第12章光纤传感器
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图3 拾光型光纤传感器工作原理示意图
第12章 光纤传感器
(4) 光纤传感器组成
光源：要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定 ✓相干光：半导体激光器等 ✓非相干光：发光二极管、白织灯等
探测器（光电探测器是光电检测中不可缺少的器件， 把光信号转变为电信号）：灵敏度好、响应快、线 性好 ✓光电二极管、光电倍增管 ✓光敏电阻、光电池
与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其 中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或 非功能型光纤传感器。
图2 结构型光纤传感器工作原理示意图
(3) 拾光型光纤传感器原理 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。其典型例子如光纤激光多普勒 速度计、辐射式光纤温度传感器等。
被 测 物 测量 理 量 方式
电 流 FF 磁场
NF
电 压 FF 电场
NF
FF
FF 温度
NF
光的 调制
偏振
相位
偏振 偏振 相位
偏振 相位 光强 偏振 开口数 断路 断路
透射率 光强
光学现象
材料
特性性能
电流50～1200A
法拉第效应
石英系玻璃 铅系玻璃
(精度0.24%) 磁场强度0.8～4800A/m
(1) 物性型光纤传感器原理
激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为 基准光路，另一为测量光路。外界参数（温度、压力、振动等） 引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的 干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。
(2) 结构型光纤传感器原理 结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）
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，石英 光纤的数值孔径一般为：
NA 0.2 0.4
第12章 光纤传感器
（2）光纤的性能（几个重要参数） ②光纤模式（V）
➢ 光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，
（2）光纤的性能（几个重要参数） ①数值孔径（NA）
➢ 临界入射角θc的正弦函数定义为光纤的数值孔径.
NA
sin c
1 N0
N12
N
2 2
空气中： NA
N12
N
2 2
(N1 N2 )
第12章 光纤传感器
NA意义讨论：
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2θc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。
第12章 光纤传感器
• 玻璃光纤 • 塑料光纤
（1）光纤的结构和传输原理
• 石英光纤
①光纤结构：
保护套
基本采用石英玻璃，
纤芯
有不同掺杂，主要
由三部分组成
✓ 中心——纤芯；
✓ 外层——包层；
包层
✓ 护套——尼龙料。
性质
✓ 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，
✓ 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2（N1＞N2）。
第12章 光纤传感器
（2）光纤的性能（几个重要参数） ③传播损耗（A）
➢ 光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲 处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗。
用衰减率A表示：
A 10 lg(I1 / I2 ) (dB / Km) l
I1、I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传
不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。
光波之间的干涉产生的强度分布也不同。
➢ 模式值定义为：
V 2 (NA) 0
式中：α为纤芯半径；
0为入射波长。
第12章 光纤传感器 ②光纤模式
第12章 光纤传感器
模式讨论： 模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传
播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用 多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号， 导致合成信号畸变。 模式值V小，就是α值小，即纤芯直径小，只能 传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好， 畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、 连接困难。 除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度 多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最 常用的普通光纤。
第12章 光纤传感器
（1）光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角 度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光线
全部反射。 只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射
向前传播，最后从另一端面射出。
(精度
2%)
磁致伸缩效应
68碳莫合金
最小检测磁场强度8×10-5A/m2(1～10kHz)
ຫໍສະໝຸດ Baidu
法拉第效应 YIG
FR-5铅玻 璃
磁场强度0.08～160A/m (精度0.5%)
Pockels效应
亚硝基苯胺
-
电致伸缩效应
陶瓷振子 压电元件
-
Pockels效应 LiNbO3,LiTaO3Bi12SiO20
电压1～1000V电场强度0.1～ 1kV/cm (精度1%)
光纤
(4) 光纤传感器分类
• 功能型光纤传感器（Function Fiber Optic Sensor)， 又称FF型光纤传感器） – 光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件 – 更高的灵敏度 – 调整困难
• 非功能型光纤传感器（Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器） – 光纤仅起传光作用 – 灵敏度、测量精度较低 – 有一种传感探针型光纤传感器
第12章 光纤传感器
为保证全反射，必须满足全反射条件（即θ＜θc） 实现全反射的临界入射角为：
c
arcsin(
1 N0
N12
N
2 2
)
空气中 N0 1
c arcsin( N12 N22 )
❖ 可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性 质（N1、N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。
第12章 光纤传感器
输1Km后，光强下降到入射时的1/10。
第12章 光纤传感器
(3) 光纤传感器的基本测量原理
(1) 物性型光纤传感器原理 物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，
将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的 光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、 磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化 的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化， 就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元 件型或功能型光纤传感器。
第12章 光纤传感器
(4) 光纤传感器组成
光源：要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定 ✓相干光：半导体激光器等 ✓非相干光：发光二极管、白织灯等
探测器（光电探测器是光电检测中不可缺少的器件， 把光信号转变为电信号）：灵敏度好、响应快、线 性好 ✓光电二极管、光电倍增管 ✓光敏电阻、光电池
与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其 中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或 非功能型光纤传感器。
图2 结构型光纤传感器工作原理示意图
(3) 拾光型光纤传感器原理 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。其典型例子如光纤激光多普勒 速度计、辐射式光纤温度传感器等。
被 测 物 测量 理 量 方式
电 流 FF 磁场
NF
电 压 FF 电场
NF
FF
FF 温度
NF
光的 调制
偏振
相位
偏振 偏振 相位
偏振 相位 光强 偏振 开口数 断路 断路
透射率 光强
光学现象
材料
特性性能
电流50～1200A
法拉第效应
石英系玻璃 铅系玻璃
(精度0.24%) 磁场强度0.8～4800A/m
(1) 物性型光纤传感器原理
激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为 基准光路，另一为测量光路。外界参数（温度、压力、振动等） 引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的 干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。
(2) 结构型光纤传感器原理 结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）
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，石英 光纤的数值孔径一般为：
NA 0.2 0.4
第12章 光纤传感器
（2）光纤的性能（几个重要参数） ②光纤模式（V）
➢ 光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，
（2）光纤的性能（几个重要参数） ①数值孔径（NA）
➢ 临界入射角θc的正弦函数定义为光纤的数值孔径.
NA
sin c
1 N0
N12
N
2 2
空气中： NA
N12
N
2 2
(N1 N2 )
第12章 光纤传感器
NA意义讨论：
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2θc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。
第12章 光纤传感器
• 玻璃光纤 • 塑料光纤
（1）光纤的结构和传输原理
• 石英光纤
①光纤结构：
保护套
基本采用石英玻璃，
纤芯
有不同掺杂，主要
由三部分组成
✓ 中心——纤芯；
✓ 外层——包层；
包层
✓ 护套——尼龙料。
性质
✓ 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，
✓ 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2（N1＞N2）。
第12章 光纤传感器
（2）光纤的性能（几个重要参数） ③传播损耗（A）
➢ 光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲 处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗。
用衰减率A表示：
A 10 lg(I1 / I2 ) (dB / Km) l
I1、I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传
不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。
光波之间的干涉产生的强度分布也不同。
➢ 模式值定义为：
V 2 (NA) 0
式中：α为纤芯半径；
0为入射波长。
第12章 光纤传感器 ②光纤模式
第12章 光纤传感器
模式讨论： 模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传
播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用 多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号， 导致合成信号畸变。 模式值V小，就是α值小，即纤芯直径小，只能 传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好， 畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、 连接困难。 除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度 多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最 常用的普通光纤。
第12章 光纤传感器
（1）光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角 度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光线
全部反射。 只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射
向前传播，最后从另一端面射出。
(精度
2%)
磁致伸缩效应
68碳莫合金
最小检测磁场强度8×10-5A/m2(1～10kHz)
ຫໍສະໝຸດ Baidu
法拉第效应 YIG
FR-5铅玻 璃
磁场强度0.08～160A/m (精度0.5%)
Pockels效应
亚硝基苯胺
-
电致伸缩效应
陶瓷振子 压电元件
-
Pockels效应 LiNbO3,LiTaO3Bi12SiO20
电压1～1000V电场强度0.1～ 1kV/cm (精度1%)
光纤
(4) 光纤传感器分类
• 功能型光纤传感器（Function Fiber Optic Sensor)， 又称FF型光纤传感器） – 光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件 – 更高的灵敏度 – 调整困难
• 非功能型光纤传感器（Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器） – 光纤仅起传光作用 – 灵敏度、测量精度较低 – 有一种传感探针型光纤传感器
第12章 光纤传感器
为保证全反射，必须满足全反射条件（即θ＜θc） 实现全反射的临界入射角为：
c
arcsin(
1 N0
N12
N
2 2
)
空气中 N0 1
c arcsin( N12 N22 )
❖ 可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性 质（N1、N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。
第12章 光纤传感器
输1Km后，光强下降到入射时的1/10。
第12章 光纤传感器
(3) 光纤传感器的基本测量原理
(1) 物性型光纤传感器原理 物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，
将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的 光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、 磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化 的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化， 就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元 件型或功能型光纤传感器。