光纤传感器的分类

第9章 光纤传感器
2．相位调制与干涉测量
相位调制型光纤传感器的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系数发生变化，而导致光的相 位变化，然后用干涉仪把相位变化变换为振幅变化，从而还原所检 测的物理量。因此，相位调制与干涉测量技术并用，构成相位调制 的干涉型光纤传感器。 根据光波的干涉测量基本知识，两束相干光 ( 信号光束和参考 光束)同时照射在一光电探测器上，若光振幅分别为E1和E2，如果 其中一光束的相位由于某种因素影响或调制，在干涉场中就会引 起干涉条纹强度的变化。干涉场中各点的光强数学表达式为
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
非
干
干涉（磁致伸缩） 相位调 干涉（电致伸缩） 制光纤 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
第9章 光纤传感器 9.2.1 光纤传感器分类
1．功能型光纤传感器
如图，它指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。功能性光纤传感器中光纤不仅起传光作用，而且还利 用光纤在外界因素的作用下，其光学特性(光强、相位、频率、 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。这类传感器主要使用单模光纤。
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
第9章 光纤传感器
9.2.2
光调制技术
调制技术是指在时域上用被测信号对一个高频信号 (如光纤传 感器中的光信号)的某特征参量(幅值、频率或相位等)进行控制， 使该特征参量随着被测信号的变化而变化。这样，原来的被测 信号就被这个受控制的高频振荡信号所携带。一般将控制高频 信号的被测信号称为调制信号；载送被测信号的高频信号称为 载波；经过调制后的高频振荡信号称为已调制波。 按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、频 率调制、偏振调制和波长调制等。所有这些调制过程都可以归 结为将一个携带信息的信号叠加到载波——光波上。而能完成 这一过程的器件称为调制器。调制器能使载波光波参数随外信 号变化而改变，这些参数包括光波的强度(幅值)、相位、频率、 偏振、波长等。被信息调制的光波在光纤中传输，然后再由光 探测系统解调，将原信号恢复。
第9章 光纤传感器
光
激光二极管
Baidu Nhomakorabea
源
发光二极管
第9章 光纤传感器 专用的光纤连接头及光纤插座 光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并 固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。
第9章 光纤传感器
光电转换器件采用光电二极管
第9章 光纤传感器
9.2
光纤传感器的分类及其工作原理
光纤传感器与电类传感器的对比
第9章 光纤传感器 2．非功能型(传光型)光纤传感器
这类光纤传感器中光纤仅起导光 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 在系统中是不连续的。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； 非功能型光纤传感器使用的光 但灵敏度也较低，用于对灵敏度 纤主要是数值孔径和芯径大的 阶跃型多模光纤。 要求不太高的场合。 传感探针型光纤传感器 : 光纤把测量 对象辐射的光信号或测量对象反射、 散射的光信号传播到光电元件上 , 通 常使用单模或多模光纤。典型的例 子有光纤激光多普勒速度计、辐射 式光纤温度传感器等。
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
第9章 光纤传感器
9.1光纤传感器的基本知识
9.1.1 光纤的结构
光纤是光导纤维的简称，形状一般为圆柱形，材料是高纯度的 石英玻璃为主，掺少量杂质锗、硼、磷等。光纤的结构如图所示。
分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤，如图所示。在纤芯 和包层的界面上，纤芯的折射率不随半径而变 ,但在纤芯与包层 界面处折射率有突变的称为阶跃型；而光纤纤芯的折射率沿径 向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致 的称为渐变型。
第9章 光纤传感器 3．按光纤的传播模式分类 根据传输模数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。 什么是光纤的传播模式 光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播 的两种平面波成分。后者在纤芯和包层的界面上会产生全反射。 当它在横切向往返一次的相位变化为 2 的整倍数时，将形成 驻波。形成驻波的光线组称为“模”；它是离散存在的，亦即 一定纤芯和材料的光纤只能传输特定模数的光。
光纤被夹在一对锯齿板中间， F 变形器 F 当光纤不受力时，光线从光纤 中穿过，没有能量损失。当锯 光纤 齿板受外力作用而产生位移时， D 光纤则发生许多微弯，原来光 S 束以大于临界角 θC 的角度 θ1 d 在纤芯内传输为全反射 但在微弯处θ2<θ1，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力 增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增 加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层 的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引 起的位移等物理量。
电 源 电 电量检测 缆 电 类 传 感 器 光 纤 传 感 器 被 测 参 量 被 测 参 量
电类传感器 电阻、电容、电感等 温-电敏、力-电敏、磁-电敏 电 电线、电缆
电类传感器
光 光纤传感器
源 光 缆
光量检测
分类内容 调制参量 敏感材料 传输信号 传输介质 光纤传感器 光的振幅、相位、频率、偏振态 温-光敏、力-光敏、磁-光敏 光 光纤、光缆
第9章 光纤传感器 渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴 线开始沿径向大致按抛物线形成递减，中心轴折射率最大，因 此，光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚， 光纤传播的轨迹类似正弦波形，如图所示，具有光自聚焦效果， 故渐变折射率多模光纤又称为自聚焦光纤。因此渐变折射率多 模光纤的模分散比阶跃型小得多。
用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长时， 最低损耗为3.4 dB/km。 3) 塑料光纤
用 人 工 合 成 导 光 塑 料 制 成 ， 其 损 耗 较 大 ， 当 时 ， 达 到 100 ～ 200 dB/km。但其重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。
第9章 光纤传感器
2．按折射率分类
第9章 光纤传感器 单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均 为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光，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；但因芯小，难以制造和耦合。
第9章 光纤传感器
多模光纤允许多个模 数的光在光纤中同时 传播，通常纤芯直径 较大，达几十微米以 上。由于每一个“模” 光进入光纤的角度不 同，它们在光纤中走 的路径不同，因此它 们到达另一端点的时 间也不同，这种特征 称为模分散。特别是 阶跃折射率多模光纤， 模分散最严重。这限 制了多模光纤的带宽 和传输距离。
n1 sin 1 n2 sin 2
当光线的入射角1 增大到某一角度 c 时，透射入光疏物质的 折射光则沿界面传播，即 2 ＝90°，称此时的入射角 c 为临界角。 那么，由斯涅尔定律得 n2 临界角仅与介质的 sin c n1 折射率的比值有关
第9章 光纤传感器 当入射角 1＞ c 时，光线不会透过其界面，而全部反射到光密 物质内部，也就是说光被全反射。根据这个原理，如图所示， 只要使光线射入光纤端面的光与光轴的夹角 0 小于一定值，则 入射到光纤纤芯和包层界面的 角就满足小于临界角 的条件， c 1 光线就射不出光纤的纤芯。光线在纤芯和包层的界面上不断地 产生全反射而向前传播，光就能从光纤的一端以光速传播到另 一端，这就是光纤传光的基本原理。 可以证明，该入射角为
1 2 sin 0 n12 n2 n0
光纤的“数值孔径”NA，
1 NA sin 0 n12 n2 2 n0
第9章 光纤传感器
9.1.3 光纤的种类 1．按材料分类
1) 高纯度石英(SiO2)玻璃纤维
这种材料的光损耗比较小，在波长时，最低损耗约为 0.47 dB/km。 锗硅光纤，包层用硼硅材料，其损耗约为0.5 dB/km。 2) 多组分玻璃光纤
第9章 光纤传感器 9.1.4
构成光纤传感器除光导纤维之外，还必须有光源和光探测器， 另外还有一些光无源器件。 光无源器件是一种不必借助外部的任何光或电的能量，由自身能 够完成某种光学功能的光学元器件，光无源器件按其功能可分为光 连接器件、光衰减器件、光功率分配器件、光波长分配器件、光隔 离器件、光开关器件、光调制器件等。 示例：遮光式光纤温度计
第9章 光纤传感器
第9章 光纤传感器
Fiber Optic Sensors
第9章 光纤传感器
概
论
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。 光纤传感器的特点:
第9章 光纤传感器 光纤传感器的分类
传感器 干 涉 型 光学现象 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
为相位调制造成的两相干光之间的相位差。 式中： 可见，检测到干涉光强的变化就可以确定两光束间相位的变化， 从而得到待测物理量的数值大小。
A A A 2 A1 A2 cos
2 2 1 2 2
第9章 光纤传感器 实现干涉测量的仪器称为干涉仪。常用的干涉仪主要有4种： 迈克尔逊干涉仪、赛格纳克干涉仪、马赫-泽德干涉仪和法布里珀罗干涉仪，如图所示。
第9章 光纤传感器
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 。
纤芯的折射率比包层的折射率稍大，当满足一定条件时，光就 被“束缚”在光纤里面传播。
第9章 光纤传感器 9.1.2 光纤的传光原理
第9章 光纤传感器 如图，根据几何光学理论， 当光线以某一较小的入射角 ， 1 由折射率为 n1的光密物质射向折 射率为 n2 的光疏物质 (即n1 ＞n2) 时，则一部分入射光以折射角 2 折射入光疏物质，其余部分以 1 角度反射回光密物质，根据折 射定律 ( 斯涅尔定律 ) ，光折射 和反射之间的关系为：
第9章 光纤传感器
强度调制型示例： 膜片反射式光纤压力传感器
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y形光纤束前 端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的 距离发生变化，从而使输出光强受到调制。 Y形光纤束
壳体 光源
弹性膜片
P
接收
第9章 光纤传感器
强度调制型示例：微弯光纤压力传感器