1、传感器原理及工程应用第10章 光电式传感器 8 光纤传感器敏感元件：光纤参数变化过程：非电量光信号光纤光调制电信号工作原理：光强度调制、光波长调制、光频率调制、光相位调制、光振态调制、时分调制测量参数：温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等优点：受电磁干扰，体积小，重量轻，可绕曲，灵敏度高，耐腐蚀，高绝缘强度，防爆性好，集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容等 10 光纤传感器10.1 光纤传感器的技术基础10.2 光纤传感器的机构原理与分类10.3 光纤传感器的应用10.1 光纤传感器的技术基础 1.光纤结构 纤芯：中心的圆柱体，石英玻璃制成 包层：围绕着纤芯的圆形外层
2、，石英玻璃制成 保护套：多为尼龙材料，以增加机械强度纤 芯n1包 层n2保 护 层 10.1 光纤传感器的技术基础 2.光纤传光原理斯涅耳（Snell）光的折射定律：若要在纤芯和包层的界面上发生全反射，即 c=902ciin0n2n1纤芯包层sinsinsinsin2110nnnnii2221arcsinnnci10.1 光纤传感器的技术基础 3.数值孔径（NA）光纤的 NA 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孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.20.4。222101sinnnnNAc 10.1.1
3、 光纤基本特征 1.光纤折射率分类：阶跃折射率光纤、梯度折射率光纤 10.1.1 光纤基本特征 2.按光纤传输模式分类：指光波传播的途径和方式。可分为单模光纤、多模光纤。一般纤芯直径为212m，只能传输一种模式称为单模光纤。这类光纤的传输性能好，信号畸变小，信息容量大，线性好，灵敏度高，但由于纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困难。纤芯直径较大（50100m），传输模式较多称为多模光纤。这类光纤的性能较差，输出波形有较大的差异，但由于纤芯截面积大，故容易制造，连接和耦合比较方便。10.1.1 光纤基本特征 3.按光纤材料分类：（1）高纯度石英(SiO2)玻璃光纤，其特点是光传输的损耗低；（2）
4、多组分玻璃光纤，其特点是纤芯-包层折射率可以在较大的范围内变化，因而有利于制造出大数值孔径的光纤，但材料的损耗大；（3）聚合物光纤，其特点是成本低，缺点是损耗大，温度性能差；（4）光子晶体光纤，又称多孔光纤或微结构光纤，这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。光子晶体光纤以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。（5）液芯光纤，其特点是纤芯为液体，可以满足特殊要求。10.1.1 光纤基本特征 4.按光纤用途分类：通信光纤、非通信光纤 （1）通信光纤用于光通信系统，实际使用中大多使用光缆（多根光纤组成的线缆），是光通信的主要
5、传光介质。（2）非通信光纤是用于通信以外的光纤，是以纤维光学为基础，为满足工农业生产、国防科技、科学研究、交通运输、医疗、环境保护等行业对传光、传像、传感的要求，结合材料科学和现代制造技术而逐渐发展起来的一种光纤，它作用距离较短，使用长度长者不足千米，短者仅有数厘米，甚至数毫米。10.1.2 光纤的损耗 3.光纤传输损耗：吸收损耗：本征吸收损耗、杂质离子吸收损耗、原子缺陷吸收损耗。散射损耗：材料密度及浓度不均匀引起的光的散射。光波导弯曲损耗：光波导弯曲会引起传输模式的转换，激发高阶模进入包层产生损耗OiPPlg10oiLPPLLlg10 10.1.3 光纤的色散光纤的色散：光脉冲受到折射率分布
6、、色散特性、模式分布以及光源的光谱宽度等因素决定的延迟畸变，使该脉冲波形在通过光纤后发生展宽。因为在光纤中传输的光信号的不同频率成份或不同的模式分量如果以不同的速度传播，经过一定距离到达出射面时产生信号失真。（1）多模色散：模式群速度不同，到达端面时刻不同 （2）波导色散：群速度对于光的频率不是常数 （3）材料色散：光纤材料的折射率随入射光频率变化 （4）偏振色散：光纤轴的不对称性，两正交模有不同的群延迟 10.1.4 光纤的耦合与连接光纤的耦合主要包括光纤与光源、光纤与接收器、光纤与光纤之间直接或间接（通过各种类型的连接器，如透镜、耦合器等）的相互连接。（1）光纤和光源的耦合 （2）光纤和光
7、纤的直接耦合 10.1.4 光纤的耦合与连接 （1）光纤和光源的耦合光纤和光源连接时，为了获得最佳耦合效率，主要应考虑两者的特征参量相互匹配的问题。包括：纤芯直径、数值孔径、截止波长、偏振特性以及光源面积、发光分布、光谱特性、输出功率等。a.直接耦合：把端面已处理的光纤直接对向激光器的发光面。影响耦合效率的主要因素是光源的发光面积与光纤纤芯总面积的匹配及光源发散角和光纤数值孔径角的匹配。b.透镜耦合：通过透镜将激光器发出的光耦合进光纤中，是一种间接耦合方式。由于透镜耦合可以大大提高耦合效率，因此得到了广泛的采用。10.1.4 光纤的耦合与连接 （2）光纤和光纤的耦合 光纤与光纤的直接耦合有固定
8、连接和活动连接两种方式。a.固定连接：即光纤熔接，是采用光纤熔接机实现，其优点是插入损耗小，稳定性好，缺点是不灵活和不方便调试。b.活动连接：即利用光纤连接器和法兰盘实现光纤与光纤的直接耦合。在一定程度上，光纤连接器也影响了光传输系统的可靠性和各项性能。10.2 光纤传感器的机构原理与分类 10.2.1 光纤传感器的机构原理 10.2.2 光纤传感器的分类10.2.1 光纤传感器的机构原理 1.光纤传感器的机构原理 光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（温度、压力、磁场、电场、位移、转动等）作用而间接或直接地发生变化，据此测量引起变化的物理量。10.2
9、.1 光纤传感器的机构原理 2.光纤传感器的特点抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全。用于大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境。灵敏度高。光波干涉技术使光纤传感器灵敏度优于一般传感器。重量轻，体积小，可变形。航空、航天以及狭窄空间的应用。测量对象广泛。现场测量温度、压力、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量。对被测介质影响小，这对于医药生物领域的应用极为有利。便于复用，便于成网。有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络。成本低。有些种类的光纤传感器的成本大大低同类传感器。10.2.1
10、 光纤传感器的机构原理光纤传感器的组成：（1）光源 （2）敏感元件（光纤）（3）光探测器 （4）信号处理系统 10.2.2 光纤传感器的分类光纤传感器的分类：传感型、传光型 1.光强调制传感型 2.相位调制传感型 3.偏振调制传感型 4.波长调制传感型 5.传光型光纤传感器 10.2.2 光纤传感器的分类 （1）功能型传感器（传感型传感器）：利用光纤本身的某种敏感特性或功能 10.2.2 光纤传感器的分类 （2）非功能型传感器（传光型传感器）：光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化。1.光强调制传感型 光强调制：利用外界因素引起光纤折射率、吸收率、反射率等参
11、数变化，导致光纤中光的强度，测量光强的变化来测量外界物理量。a、光纤微弯传感器 b、光纤受抑全内反射传感器 1.光强调制传感型 c、光纤辐射传感器 d、折射率强度调制 2.相位调制传感型相位调制：利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过检测相位变化来测量物理量。大多数采用光的干涉技术来检测光的相位变化。（1）灵敏度高：光学中的干涉法是已知最灵敏的探测技术之一。（2）灵活多样：探头的几何形状可按使用要求而设计成不同形式。（3）对象广泛：只要对干涉仪中的光程产生影响，就可用于传感。（4）特殊需要的光纤：应使同一模式光叠加，大多采用单模光纤。干涉检测技术的光纤传感器（1）迈克尔逊（Michelson）
12、型；（2）马赫-曾德（Mach-Zehnder）型；（3）法布里-泊罗（Fabry-Perot）型；（4）环形干涉型（Sagnac型）。2.相位调制传感型（1）迈克尔逊光纤干涉仪和马赫-曾德光纤干涉仪/2cos1LmmI达到极值，其中当 2.相位调制传感型（2）环形光纤干涉仪（光纤陀螺）cNAcL8A4相位差：光程差：探测器光纤环光源L1L2BS1BS2 2.相位调制传感型（3）法布里-泊罗干涉仪 3.偏振态调制传感型偏振态调制：利用光在传播过程中偏振态的变化对被测对象进行检测的光纤传感器。改变光波的偏振态的方法常见的有：（1）利用光在处于磁场中的媒质内传播的法拉第效应；（2）利用光在电场中的
13、压电晶体内传播的电光效应；（3）利用物质的光弹效应；（4）利用光纤的双折射特性等。3.偏振态调制传感型偏振态调制型光纤传感器最典型的例子就是利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应制作的高压传输线用光纤电流传感器。处于磁场中的光纤会使在光纤中传播的偏振光发生偏振面的旋转，这就是光纤材料的法拉第（Faraday）效应（熔石英的磁光效应）。其旋转角度与菲耳德常数V、磁场强度H、磁场中光纤的长度L成正比：VHLVNIRVLI2 4.波长调制传感型波长调制：外界参量影响光纤器件的特征波长，引起特征波长的变化。通过测量这个变化从而间接测量引起变化的外界参量，这就是波长调制型光纤传感器。（1）光纤布喇格光栅传
14、感器 当光波通过光栅区域时，满足布喇格条件的光波将被反射回来，观测反射谱或透射谱，可测量应力、应变、温度。4.波长调制传感型 频率调制：利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率变化来测量外界物理量的原理。光源和观测者之间的相对运动对接受到的光的频率产生的影响如果频率为 f 的光入射到相对于探测器速度为v则起动物体上。则从运功物体反射的光频率 fs 为：fcvcvffs11 5.传光型传感型光纤只是传光元件，不是敏感元件，是一种广义的光纤传感器。（1）光强调制传光型光纤传感器 调制光强的办法有调制透射光强、反射光强以及全内反射光强等。a.调制反射光强 5.传光型传感型反射强度调制5.传光型传感
15、型位移强度调制光闸强度调制 5.传光型传感型（2）相位调制传光型光纤传感器 与功能型光纤传感器一样也是利用干涉技术来实现传感功能的。迈克尔逊干涉仪结构的传光型光纤传感器原理图 10.3 光纤传感器的应用（1）光纤加速度传感器 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。激光干涉仪干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号，经过信号处理电路处理后便可以正确地测出加速度值。激 光 器干 涉 仪处 理 电 路质 量 块固 定 座单 模 参 考 光 纤单 模 测 量 光 纤 10.3 光纤传感器的应用 （2）光纤温度传感器 传感器是由半导体光吸收器、光纤、光源和包括光探测器在内的信号处理系统等组成的。如果适当地选定一种在该材料工作波长范围内的光源，那么就可以使透射过半导体材料的光强随温度而变化，探测器检测输出光强的变化即达到测量温度的目的。光 源输 入 光 纤输 出 光 纤不 锈 钢 套半 导 体 光 吸 收 器探 测 器 10.3 光纤传感器的应用 （3）光纤旋涡流量传感器 光纤旋涡流量传感器是将一根多模光纤垂直地装入管道，当液体或气体流经与其垂直的光纤时，光纤受到流体涡流的作用而振动，振动的频率与流速有关。测出频率就可知流速。光纤光纤夹流体管道张紧重物填隙dvSft
