光纤传感器 PPT课件

氢氧根离子(OH-) 吸 收 峰 在 0.95μm 、 1.24 μm和1.39 μm 波 长 ， 其 中 以 1.39 μm的吸收峰影响最为 严重。
损 耗 / (dB·km－ 1)
10 0 50
10
5
实验
红外
吸收
1
0.5
瑞 利散 射
紫 外吸 收 0.1
0.0 5
波 导缺 陷
0.0 1 0.8
1.0
损 耗 / (dB·km－ 1)
10 0 50
10
5
实验
红外
吸收
1
0.5
瑞 利散 射
紫 外吸 收 0.1
0.0 5
波 导缺 陷
0.0 1 0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
波 长 /m
固有吸收很小， 在0.8~1.6μm 波段，小于 0.1dB/km，在 1.3~1.6μm波 段，小于 0.03dB/km。
波方向移动。若采用发射光谱与半导体的
λg（t）相匹配的发光二极管作为光源，则
透射光强度将随 着温度的升高而 减小，即通过检 测透射光的强度 或透射率，即可
相
半导体透射率
第11章 光纤与光纤传感器
Fra Baidu bibliotek
一、基础知识
光纤传感器
光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)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。
①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。 ⑤容易实现对被测信号的远距离监控。 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
1.结构—两个同轴区，内
涂覆层
护套
区称为纤芯，外区称为包层 包层
而且内芯的折射率略大于包 纤芯
述光纤传输特性的两个重要参量。
衰减的概念 由于损耗的存在，在光纤中传输的光
信号，不管是模拟信号还是数字脉冲，其 幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上 决定了系统的传输距离。
1)传输损耗：在光纤内传输的光功率P随距离z
的变化，可以用下式表示
dp ap dz
，α是损耗(衰减)系数。 设长度为L(km)的光纤， 输入光功率为Pi，输 出光功率应为
吸收损耗是由SiO2材 料引起的固有吸收和由杂 质引起的吸收产生的。
由材料电子跃迁引起 的 吸 收 带 发 生 在 紫 外 (UV) 区 (λ<0.4μm) ， 由 分 子 振 动引起的吸收带发生在红 外 (IR) 区 (λ>7μm) ， 由 于 SiO2是非晶状材料，两种 吸收带从不同方向伸展到 可见光区。
损 耗 / (dB·km－ 1)
10 0 50
10
5
实验
红外
吸收
1
0.5
瑞 利散 射
紫 外吸 收 0.1
0.0 5
波 导缺 陷
0.0 1 0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
波 长 /m
光纤中的杂质主要有 过 渡 金 属 ( 例 如 Fe2+ 、 Co2+、Cu2+)和氢氧 根(OH-)离子，这些杂 质是早期实现低损耗 光纤的障碍。
非功能型光纤传感器
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。
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 子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤 温度传感器等。
j 90 k
s in i
(n1
/
n0 ) sin(90
k
)
n1 n0
cosk
n1 n0
1 sin 2 k
s in i
n1 n0
1
( n2 n1
s in r
)2
1 n0
n12 n22 sin 2 r
n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n0≈1
sini n12 n22 sin 2 r
当θr =90°的临界状态时，
sini0 n12 n22
Sin θi定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture）
arcsinNA是一个临界角， θi > arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失； θi < arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
4.光纤的传输特性 光纤的衰减(或损耗)和色散(或带宽)是描
Po=Piexp(-αL)
习惯上α的单位用dB/km,损耗(衰减)系数
10 lg pi (dB / km)
L p0
损 耗 / (dB·km－ 1)
10 0 50
10
5
实验
红外
吸收
1
0.5
瑞 利散 射
紫 外吸 收 0.1
0.0 5
波 导缺 陷
0.0 1 0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
波 长 /m
2）色散
色散(Dispersion)：是在光纤中传输的光信号， 由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种 物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和 波导色散。
模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生 的， 它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料 折射率的波长特性有关.
材料色散：是由于光纤的折射率随波长而改变， 以及模式内部不同波长成分的光(实际光源不是纯 单色光)，其时间延迟不同而产生的。这种色散取 决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽 度。
透射型半导体光纤温度传感器 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：
Egt Eg0 t 2
t
半导体材料的Eg随温度的上升而减小，亦 即其本征吸收波长λg随温度的上升而增大。
这个性质反映在半导体的透光性上则表现
为：当温度升高时，其透射率曲线将向长
入射光
异常光 正常光
压电晶体
泡克尔斯效应
3、频率调制光纤传感器
被测对象引起的光频率的变化来进行监测 利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应 的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传 感器； 利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测 量气体浓度或监测大气污染的气体传感器； 利用光致发光的温度传感器等。
3）光纤色散与带宽的关系
光纤色散使输入信号的各波长分量到达终 端的群延时不同．因此输出信号或脉冲将发 生畸变或展宽。脉冲展宽将限制传输容量或 决定最大中继距离。展宽程度可以有延迟时 间来表示。
1 • f c f0
•
k0
•
d 2
dk 2
f f0
k0 2f0 c
4）抗拉强度 5）集光能力
NA sini n12 n22
1.0
1.2
1.4
1.6
波 长 /m
瑞利散射损耗αR与波长λ 四次方成反比，可用经 验公式表示为α R =A/λ4， 瑞利散射系数A取决于纤 芯与包层折射率差Δ。当 Δ分别为0.2%和0.5%时， A分别为0.86和1.02。 瑞利散射损耗是光纤的 固有损耗，它决定着光 纤损耗的最低理论极限。 如果Δ=0.2%，在 1.55μm波长，光纤最低 理论极限为0.149 dB/km 。
层的折射率 。通常，在包层
外面还有一层起支撑保护作
用的套层。
2.光纤的种类及传输模式
根据折射率的变化规律,光纤分为阶跃型和梯度型.传输模 式分为单模和多模.
多模 阶跃光纤
n2 n1
多模
nr
梯度光纤
单模
n2 n1
梯度光纤
光纤的传光原理
返 回
(2)多模光纤的色散
对于多模光纤，模间色散通常占主导地位。 如果把模间色散平衡掉，则剩下的是材料色 散和波导色散。此时，情况与单模传输类似， 不同的是这里的波导色散是多模波导色散。 在多模光纤中，波导色散与材料色散相比， 常常可以忽略。
材料色散是材料的折射率随频率变化引起的色散， 因此材料色散引起的脉冲展宽与光源谱宽成正比。 对于多模渐变型光纤，如果采用激光器(LD)作光源， 其谱宽一般为1-2nm，故可忽略材料色散。此时， 脉冲展宽主要由模间色散决定。但是，当光源为发 光二级管(LED)时，由于其谱宽大约为30—50nm， 故增加了材料色散的影响。这时，材料色散和模问 色散相比不可忽略。
光发送器
信号 处理
光受 信器
耦合器
光纤
被测对象
四、光纤传感器光学测量的基本原理
光就是一种电磁波，
光的电矢量E E Bsin(t )
被测量调制： 光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率 和相位 光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位 调制
1、强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折 射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度 变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微 弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反 射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、 机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射 或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、 气体等各种强度调制型光纤传感器。 优点：结构简单、容易实现，成本低。 缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响 较大 。
波导色散：是由于波导结构参数与波长有关而产 生的， 它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折 射率差。
单模光纤与多摸光纤的色散
(1)单模光纤的色散
由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在模间 色散，只有模内色散，即材料色散和波导色散。它 们分别用色散系数σc和σω表示。总色散σ= σc+σω 。
通常，材料色散比波导色散大两个量级。但是，在 零色散区，材料色散与波导色散值大致相当，只是 两者符号相反。
3.传光原理--斯乃尔定理
当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射
（a）折射角大于入射角： n1 sini n2 sinr
（b）临界状态：
i0 arcsin(n2 / n1 )
（c）全反射 ：
i i0
光纤导光
n0 sini n1 sin j n1 sink n2 sinr
sin i (n1 / n0 ) sin j
1.2
1.4
1.6
波 长 /m
散射损耗主要由材 料微观密度不均匀引 起的瑞利散射和由光 纤结构缺陷(如气泡)引 起的散射产生的。 结 构缺陷散射产生的损 耗与波长无关。
损 耗 / (dB·km－ 1)
10 0 50
10
5
实验
红外
吸收
1
0.5
瑞 利散 射
紫 外吸 收 0.1
0.0 5
波 导缺 陷
0.0 1 0.8
反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。 意义：无论光源发射功率有多大，只有2θi张角之内 的光功率能被光纤接受传播。
大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。
三、光纤传感器的分类及构成
光纤传感器分为功能型、非功能型 及拾光型
功能型光纤传感器
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。
光信号相位的变化Δ 与温度变化ΔT的关系为
2l 0
n
0 2
n T
T
——线膨胀系数；
l——光纤的长度； n/T——折射率温度系数； n——纤芯平均折射率；
0——自由空间光波长； /ε——传播常数与纤芯半径的变化率。
5、波长调制 波长调制是利用被测量改变光纤中光的波 长，再通过检测光波长的变化来测量各种 被测量。波长调制的优点是它对引起光纤 或连接器的某些器件的稳定性不敏感，因 此被广泛应用于液体浓度的化学分析、磷 光和荧光现象分析、黑体辐射分析及法布 里-珀罗等光学滤波器上。其缺点是解调技 术较复杂。但采用光学滤波或双波长检测 技术后，可使解调技术简化。
频率调制 主要利用光学多普勒效应实现频率调制， 如图。观察者在O处观察到的频率为fs。 根据多普勒原理可得
fs
fi 1
v c
cos
1
cos2
L
P
θ1 Θ2
v
O
4、相位调制传感器
被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这 种相位变化而得到被测对象的信息。
利用光弹效应的声、压力或振动传感器； 利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器； 利用电致伸缩的电场、电压传感器 利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀 螺） 优点：灵敏度很高， 缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。
强度调制
光源 入射光
IS
信 号
t
强度调制 出射光
光探测器
输出 ID
Ii
IO
t
ID
t
t
强度调制原理
2、偏振调制光纤传感器
利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息 应用：
电流、磁场传感器：法拉第效应； 电场、电压传感器：泡尔效应； 压力、振动或声传感器：光弹效应； 温度、压力、振动传感器：双折射性 优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度 高。