武漢理工大學(xué)第九章光纖傳感器

第九章光纖傳感器重點(diǎn)：1光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理2光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)3光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理4光纖傳感器的分類5光纖傳感器的特點(diǎn)6光纖傳感器的應(yīng)用

1光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理圓柱形內(nèi)芯和包層組成，而且內(nèi)芯的折射率略大于包層的折射率

纖芯材料的主體是二氧化硅塑料，制成很細(xì)的圓柱體，其直徑在5~75um內(nèi)。有時在主體材料中摻入極微量的其他材料如二氧化鍺或五氧化二磷等，以便提高光的折射率。圍繞纖芯的是一層圓柱形套層（包層），包層可以是單層，也可以是多層結(jié)構(gòu)，層數(shù)取決于光纖的應(yīng)用場所，但總直徑控制在100~200范圍內(nèi)。包層材料也為二氧化硅，摻入極微量的三氧化二硼或四氧化硅，但包層摻雜的目的卻是為了降低其對光的折射率。包層外面還要涂上如硅銅或丙烯酸鹽等涂料，其作用是保護(hù)光纖不受外來的損害，增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度。光纖最外層是一層塑料保護(hù)管，其顏色用以區(qū)分光纜中各種不同的光纖。光纜是由多根光纖組成，并在光纖間填入阻水油膏以此保證光纜傳光性能。光纜主要用于光纖通信。斯乃爾定理當(dāng)光由光密物質(zhì)出射至光疏物質(zhì)時，發(fā)生折射（a）折射角大于入射角：（b）臨界狀態(tài)：（c）全反射：上一頁下一頁返回光纖導(dǎo)光n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故n0≈1當(dāng)θr=90°的臨界狀態(tài)時，Sinθi定義為“數(shù)值孔徑”NA（NumericalAperture）相對折射率差arcsinNA是一個臨界角，θi>arcsinNA，光線進(jìn)入光纖后都不能傳播而在包層消失；θi<arcsinNA，光線才可以進(jìn)入光纖被全反射傳播。上一頁下一頁返回2光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)1.數(shù)值孔徑（NA）2.光纖模式3.傳播損耗上一頁下一頁返回上一頁下一頁返回1.數(shù)值孔徑（NA）反映纖芯接收光量的多少，標(biāo)志光纖接收性能。意義：無論光源發(fā)射功率有多大，只有2θi張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。 大的數(shù)值孔徑：有利于耦合效率的提高。 但數(shù)值孔徑太大，光信號畸變也越嚴(yán)重。光纖模式：光波沿光導(dǎo)纖維傳播的途徑和方式

單模光纖：只能傳一種模式的光

多模光纖：允許不同光束在一條電纜上傳輸

根據(jù)傳輸點(diǎn)模數(shù)的不同，光纖可分為單模光纖和多模光纖。所謂“模”是指以一定角度進(jìn)入光纖的一束光。多模光纖允許多束光在光纖中同時傳播，從而形成模分散(因?yàn)槊恳粋€“?！惫膺M(jìn)入光纖的角度不同它們到達(dá)另一端點(diǎn)的時間也不同，這種特征稱為模分散。)單模光纖采用固體激光器做光源；多模光纖則采用發(fā)光二極管做光源。

在光導(dǎo)纖維中傳播模式很多對信息的傳輸是不利的，導(dǎo)致合成信號的畸變，因此我們希望模式數(shù)量越少越好。

希望V?。篸不能太大，n2與n1之差很小階躍型的圓筒波導(dǎo)內(nèi)傳播的模式數(shù)量表示為

3.傳播損耗（單位為dB）式中,L——光纖長度；A——能耗P1——光導(dǎo)纖維入射端光強(qiáng)（功率）P2——光導(dǎo)纖維出射端光強(qiáng)（功率）A=10/Llg(P1／P2)2.微彎損耗：光纖微微彎曲時，纖芯與包層界面上某些地方光線不滿足全反射而進(jìn)入包層。3.散射損耗：因纖芯材料折射率而產(chǎn)生散射，在其它方向上可看到微弱的光信號。損耗原因：1.吸收損耗：光纖纖芯材料的吸收光能量和纖芯層里氫氧離子振動的能量吸收。3光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置光受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，?jīng)信號處理系統(tǒng)得到被測量。光纖傳感器工作原理：光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。根據(jù)工作原理，光纖傳感器可以分為傳感型和傳光型兩大類。(還有一類：探光型)光纖傳感器光學(xué)測量的基本原理光就是一種電磁波，光的電矢量E被測量調(diào)制：光的強(qiáng)度、偏振態(tài)（矢量B的方向）、頻率和相位解調(diào)：光的強(qiáng)度解調(diào)、偏振解調(diào)、頻率解調(diào)或相位解調(diào)上一頁下一頁返回

光纖對許多外界參數(shù)有一定的效應(yīng)，如電流、溫度、速度和射線等。光纖傳感器原理的核心是如何利用光纖的各種效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對外界被測參數(shù)的“傳”和“感”的功能。光纖傳感器的核心就是光被外界參數(shù)的調(diào)制原理，調(diào)制的原理就能代表光纖傳感器的機(jī)理。研究光纖傳感器的調(diào)制器就是研究光在調(diào)制區(qū)與外界被測參數(shù)的相互作用，外界信號可能引起光的特性（強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）變化，從而構(gòu)成強(qiáng)度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)調(diào)制原理。4光纖傳感器的分類傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測量光纖分類干涉型光纖傳感器相位調(diào)制干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場電場、電壓角速度振動、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非干涉型光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制遮光板斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄模溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纖傳感器偏振調(diào)制法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場電場、電壓溫度振動、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纖傳感器頻率調(diào)制多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動、加速度氣體濃度溫度MMMMMMCbb注：MM——多模光纖；SM——單模光纖；PM——偏振保持光纖光纖傳感器的分類光纖在傳感器中的作用光受被測量調(diào)制的形式光纖傳感器中對光信號的檢測方法不同(1)光纖在傳感器中的作用功能型（傳感型）非功能型（傳光型）探光型(a)功能型（全光纖型）光纖傳感器光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。

缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高，

典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等上一頁下一頁返回利用外界因素改變光纖的特征參量，從而對外界因素進(jìn)行計(jì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，稱為傳感型光纖傳感器，它具有傳、感合一的特點(diǎn)，信息的獲取和傳輸都在光纖之中。(b)非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。

優(yōu)點(diǎn)：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。

缺點(diǎn)：靈敏度較低。 實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。上一頁下一頁返回傳光型光纖傳感器是指利用其他敏感元件測得的特征量，由光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，它的特點(diǎn)是充分利用現(xiàn)有的傳感器，便于推廣應(yīng)用。(c)拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。典型例子： 光纖激光多普勒速度計(jì) 輻射式光纖溫度傳感器見P92圖4.63(2)根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式(a)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器(b)偏振調(diào)制光纖傳感器(c)頻率調(diào)制光纖傳感器(d)相位調(diào)制傳感器上一頁下一頁返回(a)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器利用被測對象的變化引起敏感元件參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實(shí)現(xiàn)敏感測量的傳感器。應(yīng)用：壓力、振動、位移、氣體優(yōu)點(diǎn):

結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)、成本低。缺點(diǎn):

易受光源波動和連接器損耗變化等的影響其調(diào)制方式有1、微彎調(diào)制屬于功能型光纖調(diào)制2、透射調(diào)制屬于非功能型光纖調(diào)制3、反射調(diào)制屬于非功能型光纖調(diào)制上一頁下一頁返回3種強(qiáng)度調(diào)制原理示意圖（b）偏振調(diào)制光纖傳感器利用光的偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象信息原理：在外界因素作用下，使光的某一方向振動比其它方向占優(yōu)勢應(yīng)用： 電流、磁場傳感器：法拉第效應(yīng)； 電場、電壓傳感器：泡爾效應(yīng)； 壓力、振動或聲傳感器：光彈效應(yīng)； 溫度、壓力、振動傳感器：雙折射性優(yōu)點(diǎn)：可避免光源強(qiáng)度變化的影響，靈敏度高。（c）頻率調(diào)制光纖傳感器被測對象引起的光頻率的變化來進(jìn)行監(jiān)測原理：單色光照射到運(yùn)動物體上后，反射回來時，其頻移后的頻率為

f移后＝f0/(1-v/c)≒f0(1+v/c)式中：f為單色光頻率；c為光束；v為運(yùn)動物體的速度。將此頻率的光與參考光共同作用于光探測器上，并產(chǎn)生差拍，經(jīng)頻譜分析器處理求出頻率變化，可推知速度。

利用運(yùn)動物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感；利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時的喇曼散射構(gòu)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；利用溫度致發(fā)光的溫度傳感器等。（d）相位調(diào)制傳感器被測對象導(dǎo)致光的相位變化，然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息。相位調(diào)制原理示意圖利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器利用Sagnac效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）優(yōu)點(diǎn)：靈敏度很高，缺點(diǎn)：特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，成本高。5光纖傳感器的特點(diǎn)（1）電絕緣。（2）抗電磁干擾。（3）非侵入性。（4）高靈敏度。（5）容易實(shí)現(xiàn)對被測信號的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。6光纖傳感器的應(yīng)用強(qiáng)度調(diào)制型： 基于彈性元件受壓變形，將壓力信號轉(zhuǎn)換成位移信號來檢測，故常用于位移的光纖檢測技術(shù)；相位調(diào)制型： 利用光纖本身作為敏感元件；偏振調(diào)制型： 主要是利用晶體的光彈性效應(yīng)。光纖壓力傳感器（1）采用彈性元件的光纖壓力傳感器膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖膜片的中心撓度

若利用Y形光纖束位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關(guān)系。1Y形光纖2殼體3膜片與所加的壓力呈線性關(guān)系傳感器的固有頻率可表示為式中,ρ――膜片材料的密度；

g――重力加速度。結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便，光源不夠穩(wěn)定或長期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影響。上一頁下一頁返回差動式膜片反射型光纖壓力傳感器1．輸出光纖2．輸入光纖3．輸出光纖4．膠5．膜片兩束輸出光的光強(qiáng)之比A―常數(shù)；p―待測量壓力輸出光強(qiáng)比I2/I1與膜片的反射率、光源強(qiáng)度等因素均無關(guān)上一頁下一頁返回將上式兩邊取對數(shù)，在滿足(Ap)2≤1時，得到表明待測壓力與輸出光強(qiáng)比的對數(shù)呈線性關(guān)系。若將I1、I2檢出后分別經(jīng)對數(shù)放大后，再通過減法器即可得到線性的輸出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可獲得不同的測量范圍。上一頁下一頁返回（b）光彈性式光纖壓力傳感器光彈性效應(yīng)：晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，從而呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。1光源2、8起偏器3、91/4波長板4、10光彈性元件5、11檢偏器6光纖7自聚焦透鏡光彈性式光纖壓力傳感器2在光彈性元件上加上質(zhì)量塊后，也可用于測量振動、加速度（c）微彎式光纖壓力傳感基于光纖的微彎效應(yīng)，即由壓力引起變形器產(chǎn)生位移，使光纖彎曲而調(diào)制光強(qiáng)度。1聚碳酸酯薄膜2可動變形板3固定變形板4、5光纖微彎式光纖水聽器探頭例3透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器半導(dǎo)體的吸收光譜與材料的Eg有關(guān)，而Eg