第七章 光纤传感检测技术
光纤检测技术
3）频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频 率发生变化来进行监测的传感器。 4）相位调制传感器 利用各种干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传 感器。其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用， 使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的 相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化， 通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从 而得到被测对象的信息。
光纤不仅起传光作用 , 又是敏感元件 , 即光纤本身同时 具有传、感两种功能。功能型光纤传感器是利用光纤本身 的传输特性受被测物理量的作用而发生变化 , 使光纤中波 导光的属性（光强、相位、偏振态、波长等）被调制这一 特点,而构成的一类传感器。加长光纤的长度,可以得到很 高的灵敏度。缺点是技术难度大,结构复杂,调整较困难。
受被测量调制，就可获得所需要的被测量的信息。
2019/1/25
第七章 光纤检测技术
2、光纤传感器的分类 （1）根据光纤在传感器中的作用
功能型（或称传感型、探测型）光纤传感器 非功能型（或称传光型、结构型、强度型、混合型）光纤传感器
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第七章 光纤检测技术
功能型（或称传感型、探测型）光纤传感器
– 波导色散：由于波导结构不同，某一波导模式 的传播常数随着信号角频率变化而引起色散。
– 多模色散： 在多模光纤中，由于各个模式在同 一角频率下的传播常数不同、群速度不同而产 生的色散。
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第七章 光纤检测技术
3、容量 输入光纤的可能是强度连续变化的光束, 也可能是一组光脉冲. 因为色散现象，脉冲展宽，信号畸形， 限制了光纤的信息容量和质量。 光脉冲的展宽程度可用延迟时间来反映。
2、光纤导光原理
光纤传感检测技术课件
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5
• 3、光纤的传输原理
• 1）光线传播解释
• 将光看作光线。光由光密介质向光疏介质传播， 在满足一定条件时发生全反射。
sin c
n2 n1
n2 n1
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6
• 全反入射角：
n 0si0n n 1si n n 1 (1 s2 i1 n )1 2
可得：
n0sin0 n12n22 NA
散射损耗 瑞利散射、布里渊散射 、拉曼散射等 瑞利散射是由于光纤中远小于光波长的物质密
度不均匀性和掺杂浓度不均匀引起的散射。 分为斯托克斯散射（波长向长波方向偏移）和
反斯托克斯散射（向短波方向偏移）
散射光正比于1/λ4。
用长波可减小瑞利散射。
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弯曲损耗
曲率半径远大于光纤直径的弯曲所产生的附 加损耗。
贝数。
10lgPi (dB/K)m
L Po
式中 Pi——光纤输入端光功率；
Po——光纤输出端光功率；
L——光纤长度；
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16
损耗随波长的 增大而减小。
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• 光纤损耗主要有：
吸收损耗
• 由于光纤材料的量子跃迁致使一部分光功率转换 为热量造成的传输损耗。
• 本征吸收、杂质吸收和原子缺陷吸收。
• b）模式色散
• 梯度光纤中模式间传播速度不同引起。是梯度 型多模光纤的主要色散。单模光纤中不存在模 式色散。
• 自聚焦光纤中理论上也不存在模式色散。
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22
• c）波导色散
• 又称结构色散。光纤结构不同，同一模式的 传播常数随频率变化引起。
导模：光功率限制在纤芯内传播的光波场， 又称为芯模。包括横电模、横磁模和 混合模。
光纤传感技术
光纤传感技术
光纤传感技术是一个非常重要的技术，它的应用已经遍及到了信息技术，生物技术，环境监测等多个领域。
在传感技术方面，光纤传感技术作为一种非常重要的技术，可以有效地对物体、环境和流体进行监测和测试。
光纤传感技术是一种利用传感光纤和光纤芯片技术来监测和测
试环境、物体和流体等信息的技术。
简而言之，光纤传感技术就是利用光纤把信息从一个地方传送到另一个地方。
光纤传感技术有独特的优势，使得它在传感器技术领域具有非常重要的地位。
首先，光纤传感技术具有良好的性能。
光纤传感器的传输距离可以达到数公里，而且信号可以传输很远，谐振频率的宽度更大，在一定的传输距离内具有更高的精度。
其次，光纤传感器具有非常好的稳定性，产生的信号极小，而且对外界环境变化不敏感，这使得光纤传感器更容易实现测量精度。
此外，光纤传感技术具有体积小、重量轻的优势，使它特别适合在各种紧凑的应用中使用。
例如，当在恶劣的环境中测量物体的运动时，一般使用光纤传感技术，它能够很好地抵抗高温和强电场等环境条件，不会对系统产生任何影响。
另外，光纤传感器作为一种新型的传感技术，具有不可替代的优势，可以有效提高系统的测量精度、体积和功率消耗等。
最后，光纤传感技术在获取环境信息方面具有优势，它不仅能够更好地传输信息，而且还能够更准确地传输信息。
光纤传感技术目前在信息技术、环境监测、生物技术等领域应用越来越广泛，并发挥着越来越重要的作用。
在未来，光纤传感技术将在传感技术领域发挥更大的作用。
它的应用不仅能够帮助社会更好、更安全地生活，而且还能带来革命性的发展，为人们提供更完美的服务。
光纤原理
折射光
折射率 n1 折射率 n0
θ1
入射光 Ii 反射光 Ir
θ1 < θc 当n0< n1入射角小于临界角时，在 入射角小于临界角时， 界面上将产生反射和折射光束。 界面上将产生反射和折射光束。
T1 = (1 − R )
2
（二）光吸收损耗
空气n 空气n0 A 入射光强I 入射光强I0 θ0 透射光强I 透射光强I B n2 n1 C d
2011年9月6日
6
子午平面
θz
2011年9月6日
7
光纤的另一种分类方法是按 光纤的传播模式来分，可分为多 光纤的传播模式来分，可分为多 模光纤和单模光纤两类 两类。 模光纤和单模光纤两类。多模光 多用于非功能型（NF） 纤多用于非功能型（NF）光纤 传感器；单模光纤多用于功能型 传感器；单模光纤多用于功能型 FF）光纤传感器。 （FF）光纤传感器。 下面介绍模的概念
入射角的最大值 为： 1 2 2 sinθ c = n1 - n 2 n0 将sinθc定义为光导纤维的数值孔径,用NA sinθ 定义为光导纤维的数值孔径, 表示, 表示,则
1 2 2 NA = sinθ c = n1 - n 2 n0
NA意义讨论： NA意义讨论： 意义讨论 • NA表示光纤的集光能力，无论光源的发 NA表示光纤的集光能力 表示光纤的集光能力， 射功率有多大，只要在2θ 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。 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。 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 一般NA越大集光能力越强， NA越大集光能力越强 间耦合会更容易。 NA越大光信号畸变 间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变 越大，要选择适当。 越大，要选择适当。 • 产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径 产品光纤不给出折射率N NA。 NA。
物理实验技术中的光纤传感与测量方法
物理实验技术中的光纤传感与测量方法光纤传感与测量方法在物理实验技术中扮演着重要角色。
它广泛应用于各种测量场合，包括温度、压力、强度、溶液浓度等物理量的测量。
光纤传感不仅具有高精度、高灵敏度和高分辨率的特点，而且还可以实现远距离、分布式和实时监测。
接下来，我们将深入探讨光纤传感与测量方法在物理实验中的应用。
首先，光纤传感技术在温度测量中发挥着重要作用。
传统的温度传感器在测量过程中会受到外界环境影响以及电磁干扰的干扰，这不可避免地会降低测量的精度和稳定性。
而光纤传感器通过将传感元件与光纤相连接，利用光纤的高稳定性和低传热性质，可以减小温度的测量误差。
此外，光纤传感器还可以实现分布式温度测量，即可以同时测量多个位置的温度，非常适用于复杂环境下的温度监测。
其次，光纤传感与测量方法在压力测量方面也有广泛应用。
传统的压力传感器通常采用电阻应变片、电感式传感器等方法进行测量，这些传感器存在尺寸大、响应速度慢、易受电磁干扰等问题。
而光纤传感器通过在光纤中引入光栅技术或光纤干涉技术，可以实现高精度、高灵敏度的压力测量。
光纤传感器还可以应用于高温和强电磁场等特殊环境下的压力监测。
在强度测量方面，光纤传感技术也具有独特优势。
传统的强度传感器通常使用光电二极管或光敏电阻等方法进行测量，这些传感器在测量过程中易受到环境光干扰和电磁干扰的影响。
而光纤传感器通过将传感元件与光纤相结合，可以实现对光强度的高精度测量。
光纤传感器还可以实现实时监测和远距离传输，非常适用于光通信中的强度测量。
此外，光纤传感与测量方法还可应用于溶液浓度的测量。
传统的溶液浓度测量方法通常使用电化学方法或光学方法，这些方法存在仪器复杂、测量精度低、测量范围窄等问题。
而光纤传感器通过将传感元件与光纤相连接，可以实现对溶液浓度的高精度测量。
光纤传感器还可以实现对多种溶液浓度的联合测量，非常适用于生物医学和化学分析等领域。
总之，光纤传感与测量方法在物理实验技术中有着广泛的应用。
第七章光纤热工量传感器
2．5 光纤扫描温度计
7．2．6 荧光辐射型光纤温度计
7．3 传光型光纤温度传感器
• 传光型光纤温度传感器中的光纤只 作传输信号用，需另加其它的元件 和材料作为敏感元件。这里将介绍 几种典型的传感器。
3．1 半导体光纤 温度传感器
7.3.2 荧光衰变式 光纤温度传感器
7.3.3 热色效应 光纤温度传感器
钴盐溶液的频谱 特征是，在波长为 660nm附近形成了 一个强带，而在波 长为500 nm附近 有一个非常弱的带。
7．4 传感型光纤温度传感器
• 传感型光纤温度传感器不仅用光纤作为 传输光路，而且用光纤作感温元件,利用 光纤自身物理参数随温度变化而变化， 从而使传输光的参数受到调制的特性， 可以实现强度调制光纤温度传感器、相 位调制光纤温度传感器等.
7.2 辐射型光纤温度传感器
辐射型光纤温度传感器是基于黑体辐射的 原理。所有的物质，当它受热时，均发 射出一定量的热辐射，这种热辐射的量 取决于该物质的温度及其材料的辐射系 数。而对于理想的透明材料，其辐射系 数为零，这时不产生任何热辐射。
7．2．1 有关光纤的特性
非接触式光纤温度传感器一般都是采用光 纤束，与测温有关的光纤特性参数有： 数值孔径、透射率、光谱透射率。
7．5．1 相关型光纤流量传感器
7.6 传感型光纤流量传感器
• 液体涡流的速度取决于液体的流速和非 流线体的体积。其涡流频率 f 近似地同 液体的流速成正比
1．数值孔径(NA)
数值孔径的大小表示该光纤的集光能力， 其数学表达式为
2．透过率
经过光纤传输的光束其光强要有所减弱， 即光能在光纤中有一定损耗，如光纤输 入端和输山端分界面上菲涅耳反射损耗、 纤芯与包层分界面的损耗、纤芯和包层 材料的吸收损耗等。
第七章 光纤传感检测技术.
L L L n L a
L n
a
2）塞格纳克效应
顺时针一周的实际光程：Lcw 2R Rt
第七章 光纤传感检测技术
光纤传感器的基础 光纤的光波调制技术 光纤传感器实例 分布式光纤传感器
7.1 光纤传感器的基础
1、光纤的结构 光导纤维（Optical Fiber 简称光纤）又纤芯、 包层及外套组成。纤芯折射率大于包层折射 率。 光纤具有使光封闭在纤芯里面传输的功能。 外套起保护作用。
1）光线传播解释
将光看作光线。光由光密介质向光疏介质传 播，在满足一定条件时发生全反射。
s n1
全反入射角：
n0
s in 0
n1
sin
n1
(1
sin
2
1
)
1 2
可得：
n0 sin0 n12 n22 NA
NA称为数值孔径(Numerical Aperture)。 NA是光纤受光能力的标度。
I1 I2
I0 sin2 ( / 4 ) I0 cos2 ( / 4 )
偏转角为：
1 2
sin
1
I1 I1
I2 I2
3、相位调制
利用外界因素改变光纤中光波的相位通过 检测相位变化来测量物理量的原理称为相 位调制。
相位调制的灵敏度极高。
1）应力应变效应
5、光纤传感器分类 1）功能型传感器（function fiber optical sensor FF） 光纤作为传感元件
光纤传感原理与检测技术
光纤传感原理与检测技术“哇，这光纤传感到底是啥玩意儿啊？”我嘴里嘟囔着。
嘿，你知道吗？光纤传感可神奇啦！就好像一个超级侦探，能发现好多我们平常看不到的东西。
咱先说说这光纤传感的原理结构吧。
它就像一个小巧的魔法盒子，里面有好多关键部件呢。
有光源，就像一个小太阳，发出亮亮的光。
还有光纤，那就是光走的小路啦，又细又长。
还有探测器，就像一个小眼睛，能看到光带来的信息。
这些部件都有自己的功能哦。
光源负责发光，光纤把光传送到各个地方，探测器就接收光传回来的信号，然后告诉我们发生了啥。
那它的主要技术和工作原理是啥呢？哎呀，这就像一场奇妙的光的旅行。
光从光源出发，沿着光纤跑啊跑。
当遇到一些情况的时候，光就会发生变化。
比如说，温度变了，光的颜色或者强度可能就不一样了。
探测器就会发现这些变化，然后我们就能知道周围的环境有啥变化啦。
现在说说它的应用场景吧。
有一天，我和爸爸妈妈去公园玩。
我看到一个叔叔在检查公园里的路灯。
他拿着一个小盒子，上面有好多线。
我好奇地问：“叔叔，你这是在干嘛呀？”叔叔笑着说：“这是用光纤传感技术检查路灯呢。
如果路灯坏了，这个小盒子就能马上发现。
”我惊呆了，这也太厉害了吧！光纤传感还能在很多地方用呢，比如检测桥梁是不是安全，就像给桥梁做了一个全身检查。
还能检测地下的管道有没有问题，就像给管道找毛病的小医生。
你想想，要是没有光纤传感，我们可能都不知道什么时候路灯坏了，什么时候桥梁有危险，什么时候管道出问题。
那可多吓人啊！所以说，光纤传感真的很重要。
我觉得光纤传感就像一个神奇的魔法棒，能让我们的生活变得更安全、更美好。
第七章 光纤传感技术
移动球镜光纤位移传感器
球透镜在平衡位
置时，两个接收光
纤得到的光强相等；
如果球镜在垂直
于光路的方向上产 生微小位移，两接 收光强比值的对数 值与球镜位移量呈 线性关系，与初始
光强无关。
全内反射液位光纤传感器
探头顶端装有圆锥体反射器；
光探头接触液面，全内反射被破坏，返回光强是液 体折射率的线性函数。 探头接触液体时，返回光强突变。
第七章
光纤传感技术
7.1 概述
7.1.1 背景介绍光导源自维光纤通信：通信质量受干扰的原因光纤对外部因素十分敏感。
外界环境
光波参量
温度 压力 光纤传感
强度
相位
电场
磁场
频率
偏振态
光纤结构图
光纤的优点
长距离低损耗
易弯曲
体积小、重量轻、成本低 防水、防火、耐腐蚀
抗电磁干扰
光纤传感技术应用
航天：飞机及航天器各部位压力、温度传感
航海
石油化工 电力工业
核工业
医疗器械：血液流速、血压及心音测量
7.1.2 光纤传感器分类
光纤传感器原理：利用光纤将待测量对光纤内传输的光波
参量进行调制，并对调制过的光波信号进行解调检测，从
而获得待测量值。
功能型（传感型、全光纤）传感器：光纤中传输的光
绝对单模光纤：使一个模式截止或提高两模式的 消光比
7.4
引言
光纤的光波调制技术
敏感头或传感臂的作用：通过与待测对象相互 作用，将待测信息传递到光纤内的导光波中， 或将信息加载于光波之上。 上述过程成为光波调制。 强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制、 光谱（颜色）调制
光纤传感技术(全)
设备故障诊断
通过光纤传感器对设备运行过程中 的振动、温度、压力等参数进行实 时监测，实现故障预警和远程诊断 。
环境监测
在工业生产环境中，光纤传感器可 用于监测气体、液体、固体等环境 参数的变化，确保生产安全。
能源环保领域应用
油气管道监测
光纤传感器可用于油气管道的泄漏监测和定位，提高管道运输的安 全性和环保性。
02
光纤传感器类型及性能参数
点式光纤传感器
工作原理
利用光纤传输光信号，通过测量光信号在光纤中 传输时的变化来感知和测量被测物理量。
主要类型
包括反射式、透射式和干涉式等。
应用领域
广泛应用于温度、压力、位移、振动等物理量的 测量。
分布式光纤传感器
工作原理
利用光纤中传输的光信号 受到被测物理量的调制， 通过检测光信号的变化实 现分布式测量。
电力系统监测
在电力系统中，光纤传感器可用于监测电缆、变压器等设备的温度 、应变和振动等参数，确保电力系统的稳定运行。
新能源应用
光纤传感器可用于风能、太阳能等新能源设备的监测和控制，提高能 源利用效率和环保性。
生物医学领域应用
1 2 3
医疗诊断
光纤传感器可用于医疗诊断和治疗过程中，如内 窥镜、激光手术等，实现对人体内部生理参数的 实时监测。
发展历程
自20世纪70年代光纤传感技术诞生以来，经历了从实验室研究到商业化应用的逐步成熟过程。随着光 纤制造、光电子器件和信号处理技术的不断进步，光纤传感技术的性能不断提高，应用领域也不断扩 展。
光纤传感技术原理及特点
01 原理
02 高灵敏度
03 抗电磁干扰
04
05
耐腐蚀、耐高温 分布式测量
光纤传感检测技术
2、包层：直径100-200um，折射率略低于纤芯。
3、涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。
4、尼龙或其他有机材料，提升机械强度，保护光纤。
光纤旳光波导原理
n2
3
2
1
0
① ② n1
4
n2
n2 n1
光纤旳临界角
c
arcsin( n2 n1
)
相应光纤旳入射角临界值为：
n0 sin0 n12 n22 NA
过旳距离L和磁场强度H成正比，即
L
V 0 Hdl V L H
式中V为物质旳弗尔德常数。
利使用方法拉第效应能够测量磁场。其测量原理如图所
示。
光弹效应
在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力旳材料将会使光 产生双折射现象，其折射率旳变化与应力材关，这被称为光弹效 应。由光弹效应产生旳偏振光旳相位变化为：
④ 便于与计算机和光纤传播系统相连，易于实现系统旳遥测 和控制
⑤ 可用高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境。
⑥ 构造简朴、体积小、重量轻、耗能少。
7.1 光纤传感器旳基础
光纤波导旳构造
套层 一次涂覆层 纤芯 包层
套层
多层介质构造：
一次涂覆层 包层 纤芯
1、纤芯：石英玻璃，直径5-75um，材料以二氧化硅为主， 掺杂微量元素。
光纤中可能传播旳模式有横电波、横磁波和混合波。 （1）横电波TEmn：纵轴方向只有磁场分量；横截面上有 电场分量旳电磁波。中下标m表达电场沿圆周方向旳变化周 数，n表达电场沿径向方向旳变化周数。 （2）横磁波TMmn:纵轴方向只有电分量；横截面上有磁场 分量旳电磁波。 （3）混合波HEmn或EHmn:纵轴方向既有电分量又有磁场 分量，是横电波和横磁波旳混合。
第七章 光纤传感技术
第7 章光纤传感技术光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体, 光纤为介质,感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。
在低损耗光纤问世不久的20世纪70年代中期人们就开始了光纤传感器的研究。
这主要是因为光纤用于传感具有独特的优点, 如无源性、化学惰性、绝缘性、极宽的信号带宽、“传”“感”合一等, 此外还有诸如灵敏度高、响应速度快、动态范围大、抗电磁干扰等。
光纤传感器经过二十多年的发展, 目前已经成为一个种类繁多的传感大家族。
本章将首先介绍光纤传感器的优点及分类方法, 随后介绍几类非常重要的光纤传感器, 比如光纤法珀传感器、光纤白光干涉传感器、光纤陀螺传感器、光纤光栅传感器等。
在介绍这些传感器时, 本书着重于介绍这几类传感器的基本传感原理、解调方法及简单的应用技术。
7. 1 引言光纤不仅能用作光波的传输媒介, 而且光纤中传输的光波的特征参量, 如振幅、相位、波长、偏振态, 以及模式等, 对外界环境因数, 如温度、压力、辐射等比较敏感。
因此通过测量光纤中传输的光波的特征参量的变化即可实现对外界相应环境参量的测量, 这也就间接实现了引起环境因素变化的相应物理量的测量。
7.1.1 基本结构光纤传感器一般由四大部分组成: 光源、信号传输光纤、传感头、光电转换及信号处理, 具体结构如图7. 1 所示。
图解光波作为载波经入射光纤传输到传感头, 光波的某些特征参量在传感头内被外界物理量所调制, 含有被调制信息的光波经出射光纤传输到光电转换部分, 经解调后就能得到被测物理量的大小和状态。
由于光波的频率很高, 且是一种二维信号载体, 所以它能传感和传输的信息量极大。
7.1. 2 光纤传感器的分类1. 按照光纤在传感系统中的功能分光纤传感, 包含对外界信号(被测量) 的感知和传输两种功能。
所谓感知(或敏感) , 是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量, 如强度(功率) 、波长、频率、相位和偏振态等发生变化, 测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。
光纤传感检测技术
光电检测技术光纤传感检测技术光纤的基本结构传光原理光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。
根据几何光学原理，当光线以较小的入射角θ1由光密介质1射向光疏介质2(即n1＞n2)时，则一部分入射光将以折射角θ2折射入介质2，其余部分仍以θ1反射回介质1。
光在两介质界面上的折射和反射单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近光的波长。
单模光纤通常是指跃变光纤中，内芯尺寸很小，光纤传输模数很少，原则上只能传送一种模数的光纤，常用于光纤传感器。
这类光纤传输性能好、频带很宽，具有较好的线性度；但因内芯尺寸小，难以制造和耦合。
，纤芯直径远大于光的波长。
通常是指跃变光纤中，内芯尺寸较大，传输模数很多的光纤。
这类光纤性能较差，带宽较窄；但由于芯子的截面积大，容易制造、连接耦合比较方便，也得4．按用途分类(1)通信光纤用于光通信系统，实际使用中大多使用光缆（多根光纤组成的线缆），是光通信的主要传光介质。
(2)非通信光纤这类光纤有低双折射光纤、高双折射光纤、涂层光纤、液芯光纤和多模梯度光纤等几类。
光纤的色散•在光纤中传输的光脉冲，受到由光纤的折射率分布、光纤材料的色散特性、光纤中的模式分布以及光源的光谱宽度等因素决定的延迟畸变，使该脉冲波形在通过光纤后发生展宽。
这是因为在光纤中传输的光信号的不同频率成份或不同的模式分量如果以不同的速度传播，则经过一定距离到达出射面时必然产生信号失真。
这种现象称为光纤的色散。
•色散分为多模色散、波导色散、材料色散和偏振色散等。
光纤的耦合常用的耦合器有以下3种结构形式：（1）把每根光纤埋人玻璃块的弧形槽中，将其侧面研磨抛光，使光纤耦合处的包层厚度达到一定的要求，然后将两根光纤拼接在一起，如图(a)所示。
（2）将两根光纤稍加扭绞，用微火炬对耦合部位进行加热，在熔融过程中拉伸光纤，最后拉细成型，如图(b)所示。
（3）将光纤的局部外套去掉，腐蚀掉光纤耦合部位的大部分包层，并将两根光纤的纤芯紧紧接触在一起，然后进行加固。
光纤传感
1. 光谱仪检测法该法是测量光纤光栅传感的波长偏移量最直接的检测方法当被测量产生变化时，可以在光谱仪上直接观察波长的改变量，然后再根据波长与被测量的关系计算出被测量的值。
使用该方法检测信号操作简单，适宜于实验室教学研究使用。
但是体积大，价格昂贵，扫描速度慢，不能用在实时性较高的场合，因此很难满足实际应用的需要。
2. 非平衡Mach-Zehnder干涉仪法1992年，A.D.Kersey及其同事提出了非平衡Mach-Zehnder干涉仪法。
该方法是在非平衡Mach-Zehnder干涉仪的基础上设计实现的，其原理如图2所示，自宽带光源发出的光通过3dB祸合器后进入光纤布拉格光栅，满足布拉格波长的光从光纤光栅反射回祸合器，再输入到非平衡Mach-Zehnder干涉仪，经过干涉仪输出的相位变化信号与传感光栅中心波长的变化量建立起一一对应的理论关系，根据相位仪测出相位，就能得出FB G中心波长的变化，由此计算得出被测量的变化。
非平衡Mach-Zehnder干涉仪解调法但在实际操作使用此装置时，由于存在温度、振动等外界干扰因素和信号随机相移的影响，不适合于绝对应变的测量，要想测量信号的绝对变化量，必须在确保系统周围环境稳定的前提下，增加一根参考光栅，才能保证实现信号绝对静态测量值的准确度，并且干涉仪的相位变化范围决定了它的测量范围十分有限。
3. 可调谐窄带光源法该法是通过标定的可调节窄线光源波长使其和光纤布拉格光栅波长进行匹配，最终达到信号解调的目的，此法的特点有较高的信噪比与较好的分辨率。
可调谐窄带光源法的解调原理是用压电陶瓷作用于光纤激光器上，再用驱动电压驱动压电陶瓷，从而控制光纤激光器的输出波长。
当不同时刻不同波长的激光入射到传感光栅时，只有满足布拉格波长的光谱会被反射，其余光谱被透射，反射进入到探测器的光能量最大时，记下此时驱动电压的大小，就能根据驱动电压与反射波长的关系测出中心波长的大小，可调谐窄带光源法的解调原理如图3所示。
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7.1 光纤传感器的基础
光纤波导的结构
一次涂覆层 纤芯 包层 套层
套层
多层介质结构： 多层介质结构：
一次涂覆层 包层
纤芯
1、纤芯：石英玻璃，直径5-75um，材料以二氧化硅为主， 、纤芯：石英玻璃，直径 ，材料以二氧化硅为主， 掺杂微量元素。 掺杂微量元素。 2、包层：直径100-200um，折射率略低于纤芯。 、包层：直径 ，折射率略低于纤芯。 3、涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。 、涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。 4、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。 、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。
部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。 部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。
光纤的损耗
过渡族金属离子 杂质离子的吸收 OH- 离子 吸收损耗 本征吸收 红外吸收 折射率分布不均匀 紫外吸收
损耗
散射损耗
制作缺陷
芯-涂层界面不理想 气泡、条纹、结石 瑞利散射
本征散射及其他
布里渊散射 拉曼散射
弯曲损耗
光纤的色散特性
色散的定义 光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加， 光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于 不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应 的物理效应。 不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。色散 主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。 主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。色散的大小 常用时延差表示， 常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分 传输同样距离而产生的时间差。 传输同样距离而产生的时间差。 色散的种类 模式色散：模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播 模式色散： 模式色散
单模传输条件 405时 光纤中除主模（ 或基模） HE11 当 0 ＜ V ＜ 2.405 时 , 光纤中除主模 （ 或基模 ） HE11 模以 其余模式均截止，此时可实现单模传输。 外，其余模式均截止，此时可实现单模传输。 多模传输的数目
2 对于阶跃型光纤， 对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为 N s = V 2 对于渐变型光纤， 对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为 N s = V 2 4
k 0 n 2 < β < k 0 n1
当β< k0n2 时，包层中的电磁场不再衰减，而成为振荡函数， 这时传导模已不能集中于光纤纤芯中传播，此时的模式称为 辐射模，即传导模截止。 当β= k0n2时，传导模处于临界截止状态，光线在纤芯和包层 的界面掠射。
归一化传播常数β/k 与归一化频率V 归一化传播常数β/k0与归一化频率V的关系曲线
功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤本身对被测对象具有敏感能力和检测功能， 这类传感器利用光纤本身对被测对象具有敏感能力和检测功能， 传光作用， 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、 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、 偏振态等光特性得到调制 调制后的信号携带了被测信息。 光特性得到调制， 偏振态等光特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。
Pi 10 α = lg L Po
(单位：dB/km) 单位：
损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择。 损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择。 损耗的种类 吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用； 吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用； 吸收损耗 散射损耗：光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射； 散射损耗： 散射损耗 光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射； 其他损耗：如光纤弯曲也引起散射损耗。 其他损耗： 其他损耗 如光纤弯曲也引起散射损耗。
2 2
光纤参数数值孔径的意义？？
光纤中的重要参数
2、光纤中的模式(Fiber Mode)
电磁波的传播遵从麦克斯韦方程， 电磁波的传播遵从麦克斯韦方程，而在光纤中传播的电 磁场根据由光纤结构决定的边界条件， 磁场根据由光纤结构决定的边界条件，可求得满足波动方程 的特定的离散的解， 的特定的离散的解，而某一个解代表许多允许沿光纤波导传 播的波，每个允许传播的解称为光纤的模式， 播的波，每个允许传播的解称为光纤的模式，每个波具有不 同的振幅和传播速度。 同的振幅和传播速度。 光纤中可能传播的模式有横电波 横磁波和混合波。 横电波、 光纤中可能传播的模式有横电波、横磁波和混合波。 纵轴方向只有磁场分量； 1）横电波TE （1） 横电波TEmn： 纵轴方向只有磁场分量；横截面上有 电场分量的电磁波。中下标m表示电场沿圆周方向的变化周 电场分量的电磁波。 中下标 表示电场沿圆周方向的变化周 表示电场沿径向方向的变化周数。 数，n表示电场沿径向方向的变化周数。 表示电场沿径向方向的变化周数 纵轴方向只有电分量； （ 2） 横磁波 ） 横磁波TMmn:纵轴方向只有电分量 ； 横截面上有磁 纵轴方向只有电分量 场分量的电磁波。 场分量的电磁波。 （ 3） 混合波 mn 或 EHmn:纵轴方向既有电分量又有磁场 ） 混合波HE 纵轴方向既有电分量又有磁场 分量，是横电波和横磁波的混合。 分量，是横电波和横磁波的混合。 无论哪种模式， 当 m 和 n 的组合不同， 表示的模式也不同。 无论哪种模式 ， 的组合不同 ， 表示的模式也不同 。
光纤中的重要参数
3、光纤的归一化频率V
少而引入的一个特征参数。 少而引入的一个特征参数。 其定义为： 其定义为：
归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数目多
2πr 2πr
V =
λ
n1 n2 =
2 2
λ
NA = k 0 rn1 2
其中， 是光纤的纤芯半径； 其中， r——是光纤的纤芯半径； 是光纤的纤芯半径 λ——是光纤的工作波长； 是光纤的工作波长； 是光纤的工作波长 n1和n2 ——分别是光纤的纤芯和包层折射率； 分别是光纤的纤芯和包层折射率； 分别是光纤的纤芯和包层折射率 k0 ——真空中的波数； 真空中的波数； 真空中的波数 ——光纤的相对折射率差。 光纤的相对折射率差。 光纤的相对折射率差
导尺寸和纤芯包层的相对折射率差。
波导色散和材料色散都是模式的本身色散， 也称模内色散。对于多模光纤，既有模式色 散，又有模内色散，但主要以模式色散为主。 梯度型光纤中模式色散大为减少。 而单模光纤不存在模式色散，只有材料色 散和波导色散，由于波导色散比材料色散小 很多，通常可以忽略。采用激光光源可有效 减小材料色散的影响。
光纤的纤芯折射率剖面分布
2b 2b 2a 2b 2a 2c 2a
n n1 n2 0 a （a）阶跃光纤 b r
n n1 n2 0 a b （b） 渐变光纤 r
n n1 n2 n3 0 a （c）W型光纤 c b r
光纤的类型
光纤中的重要参数
1、数值孔径（NA,Numerical Aperture）Biblioteka 光纤的光波导原理n2
θ
θ
0
2
θ
3
n2 n1
θ
1
① ②
n1 n2
θ
4
光纤的临界角
对应光纤的入射角临界值为： 对应光纤的入射角临界值为：
2 n0 sin θ 0 = n12 n2 = NA
n2 θ c = arcsin( ) n1
渐变光纤的导光原理示意图
在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。 在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。
时延不同而产生的色散。只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决于光纤的折射 率分布。
材料色散：材料色散是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光 材料色散： 材料色散
时间延迟不同产生的色散。取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。
波导色散：波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的色散。取决于波 波导色散： 波导色散
第七章 光纤传感检测技术
光纤传感器始于1977年 光纤传感器始于1977年，目前已进入研究与应用并 1977 重阶段。 重阶段。
主要优点： 主要优点： 灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可挠性强、 ① 灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可挠性强、可实 现不带电的全光型探头。 现不带电的全光型探头。 ② 频带宽、动态范围大。 频带宽、动态范围大。 可用很相近的技术基础 相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器 ③ 可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器 便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测 ④ 便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测 和控制 可用高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境 恶劣环境。 ⑤ 可用高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境。 结构简单、体积小、重量轻、耗能少。 ⑥ 结构简单、体积小、重量轻、耗能少。
光纤的分类
石英系列光纤（以SiO2为主要材料） 多组分光纤（材料由多组成分组成） 液芯光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤（以塑料为材料）
按光纤组成材料划分
阶跃型光纤（SIF） 光纤种类 按光纤纤芯折射率分布划分 渐变型光纤（GIF） W型光纤 单模光纤（SMF） 按光纤传输模式数划分 多模光纤（MMF ）
n1 n1~n2 HE11
β/k0
TE01 TM01
EH11 HE12 EH21 HE41 TE02 TM02
n2 2
HE21 4
HE31
HE22 6
V
V=
2πr
λ
n1 n2 =
2 2
2πr
λ
NA = k0 rn1 2
模式特性
V 0 --2 .4 0 5 2 .4 0 5 --3 .8 3 2 3 .8 3 2 --5 .1 3 6 5 .1 3 6 --5 .5 2 0 5 .5 2 0 --6 .3 8 0 . H E 11 H E 21, H E 12, H E 41, H E 22, . 模式 T E 01, T M 01 H E 3 1 , E H 11 E H 21 T E 02, T M 02 导模总数 2 2+4=6 6 + 6= 12 12+4=16 16+4=20 .