第十章 光纤传感技术—1

um范围，白炽灯几何特性差、亮度低、光谱范围宽、寿命
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不长（几百小时）、稳定性差，但价格低廉，使用方便。
• 常用的气体激光器有三种，分别是：He-Ne激光器，工作 波长为0.633um或1.15um；二氧化碳激光器，工作波长为 10.6um；Ar+激光器，工作波长为0.516um。气体激光器的 特点是，发光功率大，方向性、单色性好。但体积大，功 率不稳定，使用不方便，一般多用于实验系统中，在实际 的光纤传感系统中用得较少。
• 本章在简要介绍光纤传感器原理、组成及分类的基础上， 重点讨论光纤传感的光调制方式及相应的光纤传感器，最 后对分布式光纤传感器作简要介绍。
10.1 光纤传感技术概述
• 10.1.1 光纤传感器基本工作原理
• 国家标准GB 7665-1987对传感器（Transducer/Sensor） 的定义是：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可 用输出信号的器件或装置。光纤传感器（Optical Fiber Sensor，OFS）的基本工作原理如图10.1所示，将来自光 源的光经过光纤送入调制器，使被测量与输入调制器的光 相互作用后，导致光的某些特性（如
光纤传感器中，要求光信号的偏振态能敏感外界被测量 的变化，则必须使光纤的线双折射尽量地低，如用低双折 射液芯光纤。在分布式光纤传感器中，为测量不同点的参 量，可采用掺杂（如某些稀土元素或过渡金属离子）光纤 或光栅光纤等。
10.1.3 光纤传感器的分类
• 光纤传感器分类通常有三种分类法，分别是按传感原理 （调制区）分类法、按光纤中光波调制方式分类法和按测 量对象分类法等。
的技术，即被测量如何调制光纤中的光波参量的调制技术 （或加载技术）及如何从已被调制的光波中提取被测量的 解调技术（或检测技术）。
• 10.1.2 光纤传感器的组成
• 根据光纤传感器的工作原理可知，光纤传感器系统主要由 光源、光纤、调制器（传感头
）、光探测器和信号调理电路等部分构成，如图10.1所示。 光纤传感器研究的主要内容是如实现对被测量的调制与街 头，但设计光纤传感器系统时也必须了解光源、光探测器
• 以及传感器用光纤的相关知识，现对光纤传感器用光源、 光探测器及光纤的基本特性做简要介绍。 • 1.光纤传感器的光源 • 光纤传感器对光源的结构和特性有特定的要求。一般要求 体积小，与光纤的耦合效率高；发光波长与光纤传输窗口 匹配，减少光纤中光传输损耗；发光强度要足够高，提高 传感器的输出信号和灵敏度。另外还要求光源稳定性好、 噪声小，减小传感器输出漂移。 • 光纤传感器光源与光纤耦合时，应尽可能提高耦合效率， 光纤输出端光功率与光源光强
• 3.按测量对象分类法
• 光纤传感器按测量对象的不同，如温度、压力、应变、电 流等，可分为光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤应 变传感器、光纤电流传感器等。
• 10.1.4 光纤传感器的特点
光纤传感器与传统传感器相比，其主要特点是：
①抗电磁干扰，电绝缘性好，耐腐蚀，本质安全。由于光 纤传感器利用光波获取和传递信息，而光纤又是电绝缘、 耐腐蚀，本质安全的传输介质，不受电磁干扰，也不影响 外界的电磁场，对被测介质影响小。这使它在
• 优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。传光介质光纤 采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求。目前， 传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数。
（2）功能型（或称传感型）光纤传感器
传感型光纤传感器调制区位于光纤内，被测量通过直接改 变光纤的某些传输特性参量对光波实施调制。传感型光纤 传感器利用对被测量具有敏感和检测功能的光纤（或特殊 光纤）作传感元件，将“传”和“感”合为一体。该类传 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、相变等）的作用下，使其某些光学特性发生变 化，从而实现传和感的功能。因此，传感器中与光源耦合 的发射光纤和与光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤， 称为传感光纤，故功能型光纤传感器亦称全光纤型光纤传 感器，如图10.3所示。
• LED和LD为半导体光源，LED发出非相干光，LD发出相干光。 共同特点是体积小，寿命长（大于数万小时），驱动简单， 能直接调制，且调制频率高。半导体光源的工作波长分别 为0.85um、1.31um和1.55um。在光纤传感系统中，半导体 光源是用得最多的一种。 • 2.光纤传感器的光探测器 • 由于现有的任何一种光探测器实现光电转换的工作机理都 是基于光电效应，所以只能相应光的强度，而不能直接相 应光的频率、波长、相位和偏振态四种光波物理参量，因 此光的频率、波长、相位和偏振调制信号都要通过某种转 换技术转换
• 传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单，所 用光纤连续，可少用光耦合器件。但是，为了使光纤能感 知外界被测量，往往需要采用特殊光纤来做敏感元件，这 样增加了传感器的制造难度。随着对光纤传感器基本原理 的深入研究和各种特殊光纤的大量问世，高灵敏度的功能 型光纤传感器将得到更广泛的应用。 • 2.光波调制方式分类法 光纤传感器原理的核心是如何利用光的各种效应，实验对 外界被测量的“传”和“感”的功能。从图10.2和图10.3 可知，光纤传感技术
的核心即被测量对光波的被调制。研究光纤传感器的调 制，就是研究光在调制区与外界被测量的相互作用。被测 量可能引起光的某些特性（如强度、相位、波长、频率、 偏振态等）变化，从而构成强度、相位、频率、波长和偏 振态等调制。根据被测量调制的光波的特性参量的变化情 况，可将光波的调制分为：强度调制、相位调制、波长调 制、频率调制和偏振调制五种类型。
• 1.传感原理分类法
• 被测信号对光纤中光波参量进行调制的部位成为调制区。 根据调制区以及光纤在光纤传感器中的作用，可将光纤传 感器分为非功能型（传光型，Non Functional，NFF
型）光纤传感器。
• （1）非功能型（或称传光型）光纤传感器
在传光型光纤传感器中（如图10.2所示），调制区在光 纤之外，被测量通过外加调制装置对进入光纤中的光波实 施调制，发射光纤与接收光纤作为光传输介质，仅起传光 作用，对被测量的“感知”功能依靠其他功能元件完成。 传感器中的光纤不连续，有中断，中断部分接其他敏感元 件。传光型光纤传感器调制器主要利用已有的其他敏感材 料，作为其敏感元件。这样可以利用现有的
第10章 光纤传感技术
• 光纤传感技术是伴随光导纤维及光纤通信技术的发展而迅 速发展起来的一种以光为载体、光纤为介质、感知和传输 外界信号（被测量）的新型传感技术。光纤传感器始于 1977年，经过30多年的研究，光纤传感器取得了积极的进 展，目前正处在研究和应用并存的阶段。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。
场、核辐射等光纤传感器。
⑤光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗小，光纤传 感器频带宽，便于复用和构成网络，利用现有光纤通信技 术组成遥测传感网络，进行超高速测量，灵敏度和线性度 好。 ⑥成本低。有些光纤传感器其成本将大大低于现有同类传 感器;而有些光纤传感器由于其特殊性能，它与现有仪器 结合，将使其性价比大大提高。
• 、波长及光源发光面积等有关，也与光纤的粗细、数值孔 径有关，它们之间耦合效率取决于光源与光纤之间的匹配 程度，在光纤传感器设计与实际使用中，要综合考虑各因 素影响。
• 光纤传感器用光源种类很多，按照光的相干性分为非相干 光源和相干光源。前者有白炽灯、LED等，后者包括各种 激光器，如气体激光器、LD等。 • 白炽灯是一种黑体辐射光源，常见的有钨丝灯和卤素灯两 种。白炽灯的辐射光谱限于能够通过玻璃泡的光谱部分， 在0.4~3.0
• 一般在非功能型光强度调制光纤传感器中，由于光纤只起 传输光波的作用，同时光纤传感器所需光纤长度较短，对 色散和损耗特性要求不高，所以采用通用的单模光纤或多 模光纤就能满足要求。有时，为了提高传感器的灵敏度， 而增大光纤所传输的光功率，可采用大芯径或大数值孔径 光纤，甚至采用光纤传光束或塑料光纤，以提高与光源的 耦合效率。在相位调制型光纤传感器中，为了获得测试光 信号与参考光信号间高的相干度，而采用保偏光纤，使测 试光纤与参考光纤输出的光信号振动方向一致。而在偏振 调制型
• 强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为调 制光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后获得被 测量。
• 光纤传感包含对被测量的感知和传输两种功能。所谓感知 （或敏感），是指被测量按照其变化规律使光纤中传输的 光波特征参量，如强度（振幅）、波长、频率、相位和偏 振态等发生变化，测量光参量的变化即可“感知”被测量 的变化。这种“感知”实质上是被测量对光纤中传播的光 波实施调制。所谓传输，是指光纤将受被测量调制的光波 传输到光探测器进行检测。将被测量从光波中提取出来并 按需要进行数据处理，也就是解调。因此，光纤传感技术 包括调制与解调两方面
成光强度信号，才能被光探测器接收，实现检测。光纤传
感器使用的光探测器有光电二极管、光电三极管和光电倍 增管等。在光纤传感系统使用光探测器时，应注意其外特 性，主要包括光谱响应特性、光电特性、暗电流以及噪声 特性等，具体光探测器特性请参阅有关资料。
• 3.光纤传感器用光纤 • 由于光纤传感器种类繁多，性能各异，对所用光纤提出了 各种各样的要求，因此与光纤通信相比，光纤传感器系统 中用到的光纤种类多，且复杂。
电力、石油、化工、冶金等强电磁干扰、易燃、易爆、强 腐蚀等恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离的 有效传感。 ②灵敏度高。利用光波干涉技术和长光纤可使不少光纤传 感器的灵敏度优于一般的传感器。
③光纤质量轻、体积小、外形可变。利用光纤这些特点可 构成外形各异、尺寸可变的各种传感器。 ④测试对象广泛。目前已有性能不同的测量温度、压力、 位移、速度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、 电压、磁场、电