第四章8--光纤传感器课件.ppt

光纤光纤光导纤维，是由光导纤维，是由石英、玻石英、玻璃、塑料璃、塑料等光折射率高的介质材料制等光折射率高的介质材料制成的极细的纤维，是一种理想的光传成的极细的纤维，是一种理想的光传输线路光纤传感器光纤传感器（Fiber Optic SensorFiber Optic Sensor，FOSFOS）兴起于）兴起于2020世纪世纪7070年代，是一类年代，是一类较新的光敏器件，它是利用被测量对较新的光敏器件，它是利用被测量对光纤内传输的光波进行调制，使光波光纤内传输的光波进行调制，使光波的一些参数，如的一些参数，如强度、频率、波长、强度、频率、波长、相位、偏振态相位、偏振态等特性产生变化来工作等特性产生变化来工作可以测量可以测量位移、加速度、压力、温度、位移、加速度、压力、温度、磁、声、电磁、声、电等物理量等物理量4.8.1光纤传感器光纤传感器概述概述l光导纤维光导纤维( (光纤光纤) )受到外界环境因素的影响，如温度、压力、受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等环境条件变化，将引起其传输的光波量，如光电场、磁场等环境条件变化，将引起其传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。

强、相位、频率、偏振态等变化l光纤传感技术就是将温度、压力、电场、磁场的变化转化为光纤传感技术就是将温度、压力、电场、磁场的变化转化为光波量的变化的技术光纤传感器通过光导纤维把输入变量光波量的变化的技术光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号转换成调制的光信号l光纤传感器是光纤传感器是2020世纪世纪7070年代中期发展起来的一门新技术，光年代中期发展起来的一门新技术，光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展与其它传感器相比较，一步发展与其它传感器相比较，l光纤传感器有如下特点：光纤传感器有如下特点：不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀光纤的发展光纤的发展v 19661966年高琨博士提出光纤传输的理论年高琨博士提出光纤传输的理论v 19691969年日本平板玻璃公司制出年日本平板玻璃公司制出200dB/KM200dB/KM梯度光纤梯度光纤v 19701970年年美美康康宁宁公公司司制制出出世世界界第第一一根根20dB/KM20dB/KM低低损损耗耗光纤光纤v 19721972年年日日本本电电子子技技术术综综合合研研究究所所制制出出7dB/KM 7dB/KM SiOSiO2 2芯光纤芯光纤v 19731973年美贝尔实验室用化学沉积法（年美贝尔实验室用化学沉积法（CVDCVD）制光纤）制光纤v 19781978年对年对1.5m1.5m光传输接通理论值约光传输接通理论值约0.2dB/KM0.2dB/KMv 19801980年光通讯产业形成年光通讯产业形成一：光纤传感器的光源一：光纤传感器的光源v见网页二：光纤传感器的光探测器二：光纤传感器的光探测器第十章介绍的常用的光探测器：第十章介绍的常用的光探测器： 光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管等光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管等传光原理传光原理：光在光纤界面内产生全反射。

光在光纤界面内产生全反射 光纤光纤通常由通常由纤芯、包层纤芯、包层及及保护套保护套组成纤芯是由组成纤芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圆柱体，直径约为玻璃、石英或塑料等材料制成的圆柱体，直径约为5 5150150m m包层的材料也是玻璃或塑料等，但纤芯包层的材料也是玻璃或塑料等，但纤芯的折射率的折射率n n1 1稍大于包层的折射率稍大于包层的折射率n n2 2外套起保护光外套起保护光纤的作用较长的光纤又称为光缆纤的作用较长的光纤又称为光缆 4.8.2 4.8.2 光纤结构光纤结构 纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套当当时，发射全反射，即：时，发射全反射，即：光纤传光原理光纤传光原理 以入射角小于以入射角小于i i进入光纤的光线将形成全反射被引导进入光纤的光线将形成全反射被引导至光纤输出端，并以近似等于入射角的角度射出至光纤输出端，并以近似等于入射角的角度射出c c称为称为临界角，临界角，2 2i i为为接受角接受角，处于接受角之外的光线均被包层，处于接受角之外的光线均被包层吸收而损失掉吸收而损失掉sinsini i定义为光纤的定义为光纤的数值孔径数值孔径（Numerical Numerical ApertureAperture） ，用，用NANA表示，它反映纤芯接收光量的多少，表示，它反映纤芯接收光量的多少，是光纤的一个重要参数。

是光纤的一个重要参数光纤结构光纤结构 光纤结构光纤结构 数值孔径（数值孔径（Numerical ApertureNumerical Aperture） 光纤的数值孔径大小与光纤的数值孔径大小与几何尺寸无关几何尺寸无关，与纤芯，与纤芯包层相对包层相对折射率有关折射率有关光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力NANA越大，则光纤越大，则光纤接收光的能力也越强接收光的能力也越强数值孔径大有利于光纤的对接数值孔径大有利于光纤的对接可以使光纤可以使光纤NANA值很大而截面积很小，使得光纤柔软可以弯曲值很大而截面积很小，使得光纤柔软可以弯曲 NANA太大时，光信号的畸变加大，会影响光纤的带宽因此对光太大时，光信号的畸变加大，会影响光纤的带宽因此对光纤的数值孔径有一定的要求通常作为传感器的光纤纤的数值孔径有一定的要求通常作为传感器的光纤0.2NA0.40.2NA材料色散材料色散波导色散波导色散v对于多模光纤，总色散等于三者相加，起主导作用的是对于多模光纤，总色散等于三者相加，起主导作用的是模模式色散式色散，其他两个色散影响很小其他两个色散影响很小v对于单模光纤，只有一个传输模式，故不存在模式色散，对于单模光纤，只有一个传输模式，故不存在模式色散，其总色散为材料色散和波导色散之和。

为减小总的波长色其总色散为材料色散和波导色散之和为减小总的波长色散，要尽量选用窄谱线激光器作光源散，要尽量选用窄谱线激光器作光源光在普通光纤中的传输光在普通光纤中的传输见教材见教材227页页2161 1，光纤光纤是光信号的传输媒介；是光信号的传输媒介； 2 2，当光信号在光纤中传播时，表征，当光信号在光纤中传播时，表征光信号的特征光信号的特征参量参量( (振幅、相位、偏振态、波长等振幅、相位、偏振态、波长等) )因外界因因外界因素素( (如温度、压力、磁场、电场、位移等如温度、压力、磁场、电场、位移等) )的作的作用而间接或直接地发生变化；用而间接或直接地发生变化；3 3，将光纤用作，将光纤用作传感元件传感元件来探测各种待测量来探测各种待测量( (物理物理量、化学量和生物量等量、化学量和生物量等) )光纤传感器工作原理光纤传感器工作原理 光纤传感器与电类传感器比较光纤传感器与电类传感器比较 分类分类内容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振幅：吸收、反射等振幅：吸收、反射等相位：偏振相位：偏振电阻、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、光敏、磁磁-光敏光敏温温-电敏、力电敏、力-电敏、电敏、磁磁-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、电缆光纤传感器是与电类传感器并行互补的一类新型传感器。

光纤传感器是与电类传感器并行互补的一类新型传感器光纤传感器与电类传感器比较光纤传感器与电类传感器比较 光纤传感器的特点光纤传感器的特点 本质防爆本质防爆适合于易燃、易爆等危险物品检测适合于易燃、易爆等危险物品检测对电绝缘对电绝缘适合于高电压场合检测适合于高电压场合检测 无感应性无感应性适合于强电磁场干扰环境下检测适合于强电磁场干扰环境下检测 化学稳定性化学稳定性适合于环保、医药、食品工业检测适合于环保、医药、食品工业检测时域变换性时域变换性适合于多点分布测量适合于多点分布测量低损耗低损耗 、高精度高精度 、几何形状适应性强几何形状适应性强、尺寸小尺寸小 、重量轻重量轻、频带宽、非接触式频带宽、非接触式等等在机械、电子、航空航天、化工、生物医学、电力、在机械、电子、航空航天、化工、生物医学、电力、交通、食品等领域的自动控制、检测、故障诊交通、食品等领域的自动控制、检测、故障诊断、安全报警以及军事等方面都有广泛应用断、安全报警以及军事等方面都有广泛应用 光纤传感器结构光纤传感器结构 按照光纤在传感器中的作用，通常将光纤传感器按照光纤在传感器中的作用，通常将光纤传感器分为两种类型：分为两种类型：非功能型（或称传光型、结构型）非功能型（或称传光型、结构型）和和功能功能型（或称传感型、探测型）型（或称传感型、探测型） 。

n 非功能型非功能型光纤传感器：利用其它敏感元件感受被测光纤传感器：利用其它敏感元件感受被测量，光纤仅作为传输介质，量，光纤仅作为传输介质，依靠光传输或光反射引起依靠光传输或光反射引起的强度调制来工作；光纤是不连续的的强度调制来工作；光纤是不连续的, , 中断处要接上中断处要接上其他介质的敏感元件；多使用多模光纤其他介质的敏感元件；多使用多模光纤n 功能型功能型光纤传感器：把光纤作为敏感元件，被测量光纤传感器：把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输光的强度、相位、偏振态等进行调制，对光纤内传输光的强度、相位、偏振态等进行调制，再通过解调得到被测信号；常使用单模光纤再通过解调得到被测信号；常使用单模光纤光纤传感器分类光纤传感器分类 光纤传感器分类光纤传感器分类v根据根据光被调制的原理光被调制的原理，光纤传感器分为：，光纤传感器分为：强度调强度调制型制型、频率调制型频率调制型、波长调制型波长调制型、相位调制型相位调制型及及偏振态调制型偏振态调制型n光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制外界信号可能引起光的某些特性外界信号可能引起光的某些特性( (如强度、波长、如强度、波长、频率、相位、偏振态等频率、相位、偏振态等) )变化，从而构成强度、波变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态等调制器。

长、频率、相位和偏振态等调制器v根据根据被测参数被测参数，光纤传感器也可分为：，光纤传感器也可分为：光纤位移光纤位移传感器、光纤压力传感器、光纤温度传感器等传感器、光纤压力传感器、光纤温度传感器等1 1，非功能性：，非功能性：通过光束通过光束位移、遮挡、耦合位移、遮挡、耦合等方等方式使接收光纤的光强变化式使接收光纤的光强变化 光反射光反射 依靠折射率变化测液位：依靠折射率变化测液位： 光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器 光传输光传输光纤微弯曲位移（压力）传感器光纤微弯曲位移（压力）传感器2 2，功能型：，功能型：通过改变光纤通过改变光纤外形外形、折射率折射率差、差、吸收特吸收特性性等方式使光强变化等方式使光强变化 当光线到达微弯曲段界面时，入射角将小于临当光线到达微弯曲段界面时，入射角将小于临界角，有一部分光透射进入包层主要用于微弯曲位界角，有一部分光透射进入包层主要用于微弯曲位移检测和压力检测移检测和压力检测光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器 x x、射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加，使射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而可以构成强度调制器。

光纤的输出功率降低，从而可以构成强度调制器 在频率调制型光纤传感器中，光纤只起着传输光的作用，在频率调制型光纤传感器中，光纤只起着传输光的作用，它的工作原理是它的工作原理是光学多普勒效应光学多普勒效应，即由于观察者和目标的相对，即由于观察者和目标的相对。