光纤传感技术(全)
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(8.15)
由环形腔输出特性可得半峰值处的宽度为： 1/ 2 1/ 2
2013-12-18
1 KT 2c arcsin n L 2(1 KT )
(8.16)
2013-12-18
5、光纤陀螺
----- 测量转动速度的光纤转动传感器。
2013-12-18
★ 光纤传感器的应用 光纤传感器可以探测的物理量很多，可以探 测位移、压力、温度、流量、速度、加速度、 振动、转动、弯曲、应变、磁场、电压、电流 以及化学量、生物医学量等等，其中有的传感 器已形成商品，可供实际应用。
2013-12-18
§8.2 强度调制型光纤传感器
●原理和实现手段 ●光强度的外调制技术 ●光强度的内调制技术 ●补偿技术
●光纤传感器的特点 ●光纤传感器的分类 ●光纤传感器的应用
2013-12-18
★ 光纤传感器的原理
表征光波的特 征参量因外界 因素的作用而 间接或直接地 发生变化，从 而可将光纤用 作传感元件来 探测各种物理 量。
图1 光纤传感原理示意图
2013-12-18
★ 光纤传感器的特点
与传统的传感器相比，光纤传感器的主要 特点： ◎抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全 ◎重量轻、体积小、外形可变 ◎对被测介质影响较小,灵敏度高 ◎便于复用，便于成网 ◎测量对象广泛,成本低
2013-12-18
◎ 光纤陀螺中的相位检测 根据塞格纳克相移和旋转率的关系，采 用干涉测量方法可获得相移值，进而求得旋 转率。假设光纤环中两反向传输的相干光波 为A1sin(ωt)和A2sin(ωt+θ)，其中ω是光 波的角频率，θ是两束光波间的相位，A1 、 A2分别为两束光波的振幅。
2013-12-18
2013-12-18
若把温度场变化考虑为作用力F，则F 将同时影响光纤的 参量n和L, 则光纤中相位响应： 1 d dn 1 dL dn n dL k kn k (8.42) L dF dF L dF dF L dF 1 d L dF 归一化的光纤中传播模的相位响应 dn 有效折射率变化引起的相位响应 k dF n dL k L dF 光纤几何长度变化引起的相位响应 如用T 和 来描述，则上式可表示为： n n L k TL T L T
图27塞格纳克效应
2013-12-18
如图28所示，在△t 时间里，入射到闭合环路中的光将移 动Ω R △t 的距离,在折射率为n的介质中
图28 塞格纳克效应中光纤环
N是光纤环的匝数， A是光路包围的面积
2013-12-18
典型的实验性光纤陀螺仪所用的光纤，直 径大约为10μ m，环路光纤长度为500m，可获 得10-5rad的塞格纳克相移。
图 基于折射率改变的湿度传感 器的感应主部
2013-12-18
图 感应主部在两种不同的环境中的传光情况
2013-12-18
◎倏逝波耦合调制 如图11所示，d,L或n稍变化，光探测器的接受光 强就有明显的变化。据此，可制成水听器。
图11 倏逝场光纤传感器
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图12所时是透射式光纤受抑全内反射传感器，当 一根光纤固定，另一光纤随外界因素而移动，耦 合效率会随两光纤端面间距而改变，测出光强， 即可求得 光纤端面 位移量的 大小。
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(8.43)
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图34 马赫-泽德温度 传感器结构
图35 F-P光纤温度 传感器结构
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说明：1、护套层的杨式模量和膨胀系数对光 纤的温度灵敏度有重要影响。 2、F-P光纤传感器的温度灵敏度比马 赫-泽德光纤传感器的高。
4、光纤环形腔干涉仪 利用光纤定向耦合器将单模光纤连接成闭合 回路，如图24所示，激光光束从环形腔1端输入 时，部分光能耦合到4端，部分直通入3端进入光 纤环内。
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图6 表面粗糙度与受光量的关系
◎遮光式光强调制 图7a为移动式光纤光调制模型 。 图7b为动光闸式光强度调制器。
图7 遮光式 光强度调制
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实际应用中可采用光纤束结构：光纤的粗细 不同，排列方式也不同，如图3所示。这种传感 器一般均用大数值孔径的粗光纤，以提高光强
图12 透射式光纤受抑全内反射传感器见图
2013-12-18
◎微弯效应光强度调制
微弯作用导致光纤内发生模式间的耦合，这些耦合 模变成辐射模，泄漏到包层中去。
图15 光纤微弯传感器示意图
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波纹周期
图16光纤微弯调制器
△β是导模和辐射模的传输常数差。当波纹周期满足 (8.4)时， 相位失配为零，模间耦和达最佳。因此，波纹 的最佳周期决定于光纤的模式性能。
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Ei定向耦合器 第i端来自振幅2013-12-18
1 1 反之，当sin ( L ) 1 时，有 2 4 ( K T ) 2 4 KT I 4max (1 ) (1 KT ) 2 4 KT 1 K I 3max 1 2 1 KT 4 KT
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1、原理和实现手段 ◎原理 以被测对象所引起的光强度变化，来 实现被测对象的监测和控制 ◎实现手段 ◇利用发送、接受光纤的相对运动 ◇利用光纤对光波的吸收特性 ◇利用折射率的改变 ◇利用在两相位光纤间的倏逝场耦合 ◇利用光纤微弯效应
2、光强度的外调制技术
光纤本身只起传光作用,分反射式和折射式 两种方式来讨论。 ◎反射式光强调制 图2所示， 接受 的光强将随物体 距光纤探头端面 的距离而变化。 通过测出反射强度， 可知物距的变 图2 天线型光纤传感器 化。
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图10 反射系数式强度型光纤传感器
某种特选的膨化材料在潮湿的空气中会发生膨胀 并由于附加了水分子而表现出折射率的减小。利用这 种效应，可以制成简单、快速响应和高灵敏度的光纤 湿度传感器。 该种传感器的感 应主部的包层由 PVA, Starch, PVDF三种材料 以3:3:2制成。
图24 光纤环形腔干涉仪
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不谐振条件时， 大部分光从4端输出。谐振条件 时，腔内光场因谐振而加强，2到4的光场与1到4 端的光场相消干涉，环形腔的输出光强减小，多 次循环形成多光束干涉。4端输出光强在谐振条 件附近为一 细锐的谐振 负峰(图25）
图25 环形腔输出相对光强随与相位关系
工作原理：塞格纳克效应 与一般陀螺仪相比，光纤陀螺仪有以下优点： ◎灵敏度高 ◎无转动部分 ◎体积小
2013-12-18
◎塞格纳克效应 环形光路相对于惯性空间有以转动时，顺时及 逆时针方向的光路将产 生一非对易的光程差， 它和环形光路的旋转率 Ω有一定的关系。 图 27中圆形半径为R，旋 转率为Ω。
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★ 光纤传感器的分类
一般分为两大类： ◎功能性传感器 利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件 又称传感型光纤传感器，采用单模光纤 ◎非功能性传感器 光纤仅作为传光介质，需借助其它敏感元件 又称传光型光纤传感器，常用多模光纤
2013-12-18
根据光调制手段的不同，光纤传感器 又可分为： ◎强度调制型 ◎相位调制型 ◎偏振态调制型 ◎频率调制型 ◎波长调制型
图22 M-Z光纤干涉仪原理图
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3、法布里-珀罗光纤干涉仪
法布里-珀罗光纤干涉仪是由两端面具有高反 射膜的一段光纤构成，此感反射膜可以直接镀 在光纤端面上，也可以把镀在基片上的高反射 膜粘贴在光纤的端面上。
图23 法布里-珀罗光纤干涉仪示意图
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相位型光纤温度温度传感器
§8.2 相位调制型光纤传感器
●传感机理： 通过被测能量场的作用，使能量场中的一段 敏感的单模光纤内传播的光波发生相位的改变， 在用干涉测量技术把相位转换为振幅的变化，从 而还原所监测的物理量。 ●主要特点： ◇灵敏度高，可以检测出小至10-7 rad的相位 变化 ◇灵活多样，探头的几何形状可按需要设计
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如果反光物体 相当于平面 镜，如图4所 示，反射耦合 到光纤的光能 与光纤输出光 能比为：
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图4平面反射镜耦合情况
如果反射面是由 不同曲率半径的 凸面，实验测得 的返回光强与测 量距离的关系曲 线如图5所示。
图5 返回光强与测距的关系
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图6所示是反射体 表面粗糙度R max 与受光量的关系。 可知，表面粗糙度 大时，受光量小， 但当表面粗糙度小 于1µm时，受光量 基本上不受粗糙度 的影响。
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◇对象广泛，可用于所有影响光程的物理量 传感 ◇采用单模光纤，获得较好的干涉效应
●几种光纤干涉仪的讨论 根据传统的光学干涉原理，目前已研制成 迈克尔逊式、马赫-泽德式、法布里-珀罗式全 光纤干涉仪以及光纤环形腔干涉仪等，并且都 已用于光纤传感。下面分别予以介绍。
2013-12-18
2013-12-18
图29是带有法拉第旋转其的光纤陀螺仪，BS1 BS2是两个分束器，法拉第旋转器放臵在光纤环 路的一端，使它只 对顺时针方向的光 波有延迟作用，因 此就改变了绕光纤 环路传播的两束光 波间的相对相位。
图29 带有法拉第 旋转器的光纤陀螺
2013-12-18
光纤陀螺在常规的零光程差状态灵敏度随旋转率趋于零而 趋于零，因为光腔正比于cos2 ，要在低旋转率下获得高灵敏度， 应在相位正交工作点B上.如30所示，利用一个交替的偏臵，引入 π/2和-π/2使工作在A，B间的交换，在顺时针方向 传播的光被延迟π/2，在逆时针方向传播的光不 被延迟，于是产生了 塞格纳克相移，并得 到一个矩形波的输出， 其振幅与塞格纳克相 移有关，而旋转方向 由相位（0或π）给出。
2013-12-18
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式中: E4 1 ( K E1 1 K E2 ) E3 1 ( 1 K E1 K E2 ) E2 exp( L) exp(i L) E3 K 和 分别是耦合器的光强耦合率和插入损耗； 为 光纤的振幅衰减因子；L为光纤环的长度； 为光波 在光纤的传输常数；T 为环形腔回路的光强传输因 子，由T (1 ) exp(2 L)来确定，T 表示光纤环 中输出一周后的光强与初始光强之比。
1、迈克尔逊光纤干涉仪 迈克尔逊光纤干涉仪是一种双光束干涉仪。 如图21所示，该种干涉仪用了一个定向耦合器， 其中一根光纤 作为参考臂， 另一根作为 传感臂。
图21 迈氏光纤干涉仪原理图
2013-12-18
2、马赫-泽德光纤干涉仪 马赫-泽德光纤干涉仪（简称M-Z干涉仪） 也是种双光束干涉仪。如图22所示，实用的M-Z 光纤干涉仪的分光和合光是由两个光纤定向耦 合器构成，是为全光纤化的干涉仪，以提高其 抗干扰的能力。
2013-12-18
T是光纤传输系数,x是板的位移,p是压力,上式即是调 制系数的表达式。
光纤性能确定，是个精确的 光学常数。
微弯传感器的机械设计确定。
2013-12-18
聚合物光纤的直径较大，对其采用横向切 槽技术后，可得到光线在光纤弯曲时的传输情 况如图所示，以此制成传感器可测量应变。
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的耦合效率。
图3 光纤排列方式
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3、光强度的内调制技术
——光纤本身特性的发生改变 ◎折射率调制 一般纤芯和包层 具有不同的折射 率温度系数，导 致对温度的响应 不同。
图9 温度变化引起的传输损耗
2013-12-18
图10是反射系数式 强度型光纤传感器 原理图，其工作原 理是用光纤光强反 射系数的改变(介质 由于压力或温度的 变化 折射率 反 射系数)来实现对透 射光强的调制。
第八章
光纤传感技术
2013-12-18
内容提要
●8.1前言 ●8.2强度调制型光纤传感器 ●8.3相位调制型光纤传感器 ●8.4频率调制型光纤传感器 ●8.5波长调制型光纤传感器 ●8.6偏振态调制 ●8.7特种光纤简介 ●8.8光纤传感器的发展趋势
2013-12-18
§8.1前言
●光纤传感器的原理
(8.15)
由环形腔输出特性可得半峰值处的宽度为： 1/ 2 1/ 2
2013-12-18
1 KT 2c arcsin n L 2(1 KT )
(8.16)
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5、光纤陀螺
----- 测量转动速度的光纤转动传感器。
2013-12-18
★ 光纤传感器的应用 光纤传感器可以探测的物理量很多，可以探 测位移、压力、温度、流量、速度、加速度、 振动、转动、弯曲、应变、磁场、电压、电流 以及化学量、生物医学量等等，其中有的传感 器已形成商品，可供实际应用。
2013-12-18
§8.2 强度调制型光纤传感器
●原理和实现手段 ●光强度的外调制技术 ●光强度的内调制技术 ●补偿技术
●光纤传感器的特点 ●光纤传感器的分类 ●光纤传感器的应用
2013-12-18
★ 光纤传感器的原理
表征光波的特 征参量因外界 因素的作用而 间接或直接地 发生变化，从 而可将光纤用 作传感元件来 探测各种物理 量。
图1 光纤传感原理示意图
2013-12-18
★ 光纤传感器的特点
与传统的传感器相比，光纤传感器的主要 特点： ◎抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全 ◎重量轻、体积小、外形可变 ◎对被测介质影响较小,灵敏度高 ◎便于复用，便于成网 ◎测量对象广泛,成本低
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◎ 光纤陀螺中的相位检测 根据塞格纳克相移和旋转率的关系，采 用干涉测量方法可获得相移值，进而求得旋 转率。假设光纤环中两反向传输的相干光波 为A1sin(ωt)和A2sin(ωt+θ)，其中ω是光 波的角频率，θ是两束光波间的相位，A1 、 A2分别为两束光波的振幅。
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若把温度场变化考虑为作用力F，则F 将同时影响光纤的 参量n和L, 则光纤中相位响应： 1 d dn 1 dL dn n dL k kn k (8.42) L dF dF L dF dF L dF 1 d L dF 归一化的光纤中传播模的相位响应 dn 有效折射率变化引起的相位响应 k dF n dL k L dF 光纤几何长度变化引起的相位响应 如用T 和 来描述，则上式可表示为： n n L k TL T L T
图27塞格纳克效应
2013-12-18
如图28所示，在△t 时间里，入射到闭合环路中的光将移 动Ω R △t 的距离,在折射率为n的介质中
图28 塞格纳克效应中光纤环
N是光纤环的匝数， A是光路包围的面积
2013-12-18
典型的实验性光纤陀螺仪所用的光纤，直 径大约为10μ m，环路光纤长度为500m，可获 得10-5rad的塞格纳克相移。
图 基于折射率改变的湿度传感 器的感应主部
2013-12-18
图 感应主部在两种不同的环境中的传光情况
2013-12-18
◎倏逝波耦合调制 如图11所示，d,L或n稍变化，光探测器的接受光 强就有明显的变化。据此，可制成水听器。
图11 倏逝场光纤传感器
2013-12-18
图12所时是透射式光纤受抑全内反射传感器，当 一根光纤固定，另一光纤随外界因素而移动，耦 合效率会随两光纤端面间距而改变，测出光强， 即可求得 光纤端面 位移量的 大小。
2013-12-18
(8.43)
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图34 马赫-泽德温度 传感器结构
图35 F-P光纤温度 传感器结构
2013-12-18
说明：1、护套层的杨式模量和膨胀系数对光 纤的温度灵敏度有重要影响。 2、F-P光纤传感器的温度灵敏度比马 赫-泽德光纤传感器的高。
4、光纤环形腔干涉仪 利用光纤定向耦合器将单模光纤连接成闭合 回路，如图24所示，激光光束从环形腔1端输入 时，部分光能耦合到4端，部分直通入3端进入光 纤环内。
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图6 表面粗糙度与受光量的关系
◎遮光式光强调制 图7a为移动式光纤光调制模型 。 图7b为动光闸式光强度调制器。
图7 遮光式 光强度调制
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实际应用中可采用光纤束结构：光纤的粗细 不同，排列方式也不同，如图3所示。这种传感 器一般均用大数值孔径的粗光纤，以提高光强
图12 透射式光纤受抑全内反射传感器见图
2013-12-18
◎微弯效应光强度调制
微弯作用导致光纤内发生模式间的耦合，这些耦合 模变成辐射模，泄漏到包层中去。
图15 光纤微弯传感器示意图
2013-12-18
波纹周期
图16光纤微弯调制器
△β是导模和辐射模的传输常数差。当波纹周期满足 (8.4)时， 相位失配为零，模间耦和达最佳。因此，波纹 的最佳周期决定于光纤的模式性能。
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Ei定向耦合器 第i端来自振幅2013-12-18
1 1 反之，当sin ( L ) 1 时，有 2 4 ( K T ) 2 4 KT I 4max (1 ) (1 KT ) 2 4 KT 1 K I 3max 1 2 1 KT 4 KT
2013-12-18
2013-12-18
1、原理和实现手段 ◎原理 以被测对象所引起的光强度变化，来 实现被测对象的监测和控制 ◎实现手段 ◇利用发送、接受光纤的相对运动 ◇利用光纤对光波的吸收特性 ◇利用折射率的改变 ◇利用在两相位光纤间的倏逝场耦合 ◇利用光纤微弯效应
2、光强度的外调制技术
光纤本身只起传光作用,分反射式和折射式 两种方式来讨论。 ◎反射式光强调制 图2所示， 接受 的光强将随物体 距光纤探头端面 的距离而变化。 通过测出反射强度， 可知物距的变 图2 天线型光纤传感器 化。
2013-12-18
图10 反射系数式强度型光纤传感器
某种特选的膨化材料在潮湿的空气中会发生膨胀 并由于附加了水分子而表现出折射率的减小。利用这 种效应，可以制成简单、快速响应和高灵敏度的光纤 湿度传感器。 该种传感器的感 应主部的包层由 PVA, Starch, PVDF三种材料 以3:3:2制成。
图24 光纤环形腔干涉仪
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不谐振条件时， 大部分光从4端输出。谐振条件 时，腔内光场因谐振而加强，2到4的光场与1到4 端的光场相消干涉，环形腔的输出光强减小，多 次循环形成多光束干涉。4端输出光强在谐振条 件附近为一 细锐的谐振 负峰(图25）
图25 环形腔输出相对光强随与相位关系
工作原理：塞格纳克效应 与一般陀螺仪相比，光纤陀螺仪有以下优点： ◎灵敏度高 ◎无转动部分 ◎体积小
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◎塞格纳克效应 环形光路相对于惯性空间有以转动时，顺时及 逆时针方向的光路将产 生一非对易的光程差， 它和环形光路的旋转率 Ω有一定的关系。 图 27中圆形半径为R，旋 转率为Ω。
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★ 光纤传感器的分类
一般分为两大类： ◎功能性传感器 利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件 又称传感型光纤传感器，采用单模光纤 ◎非功能性传感器 光纤仅作为传光介质，需借助其它敏感元件 又称传光型光纤传感器，常用多模光纤
2013-12-18
根据光调制手段的不同，光纤传感器 又可分为： ◎强度调制型 ◎相位调制型 ◎偏振态调制型 ◎频率调制型 ◎波长调制型
图22 M-Z光纤干涉仪原理图
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3、法布里-珀罗光纤干涉仪
法布里-珀罗光纤干涉仪是由两端面具有高反 射膜的一段光纤构成，此感反射膜可以直接镀 在光纤端面上，也可以把镀在基片上的高反射 膜粘贴在光纤的端面上。
图23 法布里-珀罗光纤干涉仪示意图
2013-12-18
相位型光纤温度温度传感器
§8.2 相位调制型光纤传感器
●传感机理： 通过被测能量场的作用，使能量场中的一段 敏感的单模光纤内传播的光波发生相位的改变， 在用干涉测量技术把相位转换为振幅的变化，从 而还原所监测的物理量。 ●主要特点： ◇灵敏度高，可以检测出小至10-7 rad的相位 变化 ◇灵活多样，探头的几何形状可按需要设计
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如果反光物体 相当于平面 镜，如图4所 示，反射耦合 到光纤的光能 与光纤输出光 能比为：
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图4平面反射镜耦合情况
如果反射面是由 不同曲率半径的 凸面，实验测得 的返回光强与测 量距离的关系曲 线如图5所示。
图5 返回光强与测距的关系
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图6所示是反射体 表面粗糙度R max 与受光量的关系。 可知，表面粗糙度 大时，受光量小， 但当表面粗糙度小 于1µm时，受光量 基本上不受粗糙度 的影响。
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◇对象广泛，可用于所有影响光程的物理量 传感 ◇采用单模光纤，获得较好的干涉效应
●几种光纤干涉仪的讨论 根据传统的光学干涉原理，目前已研制成 迈克尔逊式、马赫-泽德式、法布里-珀罗式全 光纤干涉仪以及光纤环形腔干涉仪等，并且都 已用于光纤传感。下面分别予以介绍。
2013-12-18
2013-12-18
图29是带有法拉第旋转其的光纤陀螺仪，BS1 BS2是两个分束器，法拉第旋转器放臵在光纤环 路的一端，使它只 对顺时针方向的光 波有延迟作用，因 此就改变了绕光纤 环路传播的两束光 波间的相对相位。
图29 带有法拉第 旋转器的光纤陀螺
2013-12-18
光纤陀螺在常规的零光程差状态灵敏度随旋转率趋于零而 趋于零，因为光腔正比于cos2 ，要在低旋转率下获得高灵敏度， 应在相位正交工作点B上.如30所示，利用一个交替的偏臵，引入 π/2和-π/2使工作在A，B间的交换，在顺时针方向 传播的光被延迟π/2，在逆时针方向传播的光不 被延迟，于是产生了 塞格纳克相移，并得 到一个矩形波的输出， 其振幅与塞格纳克相 移有关，而旋转方向 由相位（0或π）给出。
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2013-12-18
式中: E4 1 ( K E1 1 K E2 ) E3 1 ( 1 K E1 K E2 ) E2 exp( L) exp(i L) E3 K 和 分别是耦合器的光强耦合率和插入损耗； 为 光纤的振幅衰减因子；L为光纤环的长度； 为光波 在光纤的传输常数；T 为环形腔回路的光强传输因 子，由T (1 ) exp(2 L)来确定，T 表示光纤环 中输出一周后的光强与初始光强之比。
1、迈克尔逊光纤干涉仪 迈克尔逊光纤干涉仪是一种双光束干涉仪。 如图21所示，该种干涉仪用了一个定向耦合器， 其中一根光纤 作为参考臂， 另一根作为 传感臂。
图21 迈氏光纤干涉仪原理图
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2、马赫-泽德光纤干涉仪 马赫-泽德光纤干涉仪（简称M-Z干涉仪） 也是种双光束干涉仪。如图22所示，实用的M-Z 光纤干涉仪的分光和合光是由两个光纤定向耦 合器构成，是为全光纤化的干涉仪，以提高其 抗干扰的能力。
2013-12-18
T是光纤传输系数,x是板的位移,p是压力,上式即是调 制系数的表达式。
光纤性能确定，是个精确的 光学常数。
微弯传感器的机械设计确定。
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聚合物光纤的直径较大，对其采用横向切 槽技术后，可得到光线在光纤弯曲时的传输情 况如图所示，以此制成传感器可测量应变。
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的耦合效率。
图3 光纤排列方式
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3、光强度的内调制技术
——光纤本身特性的发生改变 ◎折射率调制 一般纤芯和包层 具有不同的折射 率温度系数，导 致对温度的响应 不同。
图9 温度变化引起的传输损耗
2013-12-18
图10是反射系数式 强度型光纤传感器 原理图，其工作原 理是用光纤光强反 射系数的改变(介质 由于压力或温度的 变化 折射率 反 射系数)来实现对透 射光强的调制。
第八章
光纤传感技术
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内容提要
●8.1前言 ●8.2强度调制型光纤传感器 ●8.3相位调制型光纤传感器 ●8.4频率调制型光纤传感器 ●8.5波长调制型光纤传感器 ●8.6偏振态调制 ●8.7特种光纤简介 ●8.8光纤传感器的发展趋势
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§8.1前言
●光纤传感器的原理