强度调制型
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由于压力而移动，光栅间隙越小，灵敏度 越高。
2.1.3 光模式-微弯传感器
▪ 传感头：多模光纤 ▪ 机理： 芯模包层模
激光器
光纤 滤模器
探测器 信号处理
最小可测位移：0.01nm 动态范围：110dB
▪ 应用：压力、水声
光纤
变形器
设光纤的微弯变形函数为正弦型
f (z) D(t)sin qz
式中D(t)— 外界信号导致的弯曲幅度； q — 空间频率； z — 变形点到光纤入射端的距离；
接收光纤
▪ 光栅遮光屏： 灵敏、简单、可靠
发射光纤
透镜 移动
透镜 光栅
接收光纤
透射型光纤压力传感器
透射式光纤 压力传感器 (快门调制光 强)
▪ 图示出了一种透射式压力传感器。快门挡住光路，
所挡光量通常正比于压强，使用参考和测量通道提 供了比率信号，其满刻度精度为0.1％。
(移动光栅调制光强)
▪ 二块光栅放在光路中，一块固定，另一块
▪ 反射式
▪ 无需精密调整装置 ▪ 应用：入射浓光度全、内气反θ射/液角二相位流移x、可温动度光输纤出等光
固定光纤
光纤
反射式 透射式
纤芯
2.1.5 光吸收系数-辐射传感器
▪ 光纤吸收特性
▪ 辐射吸收损耗增加，输出功率下降
▪ 敏感源：x射线、 γ射线、中子射线
光纤
激光器
探测器 信号处理
▪ 特点：灵敏度高、线性范围大、有‘记忆’性
强度调制型
光纤传感器
Fiber Optic Sensors
光纤传感器的分类
▪ 功能型（-非功能型）
▪ 敏感元件—光纤
▪ 按照被调制的光波参数
▪ 强度调制型入射光波 ▪ 相位调制型 ▪ 频率调制型
出射光波
入射光波的特征参量： 振幅，相位，偏振态，波长等
▪ 偏振调制型
▪ 波长调制型 ▪ 按照被测对象 70余种
弯周期。
2.1.4 折射率
▪ 光纤折射率变化型
▪ 纤芯与包层折射率温度系数不同测温 ▪ 主要应用：温度报警
▪ 反射系数型—受抑全内反射型
n2
n3
n1
2.1.4 折射率-受抑全内反射传感器
▪ 传感头-多模光纤
▪ 机理- 芯模包层模
▪ 类型：
激光器
光纤耦合器
▪ 透射式– 振动、位移
▪ 缺点：需要精密机探械测调器 整信和号固处定理 装置
图示出了一种粘在一起的双金属片作为传感头构 成双路反射型光纤探头。这种双金属片被设计成 在特定温度下产生瞬时作用，从而相对于探头顶 端产生突然移动，因此在一组温度点产生开关作 用。这种双金属片也能被设计成连续移动，在模 拟方式中产生正比于温度的移动。
2.1.2 透射式
▪ 调制原理：遮光 ▪ 调制方法：
2.1.5 光吸收系数 cont’d
▪ 半导体材料的吸收特性
实验样机原理图
AD 信号放大
串口
RS232 MCU 光收
AC
LED驱动
电
880nm LED
源
分路
开关
探头
2.2 强度调制型的补偿技术
▪ 双波长补偿法
II1R1 DD1LR2CM1S11L, 1S1, II2M1DD2LM2LM2M2L11LS1C2 1S1
▪ 核心技术—光调制技术
外界因素： 温度，压力，电
磁场，位移
2.1 强度调制型光纤传感器机理
入
射 I1
光
t
波
信 Is
号
t
强度调制区
ID t
Io
出
射
t光
波
▪ 特点：简单，经济，可靠 ▪ 缺点：精度低
2.1 强度调制方式
▪ 反射式 ▪ 透射式 ▪ 光模式耦合 ▪ 折射率 ▪ 光吸收系数
2.1.1 反射式
--采用两个不同波长
I
2 R
DRCR2S2 ,I2
DIM22S2 D MM L22M 2L1C2S2
的光源：
R
IIR11I
2 M
I
2 R
I
1 M
D1MS12 M1
设光纤微弯变形函数的微弯周期为A，则有
A 2 / q
根据光纤模式理论，可得到微弯损耗系数α的近似表:达
式:
1 KD 2 (t)L sin(q )L / 2 2
4
(q )L / 2
1 KD 2 (t)L sin(q )L / 2 2
4
(q )L / 2
▪ 式中K— 比例系数；
入
金属包层
出 射
射 光
D 芯径 x
光
发射光纤
接收光纤
调制区域wenku.baidu.com动纤式、遮光屏、吸收材料…
I 1.0
0.5
-0.9D -0.5D 0 0.5D 0.9D x
2.1.2 透射式 cont’d
▪ 光纤光纤直接耦合：灵敏度低、动态范围小 ▪ 光纤光纤透镜耦合：F与反射式计算相同
发射光纤
r
dT
d
δ
可移动遮光屏 可移动遮光屏
图所示的装置，设定探头的初始位置，使得探头A 和探头B的接收光强分别处于峰值前沿和后沿并使 二光强值相等。当目标移近时，探头A的接收光强 减小而B探头的接收光强增大。
▪ 两个探头获得的输出差值要比任一单个探头的读数
都大，因而可提高探测灵敏度。此外，除了探测位 移多少外还可获得移动方向的信息。
光纤温度传感器
2.1.1 反射式 cont’d
▪ 重叠面积占输出光纤
端面百分比：
1
arccos1
r
1
r
sin
arccos1
r
▪ 接收到的入射光功率
的百分比--耦合效率：
P0 F
r
2
P1
r 2dT
2.1.1 反射式 cont’d
▪ 设计实例： F ▪ 已知：阶跃光纤F-d曲线，
2r＝200μm，NA＝0.5， 间距 a＝100 μm
5
耦合效率/%
▪ 则，F随d变化速率
≈0.005％/ μm
0
d=320μm 7.2%的效率
A
200 400 反射位置
d 600
2.1.1 反射式 cont’d
▪ 反射式传感头的其它类型
IT
IT
x
传光束型
x
双光纤型
x
单光纤型
▪ 利用两个探头获得一平均输出可提高灵敏度。考察
▪ 非功能型 ▪ 原理
a δ r
R=r+2dT R
a
可移动
d
反射镜
2d
源光纤的像
In
Out T=tg（sin-1NA)
d < a/2T a >2dT, 耦合至输出光纤的功率=0
d > (a+2r)/2T a <2dT-2r, 耦合系数=（r/2dT)2；
a/2T ≤ d≤ (a+2r)/2T, 由重叠部分的面积确定
▪
L— 光纤中产生微弯变形的长度；
▪
Δβ— 光纤中光波传播常数差；
▪ 上式表明，α与光纤弯曲幅度D(t)的平方成正比，弯曲幅
度越大，模式耦合越严重，损耗就越高。α还与光纤弯曲
变形的长度成正比，作用长度越长，损耗也越大。α与光 纤微弯周期有关，当q = Δβ 时产生谐振，微弯损耗最大。 因此，从获得最高灵敏度的角度考虑，需要选择合适的微
2.1.3 光模式-微弯传感器
▪ 传感头：多模光纤 ▪ 机理： 芯模包层模
激光器
光纤 滤模器
探测器 信号处理
最小可测位移：0.01nm 动态范围：110dB
▪ 应用：压力、水声
光纤
变形器
设光纤的微弯变形函数为正弦型
f (z) D(t)sin qz
式中D(t)— 外界信号导致的弯曲幅度； q — 空间频率； z — 变形点到光纤入射端的距离；
接收光纤
▪ 光栅遮光屏： 灵敏、简单、可靠
发射光纤
透镜 移动
透镜 光栅
接收光纤
透射型光纤压力传感器
透射式光纤 压力传感器 (快门调制光 强)
▪ 图示出了一种透射式压力传感器。快门挡住光路，
所挡光量通常正比于压强，使用参考和测量通道提 供了比率信号，其满刻度精度为0.1％。
(移动光栅调制光强)
▪ 二块光栅放在光路中，一块固定，另一块
▪ 反射式
▪ 无需精密调整装置 ▪ 应用：入射浓光度全、内气反θ射/液角二相位流移x、可温动度光输纤出等光
固定光纤
光纤
反射式 透射式
纤芯
2.1.5 光吸收系数-辐射传感器
▪ 光纤吸收特性
▪ 辐射吸收损耗增加，输出功率下降
▪ 敏感源：x射线、 γ射线、中子射线
光纤
激光器
探测器 信号处理
▪ 特点：灵敏度高、线性范围大、有‘记忆’性
强度调制型
光纤传感器
Fiber Optic Sensors
光纤传感器的分类
▪ 功能型（-非功能型）
▪ 敏感元件—光纤
▪ 按照被调制的光波参数
▪ 强度调制型入射光波 ▪ 相位调制型 ▪ 频率调制型
出射光波
入射光波的特征参量： 振幅，相位，偏振态，波长等
▪ 偏振调制型
▪ 波长调制型 ▪ 按照被测对象 70余种
弯周期。
2.1.4 折射率
▪ 光纤折射率变化型
▪ 纤芯与包层折射率温度系数不同测温 ▪ 主要应用：温度报警
▪ 反射系数型—受抑全内反射型
n2
n3
n1
2.1.4 折射率-受抑全内反射传感器
▪ 传感头-多模光纤
▪ 机理- 芯模包层模
▪ 类型：
激光器
光纤耦合器
▪ 透射式– 振动、位移
▪ 缺点：需要精密机探械测调器 整信和号固处定理 装置
图示出了一种粘在一起的双金属片作为传感头构 成双路反射型光纤探头。这种双金属片被设计成 在特定温度下产生瞬时作用，从而相对于探头顶 端产生突然移动，因此在一组温度点产生开关作 用。这种双金属片也能被设计成连续移动，在模 拟方式中产生正比于温度的移动。
2.1.2 透射式
▪ 调制原理：遮光 ▪ 调制方法：
2.1.5 光吸收系数 cont’d
▪ 半导体材料的吸收特性
实验样机原理图
AD 信号放大
串口
RS232 MCU 光收
AC
LED驱动
电
880nm LED
源
分路
开关
探头
2.2 强度调制型的补偿技术
▪ 双波长补偿法
II1R1 DD1LR2CM1S11L, 1S1, II2M1DD2LM2LM2M2L11LS1C2 1S1
▪ 核心技术—光调制技术
外界因素： 温度，压力，电
磁场，位移
2.1 强度调制型光纤传感器机理
入
射 I1
光
t
波
信 Is
号
t
强度调制区
ID t
Io
出
射
t光
波
▪ 特点：简单，经济，可靠 ▪ 缺点：精度低
2.1 强度调制方式
▪ 反射式 ▪ 透射式 ▪ 光模式耦合 ▪ 折射率 ▪ 光吸收系数
2.1.1 反射式
--采用两个不同波长
I
2 R
DRCR2S2 ,I2
DIM22S2 D MM L22M 2L1C2S2
的光源：
R
IIR11I
2 M
I
2 R
I
1 M
D1MS12 M1
设光纤微弯变形函数的微弯周期为A，则有
A 2 / q
根据光纤模式理论，可得到微弯损耗系数α的近似表:达
式:
1 KD 2 (t)L sin(q )L / 2 2
4
(q )L / 2
1 KD 2 (t)L sin(q )L / 2 2
4
(q )L / 2
▪ 式中K— 比例系数；
入
金属包层
出 射
射 光
D 芯径 x
光
发射光纤
接收光纤
调制区域wenku.baidu.com动纤式、遮光屏、吸收材料…
I 1.0
0.5
-0.9D -0.5D 0 0.5D 0.9D x
2.1.2 透射式 cont’d
▪ 光纤光纤直接耦合：灵敏度低、动态范围小 ▪ 光纤光纤透镜耦合：F与反射式计算相同
发射光纤
r
dT
d
δ
可移动遮光屏 可移动遮光屏
图所示的装置，设定探头的初始位置，使得探头A 和探头B的接收光强分别处于峰值前沿和后沿并使 二光强值相等。当目标移近时，探头A的接收光强 减小而B探头的接收光强增大。
▪ 两个探头获得的输出差值要比任一单个探头的读数
都大，因而可提高探测灵敏度。此外，除了探测位 移多少外还可获得移动方向的信息。
光纤温度传感器
2.1.1 反射式 cont’d
▪ 重叠面积占输出光纤
端面百分比：
1
arccos1
r
1
r
sin
arccos1
r
▪ 接收到的入射光功率
的百分比--耦合效率：
P0 F
r
2
P1
r 2dT
2.1.1 反射式 cont’d
▪ 设计实例： F ▪ 已知：阶跃光纤F-d曲线，
2r＝200μm，NA＝0.5， 间距 a＝100 μm
5
耦合效率/%
▪ 则，F随d变化速率
≈0.005％/ μm
0
d=320μm 7.2%的效率
A
200 400 反射位置
d 600
2.1.1 反射式 cont’d
▪ 反射式传感头的其它类型
IT
IT
x
传光束型
x
双光纤型
x
单光纤型
▪ 利用两个探头获得一平均输出可提高灵敏度。考察
▪ 非功能型 ▪ 原理
a δ r
R=r+2dT R
a
可移动
d
反射镜
2d
源光纤的像
In
Out T=tg（sin-1NA)
d < a/2T a >2dT, 耦合至输出光纤的功率=0
d > (a+2r)/2T a <2dT-2r, 耦合系数=（r/2dT)2；
a/2T ≤ d≤ (a+2r)/2T, 由重叠部分的面积确定
▪
L— 光纤中产生微弯变形的长度；
▪
Δβ— 光纤中光波传播常数差；
▪ 上式表明，α与光纤弯曲幅度D(t)的平方成正比，弯曲幅
度越大，模式耦合越严重，损耗就越高。α还与光纤弯曲
变形的长度成正比，作用长度越长，损耗也越大。α与光 纤微弯周期有关，当q = Δβ 时产生谐振，微弯损耗最大。 因此，从获得最高灵敏度的角度考虑，需要选择合适的微