光纤传感

光纤传感分类
光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能 型传感器，又称FF型光纤传感器；另一类是 非功能型传感器，又称NF型光纤传感器。
功能型光纤传感
这类传感器利用光纤 本身对外界被测对象 具有敏感能力和检测 功能，光纤不仅起到 传光作用，而且在被 测对象作用下，如光强、相位、偏振态等 光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信 息。
E
(c) E 内部电场 外加电场 电子， 空穴
n v
PN结的能带和电子分布
PN结界面上由于多数载流子扩散运动形成内
部空间电场区，该电场导致载流子的漂移运 动，无外加电压时，两种运动处于平衡状态 ，能带发生倾斜。当外加正向电压时，内部 电场被削弱，扩散运动加强，能带倾斜减小 ，在PN结形成一个增益区（粒子数反转分布 区）可产生自发辐射。
光纤传输损耗
单模光纤中损耗的功率可用损耗系数α来描述
，它表示单位长度光纤的损耗功率。
如果沿长度方向的损耗是均匀的，那么在知
道输入功率Pi后，沿光纤长度方向上任一点z 处的功率Po便可用损耗系数表示
光纤传感器的发展方向

光纤传感器的发展方向主要有以下几个方面：
① 以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主 要研究对象。
光纤传感特点
电绝缘性能好。 抗电磁干扰能力强。 非侵入性。 高灵敏度。 光路可弯曲，对被测信号远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液 位、应变、压力、流量、振动、温度、电流 、电压、磁场等物理量

什么是电磁干扰
Interference （EMI） 有传导干扰和辐射干扰两种。 传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上 的信号耦合(干扰)到另一个电网络。 辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合 (干扰)到另一个电网络。
电磁干扰三要素
任何一个电磁干扰的发生必须具备三个基本条件
首先应该具有干扰源； 其次有传播干扰能量的途径和通道； 还必须有被干扰对象的响应
自然干扰源
主要来源于大气层的天电噪声、地球外层空 间的宇宙噪声。既是地球电磁环境的基本要 素组成部分，同时又是对无线电通讯和空间 技术造成干扰的干扰源。自然噪声会对人造 卫星和宇宙飞船的运行产生干扰，也会对弹 道导弹运载火箭的发射产生干扰。
特点： 受激幅射产生的光子与入射光子是完全相干的；
受激幅射中，光子成倍增长，产生了光放大。
激光的产生 1. 粒子数反转
nk e
E2
Ek kT
N1 N 2
粒子数反转 E1
产生激光的必要条件：实现粒子数反转。
激励（泵浦）：实现粒子数反转的过程。 具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。 红宝石激光器（三能级系统）
光纤导光原理
斯乃尔定理（Snell's Law） 当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质 时发生折射，如图(a)
n2
n1 θ
i
θ
r
(a)光的折射示意图
可见，入射角θ i增大时，折射角θ r也随之增大，
当θ r=90º 时，θ i 仍＜90º ，此时，出射光线沿界 面传播如图（b），称为临界状态。
光纤结构和导光原理
光纤呈圆柱形，它由纤芯和包层两个同心圆柱
的双层结构组成。
纤 芯
n1 n2
2R
2r
n2
n1
包 层
n
光纤结构
光纤的类型
突变型多模光纤：纤芯折射率为n1保持不变
，到包层突然变为n2。
渐变型多模光纤：纤芯中心折射率最大为n1
，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2
单模光纤：折射率分布和突变型光纤相似，

内部电场 PN 结空 间电 荷区 扩散 漂移 能量 E p c Ec
n
(a) P - N结内载流子运动
P区
N区 (a)
(b)零偏压时P-N结的能带
P区 Ef N区 E
p v p
势垒
(热平衡系统)
(c) 正向偏压下P-N结能带
Ec
(b)
E
n v
（非平衡载流子）
E
p f p v
Ec hf hf E
n n f

光纤传感的形成
实际光通信过程中发现,光纤受到外界环境因
素的影响。如压力、温度、电场、磁场等环 境条件变化时，将引起光纤传输的光波量， 如光强、相位、频率、偏振态等变化。因此 ，测量出光波量变化的大小，就可以知道导 致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁 场等物理量的大小．于是就出现了光纤传感 器技术。
(c)P型半导体
能带——电子所处的能态扩展成的连续分布的 能级。 价带——能量低的能带。 导带——能量高的能带。 禁带Eg——导带Ee 和价带Ev间的能量差

费米能级——用于描述半导体中各能级被电子 占据的状态，在费米能级，被电子占据和空穴 占据的概率 相同。 在本征半导体中，E f 位于禁带中央；N型半导 体中 E f 增大；在P型半导体中 E f 减小。
受激吸收和自发辐射
受激吸收过程：
h E2 E1
自发辐射过程
E4 E3 激发态 E2
h h
h E2 E1
基态 E1
自发幅射的光是非相干光
受激辐射（1917年爱因斯坦提出）
h E2 E1
h h h
E2
E1
与外来光子频率 相同、相位相同、 偏振方向和传播 方向相同。
光学谐振腔
反射镜 光的振幅 反射镜 光 强 初 始 位 置 光
2n
L (a)
输出 O X (b) L
激光器的构成和工作原理 (a) 激光振荡； (b) 光反馈
半导体激光器的结构
金属接触
限制层GayAl1-yAs 有源层GaAs 限制层GaXAl1-XAs
GaAs衬底 光辐射
(a)
＋
P Ga1 －xAlxAs

全光纤型传感器 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)作传感元件，将“传”和 “感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光 作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相 变)的作用，其光学特性(光强、相位、偏振 态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。 因此，传感器中光纤是连续的。
P GaAs
N Ga1 －yAl y As 电子
－
（a）双异质结构
(b) E 能 量
复合
从干扰信号的频率范围来分，可以把干扰源分为
工频干扰源（50Hz及其谐波） 低频干扰源（30Hz以下） 载频干扰源（10kHz~300kHz） 射频及视频干扰源（300kHz） 微波干扰源（300MHz~100GHz）
EMC（Electro
Magnetic Compatibility） 直译是“电磁兼容性”。意指设备所产生的 电磁能量既不对其它设备产生干扰,也不受其 他设备的电磁能量干扰的能力。
E3
E2
E3 (10-8s)
E2
(10-3s)
E3
E2
h
E1
E1
E1
氦氖激光器（四能级系统）
(10-8s) (10-3s)
E4
E4
E3
E2 E1
E3
E2 E1
h
2. 光学谐振腔
工作物质 全反射镜 部分反射镜
谐振腔长度：
Ln

2
(n 1,2,3, )
半导体激光器
半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、
n2 n1 θ
i
θ
r
(b)临界状态示意图
式中：θ i——临界角
当θi大于临界角并继续增大时，θr＞90º ，这 时便发生全反射现象，如图(c) ，其出射光不 再折射而全部反射回来。
n2
θ
r
θ n1
i
(c)光全反射示意图
数值孔径NA
入射光线AB与纤维轴线OO相交角为θ i，入射后折射 (折射角为θ j)至纤芯与包层界面C点，与C点界面法 线DE成θ k 角，并由界面折射至包层，CK与DE夹角 E 为θ r。则


光源工作时稳定性好、噪声小，能在室温下连续长 期工作
光源要便于维护，使用方便

光源的分类
非相干光源
包括白光源与发光二极管
相干光源
包括各种激光器：半导体激光器、氦氖激光 器、固体激光器 在大多数光纤传感器中希望使用相干光源。
相干光源（激光）原理
能级的跃迁： 原子中的电子可以通过和外界交换能量的方 式发生量子（能级）跃迁，对于大量原子组 成的体系来说，同时存在光的受激吸收、自 发辐射和受激辐射三个状态。
② 集成化光纤传感器。
③ 多功能全光纤控制系统。 ④ 充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测 系统。 ⑤ 开辟新领域。
光纤传感器光源的要求

由于光纤传感器结构所限，要求光源的体积小，便 于与光纤耦合
光源要有足够的亮度，以提高传感器输出的光功率 光源发出的光波长合适，以减少光波在光纤中传输 时的能量损耗
纤芯直径只有8~10μm
横截面
折射率分布 r
输入脉冲 Ai 纤芯
光线传播路径 包层
输出脉冲 Ao
(a)
2b
2a n t r Ai Ao t
(b) 1 25 m
5 0 m
n t r Ai Ao t
(c)
1 25 m
～10 m
n t t
三种基本类型的光纤
(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤
光发送器 光纤敏感元件 信号处理 光接收器
拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光 或被其反射、散射的光。其典型例子பைடு நூலகம்光纤 激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器 光纤光栅传感器等。
耦合器 光发送器 光纤 被测对象
信号 处理
光 接 收器
非功能型光纤传感
传光型光纤传感器的
光纤只当作传播光的 媒介，待测对象的调 制功能是由其它光电 转换元件实现的，光 纤的状态是不连续的， 光纤只起传光作用。
人为干扰源
机电或其他人工装置产生电磁能量干扰，其 中一部分是专门用来发射电磁能量的装置， 如广播、电视、通信、雷达和导航等无线电 设备，称为有意发射干扰源；另一部分是在 完成自身功能的同时附带产生电磁能量的发 射，如交通车辆、架空输电线、以及工业、 医用射频设备等等。因此这部分又称为无意 发射干扰源。
转换效率高、功耗低、驱动电源简单、能直 接调制、结构简单、价格低廉、使用安全、 其应用领域非常广泛。
半导体激光器工作原理
半导体激光器是向半导体PN结注入
电流，实现粒子数反转分布，产生 受激辐射，并利用光学谐振腔的正 反馈实现光放大而产生激光。
半导体的能带和电子分布
能量 导带 Ee Eg Ef/2 Ef/2 Ef Eg Ev 价带 (a)本征半导体 空穴 (b)N型半导体 电子 Ev Ee Ef Eg Ef
n0
O θ A
i
C θ
k
r
K
G
n2
B
θ
θ
j
F D
O
n1
光纤导光示意图
NA的意义
NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功
率有多大，只要在2θ i张角之内的入射光才 能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范 围，光线会进入包层漏光。 一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦 合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要 选择适当。 产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA
Electromagnetic
EMI是干扰电缆信号并降低信号完好性的电 子噪音，EMI通常由电磁辐射发生源如马达 和机器产生。 在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集 成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具 有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并 影响其他系统或本系统内其他子系统的正常 工作。
主要由美国联邦通讯委员会在1990
年和欧盟 在1992 提出了对商业数码产品的有关规章， 这些规章要求各个公司确保它们的产品符合 严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章 的产品称为具有电磁兼容性EMC。
光纤信号传输不同于有线电通信，后者是利
用金属媒体传输信号，光纤则是利用透明的 光纤传输光波。虽然光和电都属于电磁波， 但频率范围相差很大。 一般通信电缆最高使用频率约为兆赫106Hz ，光纤工作频率在 1014 ~1015 Hz 之间
光纤传感技术
光纤传感器是20世纪70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 和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为 基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光 作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感 信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学 测量的特点。
“有关光在纤维中的传输以用于光学 通信方面”取得了突破性成就2009年 诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家 高锟 高锟-光纤之父 1966年，高锟发表了一篇题为《光频率介质纤维表 面波导》的论文，开创性地提出光导纤维在通信上 应用的基本原理，描述了长路程及高信息量光通信 所需绝缘性纤维的结构和材料特性。简单地说，只 要解决好玻璃纯度和成分等问题，就能够利用玻璃 制作光学纤维，从而高效传输信息。