纤绕在被测导线上，设圈数为N，导线中通过的电流为I，由安培环路定律，距导线轴心为R处的磁场为 P2 WP 探测器1探测器2I1I2光源光纤光纤I P12121I
11、IIIRIH22022年12月13日47VLRI2 由前面二式可知，电流强度I与线偏振光的偏振面旋转角度成正比。该解调方法的特点是可以有效消除光源强度波动对测量结果的不利影响。P2 WP 探测器1探测器2I1I2光源光纤光纤I P12121IIIIRIH2VHL可得偏转角和2022年12月13日48由于探测器不能直接检测光的偏振态，需要将光偏振态的变化转换为光强度信号。一种检测方法采用Wollaston棱镜WP，由光源发射的激光经起偏器P1变为线偏振光进入传感光纤，在输出端将检偏器P2输出的正交偏振分量在空间上分成两路输出，分别被探测器1与探测器2接收。探测器1与探测器2接收的光强信号分别为)
12、4/(cos201 II)4/(sin202 II经信号处理可得到偏振面的偏转角21211sin21IIII P2 WP 探测器1探测器2I1I2光源光纤光纤I P12121IIII2022年12月13日49PIIII121211sin21sin21 该解调方法的特点是可以有效消除光源强度波动对测量结果的不利影响。P2 WP 探测器1探测器2I1I2光源光纤光纤I P12121IIII2121IIIIP设：则：得：2sinP当线偏振光旋转角度很小时，有2P2022年12月13日50第三节 非功能型光纤传感器 非功能型光纤传感器中主要是光强调制型。可分为传输光强调制型和反射光强调制型。一、传输光
13、强调制型光纤传感器 一般在两根光纤（输入光纤和输出光纤）之间配置机械式或光学式的敏感元件。敏感元件调制传输光强的方式有：改变输入光纤和输出光纤之间的相对位置、遮断光路和吸收光能等。（一）改变光纤相对位置的光强调制型光纤传感器原理2022年12月13日54 因此在实际使用中，应限制光纤的位置距离，使传感器在变化距离较小的一段线性范围内，从曲线还可以看出，角越大，曲线的线性段斜率越大。所以为了使传感器获得较高的灵敏度，光纤端面的倾斜面（90）要切割得较小。2022年12月13日55 2008-10-242022年12月13日56（二）遮断光路的光强调制型光纤传感器原理在两根大芯径多模光纤之间放置一
14、对线光栅。当两光栅相对平行移动时，透射光强度发生变化。图717 光栅调制光强的原理图2022年12月13日57当两光栅所处的位置正好是全透过部分和不透过部分重合，这时将没有光透过光栅，输出光强为零。当两光栅所处的位置正好是全透过和全透过部分重合，这时输出光强为最大。可见输出光强将随两光栅的相对位移成周期性变化。假设两个光栅的间距为5m、格子宽5m的栅元组成，则透射光强如下右图所示。图717 光栅调制光强的原理图图719 透射光相对强度与光栅相对位移的关系2022年12月13日58二、反射光强调制型光纤传感器二、反射光强调制型光纤传感器 反射式位移传感器，其基本原理如图所示。光源发出的光通过光纤
15、射向被测物体，其反射光由接收光纤收集，送到探测器，接收光强将随着反射物体表面与光纤探头端面的距离变化。通过信号处理得到光纤端面与被测面之间距离的变化（位移）。探测器光源被测面被测面传输光纤传输光纤接收光纤接收光纤反射式位移传感器反射式位移传感器2022年12月13日59Ra交叠面R=r+2dT接收光纤被测面传输光纤传输光纤像da2r 为了定量的说明接收光强变化与位移之间的关系，参考下图。反射镜面即被测物的移动是与光纤探头端面垂直的。反射镜面在其背面距离d处形成输入光纤的虚象。因此光强调制作用是与虚光纤和接收光纤的耦合是等效的。02022年12月13日60Ra交叠面R=r+2dT000sinsi
16、nnNAdaNAT2tan)tan(sin01假设两根光纤均为阶跃折射率光纤，芯径为2r，数值孔径为NA，两光纤间隔为a，并定义)tan(sin1NAT2022年12月13日61Ra交叠面R=r+2dT接收光纤被测面传输光纤传输光纤像da2r 当距离 时，两光纤的光耦合为零，即没有反射光进入接受光纤；当距离 时，两光纤的光耦合随距离的增大而加强；Tad2/当 时，两光纤的耦合最强，接收光强达到最大值。此时输入光纤的像发出的光锥完全覆盖接收光纤端面。当 时，两光纤的耦合反而减少。Trad2/)2(0Trad2/)2(TadTra2/2/)2(2022年12月13日62 反射光强与位移的关系如右图
17、所示。当位移d相对光纤直径r较小时（dr）时，则按x-2的规律变化。曲线在峰顶的两侧有两段近似线性的工作区域（AB段和CD段）。AB段的斜率比CD段的大，线性也较好。因此位移和压力传感器的工作范围选择在AB段，偏置工作点则设在AB段的中点M点。AB段的灵敏度和线性度较好，但测量范围较小。CD段可以测量较大的范围，偏置工作点设置在N点，但灵敏度较低。2022年12月13日63 光纤传感器由于它的独特的性能而光纤传感器由于它的独特的性能而受到广泛的重视受到广泛的重视,它的应用正在迅速地它的应用正在迅速地发展。下面我们介绍几种主要的光纤传发展。下面我们介绍几种主要的光纤传感器。感器。第四节第四节 光
18、纤传感器的应用举例光纤传感器的应用举例2022年12月13日64 光纤加速度传感器的组成结构如下图所示。它是一种简谐振子的结构形式。激光束通过分光板后分为两束光,透射光作为参考光束,反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时,由于质量块M对光纤的作用,从而使光纤被拉伸,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会合产生干涉效应。激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号,经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值。一、一、光纤加速度传感器光纤加速度传感器2022年12月13日65利用马赫一泽德干涉仪的光纤加速度计2022年12月13日66 如右图所示，在两根光纤之间悬
19、挂一块质量块，光纤1牢固地固定在壳体上端盖和质量块上；光纤2牢固地固定在质量块和传感器底座上。安装时光纤稍微绷紧。这两根光纤分别被熔接在干涉仪的每一条臂上。光纤加速度传感器工作原理的具体分析2022年12月13日67 当传感器受到垂直向上的加速度时，惯性力的作用将使光纤1的轴向应变增强，长度伸长L而光纤2的轴向应变减弱，长度缩短L。这样质量块加速所受力F为 F2ST=ma 式中 S为光纤的截面积；T为每根光纤上单位面积张力的变化量；m质量块质量 a加速度 式中的因子2是指两根光纤。2022年12月13日68 张应力变化引起的光纤应变LLL由下式给出ESmaETL2式中 E光纤材料的弹性模数。当
20、光纤受应变后，光速经过长度为L光纤的传播，光的相位将发生变化。其变化为：)(2)(21111nnLnLLnL式7242022年12月13日69 当折射率n1所引起的作用很小时，可以忽略。这样光纤中传播光的相位移为)(211nnLLLLn12ESmaETL2 将代入上式，且因42dS则得214dELman2022年12月13日70 由上式可知，光相位的变化（两根光纤则变化量加倍）与加速度成正比。利用光学干涉技术就可测出加速度。214dELman2022年12月13日71 在光纤加速度传感器中，光纤起着支承质量块的弹簧的作用，因而质量块将会振动，可以计算出其的振动频率。当质量块沿光纤轴向位移距离x
21、所需的弹簧力F为kxLESxF2由此可得LESk2式中 k光纤的弹性常数；E光纤材料的弹性模量；S光纤的截面积；L光纤的长度2022年12月13日72 由此可得质量块连在弹性常数为k的光纤上时，其谐振频率为mkf21将LESk2代入上式，且因42dS则可得LmEdf822022年12月13日73 左上图为典型的光纤加速度传感器的频响特性。可以看出，光纤加速度传感器的频率响应并不高，一般只能响应几百赫兹频率的振动。右上图为光纤加速度传感器对加速度的响应特性。可见具有良好的线性响应。2022年12月13日74二、光纤磁场传感器 镍、铁、钴等金属结晶材料和铁基非晶态金属玻璃（FeSiB）具有很强的磁
22、致伸缩效应。将单模光纤和磁致伸缩材料粘合在一起，沿磁场轴向放置。由于磁致伸缩材料的磁致伸缩效应，光纤被迫产生纵向应变，使光纤的长度合折射率发生变化，从而引起光纤中的传播光产生相移。2022年12月13日75 光纤磁场传感器由三种结构形式如上图所示。a、在磁致伸缩材料的圆柱上卷绕光纤；b、在光纤表面上包上一层镍护套或用电镀方法镀上一层约10m后的镍或镍合金金属层。c、用环氧树脂将光纤粘贴在具有高磁致伸缩效应的金属玻璃带上。2022年12月13日76 相位调制光纤磁场传感器的灵敏度极高，一种包镍护套的光纤传感器，当光纤长1米时，可检测到1.410-3A/m的磁场强度。如采用更强的磁致伸缩效应的金属
23、玻璃材料左护套，当光纤长度为1千米时，预计可检测小至410-9A/m的磁场。光纤磁场传感器的线性度也很好，如右图所示为包镍的光纤传感器对于频率为10kHz的交流磁场的响应曲线。2022年12月13日77l在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤，当流体流动时,光纤就发生振动,其振动频率近似与流速成正比。由于使用的是多模光纤,故当光源采用相干光源(如激光器)时,其输出光斑是模式间干涉的结果。这种流量传感器结构示意图如右图所示。光源频谱分析记录探测器123451 夹具2 密封胶3 液体流管4 光纤5 张力载荷2022年12月13日78 当流体流动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时,根据流体力
24、学原理，在某些条件下，在非流线体的下游两侧产生有规则的旋涡，其旋涡的频率f近似与流体的流速成正比，即 式中:v流速;d流体中物体的横向尺寸大小;S斯特罗哈（Strouhal）数,它是一个无量纲的常数,仅与雷诺数有关。上式是旋涡流体流量计测量流量的基本理论依据。由此可见，流体流速与涡流频率呈线性关系。dsvf 2022年12月13日79l光纤的振动频率与流体的流速和光纤的直径有关。在光纤直径不变时，近似正比于流速，如右图所示。光纤中的相干光是通过外界扰动（如振动）来进行相位调制的。在多模光纤中，由于众多模式干涉的结果，在光纤射出端可以观察到“亮”、“暗”无规则相间的斑图。2022年12月13日8
25、0光电探测器信号检测与处理传感头传输光纤光源 如右图所示，用一个小型光电探测器接受斑图中的亮区，便可接受光纤振动频率的信号，经过频谱仪分析便可检测出振荡频率，由此可计算液体的流速及流量。光纤流量传感器最突出的优点是能在易爆、易燃的环境中安全可靠地工作。对于透明和不透明液体也能检测。但对于流速过小的流体，测量受到限制。2022年12月13日81 光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而广泛使用的光纤传感器。根据工作原理可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。这里仅介绍一种光强调制型的半导体光吸收型光纤温度传感器，下图为这种传感器的结构原理图,它的敏感元件是一个半导体光吸收器,光纤用来传输
26、信号。传感器是由半导体光吸收器、光纤、发射光源和包括光控制器在内的信号处理系统等组成。它体积小、灵敏度高、工作可靠,广泛应用于高压电力装置中的温度测量等特殊场合。四、光纤温度传感器2022年12月13日822022年12月13日83 这种传感器的基本原理是利用了多数半导体的能带随温度的升高而减小的特性,由半导体物理知道，半导体的禁带宽度Eg随温度T增加近似线性地减少，如右图所示。2022年12月13日84 因此半导体的本征吸收边波长g光几乎不能穿过半导体。相反，对于比g长的波长的光，半导体的透光率很高。由此可见，通过半导体的透射光强随温度的增加而减少。ggEch(式中c为光速，h为普朗克常数）
27、随温度增加而向长波方向位移。由右图所知，半导体引起的光吸收，随着吸收边波长g的变短而急剧增加。最后直到2022年12月13日85 下图所示为光纤温度传感器测量原理图。光源发出功率恒定的光，通过输入光纤传播到半导体薄片后，透射光强受到温度的调制。透射光由输出光纤接受，并传播到光电探测器转换成电信号输出，这样就能测出温度。该传感器结构简单，测温范围为20300。2022年12月13日86本章小结光纤分类纤芯和包层性质折射率分布传输模式玻璃塑料阶跃折射型梯度折射型多模光纤单模光纤1、按材料性质分类2022年12月13日87类型功能型非功能型相位调制型光强调制型偏振态调制型光的传输回路传输光调制型反射光调制型单模光纤传光作用敏感元件2、按功能分类
