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第七章 光纤传感检测技术l光纤传感器的基础l光纤的光波调制技术l光纤传感器实例l分布式光纤传感器7.1 光纤传感器的基础1、光纤的结构 光导纤维（Optical Fiber 简称光纤）又纤芯 、包层及外套组成纤芯折射率大于包层折 射率 光纤具有使光封闭在纤芯里面传输的功能 外套起保护作用2、光纤的种类 1）按制作材料l高纯度石英玻璃纤维l多组分玻璃光纤l塑料光纤 2）按传输模式分l单模光纤l多模光纤3）按折射率分布特点分l阶跃光纤l梯度光纤阶跃光纤梯度光纤4）按用途分l通信光纤l特殊光纤 5）按制作方法分 化学气相沉积法、双坩埚/三坩埚法3、光纤的传输原理 1）光线传播解释 将光看作光线光由光密介质向光疏介质传 播，在满足一定条件时发生全反射 全反入射角：可得：NA称为数值孔径(Numerical Aperture) NA是光纤受光能力的标度标准多模光纤的NA公称值一般为0.2，孔径 角为11.5o； 标准单模光纤的NA公称值一般为0.1~0.15 ，孔径角约5.7o~8.6o在梯度光纤中：在梯度光纤中的折射在梯度光纤中的传播自聚焦效应2）波导传播解释 将光看作电磁波用麦克斯韦方程解表示 光波。

满足麦克斯韦方程的任一特解称为一种模式 ，简称模任意电磁波可以看作多个模式的 线性组合，同样满足麦克斯韦方程电磁波 主要有横模和纵模光波在光纤中传播存在三类模式： 传输模（导模）、泄漏模（漏模）、辐射模导模：光功率限制在纤芯内传播的光波场， 又称为芯模包括横电模、横磁模和 混合模 漏模：在纤芯内及距纤壁一定距离的包层中 传播的光波场，又称为包层模辐射模：在纤芯和包层中均为传输场，不满 足全反射条件，模场能量向包层外溢 出，光纤失去对光波场功率的限制作 用三种模式： a）TEmn模在轴向只有磁场分量H，而横截 面上只有电场分量E称为横电模 b）TMmn模在轴向只有电场分量E，而横截 面上只有磁场分量H称为横磁模 c）HEmn模（ EHmn模） 轴向同时存在电 场分量和磁场分量称为混合模m,n表示贝 塞尔函数的阶及相应的根数代表不同的模 式不同模式的传输特性不同若光纤纤中仅传仅传 播HE11基模，则则因该该模在芯心 处处最强，所以光纤输纤输 出的光斑是一个外围围光 强较较弱的圆圆光斑TE01模则则因芯心处电场处电场 最 弱，所以光纤输纤输 出光斑将在芯心处处出现现暗区 电磁波可表示为：β为传播常数。

β决定了在传播过程中等效在z方向上引入的 相位变化值光纤轴向相速度由ω/β决定归一化频率为：归一化频率是表征光纤中模式传播特性的 重要参数在一个给定结构参数的光纤中 ，允许存在的导模数目取决于v，v越大， 允许存在的导模越多，反之亦然当 时，只允许一个模式（HE11）梯度型阶跃型归一化频率与传输模式之间的关系4、光纤的特性 损耗和色散 1）损耗 定义为：光波在光纤中传输1km产生的功率 衰减分贝数式中 Pi——光纤输入端光功率；Po——光纤输出端光功率；L——光纤长度；损耗随波长的 增大而减小光纤损耗主要有：l吸收损耗 由于光纤材料的量子跃迁致使一部分光功率 转换为热量造成的传输损耗 本征吸收、杂质吸收和原子缺陷吸收 本征吸收是物质固有的，主要是由紫外和红 外波段电子跃迁和振动跃迁引起的吸收 本征损耗一般很小，约0.01~0.05dB/Km 杂质吸收是由于光纤材料中的正过渡金属离 子的电子跃迁和氢阳根负离子的分子振动跃 迁引起的吸收原子缺陷吸收是由于强烈的热、光或射线辐射 使光纤材料受激出现原子缺陷产生的损耗l散射损耗 瑞利散射、布里渊散射 、拉曼散射等 瑞利散射是由于光纤中远小于光波长的物质密 度不均匀性和掺杂浓度不均匀引起的散射。

分为斯托克斯散射（波长向长波方向偏移）和 反斯托克斯散射（向短波方向偏移） 散射光正比于1/λ4 用长波可减小瑞利散射l弯曲损耗 曲率半径远大于光纤直径的弯曲所产生的附 加损耗 产生弯曲损耗的效应主要有：空间滤波、模 式泄漏、模式耦合 空间滤波：光纤弯曲部分高阶模因全反射条 件破坏而折射到包层中，将所携带的能量辐 射到光纤之外的一中物理效应 弯曲半径越小，损耗越大是弯曲损耗中的 主要损耗 模式泄漏：光场远离纤芯的部分因弯曲不再 满足模式传输要求而辐射出光纤模式耦合：纤芯中的导模和包层中的辐射模发 生模式耦合，使导模能量减小 2）色散 光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象 不同波长、不同模式下的β值不同 光纤色散主要有：材料色散、模式色散、波导 色散几种色散： a）材料色散 又称折射率色散不同波长的折射率不同 引起发射光谱宽度越窄，材料色散越小 是单模光纤的主要色散 b）模式色散 梯度光纤中模式间传播速度不同引起是 梯度型多模光纤的主要色散单模光纤中 不存在模式色散 自聚焦光纤中理论上也不存在模式色散c）波导色散 又称结构色散光纤结构不同，同一模 式的传播常数随频率变化引起 5、光纤传感器分类 1）功能型传感器（function fiber optical sensor FF） 光纤作为传感元件 2）非功能型传感器（non function fiber optical sensor NF） 光纤作为传光元件6、光纤传感器的特点l检测精度和灵敏度高。

l响应速度快，频响宽，可实现非接触高 速检测l环境适应性强l体积小、重量轻、具有可集成的潜力l光纤传感器的基础l光纤的光波调制技术l光纤传感器实例l分布式光纤传感器外界信号可能引起光的强度、波长长（颜颜色）、 频频率、相位、偏振态态等性质发质发 生变变化，从而构 成强度、波长长、频频率、相位和偏振态态的调调制原 理调制方式：强度调制、相位调制、偏振调制、 频率调制、光谱调制等 1、强度调制 1）微弯损耗强度调制 多模光纤（或单模光纤）微弯时，一部分芯模 能量会转化为包层模式能量，通过测量包层模 式的能量或芯模能量的变化就能测量外界物理 量 以模式耦合造成的损耗为主梯度型光纤中：阶跃型光纤中：2）折射率变化强度调制 温度变化可引起光纤折射率变化，外界环 境折射率变化，都可以实现强度调制 3）线位移或角位移强度调制光强分布 4）光闸强度调制5）反射式强度调制2、偏振调制 振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏 振 光按偏振态可分为：自然光、偏振光、部 分偏振光 自然光： 偏振光：线偏振光、椭圆偏振光、圆偏 振光（a）线偏振光光矢量端点的轨迹为直线，即光矢量只沿 着一个确定的方向振动，其大小、方向不 变，称为线偏振光。

（b）椭圆偏振光 光矢量端点的轨迹为一椭圆，即光矢量不 断旋转，其大小、方向随时间有规律的变 化 （c）圆偏振光 光矢量端点的轨迹为一圆，即光矢量不断 旋转，其大小不变，但方向随时间有规律 地变化 部分偏振光：双折射： 一束自然光入射于单轴晶体时，会变成两束 折射光，其中一束遵守折射定律称为o光，另 一束不遵守折射定律，称为e光o光、e光都 是线偏振光，o光的振动方向垂直于o光的主 平面，e光的振动方向在e光的主平面内偏振调制就是利用电光、磁光和光弹等物 理效应，改变光的偏振态，实现调制 1）调制原理 a）泡克尔斯（Pockels）效应（感应双折射 ） 压电晶体在电场作用下表现出双折射现象 两正交偏振光的相位变化为：b）法拉第磁光效应 光通过带磁性的物体时，偏振方向发生旋转 光传播方向与磁场一致时，V>0，迎着光传 播方向看，偏振面顺时针方向偏转 光传播方向与磁场一致时，V<0，迎着光传 播方向看，偏振面逆时针方向偏转d）光弹效应（压力双折射） 晶体在压力作用下表现出双折射性质相位变化可表示为：折射率变化为：ρ——物质常数 σ——施加的应力光程差：c）其他方式（非功能型）透射式反射式d）光偏振态的检测 偏振态光强单光路法输出光强：双光路法WP：沃拉斯登棱镜D1，D2的输出：偏转角为：3、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的原理称为相 位调制。

相位调制的灵敏度极高 1）应力应变效应 当光纤受到纵向（横向）的机械应力时， 光纤的长度（应变效应）、光纤芯的直径 （泊松效应）、纤芯折射率（光弹效应） 都将变化，从而引起光波相位变化2）塞格纳克效应顺时针一周的实际光程：逆时针一周的实际光程：光程差：相位差：3）温度应变效应 温度应变效应与应力应变相似同时引 起长度和折射率的变化相位改变值与 待测场中光纤长度L成正比，具有很高的 灵敏度 4）相位解调 相位表现在复振幅的复数部分，只有通 过干涉将其转换为光强才能被探测器接 收到5）几种光纤干涉仪 a）双光束光纤干涉仪 迈克尔逊光纤干涉仪、马赫-泽德尔光纤干涉 仪、斐索光纤干涉仪迈克尔逊光纤干涉仪马赫-泽德尔光纤干涉仪优点：不带纤端反射镜，克服了回波干扰 的问题斐索光纤干涉仪P1、P2:偏振片 M1、M2:反射镜，构成斐索干涉腔b）三光束光纤干涉仪优点：形成多光束干涉，清晰度、锐度比双 光束干涉好，可提高测量精度c）塞格纳克光纤干涉仪多饶可提高精度d）法布里-泊罗光纤干涉仪 本征F-P腔和非本征F-P腔 非本征F-P干涉仪（EFPI）透射式反射式输出的光强：优点是灵敏度高本征F-P干涉仪（FFPI）e）光强探测常采用光电二极管（PIN）、光电三极 管和雪崩二极管（APD）作为光电探测 器。

输出的电流为：可采用单探测器法、双探测器法和三探 测器法三探测器法可采用单探测器法双探测器法4、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 ，称为频率调制 频率调制基于多普勒效应SQPθ2θ1多普勒光纤测速仪l光纤传感器的基础l光纤的光波调制技术l光纤传感器实例l分布式光纤传感器1、光纤位移传感器7.3 光纤传感器实例反射式光纤位移传感器液面测量2、光纤温度传感器 1）辐射温度传感器辐射曲线2）半导体吸收式温度传感器 半导体材料吸收的波长随温度增加向长波移 动透过率随温度增加而减小a）双光纤参考基准通道法b）双光源参考基准通道法3）热色效应光纤温度传感器4）光纤角速度传感器5）光纤压力传感 a）快门式b） 动栅式光栅常数越小，灵敏度越高c） 光弹压力传感d）微弯式压力传感e）膜调制光纤压力传感6）光纤电流传感器 两类： 单模光纤：利用法拉第效应，用于测量高压 大电流； 金属被覆多模光纤：利用微弯效应，用于测 量小电流金属被覆光纤电流传感器传感元件l光纤传感器的基础l光纤的光波调制技术l光纤传感器实例l分布式光纤传感器被测量呈空间分布时，将传感光纤沿场排布 ，对场的空间分布和随时间变化的信息进行 测量或监控。

分布式光纤传感可获得多点信息，性价比高 ，信息容量大 可分为本征型和非本征型（准分布式）7.4 分布式光纤传感器1、准分布式光纤传感原理 将呈一定空间分布的相同调制类型的光纤传 感器耦合到一根或多根光纤总线上，通过寻 址、解调，检测出被测量的大小及空间分布 总线光纤仅起传光作用 可分为： 时分复用(Time Division Multiplex TDM) 波分复用(Wavelength Division Multiplex WDM) 频分复用（Frequency Division Multiplex FDM) 空分复用(Space Division Multiplex SDM) 偏分复用(Polarization Division Multiplex PDM)a) 时分复用(TDM)反射式透射式不同传感器信号到达探测器时间不同b） 波分复用(WDM)不同传感器的特征波长不同c) 频分复用(FDM)不同传感器的信号调制在不同频率上d） 空分复用(SDM)利用光开关实现对不同传感器的选址2、分布式光纤传感原理 分布式光纤传感器系统是一种本征型的光纤 传感系统，所以敏感点分布于一根传感光纤 上。

发展较快的两类：光时域分布式、波域分布 式。