1、武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器第9章 光纤传感器 Fiber Optic Sensors武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 光纤传感器光纤传感器(FOS(FOS：Fiber Optical Sensor)Fiber Optical Sensor)是是2020世纪世纪7070年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产物，它与以电为基础的传感器有本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
2、本质区别。光纤传感器质区别。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，用光纤作为，用光纤作为传传递敏感信息的媒质递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。概概 论论光纤传感器的特点光纤传感器的特点:电绝缘性能好。电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。非侵入性。非侵入性。高灵敏度。高灵敏度。容易实现对被测信号的远距离监控。容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量流量、振动、温度、
3、电流、电压、磁场等物理量武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.1光纤传感器的基本知识光纤传感器的基本知识 9.1.1 9.1.1 光纤的结构光纤的结构 光纤是光导纤维的简称，形状一般为圆柱形，材料是高纯度的光纤是光导纤维的简称，形状一般为圆柱形，材料是高纯度的石英玻璃为主，掺少量杂质锗、硼、磷等。光纤的结构如图所示。石英玻璃为主，掺少量杂质锗、硼、磷等。光纤的结构如图所示。纤芯的折射率比包层的折射率稍大，当满足一定条件时，光就纤芯的折射率比包层的折射率稍大，当满足一定条件时，光就被被“束缚束缚”在光纤里面传播。在光纤里面传播。武汉理工大学机电
4、工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.1.2 9.1.2 光纤的传光原理光纤的传光原理武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器1122sinsinnn 如图，根据几何光学理论，如图，根据几何光学理论，当光线以某一较小的入射角当光线以某一较小的入射角 ，由折射率为由折射率为n n1 1的光密物质射向折的光密物质射向折射率为射率为n n2 2的光疏物质的光疏物质(即即n n1 1n n2 2)时，则一部分入射光以折射角时，则一部分入射光以折射角 折射入光疏物质，其余部分以折射入光疏物质，其余部分以 角度反射回光密物质
5、，根据折角度反射回光密物质，根据折射定律射定律(斯涅尔定律斯涅尔定律)，光折射，光折射和反射之间的关系为：和反射之间的关系为：121 当光线的入射角当光线的入射角 增大到某一角度增大到某一角度 时，透射入光疏物质的时，透射入光疏物质的折射光则沿界面传播，即折射光则沿界面传播，即 9090，称此时的入射角，称此时的入射角 为临界角。为临界角。那么，由斯涅尔定律得那么，由斯涅尔定律得21cc2c1sinnn临界角仅与介质的临界角仅与介质的折射率的比值有关折射率的比值有关 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器当入射角当入射角 时，光线不会透过其界面，
6、而全部反射到光密时，光线不会透过其界面，而全部反射到光密物质内部，也就是说光被物质内部，也就是说光被全反射全反射。根据这个原理，如图所示，。根据这个原理，如图所示，只要使光线射入光纤端面的光与光轴的夹角只要使光线射入光纤端面的光与光轴的夹角 小于一定值，则小于一定值，则入射到光纤纤芯和包层界面的入射到光纤纤芯和包层界面的 角就满足小于临界角角就满足小于临界角 的条件，的条件，光线就射不出光纤的纤芯。光线在纤芯和包层的界面上不断地光线就射不出光纤的纤芯。光线在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播，光就能从光纤的一端以光速传播到另产生全反射而向前传播，光就能从光纤的一端以光速传播到另一端，
7、这就是光纤传光的基本原理。一端，这就是光纤传光的基本原理。1c01c可以证明，该入射角为可以证明，该入射角为2201201sinnnn光纤的光纤的“数值孔径数值孔径”NA”NA，2201201NAsinnnn武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.1.3 9.1.3 光纤的种类光纤的种类 1 1按材料分类按材料分类 1)1)高纯度石英高纯度石英(SiO2)(SiO2)玻璃纤维玻璃纤维这种材料的光损耗比较小，在波长时，最低损耗约为这种材料的光损耗比较小，在波长时，最低损耗约为0.47 dB/km0.47 dB/km。锗硅光纤，包层用硼硅材料，其损
8、耗约为锗硅光纤，包层用硼硅材料，其损耗约为0.5 dB/km0.5 dB/km。2)2)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。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长时，用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长时，最低损耗为最低损耗为3.4 dB/km3.4 dB/km。3)3)塑料光纤塑料光纤用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，当时，达到用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，当时，达到100100200 dB/km200 dB/km。但其重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。但其重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院
9、 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 2 2按折射率分类按折射率分类 分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤，如图所示。在纤芯分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤，如图所示。在纤芯和包层的界面上，纤芯的折射率不随半径而变和包层的界面上，纤芯的折射率不随半径而变,但在纤芯与包层但在纤芯与包层界面处折射率有突变的称为阶跃型；而光纤纤芯的折射率沿径界面处折射率有突变的称为阶跃型；而光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致的称为渐变型。的称为渐变型。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤
10、传感器光纤传感器3 3按光纤的传播模式分类按光纤的传播模式分类根据传输模数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。根据传输模数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。什么是光纤的传播模式什么是光纤的传播模式 光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。后者在纤芯和包层的界面上会产生全反射。的两种平面波成分。后者在纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在横切向往返一次的相位变化为当它在横切向往返一次的相位变化为 的整倍数时，将形成的整倍数时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为驻波。形成驻波的光线组称为“模模”；它是离散存在的，
11、亦即；它是离散存在的，亦即一定纤芯和材料的光纤只能传输特定模数的光。一定纤芯和材料的光纤只能传输特定模数的光。2武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光，常用于光为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光，常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性纤传感器。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性度；但因芯小，难以制造和耦合。度；但因芯小，难以制造和耦合。武汉理工大学机电工程
12、学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器多模光纤允许多个模多模光纤允许多个模数的光在光纤中同时数的光在光纤中同时传播，通常纤芯直径传播，通常纤芯直径较大，达几十微米以较大，达几十微米以上。由于每一个上。由于每一个“模模”光进入光纤的角度不光进入光纤的角度不同，它们在光纤中走同，它们在光纤中走的路径不同，因此它的路径不同，因此它们到达另一端点的时们到达另一端点的时间也不同，这种特征间也不同，这种特征称为称为模分散模分散。特别是。特别是阶跃折射率多模光纤，阶跃折射率多模光纤，模分散最严重。这限模分散最严重。这限制了多模光纤的带宽制了多模光纤的带宽和传输距离。和传输距离。武
13、汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线形成递减，中心轴折射率最大，因线开始沿径向大致按抛物线形成递减，中心轴折射率最大，因此，光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚，此，光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形，如图所示，具有光自聚焦效果，光纤传播的轨迹类似正弦波形，如图所示，具有光自聚焦效果，故渐变折射率多模光纤又称为自聚焦光纤。因此渐变折射率多故渐变折射率多模光纤又
14、称为自聚焦光纤。因此渐变折射率多模光纤的模分散比阶跃型小得多。模光纤的模分散比阶跃型小得多。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.1.4 9.1.4 光纤传感器的基本组成光纤传感器的基本组成构成光纤传感器除光导纤维之外，还必须有光源和光探测器，构成光纤传感器除光导纤维之外，还必须有光源和光探测器，另外还有一些另外还有一些光无源器件光无源器件。示例：遮光式光纤温度计示例：遮光式光纤温度计 光无源器件光无源器件是一种不必借助外部的任何光或电的能量，由自身能是一种不必借助外部的任何光或电的能量，由自身能够完成某种光学功能的光学元器件，光无源器件按其
15、功能可分为光够完成某种光学功能的光学元器件，光无源器件按其功能可分为光连接器件、光衰减器件、光功率分配器件、光波长分配器件、光隔连接器件、光衰减器件、光功率分配器件、光波长分配器件、光隔离器件、光开关器件、光调制器件等。离器件、光开关器件、光调制器件等。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器发光二极管发光二极管激光二极管激光二极管 光光 源源武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器专用的光纤连接头及光纤插座专用的光纤连接头及光纤插座 光纤与光纤与电光转换元件电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并
16、耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。连接头及光纤插座来完成。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器光电转换器件采用光电二极管光电转换器件采用光电二极管武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.2 9.2 光纤传感器的分类及其工作原理光纤传感器的分类及其工作原理光纤传感器与电类传感器的对比光纤传感器与电类传感器的对比 分类内容分类内容 光纤传感器光纤传感器电类传感器电类传感器调制参量调制参量光的振幅、相位、频率、偏振态光的振幅、相位、频率、偏振态
17、电阻、电容、电感等电阻、电容、电感等敏感材料敏感材料温温-光敏、力光敏、力-光敏、磁光敏、磁-光敏光敏 温温-电敏、力电敏、力-电敏、磁电敏、磁-电敏电敏传输信号传输信号光光电电传输介质传输介质光纤、光缆光纤、光缆电线、电缆电线、电缆武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.2.1 9.2.1 光纤传感器分类光纤传感器分类1 1功能型光纤传感器功能型光纤传感器如图，它指利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤如图，它指利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤或特殊光纤)作传感元件，将作传感元件，将“传传”和和“感感”合为一体的传合
18、为一体的传感器。功能性光纤传感器中光纤不仅起传光作用，而且还利感器。功能性光纤传感器中光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素的作用下，其光学特性用光纤在外界因素的作用下，其光学特性(光强、相位、频率、光强、相位、频率、偏振态等偏振态等)的变化来实现的变化来实现“传传”和和“感感”的功能。因此，传感的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。这类传感器主要使用单模光纤。敏度。这类传感器主要使用单模光纤。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器2 2非功能型非功能
19、型(传光型传光型)光纤传感器光纤传感器这类光纤传感器中光纤仅起导光这类光纤传感器中光纤仅起导光作用，只作用，只“传传”不不“感感”，对外，对外界信息的界信息的“感觉感觉”功能依靠其他功能依靠其他物理性质的功能元件完成，光纤物理性质的功能元件完成，光纤在系统中是不连续的。此类光纤在系统中是不连续的。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低；技术，比较容易实现，成本低；但灵敏度也较低，用于对灵敏度但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。要求不太高的场合。非功能型光纤传感器使用的光非功能型光纤传感器使用的光纤主要是数值孔径和芯径大的纤主要是数值
20、孔径和芯径大的阶跃型多模光纤。阶跃型多模光纤。传感探针型光纤传感器传感探针型光纤传感器:光纤把测量光纤把测量对象辐射的光信号或测量对象反射、对象辐射的光信号或测量对象反射、散射的光信号传播到光电元件上散射的光信号传播到光电元件上,通通常使用单模或多模光纤。典型的例常使用单模或多模光纤。典型的例子有光纤激光多普勒速度计、辐射子有光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。式光纤温度传感器等。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光纤传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁
21、场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa非干涉型强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调制光纤温度传感器法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制光纤温度传感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、加速度气体浓度温度M
22、MMMMMcbb注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c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 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.2.2 9.2.2 光调制技术光调制技术 调制技术是指在时域上用被测信号对一个高频信号调制技术是指在时域上用被测信号对一个高频信号(如光纤传如光纤传感器中的光信号感器中的光信号)的某特征参量的某特征参量(幅值、频率或相位等幅值、频率或相位等)进行控制，进行控制，使该特征参量随着被测信号的变化而变化。这样，原来的被测使该特征参量随着被测信号的变化而变化。这样，原来的被测信号就被这个受控制
23、的高频振荡信号所携带。一般将控制高频信号就被这个受控制的高频振荡信号所携带。一般将控制高频信号的被测信号称为调制信号；载送被测信号的高频信号称为信号的被测信号称为调制信号；载送被测信号的高频信号称为载波；经过调制后的高频振荡信号称为已调制波。载波；经过调制后的高频振荡信号称为已调制波。按照调制方式分类，光调制可以分为按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制强度调制、相位调制相位调制、频频率调制、偏振调制和波长调制率调制、偏振调制和波长调制等。所有这些调制过程都可以归等。所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到载波结为将一个携带信息的信号叠加到载波光波上。而能完成光波上。而能完成这
24、一过程的器件称为调制器。调制器能使载波光波参数随外信这一过程的器件称为调制器。调制器能使载波光波参数随外信号变化而改变，这些参数包括光波的强度号变化而改变，这些参数包括光波的强度(幅值幅值)、相位、频率、相位、频率、偏振、波长等。被信息调制的光波在光纤中传输，然后再由光偏振、波长等。被信息调制的光波在光纤中传输，然后再由光探测系统解调，将原信号恢复。探测系统解调，将原信号恢复。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 1.1.强度调制型光纤传感器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
25、、吸收折射率、吸收或反射或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的感器。有利用光纤的微弯损耗微弯损耗；各物质的；各物质的吸收特性吸收特性；振动膜或；振动膜或液晶的液晶的反射光强度反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。感器。优点优点：结构简单、容易实现，
26、成本低。：结构简单、容易实现，成本低。缺点缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 2 2相位调制与干涉测量相位调制与干涉测量 相位调制型光纤传感器的基本原理是利用被测对象对敏感元件相位调制型光纤传感器的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系数发生变化，而导致光
27、的相的作用，使敏感元件的折射率或传播系数发生变化，而导致光的相位变化，然后用干涉仪把相位变化变换为振幅变化，从而还原所检位变化，然后用干涉仪把相位变化变换为振幅变化，从而还原所检测的物理量。因此，相位调制与干涉测量技术并用，构成相位调制测的物理量。因此，相位调制与干涉测量技术并用，构成相位调制的干涉型光纤传感器。的干涉型光纤传感器。根据光波的干涉测量基本知识，两束相干光根据光波的干涉测量基本知识，两束相干光(信号光束和参考信号光束和参考光束光束)同时照射在一光电探测器上，若光振幅分别为同时照射在一光电探测器上，若光振幅分别为E E1 1和和E E2 2，如果，如果其中一光束的相位由于某种因素影
28、响或调制，在干涉场中就会引其中一光束的相位由于某种因素影响或调制，在干涉场中就会引起干涉条纹强度的变化。干涉场中各点的光强数学表达式为起干涉条纹强度的变化。干涉场中各点的光强数学表达式为22212122cosAAAA A式中：式中：为相位调制造成的两相干光之间的相位差。为相位调制造成的两相干光之间的相位差。可见，检测到干涉光强的变化就可以确定两光束间相位的变化，可见，检测到干涉光强的变化就可以确定两光束间相位的变化，从而得到待测物理量的数值大小。从而得到待测物理量的数值大小。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 实现干涉测量的仪器称为干涉仪。常
29、用的干涉仪主要有实现干涉测量的仪器称为干涉仪。常用的干涉仪主要有4 4种：种：迈克尔逊干涉仪、赛格纳克干涉仪、马赫迈克尔逊干涉仪、赛格纳克干涉仪、马赫-泽德干涉仪和法布里泽德干涉仪和法布里-珀罗干涉仪，如图所示。珀罗干涉仪，如图所示。(a)(a)迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪(b)(b)赛格纳克干涉仪赛格纳克干涉仪(c)(c)马赫泽马赫泽-德干涉仪德干涉仪(d)(d)法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 光学干涉仪的共同特点就是它们的相干光在空气中传播，由于光学干涉仪的共同特点就是它们的相干光在空气中传播，由于空
30、气受环境温度变化的影响，引起空气的折射振动及声波干扰。空气受环境温度变化的影响，引起空气的折射振动及声波干扰。这种影响都会导致空气光程的变化从而引起干涉测量工作的不稳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的不稳定，使精度降低。而光纤干涉仪利用单模光纤作干涉仪的光路，定，使精度降低。而光纤干涉仪利用单模光纤作干涉仪的光路，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，从而可以制造出千米量级光路长度的光纤干涉仪，这种干限制，从而可以制造出千米量级光路长度的光纤干涉仪，这种干涉仪成为相位调制型光纤传感器的一个重要组成
31、部分。涉仪成为相位调制型光纤传感器的一个重要组成部分。以迈克尔逊干涉仪为例，当被测量发生变化时，将引起测量光路以迈克尔逊干涉仪为例，当被测量发生变化时，将引起测量光路光纤纤芯折射率光纤纤芯折射率n n的变化和测量光纤长度的变化和测量光纤长度L L的变化，由此使通过测的变化，由此使通过测量光路的光束光程量光路的光束光程(等于等于nLnL)发生改变，对应相位发生改变，对应相位 也相也相应改变，则测量光路和参考光路的相位差为应改变，则测量光路和参考光路的相位差为0/nL 04()L nn L 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 常见相位调制方法：常
32、见相位调制方法：1 1、机械应变及光弹性效应、机械应变及光弹性效应 机械应变引起光纤的机械尺寸变化；机械应变引起光纤的机械尺寸变化；某些物体内部存在应力时，会产生折射率在不同方向有不同某些物体内部存在应力时，会产生折射率在不同方向有不同变化的现象；变化的现象；2 2、温度效应、温度效应 温度变化引起光纤的尺寸及折射率变化：温度变化引起光纤的尺寸及折射率变化：2 Ln dLdnTL dTdT 3 3、磁致伸缩、电致伸缩效应、磁致伸缩、电致伸缩效应 将单模光纤表面镀上磁致伸缩、电致伸缩材料，则当磁场、将单模光纤表面镀上磁致伸缩、电致伸缩材料，则当磁场、电场作用于光纤时，使光纤长度变化，从而相位变化
33、；电场作用于光纤时，使光纤长度变化，从而相位变化；武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 3 3频率调制频率调制 频率调制光纤传感器是利用由被测对象引起的光频率的变化来频率调制光纤传感器是利用由被测对象引起的光频率的变化来进行监测的传感器。通常有利用运动物体反射光和散射光的多普进行监测的传感器。通常有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的速度、流速、振动、压力、加速度光纤传感器；利用物勒效应的速度、流速、振动、压力、加速度光纤传感器；利用物质受强光照射时的拉曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染质受强光照射时的拉曼散射构成的测量气体浓度或监测大
34、气污染的气体传感器。的气体传感器。1)1)光学多普勒频移原理光学多普勒频移原理 光的频率调制主要是指光学多普勒频移。从物理学知，光学中光的频率调制主要是指光学多普勒频移。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，使观察者接收到的光波频率产生变化的现象。到的光波频率产生变化的现象。设一频率为设一频率为f的静止光源的光入射到速度为的静止光源的光入射到速度为v的运动物体上时，的运动物体上时，从运动物体上观测的频率为从运动物体上观测的频率为f1，则，则f1与与f之间的关系为：之间的关系为：1 2211/1cos1cosffv
35、cv cfv cc c为真空中的光速；为真空中的光速；为物体至光源方向与物体运动方向的夹角。为物体至光源方向与物体运动方向的夹角。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 一般最关心的还是运动物体所散射的光的频移，而光源与观察一般最关心的还是运动物体所散射的光的频移，而光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勒频者则是相对静止的。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体移来考虑。即先考虑从光源到运动物体，然后再考虑从运动物体到观察者。到观察者。双重多普勒频移方程表示为双重多
36、普勒频移方程表示为:2121coscosffv c式中，式中，f2为为在在Q处所观察到的光频率；处所观察到的光频率；f为从为从光源光源S S发出的光频率。发出的光频率。2)2)光纤多普勒技术光纤多普勒技术 根据上述多普勒频移原理，利用光纤传光功能组成测量系统，根据上述多普勒频移原理，利用光纤传光功能组成测量系统，可用于普通光学多普勒测量装置不能安装的一些特殊场合，如可用于普通光学多普勒测量装置不能安装的一些特殊场合，如密封容器中流速的测量和生物体中流体的研究。密封容器中流速的测量和生物体中流体的研究。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器典型的激
37、光多普勒光纤测速系统典型的激光多普勒光纤测速系统 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.3 9.3 光纤传感器的应用光纤传感器的应用9.3.1 9.3.1 光纤位移传感器光纤位移传感器1 1反射式光强调制测量位移反射式光强调制测量位移由光纤输出的光照射到反射由光纤输出的光照射到反射面上发生反射，其中一部分面上发生反射，其中一部分反射光返回光纤，测出反射反射光返回光纤，测出反射光的光强，就能确定反射面光的光强，就能确定反射面位移情况。这种传感器可使位移情况。这种传感器可使用两根光纤，分别作传输发用两根光纤，分别作传输发射光及接收光用；也可以用射
38、光及接收光用；也可以用一根光纤同时承担两种功能。一根光纤同时承担两种功能。为增加光通量可采用光纤束，为增加光通量可采用光纤束，此方法测量范围在此方法测量范围在9 mm9 mm以内，以内，其光强调制的示意如图所示。其光强调制的示意如图所示。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器接收光通量接收光通量 与位移与位移d d的关系为的关系为03200mm0()ddk dddddPddd；在位移输出曲线的前坡区，输出信号的强度增加得非常快，这在位移输出曲线的前坡区，输出信号的强度增加得非常快，这一区域可以用来进行微米级的位移测量。在后坡区，信号的减一区域可以
39、用来进行微米级的位移测量。在后坡区，信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比，可用于距离较弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比，可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。在光峰区，信号远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。在光峰区，信号达到最大值，其大小取决于被测物体的表面状态。所示这个区达到最大值，其大小取决于被测物体的表面状态。所示这个区域可用于对物体的表面状态进行光学测量。域可用于对物体的表面状态进行光学测量。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 2 2光纤开关与定尺寸检测装置光纤开关与定尺寸检测装置光纤开关与定尺
40、寸检测装置是利用光纤中光强度的跳变来测出各光纤开关与定尺寸检测装置是利用光纤中光强度的跳变来测出各种移动物体的极端位置，如定尺寸、定位、记数等。特别是用于种移动物体的极端位置，如定尺寸、定位、记数等。特别是用于小尺寸工件的某些尺寸的检测有其独特的优势。小尺寸工件的某些尺寸的检测有其独特的优势。标志孔标志孔电路板标志检测电路板标志检测 当光纤发出的光当光纤发出的光穿过标志孔时，若无穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方反射，说明电路板方向放置正确。向放置正确。光纤光纤 耦合器耦合器传输光纤传输光纤出射光纤出射光纤武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器
41、遮断型光纤光电开关遮断型光纤光电开关出射光纤出射光纤接收光纤接收光纤武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 采用遮断型采用遮断型光纤光电开关光纤光电开关对对IC IC 芯片引芯片引脚进行检测脚进行检测武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 定位定位 条形码检测条形码检测 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.3.2 9.3.2 光纤液体浓度传感器光纤液体浓度传感器光纤液体浓度光纤液体浓度U U型敏感元件如图所示。放入型敏感元件如图所示。放入液体中的
42、光纤部分为裸芯，此时液体起到液体中的光纤部分为裸芯，此时液体起到了包层的作用，液体的折射率了包层的作用，液体的折射率n n2 2就是包层折就是包层折射率射率n n。由于折射率的改变致使光在纤芯中。由于折射率的改变致使光在纤芯中传播的光束模式发生变化，部分光由低阶传播的光束模式发生变化，部分光由低阶模式转化为高阶模式，故有一部分入射光模式转化为高阶模式，故有一部分入射光就不再满足全反射的条件，就会在两种媒就不再满足全反射的条件，就会在两种媒质的交界面处发生光的折射现象，致使一质的交界面处发生光的折射现象，致使一部分光能量损失掉。对于给定的光纤材料，部分光能量损失掉。对于给定的光纤材料，出射光强出
43、射光强I I与入射光强与入射光强I I0 0之间存在着如下关之间存在着如下关系：系：2()0er nlIIr r为弯曲半径；为弯曲半径；为入射光波长；为入射光波长；为衰减系数，与光纤弯曲半径为衰减系数，与光纤弯曲半径r r、入射光波长及液体的折射率、入射光波长及液体的折射率n n2 2有关；有关；l为弯曲光纤的长度。为弯曲光纤的长度。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.3.3 9.3.3 光纤陀螺仪光纤陀螺仪陀螺仪的陀螺仪的SagnacSagnac效应效应 光源发出的光在光源发出的光在A A点分为两束，一束为顺时针传播的光束点分为两束，一束
44、为顺时针传播的光束b b，另，另一束为逆时针传播光束一束为逆时针传播光束a a。当系统角速度。当系统角速度 =0 =0时，两光束从时，两光束从A A点点出发，经相同光程又回到出发，经相同光程又回到A A点。设光轨道由点。设光轨道由N N匝光纤构成，光轨匝光纤构成，光轨道的半径为道的半径为R R，光纤总长度为，光纤总长度为L L。两束光绕行一周的光程为。两束光绕行一周的光程为 2abLLNR 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器当干涉仪相对惯性空间以角速度当干涉仪相对惯性空间以角速度 旋转时，对于惯性参考系中旋转时，对于惯性参考系中的观测者来说，
45、光从点的观测者来说，光从点A A进入干涉仪，两束反向光束依然以真空进入干涉仪，两束反向光束依然以真空中的光速中的光速c c传播，但经过一段时间后分束点已从点传播，但经过一段时间后分束点已从点A A移动到了点移动到了点AA，与干涉仪旋转方向一致的光束的光程要长于相应的反向传，与干涉仪旋转方向一致的光束的光程要长于相应的反向传播的光束的光程。播的光束的光程。设顺时针光束设顺时针光束b b绕行一周的时间为绕行一周的时间为t tb b，则则2bNRtcR它的实际光程为：它的实际光程为：2bbLNRNRt 设逆时针光束设逆时针光束a a绕行一周的时间为绕行一周的时间为t ta a，则，则2aNRtcR它
46、的实际光程为它的实际光程为2aaLNRNRt 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器由此可得两束光绕行一周到达分束点的时间差为由此可得两束光绕行一周到达分束点的时间差为224 NRtc 则相位差为则相位差为:2282cNRtc 利用光的干涉原理测出干涉光的相位变化，就能知道旋转速度。利用光的干涉原理测出干涉光的相位变化，就能知道旋转速度。干涉型光纤陀螺结构示意图干涉型光纤陀螺结构示意图 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器9.3.4 9.3.4 光纤高温测量系统光纤高温测量系统消耗型消耗型光纤辐光
47、纤辐射温度射温度计系统计系统构成构成 测量时，测量光纤插入钢水内部约测量时，测量光纤插入钢水内部约40 cm40 cm深。光纤可采用金属套层深。光纤可采用金属套层光纤，光纤插入钢水瞬间，光纤被烧蚀，端面形成半圆形凹面，这光纤，光纤插入钢水瞬间，光纤被烧蚀，端面形成半圆形凹面，这时，在金属套层被烧蚀前，光纤最前端可近似视为黑体。在测量段时，在金属套层被烧蚀前，光纤最前端可近似视为黑体。在测量段光纤被烧蚀前，钢水测量点处的温度可传出。钢水内部温度通过对光纤被烧蚀前，钢水测量点处的温度可传出。钢水内部温度通过对光纤端面的辐射由光纤传输到光电转换及单片机处理系统。光纤端面的辐射由光纤传输到光电转换及单
48、片机处理系统。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器2221211222111111(,)ln5lnln5ln(,)CCTLTBLT利用辐射式测温原理，测温公式为：利用辐射式测温原理，测温公式为：9.3.5 9.3.5 光纤气体传感器光纤气体传感器光纤气体传感器是利用气体在石英光纤透射窗口光纤气体传感器是利用气体在石英光纤透射窗口(0.8(0.81.7 )1.7 )内的吸收峰进行测量，由气体吸收产生的光强衰减，得到气体的内的吸收峰进行测量，由气体吸收产生的光强衰减，得到气体的浓度。所依据的基本原理为比尔浓度。所依据的基本原理为比尔-朗伯定律朗伯定律:m0exp()IILC I I为透射光的强度；为透射光的强度；I I0 0为入射光的强度；为入射光的强度；()()为气体吸光系数，为气体吸光系数，它与光波长有关；它与光波长有关；L L为吸收介质的厚度；为吸收介质的厚度；C C为吸收介质的浓度。为吸收介质的浓度。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器采用采用D-fiberD-fiber测甲烷测甲烷(CH(CH4 4)的原理图的原理图
