光纤检测及应用

以电为基础的传统传感器是一种把被测量的状态转变为可测
的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统
以及信息传输均用金属导线连接，见图1。
光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的
装置。由光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理系统以及
光纤构成，见图2。
由光发送器发出的光源经光 纤引导至敏感元件。这时，光的 某一特性受到被测量的调制，已
1.5 光纤的耦合
光纤的耦合分为强耦合和弱耦合。 • 光纤的强耦合是光纤纤芯间形成直通，传输模直接进
入耦合臂。 • 光纤的弱耦合是通过光纤的弯曲，或使其耦合处成锥
状。于是，纤芯中的部分传导模变为包层模，再由包 层进入耦合臂中的纤芯，形成传导模。
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二 光纤传感器
2.1 光纤传感器结构
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2.3 几种主要的光纤传感器 2.3.1 光纤陀螺
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光纤陀螺原理
光纤陀螺是基于 Sagnac 效应，用光纤构 成环状光路，组成光纤 Sagnac 干涉仪。
来自光源的光束 被分束器BS1分成两束光， 分别从光纤圈的两端藕 合进光纤敏感线圈，沿 顺、逆时针方向传播。 从光纤圈两端出来的两 束光，再经过合束器BS1 而叠加产生干涉。
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主要优点： ①灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可靠性强、可实 现不带电的全光型探头。 ②频带宽、动态范围大。 ③可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器 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。 ⑤可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境。 ⑥结构简单、体积小、重量轻、耗能少。
利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光 纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不 仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用 下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和 “感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续， 增加其长度，可提高灵敏度。
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图1 光纤陀螺原理图
当光纤圈处于静止状态时，从光纤圈两端出来的两束光， 光程差为零。当光纤圈以角速率Ω 旋转时由于Sagnac效应， 顺、逆时针方向传播的两束光产生光程差L可表示为：
引起的相应的相位差为
上式就是光纤陀螺的基本公式，通过检测相位差Δ Φ （即干 涉光强）就可以获得角速率Ω 的信息。
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偏移量为 B 2neff 2neff
即实现水声声压对反射信号光的波长调制。据检测中 心反射波长偏移，再根据Δneff、ΔΛ与声压间的线性关系，
即可获得声压变化信息。
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2 光纤水听器的特点
(1). 低噪声特性. 光纤水听器采用光学原理构成,灵敏度高,由 于噪声低的特性决定了其可检测的最小信号比传统压电水听 器要高2 —3 个数量级,这使弱信号探测成为可能. (2). 动态范围大. 压电水听器的动态范围一般 在80—90dB , 而光纤水听器的动态范围可以到 120—140dB. (3). 抗电磁干扰与信号串扰能力强. 全光光纤 水听器信号传感与传输均以光为载体,几百兆赫以下的电磁 干扰影响非常小,各通道信号串扰也十分小。
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(4).适于远距离传输与组阵. 光纤传输损耗小, 适于远距离传输. 光纤水听器采用频分、波分及时分等技术 进行多路复用,适于水下阵列的大规模组阵. (5).信号传感与传输一体化,提高系统可靠性. 激光由光源发出,经光纤传输至光纤水听器,并在拾取声信号 后再经光纤传回到岸上或船上的信号处理设备,水下无电子 设备. 另外,光纤对水密性要求低,耐高温、抗腐蚀,这些都将 大大提高系统的可靠性. (6).工程应用条件降低. 采用全光光纤水听器的声纳系统,探 测缆及传输缆皆为光缆,重量轻体积小,系统容易收放,使过去 无法实现的方案成为可能,特别对拖曳阵列,由于工程应用条 件的降低而使许多问题简单化。
光发送器
信号处理
光受信器
光纤
敏感元件
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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， 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。
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。
声信号传感器。它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号 转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。
光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、 海底声学特性、目标声学特性等的监测。它既可用于海洋、陆 地石油天然气勘探，也可用于海洋、陆地地震波检测以及海洋 环境检测，它又是现代海军反潜作战及水下兵器试验的先进检 测手段。
信号处理
电源 导线
信号接收
图1 传统传感器
敏感元件
调光经接收光纤耦合到光接收器 ，使光信号变为电信号，最后经 信号处理得到所期待的被测量。 信号处理
光发送器
光纤 光接收器
敏感元件
图2 光纤传感器
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2.2光纤传感器的分类
根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器分为功能型、非功 能型和拾光型三大类 1）功能型（全光纤型）光纤传感器
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1.2光纤波导的结构
纤芯
套层 一次涂覆层
包层
套层 一次涂覆层 包层 纤芯
多层介质结构： 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。 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，提高机械强度，保护光纤。
10 lg Pi
L Po
损耗的种类 •吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用； •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。
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1.5.2 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，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。色散 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，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。
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
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一 光纤的基础知识
1.1 基础
• 光纤就是光导纤维的简称，是用光透射率高的电介质 （如石英、玻璃、塑料等）构成的光通路，它是一种 介质圆柱光波导。
• 所谓光波导是指将以光的形式出现的电磁波能量利用 全反射的原理约束引导光波在光纤内部或表面附近沿 轴线方向传播。
信号处理
光发送器 光受信器
光纤敏感元件
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2）非功能型（或称传光型）光纤传感器
光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“ 感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。 此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现 ，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合 。
该型水听器基于光纤布拉格光栅反射波长随外界应力 变化而移动原理，由于可在1根光纤上刻写多个光纤光栅， 易构成准分布式传感。当宽带光源（BBS）输出光波经光 纤布拉格光栅（FBG）时，波长满足该条件的光波将被反 射，其余则透射
B 2neff
式中：λB为FBG 的中心反射波长；neff 为纤芯有效折射率， Λ为光栅栅距。当传感光栅周围应力随水中声压变化时，将 导致neff或Λ的变化，从而产生传感光栅相应的中心反射波长 偏移。
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应用
• 光纤陀螺信号检测的主要目的是从强噪声中取出弱信号。 对开环系统，则主要是检测出由于光纤环旋转而引入的相 位变化，为获得大动态范围和好的标度因数线性度，还必 须对开环输出信号进行处理或建立闭环系统。
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2.3.2 光纤水听器
简介 光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下
第七章 光纤检测技及应用
背景介绍
① 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媒介。因此，它同时具有光纤及光学测 量的特点。 ② 经过20余年的研究，光纤传感器取得了十分重要的进展， 目前正进入研究和实用并存的阶段。它对军事、航天航空技 术和生命科学等的发展起着十分重要的作用。随着新兴学科 的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。
（1）.干涉型光纤水听器原理
干涉型光纤水听器是基于光学干涉仪的原理构造的。 图1是基于Michelson光纤干涉仪光纤水听器的原理示意 图。
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图1 基于Michelson光纤干涉仪光纤水听器
由激光器发出的激光经3dB光纤耦合器分为两路:一 路构成光纤干涉仪的传感臂,接受声波的调制,另一路则构 成参考臂,提供参考相位. 两束波经后端反射膜反射后返回 光纤耦合器,发生干涉,干涉的光信号经光电探测器转换为 电信号,经过信号处理就可以拾取声波的信息。
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1.3 光纤的分类
按光纤组成材料划分
石英系列光纤（以SiO2为主要材料） 多成分玻璃光纤（材料由多成分玻璃组成） 液芯光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤（以塑料为材料）
按光纤纤芯折射率分布划分
阶跃型光纤（单包层，折射率均布）（SIF） 渐变型光纤（单包层，折射率渐变）（GIF） W型光纤（双包层，折射率均布）
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6/1色7/201散9 。取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折射率差。
光纤水听器与传统水听器相比，在未来的声纳系统中作 为接收阵列显示了更大的吸引力。它可以将大量单元的信号经 由一单根光纤传输的大规模成阵的能力并具有水听器单元设计 的灵活性。另外，它还具有灵敏度高，响应的带宽宽，单元及 信号传输不受电磁干扰的影响等重要特点。
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1光纤水听器原理
光纤水听器按原理可分为干涉型、光栅型等。干涉型 光纤水听器关键技术已经逐步发展成熟，在部分领域已经 形成产品，而光纤光栅水听器则是当前光纤水听器研究的 热点。
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。
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阶跃型多模光纤
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1.5光纤的损耗
吸收损耗
损耗
散射损耗
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其他损耗
杂质离子的吸收
过渡族金属离子 OH- 离子
本征吸收
紫外吸收 红外吸收
制作缺陷
折射率分布不均匀 芯-涂层界面不理想 气泡、条纹、结石
本征散射及其他
瑞利散射 布里渊散射 拉曼散射
1.5.1光纤的损耗特性
损耗的定义 当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小， 这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数α表示：
按光纤传输模式数划分
单模光纤（SMF） 多模光纤（MMF ）
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光纤的纤芯折射率剖面分布
2b
2b
2b
2c
2a
2a
2a
n n1பைடு நூலகம்n2
0a b r （a）阶跃光纤
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n n1
n2
0 a br （b） 渐变光纤
n n1 n2
n3
0 a cbr （c）W型光纤
光纤的类型
阶跃型多模光纤
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图2 基于Mach-Zehnder光纤干涉仪光纤水听器
图2是基于Mach-Zehnder光纤干涉仪光纤水听器的 原理示意图. 激光经3dB 光纤耦合器分为两路,分别经过传 感臂与参考臂,由另一个耦合器合束发生干涉,经光电探测 器转换后拾取声信号。
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2).光纤光栅型光纤水听器原理