第7章 光纤传感器基本原理
光纤传感器的工作原理
光纤传感器的工作原理光纤传感器作为一种重要的光学传感器，广泛应用于各个领域，如光通信、工业自动化、医疗设备等。
本文将介绍光纤传感器的工作原理及其在实际应用中的特点。
一、工作原理光纤传感器是利用光学原理来实现物理量的检测和测量的装置。
它基于光的传输、反射、折射、散射等现象，通过改变光的强度、频率或相位来感知和测量被测物理量。
1. 光传输光纤传感器中的光信号通过光纤传输到被测物体或环境中。
光纤具有优异的光导传输特性，可以保证光信号在传输过程中的稳定性和可靠性。
2. 光的接收与反射被测物体或环境中的光信号与光纤发射的光信号相互作用后，一部分被反射回光纤。
这里的反射可以是由于光的散射、反射或折射等效应引起的。
3. 光的探测与解读通过光纤传感器接收到的反射光信号会被传感器内部的光电探测器接收并转换成电信号。
电信号会被后续的电路处理和解读，从而获取被测量的物理量信息。
二、特点和应用光纤传感器具有以下特点，使其在各个领域得到广泛应用：1. 高精度光纤传感器具有高分辨率和高灵敏度，可以对微小物理量进行准确测量。
同时，光纤传感器还能实现长距离的传输，适用于大范围的测量需求。
2. 免受干扰光纤传感器的信号传输是光学信号，不会受到电磁干扰，有较高的抗干扰能力。
这使得光纤传感器在工业自动化、电磁环境复杂的场合下具有稳定可靠的性能。
3. 多功能光纤传感器可以根据需求设计不同的传感结构，实现对不同物理量的测量。
如温度、压力、湿度等物理量都可以通过光纤传感器进行检测。
4. 实时性光纤传感器的工作响应快速，能够实时获取被测物理量的变化。
这使得在对实时监测和控制要求较高的应用领域，如工业生产过程中的物料流动监测等，光纤传感器发挥了极其重要的作用。
光纤传感器由于其独特的工作原理和优越的性能，在多个领域有广泛的应用。
以下是一些典型的光纤传感器应用案例：1. 环境监测通过光纤传感器，可以实时监测环境参数，如温度、湿度、气体浓度等。
这对于环境保护、工业安全等方面具有重要意义。
光纤传感器的工作原理
光纤传感器的工作原理光纤传感器是一种利用光纤作为传感器的感应元件的传感器。
光纤传感器的工作原理是基于光的传输和光的特性，通过检测光的强度、光的相位或光的频率等参数的变化来实现测量和检测。
下面将详细介绍光纤传感器的工作原理。
1.光的传输光纤传感器是通过光纤将信号传输到目标位置进行测量和检测的。
光纤是一种将光信号传输的波导，其内部是由高折射率的纤芯和低折射率的包层组成。
光信号通过纤芯进行传输，并且受到光纤的折射规律的影响。
光纤传感器的传感元件一般位于光纤的入口或出口处，通过测量光的强度和光的特性来实现测量和检测。
2.测量原理光纤传感器的测量原理主要有光强度测量、光干涉测量和光散射测量等。
光强度测量是利用光传输时的衰减规律，通过检测光的强度来判断目标物理量的变化。
光干涉测量是利用光的干涉现象来测量目标物理量的变化，一般是通过光纤的长度或折射率的变化来实现测量。
光散射测量是利用光在传输过程中与介质的散射作用来测量目标物理量的变化，例如测量液体的浓度或测量气体的浓度等。
3.传感原理光纤传感器的传感原理主要有光纤布拉格光栅传感器、光纤共振传感器和光纤散射传感器等。
光纤布拉格光栅传感器是利用光栅的折射率周期性变化来测量目标物理量的变化，一般是通过测量光纤中被散射回来的光的特性来实现测量。
光纤共振传感器是利用光在光纤内部多次反射产生共振，通过测量共振波长的变化来实现测量。
光纤散射传感器是利用光在光纤中遇到杂散反射或杂散散射时产生的衰减、散射或反射来测量目标物理量的变化，一般是通过测量光的强度、光的频率或光的相位的变化来实现测量。
总体来说，光纤传感器的工作原理是通过光的传输和光的特性来实现测量和检测。
光纤传感器可以应用于各种领域，例如环境监测、医疗诊断、工业控制和航天航空等。
光纤传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、抗干扰性好等特点，已经成为现代传感器技术中不可或缺的一部分。
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。
光纤传感器的原理是
光纤传感器的原理是光纤传感器是一种利用光学原理来进行物体检测和测量的设备。
它利用光纤中的光信号与外界物理量的相互作用，通过测量光的特性变化来获取物理量的信息。
光纤传感器具有高精度、快速响应、不受电磁干扰等优点，广泛应用于工业、生活、医疗等领域。
一、基本原理光纤传感器的基本原理是利用光的传输和载波调制技术。
通常，光纤传感器由光源、光纤、检测元件和信号处理模块组成。
光源产生光信号后，通过光纤传输至检测元件，光信号在物理量作用下发生变化，最后由信号处理模块将光信号转化为电信号输出。
二、工作原理光纤传感器的工作原理可以分为干涉型、散射型和吸收型。
1. 干涉型干涉型光纤传感器利用光的干涉现象来测量物理量。
它通过将光信号分为两个相干波束，一个作为参考光束，另一个经过检测元件后与参考光束发生干涉。
当外界物理量作用于光束时，光的相位和振幅会发生变化，通过测量干涉光信号的强度或相位差，获得物理量的信息。
2. 散射型散射型光纤传感器利用光在纤芯中的散射现象来测量物理量。
它通过纤芯中的光散射来判断外界物理量的变化。
光纤中的散射分为弹性散射和非弹性散射两种，其中弹性散射主要受到光纤材料的缺陷、晶格振动等因素影响，非弹性散射则由于外界物理量的作用引起光纤材料中电子的激发和产生。
通过测量散射光信号的强度、频谱等特性，可以获取物理量的信息。
3. 吸收型吸收型光纤传感器利用光在特定介质中的吸收现象来测量物理量。
它通过在光纤中引入吸收介质，当外界物理量作用于吸收介质时，吸收介质中的光吸收发生变化。
通过测量光的强度变化，可以获得物理量的信息。
三、应用领域光纤传感器在诸多领域有着广泛的应用。
1. 工业领域在工业自动化控制中，光纤传感器可用于测量温度、压力、液位、流量等物理量。
通过光纤传感器的应用，可以实现高精度、实时的物理量检测和测量，从而提高生产效率、保证产品质量。
2. 生活领域光纤传感器在生活中也有着广泛的应用，如煤气检测、火灾报警、安全防范等。
第七章第二节光纤传感器
械强度。光纤最外层是一层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中各种不同的光
纤。光缆是内多根光纤组成。并在光纤间填入阻水油膏以此保证光缆传光性能。
光缆主要用于光纤通信。我们知道，
光纤
是利用光的内全反射规律，将入射
光传递到另一端的。
设有一段圆柱形光纤,如图所示, 当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θ 角时,根据斯涅耳光的折射定律,在光纤内折射成θ′,然后以φ角入射至纤芯与包层 的界面。若要在界面上发生全反射,则纤芯与界面的光线入射角φ应大于临界角 φc,即
传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数。
传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤 (或特 殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。在这类传感器中， 光纤不仅起传光的作用，同时利用光纤在外界因素 (弯曲、相变)的作用下，使其
二、光纤分类
根据光纤的 折射率、光纤材料、传输模式、光纤用途和制造工艺 ，有如下 几种分类方法：
1．阶跃型和梯度型光纤 根据光纤的折射率分布函数，普通光纤可分为阶跃型和梯区型两类。 阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，即纤芯内的折射率分布大
体上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是纤芯和 包层的折射率不同，在界面上发生突变，如下图 (a)所示。光线的传播，依靠光 在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。
首先看的原理
类似于光电二极管 测位移的原理
作业件检测
颜色检测
一、光纤结构和传光原理
光纤结构十分简单，它是一种多层介质结构的圆柱体，圆柱体由纤芯、包
层和护层组成。
纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料，制成根细的圆柱体，其直径在5～
75μm内。有时在主体材料中掺人极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等，
光纤传感器基本原理
光纤传感器基本原理
光纤传感器基本原理是利用光纤的特殊性质，将光信号转换为电信号。
在光纤传感器中，光源发出的光经过光纤传播，在光纤的某一点与外界的物理量进行相互作用后，光信号发生变化。
传感器的探测部分是光纤的一段，在传感区域内，光信号的幅度、相位、频率等参数会随着被测量的物理量发生变化。
光纤传感器的工作原理基于光的干涉、散射、吸收等现象。
其中，基于光纤干涉原理的传感器是最常见的类型。
这类光纤传感器一般采用法布里-珀罗特（F-P）干涉仪的结构。
当光纤中
的光信号遇到传感器传感区域的物理量变化时，传感区域的折射率发生改变，导致传感区中的干涉光程差发生变化。
这一变化会通过反射回到光纤，进而对干涉光信号产生影响。
通过测量干涉光信号的变化，可以推断出传感区域中物理量的变化情况。
除了光纤干涉原理外，还有其他一些基于光纤散射和吸收的传感器原理。
光纤散射传感器是利用光在光纤中发生散射的特性，通过测量光的散射强度或相位变化来得到物理量的信息。
光纤吸收传感器则是利用光在光纤中被介质吸收的特性，通过测量吸收光信号的强度变化来推断物理量的变化。
光纤传感器具有体积小、响应速度快、抗电磁干扰强等优点，广泛应用于温度、压力、拉力、位移等物理量的测量领域。
随着技术的不断进步，光纤传感器的精度和可靠性也在不断提高，为工业自动化、医疗、环境监测等领域的应用提供了可靠的检测手段。
光纤传感器基本原理
光纤传感器基本原理光纤传感器是一种利用光纤作为传感元件的传感器，它通过光纤中的光信号的强度、频率或相位的变化来感知和测量环境参数的传感器装置。
光纤传感器具有高可靠性、抗干扰能力强、响应速度快等优点，广泛应用于测量、通信、工业自动化等领域。
首先是光源部分：光源可以是激光器、LED等产生光信号的装置。
光源通过光纤传输光信号到目标位置，其中包括了传感器测量的环境参数。
然后是光纤部分：光纤是光信号传输的介质，通常由一根或多根光纤组成。
光纤可以是单模光纤或多模光纤，其核心材料通常是高纯度玻璃或塑料。
光信号通过光纤的内部反射来传输，通过改变光纤的长度、形状或者在光纤表面附加外界物质等方式，可以实现对环境参数的测量。
最后是光电检测器部分：光电检测器用于接收光信号并将其转化为电信号。
光电检测器可以是光电二极管、光电转换器等。
当光信号到达光电检测器时，光信号激发光电检测器产生电流变化，进而将光信号转化为电信号。
通过测量电信号的特征，如电流的强度、频率或相位的变化，可以获得环境参数的信息。
光纤传感器的工作原理有很多种，最常见的是基于光强度的测量。
当环境参数发生变化时（如温度、湿度、压力等），这些变化会导致光信号的强度发生变化。
光纤传感器通过测量光信号的强度变化来确定环境参数的变化情况。
另外一种常见的光纤传感器工作原理是基于光频率的测量。
当环境参数变化时，这些变化会引起光信号的频率移动。
通过测量光信号频率的变化，可以确定环境参数的变化情况。
还有一种光纤传感器工作原理是基于光相位的测量。
当环境参数变化时，这些变化会导致光信号的相位变化。
通过测量光信号相位的变化，可以确定环境参数的变化情况。
总之，光纤传感器利用光的传导性能来实现环境参数的测量和检测。
通过光源产生光信号，光信号经过光纤传输并最终转化为电信号。
根据光信号的强度、频率或相位的变化，可以获得环境参数的变化情况。
光纤传感器具有高可靠性、抗干扰能力强、响应速度快等优点，在各个领域得到广泛应用。
光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本原理
光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。
光纤传感器的测量原理有两种。
(1) 物性型光纤传感器原理
物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。
其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等转变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。
因此，假如能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。
这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。
激光器的点光源光束集中为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。
外界参数（温度、压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。
图1 物性型光纤传感器工作原理示意图
(2) 结构型光纤传感器原理
结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。
其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。
图2 结构型光纤传感器工作原理示意图
(3) 拾光型光纤传感器原理
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。
图3 拾光型光纤传感器工作原理示意图。
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光源 探测器
信号臂
3dB
耦合器
参考臂
PZT
2.马赫－泽德（Mach-Zehnder）干涉仪原理
固定反射镜
分束器2
光探测器
光源
很少有光 返回到激
光器
分束器1
反射镜的 位移引起 相位差
可移动反射镜
2.马赫－泽德（Mach-Zehnder）干涉仪原理
固定反射镜
分束器2
光探测器
光源
很少有光 返回到激
光器
调制信号
L
传感器的灵敏度主要与三个因素有关：微弯幅度、微 弯数目、微弯周期。其中微弯周期的影响最大，且有 一个与传感光纤有关的临界周期Lc。当光纤微弯周期 接近于临界周期时，光纤中光功率损耗急剧增加，即 光纤传感灵敏度显著增加。
微弯损耗光强度调制的应用
光纤由变形器引起微弯变形时，纤芯中的光有一部分 逸出到包层。若采取适当的方式探测光强的变化，则 可知道位移变化量，据此可以制作出温度、压力、振 动、位移、应变等光纤传感器。 微变形光纤强度调制传感器的优点：灵敏度高、结构 简单、响应速度快。
分束器1
反射镜的 位移引起 相位差
可移动反射镜
光纤马赫—泽德干涉仪
S
信号臂
光源 I0 3dB
3dB
耦合器
参考臂
耦合器
耦合再分 成两束光
信号处 理器 测量参数
优点：体积小、机械性能稳定 3信号臂与参考臂相位差
3. 塞格纳克干涉仪（光纤陀螺）
光纤陀螺（fiber optic gyroscope ―FOG）是利用光 学传输特性而非转动部件来敏感角速率和角偏差的 惯性传感技术。FOG可用于洲际导弹、远程轰炸机 和核潜艇的制导,也可广泛应用于飞机、船舶和汽车 的导航,火炮和雷达系统的稳定控制,石油钻井和机器 人控制等国民经济和国防建设的许多重要领域。光 纤陀螺仪是根据塞格纳克（Sagnac）的理论发展起 来的。
概念：待测物理量引起光纤中的传输光的相位 发生变化，用干涉测量技术把相位变化转换为 光强变化，从而检测出待测的物理。
S
被
光探
Ii
测
测器
信
号
干
iD
相位调 制区
涉 Io
1、光波的相位
y 1 z
x
1
0
P
L
P点相位比0点延迟
2p nL L 0
L
光波通过长度为L的光纤后，出射光波的相 位延迟为:
2p nL L 0
•
迈克尔逊干涉仪示意图
M2
M1
1
s
M1
G1
G2
2 2
•
每当M1移动/2 ,光线1、2的 光程差就改变一个，视场中 就会看见一条条纹移过，如 果看见N条条纹移过，则反 射镜M1移动的距离是：
dN 2
迈克尔逊干涉仪示意图
激光器
M2
M1
1
2p 2
0
G1
G2
M1
待检测信
号
2
光探 测器
可移动反射镜每移动
调 制
位移、压力、 温度等
信
号
x
动光纤式光强调制模型
3、遮光型光强调制
将光强调制信号加在移
动的遮光板上。该办法 可以测量位移、压力、
发射光纤
温度等物理量，这些物
理量的变化使光强变化。
由于闸式要使两光纤距
离大一些，因此光损耗
较大，但它可固定两光 纤，因而使用可靠。
光闸
接收光纤
调 制 信 号
4、光模式光强度调制机理
2d
输入光纤
输出光纤
d
a
输出光纤
反射型光强外调制示意图
输入光纤 2r
a
输入光纤的镜像
输入光纤
输出光纤
d
a
输出光纤
输入光纤的出射光与输出光纤纤芯的重叠部分
令：T tg(sin 1 N.A.)
输入光纤
N.A＝sin
a
R
输出光纤
2r 2d
R r 2Td
返回
输入光纤的出射光与输出光纤纤芯的重叠部分
L n
a
② 温度应变相位调制
温度应变效应与应力应变效应相似。若光纤放置在变
化的温度场中，那么温度场将影响光纤折射率n和长度
L。
2p L L
设＝nk0 ,则 nk0L
温度变化引起光纤中光波相位延迟为：(k0Ln T来自k0nL )T T
L( 1
n
n T
)T
式中第一项表示折射率变化引起的相位变化,第二项表示光 纤几何长度变化引起的相位变化,L/(LT)热膨胀系数。
光源
信号臂
3dB
探测器
耦合器
参考臂
I＝I0(1+cos)
0
两束光位相差： ＝ 2p nL 0
这样，通过检测光强变化，可知，进而测量产生 变化的物理量。
I＝I0(1+cos)
I＝I0(1-sin) p /2
0
存在问题： 小信号灵敏度低
0
解决方法： 在两束光之间引入p/2 相位偏置
PZT相位偏置
1.迈克耳逊干涉仪
M1和M2是两块平面反射镜,其中M2是固定的,M1可作微小移动。 G1有一半透明的薄银层,起分光作用。G2起补偿作用。M1′是 M1对G1形成的虚像。M2和M1′间形成一空气薄膜。
M2
M1
1
s
M1
G1
G2
2
当 M1 、 M2 严 格 垂 直 时,M1′和M2之间形成 等厚空气膜,可观察到 等倾条纹的圆形条纹; 当 M1 、 M2 不 严 格 垂 直时,M1′和M2之间形 成空气劈尖,这时可观 察到等厚干涉的直线 条纹。
当光纤发生弯曲时， 会引起光纤中的模式耦合， 其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗， 这就是微弯损耗。 利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹 在两块具周期性波纹的微弯变形器中，精确地把 微弯损耗与引起微弯的器件的位置及压力等物理 量联系起来制成各种光纤微弯传感器。
微弯损耗调制示意图
调制信号
(k0L
n T
k0n
L T
)T
L( 1
n
n T
)T
例如：纯硅材料，折射率n=1.46
热胀温度系数 5.5107 / k
折射率温度系数 n 0.68105 / k
T
4、几种常用干涉检测技术
1）迈克尔逊干涉仪 2）马赫-泽德（Mach-Zehnder）干涉仪 3）赛格纳克（Sagnac）干涉仪 4）法布里－珀罗干涉仪
2dT
d(mm)
简化处理
上面的分析作了很多简化处理：除了线性假设部分 ，还假定了①光纤为阶跃型光纤；②模谱是均匀一 致的，即功率密度在光维底面上是均匀的；③反射 面平行于光纤端面；④反射率为100％等。
2、透射式强度调制
发射光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光板 上，或直接移动接收光纤，使接收光纤只能收到发射光纤发 出的部分光，从而实现光强调制。待测物理量的变化使接收 光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离x。
因此最大检测范围：
d r T
光耦合系数近似计算
如果作线性近似，即将维体边缘与输 出光纤芯交界的弧线作为直线处理， 则可得到线性解，在线性近似下，可 求得交叠面积与光纤芯面积之比为：
r
r
模型
（
r
）
1
p
c
os11
r
1
r
s
in
c
os1
1
r
式中 为交叠面积的高，由 d 决定：
2dT a
传感型 传光型
3、光纤传感器分类
1）强度调制型 2）相位调制型 3）频率调制型 4）波长调制型 5）偏振调制型
7.2 强度调制光纤传感器的基本原理
概念：待测物理量引起光纤中传输的光波强度 发生变化，通过检测光强的变化实现待测物理 量的测量。
S
被
Ii
测 信
光探 测器
号
调制区
iD
Io
1、强度调制传感器类型
第7章 光纤传感器基本原理
Fundamental of Optical Fiber Sensor
7.1 光纤传感器基本原理
1、光调制的概念 光调制就是将信息加到载到波光波上，使光载波 的某一参数随外加信号变化而变化，这些参数包 括光波的强度、位相、频率、偏振、波长等。承 载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器 检测，然后解调出所需要的信息。
2、光纤传感系统的基本构成
光源
被
测 信号检测
参
数 与处理
外界物理量与 进入调试区的
光相互作用
传输光纤
光电 探测 器
传调感制区区
光强、波长、频率、 相位、偏振态等发 生变化
光纤本身起敏感元件的 作用。光纤与被测物理 量相互作用时，光纤自 身的结构参量或者光纤 的传光特性发生变化。
光纤不做为敏感器件， 只起传到光的作用
2T
检测范围
当距离 d
a
时，两光纤的耦
2T
合为零，无反射光进入输出光
纤；
当
d
a 2r 2T
时，两光纤耦合最
强，输出光强达最大值，此时
输入光纤的像发出的光维底面
积将输出光纤端面积全部遮盖，
pr2 是 一 个 常 数 ， 光 维 底 面 积
为p(dT)2
检测位移的范围：
在 d a 和 a 2r 之间 2T 2T
当 T ' T 时，n'2 n2
T T’ 液体
n2
n1
0
光纤含油量传感器原理
光纤孔径角 : 0