2第二章光纤检测技术
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模的物理意义
在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的平面 波和沿垂直方向（剖面方向）传播的平面波。沿剖面 方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上将产生反 射。如果此波在一个往复（入射和反射）中相位变化 为2π的整数倍，就会形成驻波。只有能形成驻波的那 些特定角度射入光纤的光才能在光纤内传播，这些光 波就称为模。
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8
光纤传输的波动理论
光在光纤中的传输符合电磁波的传输理论，光纤的 传输特性也应该用电磁的波导理论来解释。 电磁场波动方程：
v v 2 ∇ E+k E =0 v v 2 2 ∇ H + k H = 0
2
上述方程的解由贝 塞尔函数等组成，贝 塞尔函数的第一个非 零解就是区分光纤波 导是单模还是多模工 作的条件。
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11
随V增大的总传输模数
V值范围 0~2.4048 2.4048~3.8317 3.8317~5.1356 5.1356~5.5201 5.5201~6.3802 6.3802~7.0156 7.0156~7.5883 7.5883~8.4172 总传输模数n 2 6 12 16 20 24 30 34
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28
3) 受抑全反射光强调制
端面磨成特定角度的两根光纤，当端面十分靠近时，大部分光 能从一根光纤耦合到另一根光纤。当一根光纤固定，另一根光纤随 外界因素移动，由于两光纤端面之间的间距的改变，其耦合效率会 随之变化，通过测量光强的变化，可测得位移的大小。这种耦合器 灵敏度极高，最大缺点就是需要精密机械调整和固定。
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16
3. 光纤传感技术
光纤传感器可分为两大类： 光纤传感器可分为两大类：
传感型： 传光型：
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17
光纤传感器的主要特点
1. 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全 2. 灵敏度高 3. 重量轻、体积小、外形可变 4. 测量对象广泛 5. 对被测介质影响小 6. 便于复用，便于成网 7. 成本低
该平面的平面叫偏振面
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14
圆偏振光
在很多和光有关的检测中，都与偏振光有关。比如光 的调制，光的干涉等。
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15
布儒斯特角
布儒斯特角等于两种介质的 折光率之比的反正切：
n2 θ B = arctan n1
以布儒斯特角入射的自然光 其反射光中没有平行分量，反 射光成为线偏振光。
πa
∆
阶跃光纤： Tl = π a
∆
n 2 (0) − n 2 ( a ) 式中：a—光纤纤芯半径， ∆ = 2 n 2 (0)
，
n(0)—纤芯轴线处折射率， n(a)—纤芯半径处折射率
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21
光纤微Hale Waihona Puke Baidu传感器光强检测原理
光纤微弯式传感器检测原理示意 (a)亮场检测 (b)暗场检测
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6
2) 光纤传输的波动理论
激光传输的光斑现象
出现光强集中的光斑，几何光学无法解释
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7
光的本质
光的经典本质
麦克斯韦电磁理论
光的量子本质
光量子理论
单色平面波
等相位面为平面的电磁波称为平面波 等相位面为球面的电磁波称为球面波 它们是电磁波的基元波。
n n1
n2 n1
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4
b)数值孔径
光纤中的光线传输必须满足全反射条件，从几何关系上可 2 求得： b n2
a = 1− = sin β n1
2 2 n sin θ = n sin β = n − n 在光纤的端面上，根据折射定律： 0 m 1 1 2 1 可得： 2 2
FFP滤波器基本结构
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36
分布式光纤传感器
被测量呈空间分布时， 被测量呈空间分布时，将传感光纤沿场排布， 将传感光纤沿场排布，对场 的空间分布和随时间变化的信息进行测量或监控。 的空间分布和随时间变化的信息进行测量或监控。 分布式光纤传感可获得多点信息， 分布式光纤传感可获得多点信息，性价比高， 性价比高，信息 容量大。 容量大。通常分为： 通常分为： 准分布式光纤传感器： 准分布式光纤传感器：
光源 传输光纤 接收光纤 探测器
被测面 反射式位移传感器
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反射光强与位移的关系如右图所示。 当位移d相对光纤直径r较小时（d<<r），反射光 强如图的峰值的左边；当位移较大（d>>r）时， 反射光强如图的峰值的右边
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31
3.2 波长调制型传感器
1 聚碳酸酯薄膜
2 可动变形板
3 固定变形板
4、5 光纤
24
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2) 光强外调制技术
将一根固定光纤和隔开一小段距离的可移动光纤组 合，就能构成光强度调制器，
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25
光强外调制技术
在两根大芯径多模光纤之间放置一对线光栅。当两光栅 相对平行移动时，透射光强度发生变化。 当两光栅所处的位置正好是全透过部分和不透过部分重 合，这时将没有光透过光栅，输出光强为零。 可见输出光强将随两光栅的相对位移成周期性变化。假 设两个光栅的间距为5μm、格子宽5μm的栅元组成，则 透射光强如图所示。
受抑全反射光强调制结构
受抑全反射光强调制响应曲线
受抑全反射式压力传感器
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29
4) 反射光强调制型光纤传感器
反射式位移传感器 ，其基本原理如图所示。光源发出 的光通过光纤射向被测物体，其反射光由接收光纤收 集，送到探测器，接收光强将随着反射物体表面与光 纤探头端面的距离变化。通过信号处理得到光纤端面 与被测面之间距离的变化（位移）。
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32
光栅制作示意图
相位掩模法制作光栅示意图
全息法在光纤内制作光 纤布拉格光栅的示意图
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33
光纤光栅传感器
均匀周期光纤光栅的折射 率分布
光栅周期改变时反射波长 发生变化
新型温度传感器增敏结构
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各种光栅类型
将呈一定空间分布的相同调制类型的光纤传感器耦合到一根或 多根光纤总线上， 多根光纤总线上，通过寻址、 通过寻址、解调， 解调，检测出被测量的大小及空间 分布。 分布。总线光纤仅起传光作用。 总线光纤仅起传光作用。
分布式光纤传感器： 分布式光纤传感器：
根据折射率分布情况分： 突变型(SI)多模光纤； 渐变型(GI)多模光纤； 根据传输模式分：
单模光纤 双模光纤
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2
2.光纤传输原理 1) 几何光学方法：
分析光纤的传输原理，需要求解波动方程。但可 以用几何光学近似分析。 当光线以较小的入射角，由光密媒质进入光疏媒 质时，一部分光线被反射，另一部分折射入光疏媒 质。如图所示。折射角满足斯奈尔（Snell）定律。
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5
c) 时间延迟（模式色散）
不同的入射角会不同的光线传输延迟，在最大入射 角θ c 和最小入射角之间的时间延迟差近似为：
∆τ = L n1 2 L n L θc = ( N A)2 ≈ 1 ∆n 2c 2 n1 c c
这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。
主要有以下几种：
微弯传感、光纤耦合传感、光纤吸收传感等
1) 光纤微弯传感器
利用微弯损耗来探测外界物理 量的变化。
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20
光纤微弯调制原理
微弯传感器的关键在于设计合理的微弯周期，保证传感 器的灵敏度，不同类型光纤有不同微弯周期。 自聚焦光纤：T l =
2π a 2∆ = 2
1) 光纤光栅传感器
光纤光栅传感器是利用反射（或透射）谱的波长变化来实现物 理量的测量，其反射（透射）谱的波长与光栅的折射率调制周期 及纤芯的有效折射率有关。当外界温度和应变变化时会影响光纤 光栅的折射率调制周期和纤芯折射率变化，从而引起光纤光栅的 反射（透射）谱峰值波长的移动，这就是光纤光栅传感器的基本 工作原理
Ex Ey Ex Ey 2 + − 2 cos( ϕ − ϕ ) = sin (ϕx − ϕ y ) x y E E E E x0 y0 xo y 0
2 2
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13
振动面和偏振面
E始终在同一方位的平面内变化，这个平面叫振动面，垂直于
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18
光纤传感器的分类
根据被测量对光波的调制方式可分为：
1. 2. 3. 4. 5.
光强调制型 相位调制型 偏振态调制型 波长调制型 光谱调制型
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19
3.1 光强调制型光纤传感器
利用光纤中光强的变化来探测外界物理量的光纤传感器 称为光强调制型光纤传感器。探头结构一般也不复杂，被 测对象十分广泛。其缺点是抗干扰能力较差，这主要是由 于光纤中的光强容易受光纤振动、弯曲等的影响。
（a）均匀光纤光栅（ 均匀光纤光栅（b）啁啾光纤光栅（ 啁啾光纤光栅（c）高斯变迹光纤光栅（ 高斯变迹光纤光栅（d）升余弦 变迹光纤光栅（ 变迹光纤光栅（e）相移光纤光栅（ 相移光纤光栅（f）超结构光纤光栅（ 超结构光纤光栅（g）倾斜光纤光栅
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光纤光栅传感器
光纤边带滤波：FFP腔的腔长d对入射光的波长具有选择作用， 在一定范围内不同波长的光经FFP腔后其反射的光强是不同的。
注：模式总数计入了两种独立偏振态
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12
3) 光波的矢量性
考虑电场振幅的矢量性。电场矢量的取向性就是所谓波的 偏振性 可以证明E矢量的矢端轨迹方程为： 一般的椭圆方程。如果 (ϕ x − ϕ y ) 完全随机变化，椭圆的 取向也随机变化，这是自然光的情况。如果(ϕ x − ϕ y )为常 数，则就成为偏振光
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3
a)全反射条件
以突变型光纤说明。纤芯折射率为n1， 包层的折射率为n2。 光从光密介质进入光疏介质时，随着入 射角的增大，折射角也增大，当折射角为 90°时，折射消失，这时的入射角称为临 界角 θ c。
sin γ ≥ sin θ c =
θc = arcsin 2
θ m = arcsin
n0
n1 − n2
上式中：n0为空气的折射率。 一般令 n0 sin θ m = ϕ n ，称为光纤的数值孔径。通常也标记为NA。
2 ϕn = n12 − n2 = (n1 + n2 )(n1 − n2 ) ≈ 2n12
n1 − n2 = n1 2∆ n 1
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26
光纤压力传感器
光路中有两块光栅，一块固定，一块通过膜片传感压力而移 动，利用光栅对光强进行调制，从而提高测量精度，光栅常数 越小，灵敏度越高。
动光栅式光纤压力传感器
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27
球透镜位移及压力传感器
利用球透镜位移传感器制成 的差动式压力传感器
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10
单模和多模传输
光波导中总的电磁场分布可由这些可能存在的模式线 性叠加来表示 ，用V参数来反映在某些特定边界条件 下，解的个数，即模数。阶跃光纤V为：
V = 2π
λ0
2 a n12 − n2
当V≤2.405时，光纤内部仅存在一个模式，这就是 单模光纤传输。 V与纤芯直径有关，和纤芯和包层的折射率有关
光纤检测技术
1. 光纤结构和类型
① 光纤的结构 纤芯的折射率比包层稍高，光能量主要在纤芯内传输。 包层为光的传输提供反射面和光隔离。 纤芯的折射率为n1，包层的折射率为n2， 则光能量在纤芯内传输的必要条件为n1>n2。
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1
② 光纤的类型
根据制造材料分：
石英系光纤； 多组分玻璃光纤； 塑料包层石英芯光纤； 全塑料光纤和氟化物光纤等
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22
差动式光纤微弯传感器
图中△Va表示光纤A在传感器的调制下输出电压变化量;△Vb表示 光纤B在传感器的调制下输出电压变化量。
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23
微弯式水听器原理
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。 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。
模的物理意义
在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的平面 波和沿垂直方向（剖面方向）传播的平面波。沿剖面 方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上将产生反 射。如果此波在一个往复（入射和反射）中相位变化 为2π的整数倍，就会形成驻波。只有能形成驻波的那 些特定角度射入光纤的光才能在光纤内传播，这些光 波就称为模。
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光纤传输的波动理论
光在光纤中的传输符合电磁波的传输理论，光纤的 传输特性也应该用电磁的波导理论来解释。 电磁场波动方程：
v v 2 ∇ E+k E =0 v v 2 2 ∇ H + k H = 0
2
上述方程的解由贝 塞尔函数等组成，贝 塞尔函数的第一个非 零解就是区分光纤波 导是单模还是多模工 作的条件。
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11
随V增大的总传输模数
V值范围 0~2.4048 2.4048~3.8317 3.8317~5.1356 5.1356~5.5201 5.5201~6.3802 6.3802~7.0156 7.0156~7.5883 7.5883~8.4172 总传输模数n 2 6 12 16 20 24 30 34
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28
3) 受抑全反射光强调制
端面磨成特定角度的两根光纤，当端面十分靠近时，大部分光 能从一根光纤耦合到另一根光纤。当一根光纤固定，另一根光纤随 外界因素移动，由于两光纤端面之间的间距的改变，其耦合效率会 随之变化，通过测量光强的变化，可测得位移的大小。这种耦合器 灵敏度极高，最大缺点就是需要精密机械调整和固定。
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3. 光纤传感技术
光纤传感器可分为两大类： 光纤传感器可分为两大类：
传感型： 传光型：
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光纤传感器的主要特点
1. 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全 2. 灵敏度高 3. 重量轻、体积小、外形可变 4. 测量对象广泛 5. 对被测介质影响小 6. 便于复用，便于成网 7. 成本低
该平面的平面叫偏振面
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14
圆偏振光
在很多和光有关的检测中，都与偏振光有关。比如光 的调制，光的干涉等。
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15
布儒斯特角
布儒斯特角等于两种介质的 折光率之比的反正切：
n2 θ B = arctan n1
以布儒斯特角入射的自然光 其反射光中没有平行分量，反 射光成为线偏振光。
πa
∆
阶跃光纤： Tl = π a
∆
n 2 (0) − n 2 ( a ) 式中：a—光纤纤芯半径， ∆ = 2 n 2 (0)
，
n(0)—纤芯轴线处折射率， n(a)—纤芯半径处折射率
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光纤微Hale Waihona Puke Baidu传感器光强检测原理
光纤微弯式传感器检测原理示意 (a)亮场检测 (b)暗场检测
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2) 光纤传输的波动理论
激光传输的光斑现象
出现光强集中的光斑，几何光学无法解释
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7
光的本质
光的经典本质
麦克斯韦电磁理论
光的量子本质
光量子理论
单色平面波
等相位面为平面的电磁波称为平面波 等相位面为球面的电磁波称为球面波 它们是电磁波的基元波。
n n1
n2 n1
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4
b)数值孔径
光纤中的光线传输必须满足全反射条件，从几何关系上可 2 求得： b n2
a = 1− = sin β n1
2 2 n sin θ = n sin β = n − n 在光纤的端面上，根据折射定律： 0 m 1 1 2 1 可得： 2 2
FFP滤波器基本结构
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分布式光纤传感器
被测量呈空间分布时， 被测量呈空间分布时，将传感光纤沿场排布， 将传感光纤沿场排布，对场 的空间分布和随时间变化的信息进行测量或监控。 的空间分布和随时间变化的信息进行测量或监控。 分布式光纤传感可获得多点信息， 分布式光纤传感可获得多点信息，性价比高， 性价比高，信息 容量大。 容量大。通常分为： 通常分为： 准分布式光纤传感器： 准分布式光纤传感器：
光源 传输光纤 接收光纤 探测器
被测面 反射式位移传感器
机械工程学院 机械装备及控制系 30
反射光强与位移的关系如右图所示。 当位移d相对光纤直径r较小时（d<<r），反射光 强如图的峰值的左边；当位移较大（d>>r）时， 反射光强如图的峰值的右边
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31
3.2 波长调制型传感器
1 聚碳酸酯薄膜
2 可动变形板
3 固定变形板
4、5 光纤
24
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2) 光强外调制技术
将一根固定光纤和隔开一小段距离的可移动光纤组 合，就能构成光强度调制器，
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25
光强外调制技术
在两根大芯径多模光纤之间放置一对线光栅。当两光栅 相对平行移动时，透射光强度发生变化。 当两光栅所处的位置正好是全透过部分和不透过部分重 合，这时将没有光透过光栅，输出光强为零。 可见输出光强将随两光栅的相对位移成周期性变化。假 设两个光栅的间距为5μm、格子宽5μm的栅元组成，则 透射光强如图所示。
受抑全反射光强调制结构
受抑全反射光强调制响应曲线
受抑全反射式压力传感器
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29
4) 反射光强调制型光纤传感器
反射式位移传感器 ，其基本原理如图所示。光源发出 的光通过光纤射向被测物体，其反射光由接收光纤收 集，送到探测器，接收光强将随着反射物体表面与光 纤探头端面的距离变化。通过信号处理得到光纤端面 与被测面之间距离的变化（位移）。
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32
光栅制作示意图
相位掩模法制作光栅示意图
全息法在光纤内制作光 纤布拉格光栅的示意图
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33
光纤光栅传感器
均匀周期光纤光栅的折射 率分布
光栅周期改变时反射波长 发生变化
新型温度传感器增敏结构
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各种光栅类型
将呈一定空间分布的相同调制类型的光纤传感器耦合到一根或 多根光纤总线上， 多根光纤总线上，通过寻址、 通过寻址、解调， 解调，检测出被测量的大小及空间 分布。 分布。总线光纤仅起传光作用。 总线光纤仅起传光作用。
分布式光纤传感器： 分布式光纤传感器：
根据折射率分布情况分： 突变型(SI)多模光纤； 渐变型(GI)多模光纤； 根据传输模式分：
单模光纤 双模光纤
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2.光纤传输原理 1) 几何光学方法：
分析光纤的传输原理，需要求解波动方程。但可 以用几何光学近似分析。 当光线以较小的入射角，由光密媒质进入光疏媒 质时，一部分光线被反射，另一部分折射入光疏媒 质。如图所示。折射角满足斯奈尔（Snell）定律。
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5
c) 时间延迟（模式色散）
不同的入射角会不同的光线传输延迟，在最大入射 角θ c 和最小入射角之间的时间延迟差近似为：
∆τ = L n1 2 L n L θc = ( N A)2 ≈ 1 ∆n 2c 2 n1 c c
这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。
主要有以下几种：
微弯传感、光纤耦合传感、光纤吸收传感等
1) 光纤微弯传感器
利用微弯损耗来探测外界物理 量的变化。
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光纤微弯调制原理
微弯传感器的关键在于设计合理的微弯周期，保证传感 器的灵敏度，不同类型光纤有不同微弯周期。 自聚焦光纤：T l =
2π a 2∆ = 2
1) 光纤光栅传感器
光纤光栅传感器是利用反射（或透射）谱的波长变化来实现物 理量的测量，其反射（透射）谱的波长与光栅的折射率调制周期 及纤芯的有效折射率有关。当外界温度和应变变化时会影响光纤 光栅的折射率调制周期和纤芯折射率变化，从而引起光纤光栅的 反射（透射）谱峰值波长的移动，这就是光纤光栅传感器的基本 工作原理
Ex Ey Ex Ey 2 + − 2 cos( ϕ − ϕ ) = sin (ϕx − ϕ y ) x y E E E E x0 y0 xo y 0
2 2
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振动面和偏振面
E始终在同一方位的平面内变化，这个平面叫振动面，垂直于
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18
光纤传感器的分类
根据被测量对光波的调制方式可分为：
1. 2. 3. 4. 5.
光强调制型 相位调制型 偏振态调制型 波长调制型 光谱调制型
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19
3.1 光强调制型光纤传感器
利用光纤中光强的变化来探测外界物理量的光纤传感器 称为光强调制型光纤传感器。探头结构一般也不复杂，被 测对象十分广泛。其缺点是抗干扰能力较差，这主要是由 于光纤中的光强容易受光纤振动、弯曲等的影响。
（a）均匀光纤光栅（ 均匀光纤光栅（b）啁啾光纤光栅（ 啁啾光纤光栅（c）高斯变迹光纤光栅（ 高斯变迹光纤光栅（d）升余弦 变迹光纤光栅（ 变迹光纤光栅（e）相移光纤光栅（ 相移光纤光栅（f）超结构光纤光栅（ 超结构光纤光栅（g）倾斜光纤光栅
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光纤光栅传感器
光纤边带滤波：FFP腔的腔长d对入射光的波长具有选择作用， 在一定范围内不同波长的光经FFP腔后其反射的光强是不同的。
注：模式总数计入了两种独立偏振态
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12
3) 光波的矢量性
考虑电场振幅的矢量性。电场矢量的取向性就是所谓波的 偏振性 可以证明E矢量的矢端轨迹方程为： 一般的椭圆方程。如果 (ϕ x − ϕ y ) 完全随机变化，椭圆的 取向也随机变化，这是自然光的情况。如果(ϕ x − ϕ y )为常 数，则就成为偏振光
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3
a)全反射条件
以突变型光纤说明。纤芯折射率为n1， 包层的折射率为n2。 光从光密介质进入光疏介质时，随着入 射角的增大，折射角也增大，当折射角为 90°时，折射消失，这时的入射角称为临 界角 θ c。
sin γ ≥ sin θ c =
θc = arcsin 2
θ m = arcsin
n0
n1 − n2
上式中：n0为空气的折射率。 一般令 n0 sin θ m = ϕ n ，称为光纤的数值孔径。通常也标记为NA。
2 ϕn = n12 − n2 = (n1 + n2 )(n1 − n2 ) ≈ 2n12
n1 − n2 = n1 2∆ n 1
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光纤压力传感器
光路中有两块光栅，一块固定，一块通过膜片传感压力而移 动，利用光栅对光强进行调制，从而提高测量精度，光栅常数 越小，灵敏度越高。
动光栅式光纤压力传感器
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球透镜位移及压力传感器
利用球透镜位移传感器制成 的差动式压力传感器
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单模和多模传输
光波导中总的电磁场分布可由这些可能存在的模式线 性叠加来表示 ，用V参数来反映在某些特定边界条件 下，解的个数，即模数。阶跃光纤V为：
V = 2π
λ0
2 a n12 − n2
当V≤2.405时，光纤内部仅存在一个模式，这就是 单模光纤传输。 V与纤芯直径有关，和纤芯和包层的折射率有关
光纤检测技术
1. 光纤结构和类型
① 光纤的结构 纤芯的折射率比包层稍高，光能量主要在纤芯内传输。 包层为光的传输提供反射面和光隔离。 纤芯的折射率为n1，包层的折射率为n2， 则光能量在纤芯内传输的必要条件为n1>n2。
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1
② 光纤的类型
根据制造材料分：
石英系光纤； 多组分玻璃光纤； 塑料包层石英芯光纤； 全塑料光纤和氟化物光纤等
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差动式光纤微弯传感器
图中△Va表示光纤A在传感器的调制下输出电压变化量;△Vb表示 光纤B在传感器的调制下输出电压变化量。
机械工程学院 机械装备及控制系
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微弯式水听器原理
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。 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。