光纤传感原理与技术

光纤理论与技术
第十章：克服困难中带来的副产品——光纤传感原理与技术
§10.2.1.3 光纤陀螺的分类及原理
1.分类 光纤陀螺的种类很多，根据提取相向光束作用信息 的不同，大致可分成三大类：干涉型光纤陀螺(I—FOG)， 谐振型光纤陀螺(R—FOG)和布里渊型光纤陀螺(BFOG)。干涉型光纤陀螺是第一代光纤陀螺，技术上已 趋成熟，正处于推进批量生产和商品化阶段。谐振型光 纤陀螺是第二代光纤陀螺，目前处于实验室研究向实用 化的发展阶段。布里渊型光纤陀螺是第三代光纤陀螺， 尚处于理论研究阶段。
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，其中 4π LR/cλ 项就是陀螺的标度因数。 为了对Sagnac效应的大小有一个比较直观的认识，我 们看一个例子。假定，光纤圈面积A＝100cm2 ，旋转角速 率Ω ＝10 － 3Ω E （Ω E 为地球自转速率l50 ／h)，即＝0． 0150 ／h，在包围此面积的单匝光纤环上，得到的光程差 仅为Δ L=10－15 cm。与氢原子直径10－8cm相比较，可发现 单匝光纤环的Sagnac效应是很小的。显然，要提高干涉仪 的灵敏度就必须大大增加光纤匝数，也就是说增加光纤的 几何参数LR 。通常LR取值在10一100m2之间。 可绕、低损耗的细径光纤，为绕制多匝光纤圈提供了 可能性，是实现小型、高灵敏度光纤陀螺的基础。
E A sint
A——电场E的振幅矢量；ω——光波的振动频率； φ——光相位；t——光的传播时间。 可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被 测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振 调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。
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可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本 质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为 基础。 光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物 理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必 须考虑光的电矢量E的振动，即
§10.1 光纤传感原理回顾
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
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§10.1.1光纤传感器结构
以电为基础的传统传感器是一种把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。
光发送器
光纤
信号处理
敏感元件
光受信器
耦合器
3）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。
光发送器
信号 处理
光纤
光受 信器
被测对象
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2.根据光受被测对象的调制形式
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第十章 光纤传感原理与技术
§10.1 光纤传感原理回顾 §10.2 几种主要的光纤传感器
§10.2.1光纤陀螺 §10.2.2光纤水听器 §10.2.3白光干涉型光纤应变传感器 §10.2.4光纤光栅传感器
§10.3光纤传感器的应用
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分为：强度调制型、偏振调制、频率调制、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 。
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2）偏振调制光纤传感器 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有 利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感 器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、 电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器 ；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这 类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。 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。有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；以及利用光致发光的温度传感器等。
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§10.1.2 光纤传感器的分类
光学现象 干 涉 型 干涉（磁致伸缩） 相位调 干涉（电致伸缩） 制光线 Sagnac效应 传感器 光弹效应 干涉 遮光板遮断光路 半导体透射率的变化 强度调制 荧光辐射、黑体辐射 光纤温度 光纤微弯损耗 振动膜或液晶的反射 传感器 气体分子吸收 光纤漏泄膜 偏振调 制光纤 温度传 感器 法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 光弹效应 被测量 电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度 温度、振动、压力、加速度、 位移 温度 温度 振动、压力、加速度、位移 振动、压力、位移 气体浓度 液位 电流、磁场 电场、电压、 温度 振动、压力、加速度、位移 速度、流速、振动、加速度 气体浓度 温度 光纤 SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM MM MM MM SM MM MM MM SM MM SM MM MM MM MM 分类 a a a a a b b b b b b b b,a b b b c b b
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谐振型光纤陀螺(R—FOG)和布里渊型光纤陀螺(B-FOG) 的基本原理与环形激光陀螺相同，都是利用Sagnac效应，通 过检测旋转非互易性造成的顺、逆时针两行波的频率差测量角 速率。它们与激光陀螺的区别在于用光纤环形谐振腔代替由反 射镜构成环形谐振腔，从而既可充分发挥激光陀螺的优越性， 又可克服激光陀螺的缺陷，同时可避免技术上已趋于成熟的IFOG的某些不足。谐振型光纤陀螺的最大优点是，它采用很 短的光纤来构成光环形谐振腔，一般光纤长度不超过10m，检 测的是频率差，信号处理比干涉型的相位检测要简单、方便， 光集成度高、性能优越、结构小巧，发展前景很好。 干涉型光纤陀螺是对光纤干涉检测技术的一种应用，在结 构上是一个环形干涉仪(Sagnac干涉仪)通过采用多匝光纤线圈 来增强相对惯性空间的旋转引起的萨格奈克(Sagnac)效应。
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引起的相应的相位差为
CW——表示顺时针方向； CCW——表示逆时针方向； R——光纤圈半径； L—一光纤长度； A——光纤光路所包含的面积，A＝R； N——光纤圈匝数； A——光的波长； C——光在介质中传播速度。
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2. 光纤陀螺原理
图1 光纤陀螺原理图 光纤理论与技术
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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。如图1所示，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。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：
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4）相位调制传感器 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。通常有利用光 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、电压传感器以及利用光纤赛格 纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类 传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统， 因此成本高。
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§10.2 几种主要的光纤传感器
§10.2.1 光纤陀螺
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§10.2.1.1 光纤陀螺的优点
光纤陀螺基于Sagnae效应，与机电陀螺或激光陀螺相比。 具有如下显著特点： ① 零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的耐冲击和抗加速度运 动的能力； ② 绕制的光纤增长了激光束的检测光路，使检测灵敏度和分辨 率比激光陀螺仪提高了好几个数量级，从而有效地克服了激光 陀螺仪的闭锁问题； ③ 无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿 命； ④相干光束的传播时间极短，因而原理上可瞬间启动； ⑤ 易于采用集成光路技术，信号稳定可靠，且可直接用数字输 出，并与计算机接口联接； ⑥ 具有较宽的动态范围； 光纤理论与技术 ⑦ 结构简单，价格低。体积小，重量轻。
光发送器 光纤敏感元件 信号处理 光受信器
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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。
由光发送器发出的光经源光 纤引导至敏感元件。这时， 光的某一性质受到被测量的 调制，已调光经接收光纤耦 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。
电 信号处理
源 导线 敏感元件
信号接收 图1 传统传感器 光发送器 光纤 敏感元件
信号处理
光接收器
图2 光纤传感器
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§10.2.1.2 Sagnac效应
Sagnac效应是指在任意几何形状的闭合光路中，从某 一点观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到 该观察点时，这对光波的相位（或它们经历的光程）将由 于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同，其相位 差（光程差）的大小与闭合光路的转速速率成正比。
非
干
涉
型
频率调制 多普勒效应 光纤温度 受激喇曼散射 传感器 光致发光
注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型 光纤理论与技术
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1.根据光纤在传感器中的作用分类
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 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。