光纤传感器的基础一

则相移：

2
L

2
ct

2
c

4NA c2



8NA
0
0
0
0c
四、光纤压力（振动）传感器 1. 光纤压力（振动）传感器 优点：体积小，抗电磁和射频干扰好，精度高，非接触
性测量 ① 透射式（或反射式）光纤压力（振动）传感器
膜片反射式光纤压力传感器
当晶体放在被测电压（或电场）位置，由于单晶体的折 射率系数发生变化，导致单晶体发生附加线性双折射
六、其它类型光纤传感器 光纤磁场传感器 光纤放射性射线传感器 光纤光谱传感器 光纤图像传感器 ……
7.4 分布式光纤传感器
一、概述 随着光纤传感技术的发展和应用的日益广泛，仅仅
依靠单点式测量，已难以满足需求，并且不能充分发挥 光纤传感器的技术优势。
瑞利散射
③ 其它损耗： 菲涅耳（Fresnel）反射
菲涅耳反射
3. 其它分类方式
按纤芯和包层材料性质分类： 玻璃光纤
塑料光纤
按传输模式分类：
单模光纤
多模光纤
按用途分类： 通信光纤 特殊光纤
低双折射光纤 高双折射光纤 涂层光纤 液芯光纤 激光光纤 红外光纤
三、光纤传感器分类
光纤传感器一般可分为两大类： ① 功能型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又
7.1 光纤传感器的基础
一、光纤波导原理
斯涅尔(Snell)定律
n1 sin 1 n2 sin 2
临界角
sin c

n2 n1
存在的问题：
表面污染引起能量损耗 解决方案：
完整光纤模型：
光线由折射率为n0的外界介质 (空气n0=1)射入纤芯时实现全反 射的临界角(始端最大入射角)为
sin c
三、光纤角速度传感器（光纤陀螺）
物理基础：赛格纳克效应
Lcw 2R Rtcw ctcw
Lccw 2R Rtccw ctccw
传输时间：
tcw

c
2R
R
tccw

2R
c R
N匝光纤，且A=πR2：t tcw tccw


4NA c2

1. 调制原理 （1） 普克耳（Pockels）效应
当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高电压， 晶体将呈现双折射现象——普克耳效应。
两正交的偏振光的相位 变化：
n03reU l 0 d
普克耳效应的应用
（2） 法拉第磁光效应 法拉第磁光旋转是一种磁感应旋光性 平面偏振光通过带磁性的物体（或磁场）时，其偏振光 面发生偏转，光矢量旋转角：
(2)偏振光时域反射法(POTDR) 利用后向散射光的偏振态信息进行分布式测量的技术
2、波长扫描法(WLS) 用白光照射保偏光栅，运用快速Fourier算法来确定
称FF型光纤传感器 利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又 称传感型光纤传感器。
② 非功能传感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器
利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光 的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光 信号，因此，也称传光型光纤传感器。
3.光纤传感器与光电检测器件、电子装置有良好的兼容。
光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器（FOS） 与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能力 强、高灵敏度 、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简 单、以及与光纤传输线路相容等。
光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯 曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿 度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理 量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。
二、分布式光纤传感器主要技术
测量沿光纤长度上的基本损耗或散射
1、反射法：利用光纤在外部扰动作用下产生的 Reyleigh 、Raman、Brillouin等效应进行测量的方法。 (1) 光时域反射法 Optical Time-Domain Reflectometry（OTDR）
基于瑞利散射或拉曼散射的原理
PL 总光功率 Ps 信号功率
二、偏振调制与解调
光波是横波。
S
E
自然光 线偏振光（平面偏振光） 圆偏振光 椭圆偏振光 部分偏振光
利用外来因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏 振面的旋转（即偏振态的变化）来检测物理量，称 为偏振调制。
光纤传感器中的偏振调制器常利用电光、磁光、光 弹等物理效应。
相
半导体透射率 透射光强度将随着温度
对 LED发光光谱
透 的升高而减小，通过检
发 光 强 度
T1<T2<T3 T1 T2 T3
射 率
测透射光的强度或透射
率，即可检测温度变化。
波长
2. 热色效应光纤温度传感器 热色效应：自然界有很多无机溶液的颜色随温度升降而 变化，因此溶液的光吸收谱线也随温度升降而变化。
☆分布式传感器一般是指：具有一个公共数据通道并能 与控制中心实施通信联络的传感器网络。
☆分布式光纤传感器测量是运用光纤的一维特性进行测 量的技术，可同时获得被测量的空间分布状态和随时间 变化的信息。它可以在整个光纤上对沿光纤分布的环境 参数进行连续测量。在理论上，它可以把被测量作为光 纤位置长度的函数，能得到任意大小的分辨率。
强度调制与解调原理图
1. 几种常用的光强调制技术
（1）微弯效应
当垂直于光纤轴线 的应力使光纤发生弯 曲时，传输光有一部 分会泄漏到包层中去。
（2）反射式光强度调制
光强大小与光纤端面和被测物体间距离有关
探头结构
（3）透射式光强度调制 利用透射实现的光强度调制途径： ① 线性位移、角位移
② 利用光闸（遮光板）进行强度调制 光闸类型：光开关、光劈、可动透镜、光栅、莫尔条纹

1 n0
n12 n22 NA
NA——定义为“数值孔径”。
它是衡量光纤集光性能的主要
参数。
二、光纤的特性与分类 1.
光纤运动路径不同，使得光脉冲沿光纤展宽 ——色散 改善方法： 速度补偿
阶跃光纤
梯度光纤
阶跃光纤 梯度光纤
2. 损耗 ① 吸收损耗：
紫外吸收、红外吸收、杂质吸收
② 散射损耗： 瑞利（Rayleigh）散射、拉曼（Raman）散射
光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载 波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。
在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光 携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探 测器进行检测。
一、强度调制与解调 光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载波光
强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。 光强度变化可以直接用光电探测器进行检测。
第7章 光纤传感检测技术
关于光纤传感器：
1. 从原理上看，以光学技术为基础，将测量对象的状 态变成光信号的形式取出；从材料上看以石英为主， 适于在高电压、电磁干扰、海水下以及化学腐蚀气 氛等环境条件下使用。
2. 光纤是优越的低损耗传输线，使用时可不必考虑测 量设备与被测对象的相对位置，可用于一般电子传感 器难以适应的场合。
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y形光 纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤 束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。
光源 接收
Y形光纤束 壳体 弹性膜片
P
② 微弯式光纤压力传感器 亮场检测
2. 光纤水听器 原理：当光纤上加以周期性的微弯曲引起的扰动时，光 纤内的光传输损耗将根据所施加的压力而产生十分灵敏 的变化。
3. 光纤加速度传感器
框架的纵向振动会使重物位移而导致光纤伸缩，这种变 化可以以光的传输时间变化即相位变化的形式加以观察
五、光纤电流、电压传感器
1. 光纤电流传感器 由于光纤本身是很好的绝缘体，采用光纤传感技术检
测电流、电压不受外界电磁干扰，有利于保护整个系统
2. 光纤电压传感器 偏振调制型 相位调制型
8A 0c
（4）法布里—帕罗（Fabry-Perot）干涉仪 ☆ 多光束干涉
根据多光束干涉原理，探测器探测到干涉光强度的变化：
I I0
1
4R (1 R)2
sin2 (
2
)
2. 四种类型光纤干涉仪结构
四、 频率调制与解调 频率调制时光纤往往只起传输光信号的作用，而不作 为敏感元件。
光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。
光源
1
2
接收
热双金属式光纤温度开关 1 遮光板； 2 双金属片
5.其它类型的温度传感器 ① 光纤辐射温度传感器 ② 荧光辐射温度传感器 ③ 光纤液体温度传感器 ④ 光纤偏振温度传感器 利用硅的旋光性随温度调制的偏振传感器 ⑤ 相位调制型光纤温度传感器 如马赫－泽德尔光纤温度传感器
Vd HL
费尔德常数，表征 法拉第效应的大小 H：磁场强度 L：作用距离
采用YIG的光学式磁场传感器
（3）光弹效应 光弹效应又称应力双折射：在垂直于光波传播方向施 加应力，材料将产生双折射现象，其强弱正比于应力。
偏振光的相位变化： 2kpl /
三、相位调制与解调
基本原理：通过被测能量场的作用，使能量场中的一段 敏感单模光纤内传播的光波发生相位变化，利用干涉测 量技术把相位变化变换为振幅变化，再通过光电探测器 进行检测。
两探头置于目标两侧
光纤液位传感器 基于全反射原理
2. 集成光学微位移传感器
二、光纤温度传感器
1. 半导体光吸收型光纤温度传感器
半导体的吸收光谱与材料的Eg有关，而Eg却随温度的
不同而不同。Eg与温度t 的关系可表示为：
Eg
t


E
g
0

t 2
t
t↑Eg ↓即本征吸收波长λg∝ t
相位调制技术实质上是产生光波相位变化的物理 机制和光的干涉技术的综合应用。
☆压力、张力和温度等外因能直接改变光纤波导的长度、 折射率及其分布以及波导的横向几何尺寸等，若这些波 导参数发生变化，则必然发生光波的相位变化，从而实 现了光纤的相位调制。
1. 实现干涉测量的仪器 （1）迈克尔逊干涉仪
（2）马赫－泽德尔（Mach-Zehnder）干涉仪
f1 目前主要是利用光学多
普勒效应实现频率调制。
f2

f1
1

v c
cos1

cos2

f2
解调原理同相位调制的解调。（外差检测）
7.3 光纤传感器实例
一、光纤位移传感器 1. 反射式光纤位移传感器
利用2个探头获得的平均输出可以提供灵敏度，并可 获得目标移动方向的信息 两探头置于目标同侧
2. 强度调制的解调
强度调制型光纤传感器的关键是信号功率与噪声功率
之比要足够大
信号电流
is2

e

h
Ps
2
功率信噪比
SNRp

i
2 phN
is2 iT2
id2N
光电检测器噪声电流
光信号噪声电流
i
2 phN


2e
e h
PL f
前置放大器输入端等效电阻热噪声电流 iT2 4kTf / RF
（4）利用折射率变化的光强度调制
利用折射不同进行光 强度调制的原理包括： ①利用被测物理量引起 传感材料折射率的变化； ②利用渐逝场耦合； ③利用折射率不同的介 质之间的折射与反射。
（5）光纤的吸收实现光强度调制
在光纤芯中掺入特殊材料，改变光纤的吸收特性。 如掺入产生吸收光谱的材料，由于光纤的吸收损耗 的增大导致输出功率的降低；或掺入产生荧光的杂质， 利用外来辐射激发光纤，检测荧光。
(CH3)3CHOH+
3. 开关型光纤温度传感器
采用各种与温度有关的 遮断机构和材料（可以是石 蜡、铁氧体及水银柱）
响应时间长，适用于火 灾报警及温度设备监视系统
1 23
4
水银柱式光纤温度开关 1 浸液；2 自聚焦透镜；
3 光纤；4 水银
4.遮光式光纤温度传感器 当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮
光纤传感器分类
四.光纤传感器的发展趋势 1.当前应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。 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。
7.2 光纤的光波调制技术
光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频 率和波长等方式。
特点：没有或很少有光返回到激光器。 返回到激光器的光会造成激光器的不稳定噪声，对
干涉测量不利。
（3）塞格纳克（Sagnac）干涉仪 两束光均形成传播方向相反的闭合光路，并在分束器 上会合，送入光探测器。
当把这种干涉仪装在一个可 绕垂直于光束平面轴旋转的平 台上时，若平台以角速度Ω顺 时针旋转，则在顺时针方向传 播的光较逆时针方向传播的光 有相位延迟：