光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用光纖傳感技術(shù)與系統(tǒng)

光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用光纖傳感技術(shù)與系統(tǒng)第一頁，共八十頁，2022年，8月28日光纖傳感技術(shù)與系統(tǒng)★光纖是20世紀(jì)后半葉的重要發(fā)明之一?！锕饫w、激光器、半導(dǎo)體光電探測(cè)器—構(gòu)成光電子學(xué)新領(lǐng)域?！锸澜绻饫w之父高錕英籍、美籍華人，世界著名光纖專家，原香港中文大學(xué)校長(zhǎng)，1996年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院外籍院士，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)將一顆小行星命名為“高錕星”。2009年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，克服疾病參加領(lǐng)獎(jiǎng)會(huì)，免除儀式?！镏袊?guó)光纖之父趙梓森院士，中國(guó)光谷在武漢高錕趙梓森第二頁，共八十頁，2022年，8月28日1概述※光纖：是光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱，是用光透射率高的介質(zhì)構(gòu)成的光通路。微細(xì)的光纖封裝在塑料護(hù)套中，能夠彎曲不斷裂。通常光纖一端的發(fā)射裝置使用發(fā)光二極管（LED）或一束激光將光脈沖傳送至光纖，光纖另一端的接收裝置為光敏元件?！獠▽?dǎo)：將以光的形式出現(xiàn)的電磁波能量，利用全反射的原理，約束并引導(dǎo)光波在光纖內(nèi)部或表面附近沿光光纖的軸線方向傳播?！饫w的制作：先在高溫下做成預(yù)制棒，然后在高溫爐中加溫軟化，拉成長(zhǎng)絲，再進(jìn)行涂覆、套塑，成為光纖芯線。

第三頁，共八十頁，2022年，8月28日※光纖的用途：光纖通信光纖傳感光纖照明1概述第四頁，共八十頁，2022年，8月28日光纖傳感器是傳感技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主導(dǎo)方向?！饫w傳感器：

當(dāng)光纖受到外界環(huán)境因素的影響，如溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等條件變化時(shí)，光纖的傳輸特性將隨之改變，且二者之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此研制出光纖傳感器。

優(yōu)點(diǎn)：靈敏度和精度極高，安全性好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，絕緣強(qiáng)度高，耐高溫、耐腐蝕性好，輕質(zhì)、柔韌、寬頻帶，易集成為光纖系統(tǒng)。

應(yīng)用：可以測(cè)量聲場(chǎng)、磁場(chǎng)、壓力、溫度、加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)(陀螺)、位移、液位、流量、電流、輻射等1概述第五頁，共八十頁，2022年，8月28日2.1光纖的結(jié)構(gòu)和分類一、光纖的結(jié)構(gòu)（纖芯、包層、涂覆層）

纖芯：高透明材料；

包層：折射率略小于纖芯，形成光波導(dǎo)效應(yīng)，使大部分光電磁場(chǎng)被束縛在纖芯中傳輸；

涂覆層：保護(hù)光纖不受水汽侵蝕和機(jī)械擦傷，又增加光纖的柔韌。在涂覆層外，往往加油塑料外套。2光纖的傳輸理論包層

涂覆層 纖芯纖芯包層涂覆層護(hù)套第六頁，共八十頁，2022年，8月28日光纖的導(dǎo)光能力：取決于纖芯和包層的性質(zhì)。光纖的機(jī)械強(qiáng)度：取決于塑料保護(hù)外套。包層

涂覆層 纖芯纖芯包層涂覆層護(hù)套第七頁，共八十頁，2022年，8月28日二、光纖的分類★按光纖的原材料分為四類：石英系光纖：纖芯和包層由高純度sio2摻雜制成；光耗最低、強(qiáng)度和可靠性最高、應(yīng)用最廣泛、價(jià)格最高。(2)多組分玻璃纖維：光纖由鈉玻璃摻雜制成；光損較低，可靠性偏低。(3)塑料包層光纖：纖芯是石英，包層是硅樹脂；(4)全塑光纖：纖芯和包層由塑料制成；價(jià)格低、光損大、可靠性低。第八頁，共八十頁，2022年，8月28日★根據(jù)光纖截面上折射率分布分為兩類：階躍型光纖（階躍折射率光纖）纖芯的折射率分布均勻，在纖芯和包層的界面上折射率發(fā)生突變，光線行進(jìn)軌跡呈鋸齒形。(2)漸變型光纖（梯度型光纖）纖芯的折射率從芯中至芯邊緣按拋物線減小，包層的折射率是常數(shù)，光線行進(jìn)軌跡呈蛇形?！锔鶕?jù)光纖中光傳播模式的數(shù)量分為兩類：多模光纖：芯的直徑15μm~50μm。工作波長(zhǎng)傳播模式為多個(gè)模式的光纖。(2)單模光纖：芯的直徑為8μm~10μm。工作波長(zhǎng)，只能傳輸一個(gè)傳播模式的光纖，是應(yīng)用最廣泛的光纖。第九頁，共八十頁，2022年，8月28日2.2光纖中光的傳輸及性質(zhì)一、光的傳輸全反射現(xiàn)象：當(dāng)光線由光密媒質(zhì)(折射率n1)射入光疏媒質(zhì)(折射率n2，n1＞n2)時(shí)，若入射角大于等于臨界角f＝sin－1(n2/n1)，在媒質(zhì)界面上會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象。

第十頁，共八十頁，2022年，8月28日?cθmax光按直線傳播，在纖芯和包層的界面上光發(fā)生反射。包層的折射率n2小于纖芯的折射率n1，存在著臨界角?c。光線在界面上入射角?大于?c時(shí)，發(fā)生全反射現(xiàn)象。如?小于?c，入射光有一部分反射，另一部分通過界面進(jìn)入包層，經(jīng)過多次反射，光能量很快衰減。

只有滿足全反射條件的光線才能攜帶能量傳向遠(yuǎn)方。?c=sin－1（n2/n1)光在光纖中傳播：2.2光纖中光的傳輸及性質(zhì)第十一頁，共八十頁，2022年，8月28日二、光纖的主要參數(shù)1.數(shù)值孔徑

光從空氣入射到光纖輸入端面時(shí)，處在某一角錐內(nèi)的光線進(jìn)入光纖后，就被截留在纖芯中，此光錐半角(qC)的正弦稱為數(shù)值孔徑。

數(shù)值孔徑NA是光纖的一個(gè)基本參數(shù)，反映了光纖與光源或探測(cè)器等元件耦合時(shí)的耦合效率，只有入射光處于2qC的光錐內(nèi),光纖才能導(dǎo)光。一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于耦合效率的提高，但數(shù)值孔徑過大，會(huì)造成光信號(hào)畸變。2.2光纖中光的傳輸及性質(zhì)第十二頁，共八十頁，2022年，8月28日

NA與光纖的幾何尺寸無關(guān)，僅與纖芯和包層的折射率有關(guān)，纖芯和包層的折射率差別越大，數(shù)值孔徑就越大，光纖的集光能力就越強(qiáng)。石英光纖的NA＝0.2～0.4。數(shù)值孔徑NA2.2光纖中光的傳輸及性質(zhì)第十三頁，共八十頁，2022年，8月28日2.光纖的傳輸模式光纖中每一個(gè)允許傳播的波稱為一個(gè)模，某種光纖只能傳輸特定模數(shù)的光。光纖傳輸模數(shù)的參數(shù)n：由纖芯半徑r、傳輸光波長(zhǎng)l及光纖的數(shù)值孔徑NA確定。

n值小于2.41的光纖，纖芯很細(xì)(5mm～10mm)，僅能傳輸基模，故稱為單模光纖。

n值大的光纖傳輸?shù)哪?shù)多，稱為多模光纖，通常纖芯直徑較粗(幾十mm以上)，能傳輸幾百個(gè)以上的模。2.2光纖中光的傳輸及性質(zhì)第十四頁，共八十頁，2022年，8月28日(1)單模光纖

光纖傳輸性能好，常用于功能型光纖傳感器，制成的傳感器比多模傳感器有更好的線性、更高的靈敏度和動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍。但由于纖芯太小，制造、連接和耦合都很困難。(2)多模光纖光纖性能較差。但纖芯截面大，容易制造，連接耦合也比較方便。常用于非功能型光纖傳感器。2.2光纖中光的傳輸及性質(zhì)第十五頁，共八十頁，2022年，8月28日3.傳輸損耗

光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。

形成光纖損耗的原因很多，光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗，光纖與光源的耦合損耗，光纖之間的連接損耗等，都會(huì)造成光信號(hào)在光纖中的傳播有一定程度的損耗。通常用衰減率表示傳播損耗。2.2光纖中光的傳輸及性質(zhì)光纖的損耗對(duì)傳輸系統(tǒng)的中繼距離影響很大。通常采用加大輸入光強(qiáng)來補(bǔ)償光纖損耗。第十六頁，共八十頁，2022年，8月28日★固有損耗：難以消除源于石英材料的本征吸收和瑞利散射，這限制了光纖的最小損耗；★非固有損耗：可以減小源于因材料、工藝引起的雜質(zhì)吸收和光纖彎曲，通過提純材料、改善工藝和精心設(shè)計(jì)、制作來減小損耗。有的光纖傳感器就是利用被測(cè)量的變化引起光纖損耗，通過光纖光強(qiáng)的變化進(jìn)行精密測(cè)量。光纖的損耗機(jī)理分為兩種：2.2光纖中光的傳輸及性質(zhì)第十七頁，共八十頁，2022年，8月28日4.色散

光纖的色散是由于光信號(hào)中的不同頻率成分或不同的模式，在光纖中傳輸時(shí)，由于速度不同而使得傳播時(shí)間不同，從而產(chǎn)生波形畸變的現(xiàn)象。

當(dāng)輸入光束是光脈沖時(shí)，隨著光的傳輸，光脈沖的寬度可被展寬，如果光脈沖變得太寬以致發(fā)生重疊或完全吻合，施加在光束上的信息就會(huì)喪失。

光纖中產(chǎn)生的脈沖展寬現(xiàn)象稱為色散。2.2光纖中光的傳輸及性質(zhì)第十八頁，共八十頁，2022年，8月28日光纖的色散分為三種：★

材料色散：

因光纖的折射率隨波長(zhǎng)變化產(chǎn)生的?！?/p>

結(jié)構(gòu)色散：

由光纖的幾何結(jié)構(gòu)決定的色散，它是模式本身的色散。★

模式色散：

多模式傳輸下，因模式不同引起的色散。2.2光纖中光的傳輸及性質(zhì)第十九頁，共八十頁，2022年，8月28日常用光纖類型及參數(shù)類型折射率分布纖芯直徑/mm包層直徑/mm數(shù)值孔徑單模2～880～1250.10～0.15多模階躍光纖(玻璃)80～200100～2500.1～0.3多模階躍光纖(玻璃/塑料)200～1000230～12500.18～0.50多模梯度光纖50～100125～1500.1～0.22.2光纖中光的傳輸及性質(zhì)第二十頁，共八十頁，2022年，8月28日一、光纖傳感技術(shù)的分類（1）功能型（傳感型光纖傳感器）光纖既感知信息，又傳輸信息。主要使用單模光纖，改變光纖的幾何尺寸和材料性質(zhì)可以改善靈敏度。

3光纖傳感原理光纖敏感元件光源光源光纖光電元件光電元件測(cè)量對(duì)象測(cè)量對(duì)象第二十一頁，共八十頁，2022年，8月28日功能型光纖是連續(xù)的，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但為了能夠靈敏地感受外界因素的變化，需要用特種光纖作探頭，使得制造比較困難。第二十二頁，共八十頁，2022年，8月28日（2）非功能型：光纖僅起傳輸信息的作用，利用在兩根光纖中間或光纖端面放置敏感元件，來感受被測(cè)量的變化。光纖敏感元件光源光源光纖光電元件光電元件測(cè)量對(duì)象測(cè)量對(duì)象光纖光纖敏感元件光源光電元件光電元件測(cè)量對(duì)象測(cè)量對(duì)象第二十三頁，共八十頁，2022年，8月28日

非功能型光纖傳感器可以充分利用現(xiàn)有的性能優(yōu)良的敏感元件來提高靈敏度。為了獲得較大的受光量和傳輸光的功率，這類傳感器使用的光纖主要是數(shù)值孔徑和芯徑較大的階躍型多模光纖。第二十四頁，共八十頁，2022年，8月28日探針型光纖傳感器：

是非功能型光纖傳感器，不需要外加敏感元件。光纖把測(cè)量對(duì)象輻射或反射、散射的光信號(hào)傳播到光電元件。使用單模光纖或多模光纖。典型的例子有光纖激光多普勒速度傳感器和光纖輻射溫度傳感器等。光纖光纖敏感元件光源光電元件光電元件測(cè)量對(duì)象測(cè)量對(duì)象第二十五頁，共八十頁，2022年，8月28日3.2光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件1.非相干光源熱光源：物質(zhì)的熱輻射，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、連續(xù)光譜。(2)氣體放電光源：

光譜不連續(xù)、高強(qiáng)度、短波長(zhǎng)。(3)發(fā)光二極管：可靠性較高、連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、光功率—電流線性度好。一、光纖傳感器的常用光源分為相干光源(各種激光器)和非相干光源(白熾光、發(fā)光二極管)。實(shí)際中，一般要求光源的尺寸小、發(fā)光面積大、波長(zhǎng)合適、足夠亮、穩(wěn)定性好、噪聲小、壽命長(zhǎng)、安裝方便等。第二十六頁，共八十頁，2022年，8月28日2.相干光源

激光良好的單色性、方向性、相干性及高亮度。(1)固體激光器：用于測(cè)量吸收光譜。(2)液體激光器：因使用不方便，在光纖傳感領(lǐng)域很少使用。(3)氣體激光器：

氦氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器、氦分子激光器。(4)半導(dǎo)體激光二極管：

應(yīng)用廣泛，發(fā)光原理與發(fā)光二極管相似，輸出光由非相干光變?yōu)榱讼喔晒狻?5)光纖激光器：

與光纖耦合好，與光纖器件兼容，能進(jìn)行全光纖測(cè)試。3.2光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件第二十七頁，共八十頁，2022年，8月28日光探測(cè)器

包括光敏二極管、光敏三極管、光電倍增管、光電池等。光探測(cè)器在光纖傳感器中有著十分重要的地位，它的靈敏度、帶寬等參數(shù)將直接影響傳感器的總體性能。3.2光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件第二十八頁，共八十頁，2022年，8月28日二、光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的無源器件1.光纖連接器是光纖之間可拆卸（活動(dòng)）連接的器件。用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)及無源器件之間的連接。光纖連接器會(huì)引入插入損耗，影響傳輸性能。對(duì)光纖連接器的要求：插入損耗小、重復(fù)插拔、壽命長(zhǎng)、互換性好、拆卸方便等。3.2光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件第二十九頁，共八十頁，2022年，8月28日2.光纖耦合器(1)T型耦合器：把一根光纖輸入的光信號(hào)按照一定比例分配給兩根光纖，或是把兩根光纖輸入的光信號(hào)組合在一起，輸入一根光纖。(2)星型耦合器：把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖輸出。(3)定向耦合器：分別取出光纖中不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)，用作分路器。(4)波分復(fù)用器/解復(fù)用器：

波分復(fù)用器是把多個(gè)不同波長(zhǎng)的發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)組合在一起，輸入到一根光纖；解復(fù)用器是把一根光纖輸出的多個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，分配給不同的接收機(jī)。3.2光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件第三十頁，共八十頁，2022年，8月28日3.光環(huán)形器環(huán)形器能夠把光信號(hào)流按一個(gè)方向，從一個(gè)端口送到另一個(gè)端口，并防止光信號(hào)沿錯(cuò)誤方向傳播引起不必要的串?dāng)_。環(huán)形器在使用中通常是端口1輸入的信號(hào)由端口2輸出，端口2輸入的信號(hào)由端口3輸出。光環(huán)形器在光傳輸?shù)碾p向路由中有廣泛的應(yīng)用。光環(huán)形器的損耗小，相鄰端口的隔離度很高。光環(huán)形器示意圖3.2光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件第三十一頁，共八十頁，2022年，8月28日4.光衰減器 光衰減器允許用戶降低光信號(hào)電平。 衰減器采用金屬蒸發(fā)膜來吸收光能，實(shí)現(xiàn)光的衰減，衰減量的大小與膜的厚度成正比。衰減器分為固定衰減器和可變衰減器。（a）固定衰減器（b）可變衰減器3.2光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件第三十二頁，共八十頁，2022年，8月28日5.法拉第旋轉(zhuǎn)鏡

通過反射鏡將輸出光的偏振態(tài)在輸入光的偏振態(tài)基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)90°?；诖?，可以在光路的任何一點(diǎn)，使輸入方向上的光的偏振態(tài)與輸出方向的光的偏振態(tài)實(shí)現(xiàn)正交，從而消除光纖的雙折射，實(shí)現(xiàn)光纖系統(tǒng)中的偏振不敏感性。3.2光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件第三十三頁，共八十頁，2022年，8月28日光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制型光纖傳感器頻率調(diào)制光纖傳感器時(shí)分調(diào)制光纖傳感器偏振調(diào)制光纖傳感器

被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸光的振幅、波長(zhǎng)、相位、頻率或偏振態(tài)等發(fā)生變化，再對(duì)被調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而得出相應(yīng)的被測(cè)量。

光調(diào)制是將一個(gè)攜帶信息的信號(hào)疊加到載波光波上的過程。3.2光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件第三十四頁，共八十頁，2022年，8月28日1、強(qiáng)度調(diào)制

被測(cè)物理量改變光纖中傳輸光的強(qiáng)度。

強(qiáng)度調(diào)制是光纖傳感器使用最早的調(diào)制方法。特點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單可靠、價(jià)格低廉?？刹捎枚嗄９饫w，光纖的連接器和耦合器均已商品化。光源可采用LED和白熾燈等非相干光源，探測(cè)器一般用光敏二極管、光敏三極管和光電池。第三十五頁，共八十頁，2022年，8月28日三種典型強(qiáng)度調(diào)制示意圖被測(cè)量第三十六頁，共八十頁，2022年，8月28日★利用光纖反射傳感器的光強(qiáng)調(diào)制

應(yīng)用于表面粗糙度及小位移測(cè)量?！镂潛p耗光強(qiáng)調(diào)制

當(dāng)光纖受力微彎時(shí)，一部分纖芯模式能量會(huì)轉(zhuǎn)化為包層模式能量，通過測(cè)量包層模式能量或纖芯模式能量的變化就能測(cè)出被測(cè)量?！锢谜凵渎实淖兓M(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制

當(dāng)某些物理量(如溫度或壓力等)作用于光纖時(shí)，引起光纖的纖芯和包層的折射率發(fā)生變化，若包層的折射率變得大于或等于纖芯的折射率，則光在纖芯和包層界面上的全反射遭到破壞，輸出光強(qiáng)的變化即實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制。第三十七頁，共八十頁，2022年，8月28日★利用小的線位移和角位移進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制采用端面為平面的兩根光纖，一根為入射光纖，一根為出射光纖，光纖間距約2～3mm。出射光纖相對(duì)于入射光纖橫向或縱向微小移動(dòng)或微小轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，出射光強(qiáng)隨之發(fā)生變化。SSDDSSDDDD第三十八頁，共八十頁，2022年，8月28日★利用光纖的吸收特性進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制

X射線、g射線等輻射會(huì)使光纖材料的吸收損耗增加，光纖的輸出功率降低，從而形成強(qiáng)度調(diào)制。不同材料對(duì)不同的射線敏感，因此改變光纖材料的成分可對(duì)不同的射線進(jìn)行測(cè)量。光源光纖輻射計(jì)射線探測(cè)器第三十九頁，共八十頁，2022年，8月28日光纖微彎傳感器位移或壓力變形器光纖微彎曲光強(qiáng)變化用于大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)：

構(gòu)成陣列系統(tǒng)，對(duì)大型建筑工程如橋梁、水壩、坑道等的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)。埋入結(jié)構(gòu)的光纖直徑小于140微米時(shí)，不會(huì)降低材料的抗拉強(qiáng)度和疲勞壽命。第四十頁，共八十頁，2022年，8月28日二、相位調(diào)制原理

式中為光波波長(zhǎng)；為纖芯折射率；為光纖長(zhǎng)度。相位測(cè)量★不能直接測(cè)量：光的頻率很高，1014Hz?！镩g接測(cè)量：光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)。相位調(diào)制是光纖傳感器中最基本的調(diào)制技術(shù)，以靈敏度高著稱。公式表明，纖芯折射率n變化和光纖長(zhǎng)度L變化導(dǎo)致的光相位變化。被測(cè)量改變光波的相位。第四十一頁，共八十頁，2022年，8月28日★

縱向(軸向)的機(jī)械應(yīng)力對(duì)光波相位影響當(dāng)光纖受到縱向(軸向)的機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，由于應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)，光纖的長(zhǎng)度(應(yīng)變效應(yīng))、光纖的直徑(泊松效應(yīng))、纖芯折射率(光彈性效應(yīng))都將變化，這些變化將導(dǎo)致光纖中光波相位的變化。★

溫度對(duì)光波相位影響將光纖放在變化的溫度場(chǎng)中，由于溫度應(yīng)變效應(yīng)，引起光纖的折射率和幾何長(zhǎng)度的變化，引起相位變化。第四十二頁，共八十頁，2022年，8月28日★光波相位的干涉測(cè)量

光探測(cè)器對(duì)光的相位變化都不敏感，須采用干涉技術(shù)將相位變化轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度變化，才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物理量的測(cè)量。相位變化將引起干涉條紋的運(yùn)動(dòng)，記錄干涉條紋移動(dòng)的數(shù)目，就可測(cè)得相位的變化，從而測(cè)得導(dǎo)致相位變化的物理量，這就是干涉測(cè)量的原理。邁克爾遜干涉儀馬赫—曾特爾干涉儀薩格奈克干涉儀法布里—珀羅干涉儀第四十三頁，共八十頁，2022年，8月28日v光經(jīng)分束器分為二束，一束相位受被測(cè)試信息調(diào)制，一束作為參考光；

二束光疊加形成干涉花紋；v檢測(cè)干涉條紋的變化，確定兩束光相位的變化，解算出使相位變化的待測(cè)物理量。

相位調(diào)制原理示意圖第四十四頁，共八十頁，2022年，8月28日三、頻率調(diào)制原理

單色光照射運(yùn)動(dòng)物體，反射回來，由于多普勒效應(yīng)發(fā)生頻移。

式中f為單色光頻率；c為光速；v為運(yùn)動(dòng)物體的速度。

此頻率的光與參考光共同作用于光探測(cè)器上，產(chǎn)生差拍，用頻譜分析器求出頻率變化，推算出被測(cè)速度。被測(cè)量改變光纖中光波的頻率。光纖只作為傳光元件，頻率調(diào)制多是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。第四十五頁，共八十頁，2022年，8月28日例：

設(shè)激光頻率為f0，流體流速為u。根據(jù)多普勒效應(yīng)，光纖接收到的散射光頻率為f0＋Df或f0－Df(視流向而定)，由檢偏器檢出散射光與光纖端面反射光(參考光)中振動(dòng)方向相同的光，探測(cè)器檢測(cè)出二者的差頻Df，可知流體的流速。第四十六頁，共八十頁，2022年，8月28日四、偏振調(diào)制

被測(cè)量改變光的偏振特性，使光的某一方向振動(dòng)比其他方向占優(yōu)勢(shì)，通過檢測(cè)光的偏振態(tài)變化(即偏振面的旋轉(zhuǎn))來測(cè)量被測(cè)量。偏振調(diào)制主要基于人為旋光現(xiàn)象和人為雙折射現(xiàn)象，如法拉第磁光效應(yīng)、克爾電光效應(yīng)和光彈效應(yīng)等。書P168，圖7-9，7-10第四十七頁，共八十頁，2022年，8月28日五、時(shí)分調(diào)制

利用外界因素調(diào)制返回信號(hào)的基帶頻譜，檢測(cè)基帶的延遲時(shí)間、幅度大小的變化，測(cè)量各種物理量的大小和空間分布。第四十八頁，共八十頁，2022年，8月28日★光纖輻射劑量?jī)x結(jié)構(gòu)圖光纖傳感器實(shí)例光纖射線傳感器結(jié)構(gòu)

用x、γ射線輻照光纖，使光纖損耗增加，輸出功率P0減少，光強(qiáng)下降。

X、γ射線的輻射劑量不同，輸出P0下降輻度不同。第四十九頁，共八十頁，2022年，8月28日★光纖電流傳感器

v鎳護(hù)套光纖固定于通電螺線管中心；v螺線管電流不同使螺線管中的磁場(chǎng)不同；v鎳護(hù)套發(fā)生磁致伸縮，使光纖在徑向、軸向受到應(yīng)力；v光纖芯折射率和長(zhǎng)度都發(fā)生變化，引起相位差異。

第五十頁，共八十頁，2022年，8月28日★光纖煙氣傳感器

平行單色光入射到被測(cè)煙氣的顆粒場(chǎng)(含有微粒和分子)，受到顆粒團(tuán)的散射和吸收，光強(qiáng)衰減。

式中τ為消光系數(shù)，l為光程。電源He-Ne激光器耦合器分路器光纖探測(cè)器濃度場(chǎng)透鏡組記錄儀第五十一頁，共八十頁，2022年，8月28日

光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器是工業(yè)中應(yīng)用最多的光纖傳感器之一。1.半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器

半導(dǎo)體材料的光吸收和溫度有關(guān)系曲線，半導(dǎo)體材料的吸收邊波長(zhǎng)lg(T)隨溫度增加而向較長(zhǎng)波長(zhǎng)方向位移。適當(dāng)選擇發(fā)光二極管，使其光譜范圍正好落在吸收區(qū)域，即可做成透射式光纖溫度傳感器。透過半導(dǎo)體的光強(qiáng)隨溫度升高而減少。第五十二頁，共八十頁，2022年，8月28日光纖位移傳感器1.反射強(qiáng)度調(diào)制型位移傳感器

通過改變反射面與光纖端面之間的距離來調(diào)制反射光的強(qiáng)度。Y形光纖束由幾百根至幾千根直徑為幾十mm的階躍型多模光纖集束而成。它被分成纖維數(shù)目大致相等，長(zhǎng)度相同的兩束。用來測(cè)量小位移，能檢測(cè)零點(diǎn)幾mm的位移量。用于鍍層不平度、零件橢圓度、錐度、偏斜度等測(cè)量，也用來測(cè)量微弱振動(dòng)，而且是非接觸測(cè)量。（書P175，圖7-21）第五十三頁，共八十頁，2022年，8月28日光纖流量、流速傳感器1.光纖渦流流量計(jì)采用一根橫貫液流管的大數(shù)值孔徑的多模光纖作為傳感元件。光纖受到液體渦流的作用而振動(dòng)，這種振動(dòng)與液體的流速有關(guān)。

這種流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠，可用于易燃、易爆及腐蝕性的液體測(cè)量。光纖直徑很細(xì)，對(duì)流體的流阻小，對(duì)流場(chǎng)幾乎沒有影響。對(duì)低速流體不敏感。第五十四頁，共八十頁，2022年，8月28日渦列的形成：根據(jù)流體力學(xué)原理，由于光纖不是流線體，在一定條件下，在其下游會(huì)產(chǎn)生渦流。這種渦流是在光纖下游兩側(cè)產(chǎn)生的有規(guī)律的漩渦，稱為卡門“渦街”，由于漩渦列之間的相互作用，渦列一般不穩(wěn)定，但是實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)滿足h/l＝0.281時(shí)，渦列是穩(wěn)定的。第五十五頁，共八十頁，2022年，8月28日光纖振動(dòng)的形成：

當(dāng)每個(gè)漩渦產(chǎn)生并瀉下時(shí)，它會(huì)在光纖上產(chǎn)生一種側(cè)向力，這樣就有一個(gè)周期力作用在光纖上，使其振動(dòng)。野外的電線在風(fēng)吹動(dòng)下會(huì)嗡嗡作響，就是這種現(xiàn)象。光纖振動(dòng)的頻率：式中，u為流速；d為光纖直徑；s為斯特羅哈數(shù)(無量綱)。第五十六頁，共八十頁，2022年，8月28日光纖振動(dòng)的頻率的測(cè)定：當(dāng)光通過未受擾動(dòng)的光纖時(shí)，如果光纖直徑為200mm～300mm，在距離光纖端面約15～20cm的地方可以觀察到清晰而穩(wěn)定的斑圖，它的分布是無規(guī)則的。當(dāng)光纖振動(dòng)時(shí)，這些斑圖就會(huì)不斷地振動(dòng)，如用光探測(cè)器接收斑圖的一個(gè)小區(qū)域，即可通過頻譜儀讀出光纖振動(dòng)的頻率。再算出流速，在管子尺寸一定的條件下，就可得出流量。第五十七頁，共八十頁，2022年，8月28日★光纖多普勒血流傳感器

利用多普勒效應(yīng)可構(gòu)成光纖速度傳感器。由于光纖很細(xì)(外徑約幾十mm)，能裝在注射器針頭內(nèi)，插入血管中。又由于光纖速度傳感器沒有觸電的危險(xiǎn)，所以用于測(cè)量心臟內(nèi)的血流十分安全。第五十八頁，共八十頁，2022年，8月28日光纖多普勒血流傳感器：測(cè)量光束通過光纖探針進(jìn)到被測(cè)血流中，經(jīng)直徑約7mm的紅血球散射，一部分光按原路返回，得到多普勒頻移信號(hào)f＋Df，頻移Df為式中，u為血流速度；n為血液的折射率；q為光纖軸線與血管軸線的夾角；l為激光波長(zhǎng)。第五十九頁，共八十頁，2022年，8月28日

另一束進(jìn)入驅(qū)動(dòng)頻率為f1＝40MHz的布喇格盒(頻移器)，得到頻率為f－f1的參考光信號(hào)。f1+Dff-f1

將參考光信號(hào)與多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行混頻，就得到要探測(cè)的信號(hào)。這種方法稱為光學(xué)外差法。f+Df

經(jīng)光電二極管將混頻信號(hào)變換成光電流送入頻譜分析儀，得出對(duì)應(yīng)于血流速度的多普勒頻移譜(速度譜)，如右圖所示。第六十頁，共八十頁，2022年，8月28日光纖磁傳感器1.利用法拉第磁光效應(yīng)的光纖傳感器

利用法拉第磁光效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的方法很多，如強(qiáng)度調(diào)制方式，偏振光度測(cè)量方式和外差方式等，這里僅介紹偏振光度測(cè)量方式。按工作原理分為兩種：①根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)直接實(shí)現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換；②根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)，利用力或其他物理量間接實(shí)現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換。第六十一頁，共八十頁，2022年，8月28日

偏振光經(jīng)保偏光纖、自聚焦透鏡進(jìn)入法拉第磁光盒，經(jīng)多次反射后進(jìn)入渥拉斯登棱鏡，把偏振光變成振動(dòng)方向相互垂直的兩束光。渥拉斯登棱鏡基于法拉第磁光效應(yīng)的偏振光度測(cè)量：第六十二頁，共八十頁，2022年，8月28日

設(shè)無磁場(chǎng)時(shí)出射光的偏振軸與棱鏡的偏振軸夾角為45，這樣D1和D2光電管接收的光強(qiáng)為式中，q為偏振面的旋轉(zhuǎn)角度；I0為入射光強(qiáng)；I1、I2為兩偏振光的強(qiáng)度。

采用圖中的“加”、“減”和“除”法運(yùn)算后，輸出通過測(cè)量P就能確定q、確定B。第六十三頁，共八十頁，2022年，8月28日2.利用磁致伸縮效應(yīng)的光纖傳感器

在磁場(chǎng)作用下，磁性物體的尺寸會(huì)發(fā)生改變，這種現(xiàn)象即為磁致伸縮效應(yīng)。光纖磁致伸縮效應(yīng)傳感器是在光纖上涂覆磁致伸縮性能良好的材料薄膜，或者將光纖緊繞在磁致伸縮材料芯棒上。在外磁場(chǎng)作用下，由于磁致伸縮效應(yīng)，纖芯長(zhǎng)度變化及纖芯折射率變化，都會(huì)導(dǎo)致光程的相應(yīng)變化。第六十四頁，共八十頁，2022年，8月28日1.醫(yī)用內(nèi)窺鏡

由于光纖柔軟、自由度大、傳輸圖像失真小，引入醫(yī)用內(nèi)窺鏡后，可以方便的檢查人體的許多部位。醫(yī)用光纖傳感器醫(yī)用光纖傳感器體積小、電絕緣和抗電磁性能好，特別適于身體的內(nèi)部檢測(cè)。第六十五頁，共八十頁，2022年，8月28日2.光纖體壓計(jì)

可用來檢測(cè)人體各部位的體壓，如膀胱、直腸、顱內(nèi)和心血管等，測(cè)量范圍通常為0～40kPa。

圖所為一種醫(yī)用體壓計(jì)探針的結(jié)構(gòu)示意圖，在探針端部的開孔上安裝有對(duì)壓力敏感的防水薄膜。膜片通過懸臂梁與反射鏡相連。

p防水薄膜第六十六頁，共八十頁，2022年，8月28日分布式光纖傳感器同時(shí)測(cè)量空間多個(gè)點(diǎn)甚至連續(xù)分布的環(huán)境參數(shù)。

利用光纖本身特征的功能型光纖可構(gòu)成性能優(yōu)良的分布式光纖傳感器，特別適于需要同時(shí)監(jiān)測(cè)在光纖通過的路途上大量位置處連續(xù)變化的物理量，如建筑物、橋梁、水壩、儲(chǔ)油罐等大型結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的檢測(cè)，石油鉆井平臺(tái)、飛機(jī)、航天器、電力變壓器、發(fā)電機(jī)組、反應(yīng)堆等場(chǎng)合應(yīng)力和溫度分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。第六十七頁，共八十頁，2022年，8月28日

①分布式光纖傳感系統(tǒng)中的傳感元件僅為光纖；

②一次測(cè)量就可獲取整個(gè)光纖區(qū)域內(nèi)被測(cè)量的一維分布圖，將光纖架設(shè)成光柵狀，就可測(cè)定被測(cè)量的二維和三維分布情況；

③系統(tǒng)的空間分辨力一般在米的量級(jí)，因而對(duì)被測(cè)量在更窄范圍的變化一般只能觀測(cè)其平均值；分布式光纖傳感技術(shù)的特征：

④系統(tǒng)的測(cè)量精度與空間分辨力一般存在相互制約關(guān)系；

⑤檢測(cè)信號(hào)一般較微弱，因而要求信號(hào)處理系統(tǒng)具有較高的信噪比；

⑥由于在檢測(cè)過程中需要進(jìn)行大量的信號(hào)加法平均、頻率的掃描、相位的跟蹤等處理，因而實(shí)現(xiàn)一次完整的測(cè)量需較長(zhǎng)的時(shí)間。分布式光纖傳感器第六十八頁，共八十頁，2022年，8月28日是一種最簡(jiǎn)單的分布式傳感器，也是光纖通信中查找光纜故障和缺陷定位的一種診斷技術(shù)。利用瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)：

瑞利散射是入射光與介質(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈性碰撞所引起的，散射光的頻率與入射光的頻率相同。光脈沖在光纖中傳播時(shí)，由于瑞利散射而發(fā)生能量損耗，通過檢測(cè)后向散射光的強(qiáng)度，就可獲得衰減程度沿光纖的分布狀況。分布式光纖傳感器第六十九頁，共八十頁，2022年，8月28日根據(jù)后向散射功率的對(duì)數(shù)斜率ai是否變化，可知道光纖內(nèi)是否存在故障點(diǎn)。觀測(cè)后向散射脈沖的到達(dá)時(shí)間t，便可測(cè)得故障點(diǎn)的位置z。第七十頁，共八十頁，2022年，8月28日工業(yè)用內(nèi)窺鏡在工業(yè)生產(chǎn)的某些過程中，經(jīng)常需要檢查某些系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況，而這些系統(tǒng)由于種種原因不能打開或靠近觀察，采用光纖圖像傳感器可解決這一難題。第七十一頁，共八十頁，2022年，8月28日光纖加速度傳感器第七十二頁，共八十頁，2022年，8月28日光纖光柵傳感器（光纖布拉格光柵傳感器）：可以檢測(cè)溫度、應(yīng)變等許多物理量，在傳感技術(shù)中應(yīng)用前景十分廣闊。是目前傳感領(lǐng)域發(fā)展最快的技術(shù)，并已成功應(yīng)用于橋梁建設(shè)、電力監(jiān)測(cè)、鐵路安全、航空航天等許多領(lǐng)域。