光纤传感调制技术
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光纤传感器
这种干涉仪是多光束干涉，与前几种双光束干涉仪不同。
光 源
BS
M2
光纤
M1
调制
S0(t)
透射 输出
反射输出
几种干涉仪的共同点：如果相干光均在空气中传播, 受环境温度变化的影响，会引起空气折射率的扰动以 及声波干扰，导致空气光程的变化，造成工作不稳定， 精度的降低。
利用单模光纤作干涉仪的光路，可以减小环境温度的 影响。
其中
2
a
微弯光纤纤芯半径
n1 n2 相对折射率差 n1
2 2 n1 n2 2 2n1
对SIF, 对GIF,
g
g2
有: 有:
0
a
2a
0
例:水听器
2．光强度的外调制
外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤
本身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和
例
被测物理量(温度)
I in
折射率改变
I out
1
强度改变
2 3
(a)
(b)
斜面反射式光纤温度传感器 1、2 光纤 3 棱镜
4 由光吸收系数的改变引起的强度调制
X射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加,光纤的输出 功率降低.
辐射 Iin L Iout D
(二) 解调
S0(t)
1 直接检测
L
D2 S D1
可得: I 2 I 0 1 cos( m t )
频移 m 一般由声光调制器AOM(布喇格盒)获得.其实质 是多谱勒效应
注:相位检测技术非常复杂,限于课时,不能展开讲解.有兴趣 的同学可参看王惠文主编的«光纤传感技术与应用»一书.
光纤传感器的基本原理
各向异性晶体中的普克耳效应是一种重要 的电光效应。当强电场施加于光正在穿 行的各向异性晶体时，所引起的感生双 折射正比于所加电场的一次方，称为线 性电光效应，或普克耳效应。
• 非功能型光纤传感器是利用其它敏感元 件感受被测量的变化，光纤仅作为传输 介质，传输来自远处或难以接近场所的 光信号．所以也称为传光型传感器．或 混合型传感器。
在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：
光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为
强度调制光纤传感器 相位调制光纤传感器 频率调制光纤传感器 偏振调制光纤传感器 波长(颜色)调制光纤传感器
• 采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中
多种因素所造成的误差。取绿光(558nm)作为 调制检测光，红光(630 nm)作参考光，探测器 接收到的绿光与红光强度的吸收比值为R, pH 值与R的关系为
式中．c、k为常数；L为试剂长度, Δ＝pH—pK，其中 pH是酸碱度, pK是酸碱平衡常数。
5.2 光纤磷光探测技术
x射线、γ射线等辐射线会使光纤材料的吸 收损耗增加，使光纤的输出功率降低， 从而构成强度调制辐射量传感器。改变 光纤材料成分可对不同的射线进行测量。 如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、 γ 射线、中子射线最敏感，用这种方法做 成的传感器既可用于卫星外层空间剂量 的监测，也可用于核电站、放射性物质 堆放处辐射量的大面积监测。
• 作业
1、由图5-2的几何关系推导出下列关系式
2、由图5-2，已知光纤芯直径为2r＝200um， 数据孔径NA=0.5，光纤间距a=100um。若取 函数F(d)的最大斜率处为该系统的灵敏度， 则耦合功率F随d变化速率为何值？
5.2.3 光模式强度调制
当光纤之间状态发生变化时，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，
• 非功能型光纤传感器是利用其它敏感元 件感受被测量的变化，光纤仅作为传输 介质，传输来自远处或难以接近场所的 光信号．所以也称为传光型传感器．或 混合型传感器。
在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：
光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为
强度调制光纤传感器 相位调制光纤传感器 频率调制光纤传感器 偏振调制光纤传感器 波长(颜色)调制光纤传感器
• 采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中
多种因素所造成的误差。取绿光(558nm)作为 调制检测光，红光(630 nm)作参考光，探测器 接收到的绿光与红光强度的吸收比值为R, pH 值与R的关系为
式中．c、k为常数；L为试剂长度, Δ＝pH—pK，其中 pH是酸碱度, pK是酸碱平衡常数。
5.2 光纤磷光探测技术
x射线、γ射线等辐射线会使光纤材料的吸 收损耗增加，使光纤的输出功率降低， 从而构成强度调制辐射量传感器。改变 光纤材料成分可对不同的射线进行测量。 如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、 γ 射线、中子射线最敏感，用这种方法做 成的传感器既可用于卫星外层空间剂量 的监测，也可用于核电站、放射性物质 堆放处辐射量的大面积监测。
• 作业
1、由图5-2的几何关系推导出下列关系式
2、由图5-2，已知光纤芯直径为2r＝200um， 数据孔径NA=0.5，光纤间距a=100um。若取 函数F(d)的最大斜率处为该系统的灵敏度， 则耦合功率F随d变化速率为何值？
5.2.3 光模式强度调制
当光纤之间状态发生变化时，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，
光纤传感器基本原理3
= ne。
对于KDP类晶体，晶体折射率的变化∆n与电场E的关 系由下式给定
3 ∆n = n0 γ 63 • E
两正交的平面偏振光穿过厚度为l的晶体后，光程差为
3 3 ∆L = ∆n • l = n0 γ 63 • E • l = n0 γ 63U
当折射率变化所引起的相位变化为Π时，则称此电压为 半波电压Uλ/2，并有
3 U λ 2 = λ0 / 2n0 γ 63
1-BGO调制器晶体；2-1/4 波长片；3-检偏器； 4-电压传感器测头；5-多模光导纤维；6-光检测器； 7-运算器；8-输出信号；9-光源；10-光耦合器； 11-起偏器
ϕ π
输出的光程为
I = I 0 sin 2 ( + ) 2 4
式中,φ是晶体中两正交平面偏振光的相位差：
π U 2 I = I 0 sin 2 [ ( ) ] 2 U
λ 2
3.法拉第效应 法拉第效应 法拉第效应(磁致旋光效应):物质在磁场的作用下可以使 穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转的现象。 光矢量旋转的角度： = V ∫ 0l Hdl ϕ
式中，V是物质的费尔德常数， l l是物质中的光程，H是磁场强度。 H
∆ = (no − ne )l = kpl 2π ϕ= ∆ = 2πkpl / λ0 λ0
七对光纤和光电器件的要求
光纤、激光器、探测器是构成光纤传感器的主要部件，其特 性的好坏对光纤传感器的灵敏度影响极大。光纤传感器的灵敏度 主要决定于系统中的内部噪声电平，因此在光纤传感器里分离出 噪声源，并设法降低它，对提高灵敏度是有实际好处的。 光纤多普勒系统光纤系统的主要噪声源是背向瑞利散射噪 声和偏振噪声。瑞利散射从根本上讲是不能消除的。瑞利散射 的大小与传输的模、纤芯尺寸无关，而与波长的四次方成反比， 因此，选用长工作波长是有利的。偏振噪声的出现，是由于不 同模式的波传播常数不同，导致模间的脉冲形成。保持单模光 纤偏振状态的稳定十分重要，这样做的结果，可使灵敏度提高 几个数量级。 光纤传感器对光源-激光器的一般要求是:有一定的功率输出、 输出的偏振相干性要好、寿命长。在目前研制的各类传感器中， 用He-Ne气体激光器做光源的比较多。但从发展看，体积小、性 能可靠的半导体激光器应具有宽广的应用前景。
光纤陀螺资料
目前一些发达国家如美、日、德、法、意、俄等在光纤陀螺的研究方 面取得了较大进步，一些中低精度的陀螺已经实现了产品化，而少数 高精度产品也开始在军方进行装备调试。
美国在光纤陀螺的研究方面一直保持领先地位。目前美国国内已经有 多种型号的光纤陀螺投入使用。以斯坦福大学和麻省理工大学为代表 的科研机构在研究领域中不断取得突破，而几家研制光纤陀螺的大公 司在陀螺研制和产品化方面也做得十分出色。最著名的Litton公司和 Honeywell公司代表了国际上光纤陀螺的最高水平。
(4)生产规模化。成本的降低也是光纤陀螺能够为用户所接受的前提 条件之一。各类元件的生产规模化可以有力地促进生产成本的降 低，对于中低精度的光纤陀螺尤为如此。
谢谢 ！
光纤陀螺仪
光纤陀螺仪的分类
按工作原理：
干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)，即第一代光纤陀螺仪，目前 应用最广泛。它采用多匝光纤圈来增强SAGNAC效应，一个 由多匝单模光纤线圈构成的双光束环形干涉仪可提供较高 的精度，也势必会使整体结构更加复杂；
谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)，是第二代光纤陀螺仪，采用 环形谐振腔增强SAGNAC效应，利用循环传播提高精度，因 此它可以采用较短光纤。R—FOG需要采用强相干光源来增 强谐振腔的谐振效应，但强相干光源也带来许多寄生效应， 如何消除这些寄生效应是目前的主要技术障碍。；
陀螺仪
3) 低精度陀螺仪 低精度陀螺仪指精度范围超过10-1 º/h的陀螺仪。目前有发展前景的
是微机械陀螺仪。虽然精度低，但低廉的价格使其具有广阔的应用前 景。微机械陀螺仪有望在一些新的领域中得到应用，如车载导航系统、 天文望远镜、工业机器人、计算机鼠标，甚至是玩具上。
光纤陀螺仪
微机械框架式陀螺仪的工作原理
随着光电技术、微米／纳米技术的发展，新型陀螺仪如激光陀螺、光 纤陀螺和微机械陀螺应运而生。它们都是广义上的陀螺仪，是根据近 代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。因其无活动部件—高速 转子，称为固态陀螺仪。这种新型全固态的陀螺仪将成为未来的主导 产品，具有广泛的发展前途和应用前景。
美国在光纤陀螺的研究方面一直保持领先地位。目前美国国内已经有 多种型号的光纤陀螺投入使用。以斯坦福大学和麻省理工大学为代表 的科研机构在研究领域中不断取得突破，而几家研制光纤陀螺的大公 司在陀螺研制和产品化方面也做得十分出色。最著名的Litton公司和 Honeywell公司代表了国际上光纤陀螺的最高水平。
(4)生产规模化。成本的降低也是光纤陀螺能够为用户所接受的前提 条件之一。各类元件的生产规模化可以有力地促进生产成本的降 低，对于中低精度的光纤陀螺尤为如此。
谢谢 ！
光纤陀螺仪
光纤陀螺仪的分类
按工作原理：
干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)，即第一代光纤陀螺仪，目前 应用最广泛。它采用多匝光纤圈来增强SAGNAC效应，一个 由多匝单模光纤线圈构成的双光束环形干涉仪可提供较高 的精度，也势必会使整体结构更加复杂；
谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)，是第二代光纤陀螺仪，采用 环形谐振腔增强SAGNAC效应，利用循环传播提高精度，因 此它可以采用较短光纤。R—FOG需要采用强相干光源来增 强谐振腔的谐振效应，但强相干光源也带来许多寄生效应， 如何消除这些寄生效应是目前的主要技术障碍。；
陀螺仪
3) 低精度陀螺仪 低精度陀螺仪指精度范围超过10-1 º/h的陀螺仪。目前有发展前景的
是微机械陀螺仪。虽然精度低，但低廉的价格使其具有广阔的应用前 景。微机械陀螺仪有望在一些新的领域中得到应用，如车载导航系统、 天文望远镜、工业机器人、计算机鼠标，甚至是玩具上。
光纤陀螺仪
微机械框架式陀螺仪的工作原理
随着光电技术、微米／纳米技术的发展，新型陀螺仪如激光陀螺、光 纤陀螺和微机械陀螺应运而生。它们都是广义上的陀螺仪，是根据近 代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。因其无活动部件—高速 转子，称为固态陀螺仪。这种新型全固态的陀螺仪将成为未来的主导 产品，具有广泛的发展前途和应用前景。
第五章光纤传感基本原理-频率调制
m
1,2,
光纤传感器基本原理
5.6 偏振调制机理
线偏振光，光波的光矢量方向始终不变，只是它的大小随 相位改变。光矢量与光的传播方向组成的平面为线偏振光的振 动面。
圆偏振光，光矢量大小保持不变，而它的方向绕传播方向 均匀地转动，光矢量末端的轨迹是一个圆。
椭圆偏振光，光矢量的大小和方向都在有规律地变化，且光 矢量的末端沿着一个椭圆转动。
黑体光谱辐射能量密度、 温度及波长三者之间的关系。
5.5.3 光纤黑体探测技术
光纤传感器基本原理
光纤黑体探测技术，就是以黑体做探头，利用光纤传输热辐射波， 不怕电磁场干扰，质量轻，灵敏度高，体积小，探头可以做到0.1mm。
光纤传感器基本原理
5.5.4 光纤法布里-珀罗滤光技术
0 m
2nd cos m /
FL 108
可检测到信号
5.4.2 光纤多普勒系统的局限性
光纤传感器基本原理
一般多普勒探测器最大只能实现液体中几毫米处粒子的运动
速度虚测像量半，径只ri适 a用du 于携带粒子的流体或混浊体中悬浮物质的速度 测量数。值速孔度径测NA量i 范NA围du 为μm/s～m/s，相应的频偏为Hz-MHz。
ne n0 0kE2
非寻常光折射率
寻常光折射率
大多数情况下，ne-n0＞0
光纤传感器基本原理
5.6.2 克尔效应
不加外电场，无光通过，克尔盒关闭；加外电场，有光通过，
克尔盒开启。
光程差：
ne
n0
l
k
0
U d
2
l
N1、N2相互垂直，与 电场分别成±45°。
相位差：
2
kl
U d
2
光纤传感技术课件：偏振态调制型光纤传感器
21
偏振态调制型光纤传感器
这样， 为了获得大的法拉第效应， 可以将放在磁场中的 法拉第材料做成平行六面体， 使通光面对光线方向稍偏离垂 直位置， 并将两面镀高反射膜， 只留入射和出射窗口。 若光 束在其间反射N次后出射， 那么有效旋光厚度为Nl， 偏振面的 旋转角度就提高N倍。 法拉第效应是偏振调制器的基础， 利 用法拉第效应可制作光纤电流传感器。
偏振态调制型光纤传感器
偏振态调制型光纤传感器
6.1 偏振态调制型传感原理 6.2 偏振态调制光纤传感器应用实例
1
偏振态调制型光纤传感器
6.1
偏振态调制型光纤传感器是有较高灵敏度的检测装置。 它比高灵敏度的相位调制光纤传感器的结构简单且调整方便。 偏振态调制型光纤传感器通常基于电光、 磁光和弹光效应， 通过敏感外界电磁场对光纤中传输的光波的偏振态的调制来检 测被测电磁场参量。 最为典型的偏振态调制效应有Pockels效 应、 Kerr效应、 Faraday效应， 以及弹光效应（原理介绍详见 第一章1.3.4节）。
此时， 检偏镜的透射光强度 I 与起偏镜的入射光强度I0 之间的关系可由下式表示：
(6.1-11)
16
式中， 半波电压Uλ/2可表示为
偏振态调制型光纤传感器
(6.1-12)
利用克尔效应可以构成电场、 电压传感器， 其结构类 似于图6-1。
17
偏振态调制型光纤传感器
6.1.4 Faraday
物质在磁场的作用下使通过的平面偏振光的偏振方向发 生旋转， 这种现象称为磁致旋光效应或法拉第(Faraday)效应。
9
偏振态调制型光纤传感器
10
偏振态调制型光纤传感器
6.1.3 Kerr
Kerr效应也称为二次（或平方）电光效应， 它发生在一
偏振态调制型光纤传感器
这样， 为了获得大的法拉第效应， 可以将放在磁场中的 法拉第材料做成平行六面体， 使通光面对光线方向稍偏离垂 直位置， 并将两面镀高反射膜， 只留入射和出射窗口。 若光 束在其间反射N次后出射， 那么有效旋光厚度为Nl， 偏振面的 旋转角度就提高N倍。 法拉第效应是偏振调制器的基础， 利 用法拉第效应可制作光纤电流传感器。
偏振态调制型光纤传感器
偏振态调制型光纤传感器
6.1 偏振态调制型传感原理 6.2 偏振态调制光纤传感器应用实例
1
偏振态调制型光纤传感器
6.1
偏振态调制型光纤传感器是有较高灵敏度的检测装置。 它比高灵敏度的相位调制光纤传感器的结构简单且调整方便。 偏振态调制型光纤传感器通常基于电光、 磁光和弹光效应， 通过敏感外界电磁场对光纤中传输的光波的偏振态的调制来检 测被测电磁场参量。 最为典型的偏振态调制效应有Pockels效 应、 Kerr效应、 Faraday效应， 以及弹光效应（原理介绍详见 第一章1.3.4节）。
此时， 检偏镜的透射光强度 I 与起偏镜的入射光强度I0 之间的关系可由下式表示：
(6.1-11)
16
式中， 半波电压Uλ/2可表示为
偏振态调制型光纤传感器
(6.1-12)
利用克尔效应可以构成电场、 电压传感器， 其结构类 似于图6-1。
17
偏振态调制型光纤传感器
6.1.4 Faraday
物质在磁场的作用下使通过的平面偏振光的偏振方向发 生旋转， 这种现象称为磁致旋光效应或法拉第(Faraday)效应。
9
偏振态调制型光纤传感器
10
偏振态调制型光纤传感器
6.1.3 Kerr
Kerr效应也称为二次（或平方）电光效应， 它发生在一
光纤传感原理与应用 尚盈 电子课件 第五章.光纤解调技术
5.2 波长解调 5.2.2 滤波解调法
5.2 波长解调 5.2.2 滤波解调法
5.3 频率解调 5.3.1 频率调制基本原理
s O 光学多普勒效应原理
5.3 频率解调 5.3.2光纤多普勒流速测量技术
5.3 频率解调 5.3.2光纤多普勒流速测量技术
光束1 光束2
前方散射形成的干涉条纹
5.3 频率解调
Ⅰ
三角函数象限图
5.4 相位解调 5.4.4 I/Q解调算法
5.4 相位解调 5.4.4 I/Q解调算法
5.4 相位解调 5.4.4 I/Q解调算法
5.5 偏振态解调
5.1 强度解调
强度解调的方案结构简单,适合短距离且信噪比要求不太高的场合,受激光器相位噪声影响较小。强 度解调过程如图5.1所示，先将光信号进行光学滤波,滤除中心波长以外的其他噪声，光电探测器将光信 号转成电信号,将获得的信号进行放大，然后将信号进行滤波，保证只将有用信号进行放大。
强度解调型FBG传感器是通过测量传感FBG的光强或光功率来解调被测参量的传感器,其传感系统 通常由光源、传感头、光信号传输器件和解调模块四部分组成，而解调模块中方案的选择直接决定了系 统成本的高低和系统的精度,是传感系统的关键部分。
在零差方式下,解调电路直接将干涉仪中的相位变化转变为电信号。零差方式又包括主动零差法 (Active Homodyne Method)和被动零差法(Passive Homodyne Method)。
外差方式包括普通外差法、合成外差法和伪外差法。
1.主动零差法
在主动零差法中,需要“主动”地控制干涉仪参考臂的长度,使得干涉仪工作在正交工作点处。常 见的主动零差法包括两种，即主动相位跟踪零差法和主动波长调谐零差法。
光纤传感技术详解
• 法拉第磁光效应
• 光弹效应 解调原理：检偏器
25
普克尔效应（电光效应）
当压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电 场时，晶体将呈现双折射现象，这种现象被称为Pockels效应， 如下图所示。并且，这种双折射正比于所加电场的一次方在晶 体中，两正交的偏振光的相位变化为
3 n0 r3U L 0 d
检测原理
应力应变效应：光纤长度变化 光弹效应:光纤芯折射率变化 磁致伸缩效应：光纤芯直径变化 声光效应 光热效应 萨格纳克(Sagnac)效应
被调制的 光信号
45
o
o
29
e
o
e
光束传播示意图
两光分量对应的振幅分别为：
轴1光分量振幅: A sin 4 轴2光分量振幅: A cos 4
A sin 4
轴1
参考矢量
A
A
O
4
A sin 4
光纤传感技术
1
光纤发展历史
1870年，英国物理学家丁达尔的实验
1960-光纤发明
1966-华裔科学家“光纤之父”高锟 预言光纤将用于通信。 1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤。 1977-首次实际安装电话光纤网路 1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电 1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中
其中：n0 — 正常折射率；re — 电光系数；U — 加在晶体片上的横向电压； λ— 光波长；L — 光传播方向晶体长度；d — 电场方向晶体厚度。
26
• 光弹效应 解调原理：检偏器
25
普克尔效应（电光效应）
当压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电 场时，晶体将呈现双折射现象，这种现象被称为Pockels效应， 如下图所示。并且，这种双折射正比于所加电场的一次方在晶 体中，两正交的偏振光的相位变化为
3 n0 r3U L 0 d
检测原理
应力应变效应：光纤长度变化 光弹效应:光纤芯折射率变化 磁致伸缩效应：光纤芯直径变化 声光效应 光热效应 萨格纳克(Sagnac)效应
被调制的 光信号
45
o
o
29
e
o
e
光束传播示意图
两光分量对应的振幅分别为：
轴1光分量振幅: A sin 4 轴2光分量振幅: A cos 4
A sin 4
轴1
参考矢量
A
A
O
4
A sin 4
光纤传感技术
1
光纤发展历史
1870年，英国物理学家丁达尔的实验
1960-光纤发明
1966-华裔科学家“光纤之父”高锟 预言光纤将用于通信。 1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤。 1977-首次实际安装电话光纤网路 1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电 1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中
其中：n0 — 正常折射率；re — 电光系数；U — 加在晶体片上的横向电压； λ— 光波长；L — 光传播方向晶体长度；d — 电场方向晶体厚度。
26
光纤传感技术课件：强度调制型光纤传感器
12
强度调制型光纤传感器
2. 透射式光桥补偿结构采用分光棱镜耦合的方法， 将一束 通过传感头的入射光分成两束差动光， 实现对光源光功率和 入射光纤损耗的补偿； 将另一束光耦合进两根接收光纤， 实 现对两根接收光纤损耗和探测器响应度的补偿， 成功地设计 出一种双光路、 双探测器的新型光桥补偿结构， 达到较好的 补偿效果。
6
强度调制型光纤传感器
3.2.1
1. 光桥平衡法是基于具有两个输入和两个输出的四端网络传 感头结构， 两个输入端分别接两个相同的发光二极管光源， 两个输出端分别接两个相同的光电探测器， 两个发光二极管 光源采用时分调制或频率划分调制工作方式。 1985年由英国 CulShaw首先提出的光桥补偿结构如图3-2所示。
23
强度调制型光纤传感器
图3-5 采用反射式光桥补偿结构的测量精度
24
强度调制型光纤传感器
图3-6 采用反射式光桥补偿结构的长期稳定性
25
强度调制型光纤传感器
光桥平衡补偿法是保证强度调制型光纤传感系统稳定可靠 工作的有效途径之一。 本节对其进行了较详细的分析， 介绍 了透射式和反射式两种光桥补偿结构。 反射式光桥补偿结构 存在突出优点： 一是采用单光源分时发光的工作方式， 弥补 了双光源发光特性不一致造成的不利影响； 二是传感探头采 用反射式补偿光路， 不仅结构简单、 紧凑， 而且使传感系统 的灵敏度提高了一倍； 三是分时工作的两路光都通过传感探 头部分， 从而系统输出不仅对光源发光功率的波动、 光纤传 输损耗的变化和光电探测器响应度漂移因素进行了补偿， 同 时对传感探头分光棱镜分光比、 光学元件传输损耗的变化也 进行了补偿。
18
强度调制型光纤传感器
3. 为了进一步提高系统的稳定性， 简化系统的结构， 减小 传感头的体积， 降低造价， 使系统更趋于实用化， 人们又设 计出了一种反射式光桥补偿结构， 该结构如图3-4所示。
强度调制型光纤传感器
2. 透射式光桥补偿结构采用分光棱镜耦合的方法， 将一束 通过传感头的入射光分成两束差动光， 实现对光源光功率和 入射光纤损耗的补偿； 将另一束光耦合进两根接收光纤， 实 现对两根接收光纤损耗和探测器响应度的补偿， 成功地设计 出一种双光路、 双探测器的新型光桥补偿结构， 达到较好的 补偿效果。
6
强度调制型光纤传感器
3.2.1
1. 光桥平衡法是基于具有两个输入和两个输出的四端网络传 感头结构， 两个输入端分别接两个相同的发光二极管光源， 两个输出端分别接两个相同的光电探测器， 两个发光二极管 光源采用时分调制或频率划分调制工作方式。 1985年由英国 CulShaw首先提出的光桥补偿结构如图3-2所示。
23
强度调制型光纤传感器
图3-5 采用反射式光桥补偿结构的测量精度
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强度调制型光纤传感器
图3-6 采用反射式光桥补偿结构的长期稳定性
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强度调制型光纤传感器
光桥平衡补偿法是保证强度调制型光纤传感系统稳定可靠 工作的有效途径之一。 本节对其进行了较详细的分析， 介绍 了透射式和反射式两种光桥补偿结构。 反射式光桥补偿结构 存在突出优点： 一是采用单光源分时发光的工作方式， 弥补 了双光源发光特性不一致造成的不利影响； 二是传感探头采 用反射式补偿光路， 不仅结构简单、 紧凑， 而且使传感系统 的灵敏度提高了一倍； 三是分时工作的两路光都通过传感探 头部分， 从而系统输出不仅对光源发光功率的波动、 光纤传 输损耗的变化和光电探测器响应度漂移因素进行了补偿， 同 时对传感探头分光棱镜分光比、 光学元件传输损耗的变化也 进行了补偿。
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强度调制型光纤传感器
3. 为了进一步提高系统的稳定性， 简化系统的结构， 减小 传感头的体积， 降低造价， 使系统更趋于实用化， 人们又设 计出了一种反射式光桥补偿结构， 该结构如图3-4所示。
光纤传感技术(全)
自动化控制和优化调度。
设备故障诊断
通过光纤传感器对设备运行过程中 的振动、温度、压力等参数进行实 时监测，实现故障预警和远程诊断 。
环境监测
在工业生产环境中，光纤传感器可 用于监测气体、液体、固体等环境 参数的变化，确保生产安全。
能源环保领域应用
油气管道监测
光纤传感器可用于油气管道的泄漏监测和定位，提高管道运输的安 全性和环保性。
02
光纤传感器类型及性能参数
点式光纤传感器
工作原理
利用光纤传输光信号，通过测量光信号在光纤中 传输时的变化来感知和测量被测物理量。
主要类型
包括反射式、透射式和干涉式等。
应用领域
广泛应用于温度、压力、位移、振动等物理量的 测量。
分布式光纤传感器
工作原理
利用光纤中传输的光信号 受到被测物理量的调制， 通过检测光信号的变化实 现分布式测量。
电力系统监测
在电力系统中，光纤传感器可用于监测电缆、变压器等设备的温度 、应变和振动等参数，确保电力系统的稳定运行。
新能源应用
光纤传感器可用于风能、太阳能等新能源设备的监测和控制，提高能 源利用效率和环保性。
生物医学领域应用
1 2 3
医疗诊断
光纤传感器可用于医疗诊断和治疗过程中，如内 窥镜、激光手术等，实现对人体内部生理参数的 实时监测。
发展历程
自20世纪70年代光纤传感技术诞生以来，经历了从实验室研究到商业化应用的逐步成熟过程。随着光 纤制造、光电子器件和信号处理技术的不断进步，光纤传感技术的性能不断提高，应用领域也不断扩 展。
光纤传感技术原理及特点
01 原理
02 高灵敏度
03 抗电磁干扰
04
05
耐腐蚀、耐高温 分布式测量
设备故障诊断
通过光纤传感器对设备运行过程中 的振动、温度、压力等参数进行实 时监测，实现故障预警和远程诊断 。
环境监测
在工业生产环境中，光纤传感器可 用于监测气体、液体、固体等环境 参数的变化，确保生产安全。
能源环保领域应用
油气管道监测
光纤传感器可用于油气管道的泄漏监测和定位，提高管道运输的安 全性和环保性。
02
光纤传感器类型及性能参数
点式光纤传感器
工作原理
利用光纤传输光信号，通过测量光信号在光纤中 传输时的变化来感知和测量被测物理量。
主要类型
包括反射式、透射式和干涉式等。
应用领域
广泛应用于温度、压力、位移、振动等物理量的 测量。
分布式光纤传感器
工作原理
利用光纤中传输的光信号 受到被测物理量的调制， 通过检测光信号的变化实 现分布式测量。
电力系统监测
在电力系统中，光纤传感器可用于监测电缆、变压器等设备的温度 、应变和振动等参数，确保电力系统的稳定运行。
新能源应用
光纤传感器可用于风能、太阳能等新能源设备的监测和控制，提高能 源利用效率和环保性。
生物医学领域应用
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医疗诊断
光纤传感器可用于医疗诊断和治疗过程中，如内 窥镜、激光手术等，实现对人体内部生理参数的 实时监测。
发展历程
自20世纪70年代光纤传感技术诞生以来，经历了从实验室研究到商业化应用的逐步成熟过程。随着光 纤制造、光电子器件和信号处理技术的不断进步，光纤传感技术的性能不断提高，应用领域也不断扩 展。
光纤传感技术原理及特点
01 原理
02 高灵敏度
03 抗电磁干扰
04
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耐腐蚀、耐高温 分布式测量
光纤传感3-相位调制型光纤传感器剖析
第3章 相位调制型光纤传感器
2019/1/11
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3.1 相位调制型光纤传感器原理
利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量的传感器，称为 相位调制传感型光纤传感器。干涉型光纤传感器利用光纤作为相位调制元 件，构成干涉仪。主要通过被测场（参量）与光纤的相互作用，引起光纤 中传输光的相位变化（主要是光纤的应变所引起的光程变化）。 这类光纤传感器的主要特点如下： 1. 灵敏度高 光学干涉法是已知最灵敏的探测技术之一。在光纤干涉仪中，由于使用了数 米甚至数百米以上的光纤，使它比普通的光学干涉仪更加灵敏。 2. 灵活多样 由于这种传感器的敏感部分由光纤本身构成，因此其探头的几何形状可按使 用要求而设计成不同形式。
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3.1.2 温度应变效应
（详见第1章） 用Mach-Zehnder干涉仪等光纤干涉仪进行温度传感的原理与压力传感完全相 似。只不过这时引起干涉仪相位变化的原因是温度。对于一根长度为 L、折 射率为n的裸光纤，其相位随温度的变化关系为
式中：P11是纤芯的弹光系数；εz 是轴向应变；εr 则是径向应变。 如上所述，光纤一般是多层结构，故 εz扎和 εr 则之值与外层材料之特性有 关。设因温度的变化 ΔT 而引起的应变的变化为：
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③ Farady 效应 在磁场中的光纤圈由于 Faraday 效应会在光纤陀螺中引起噪声：引入非互易 圆双折射（光振动的旋转方向与光传播方向有关），叠加在原有的互易双折 射上。影响的大小取决于磁场的大小及方向。例如，在地磁场中，其效应大 小为10º /h。较有效地消除办法是把光纤系统放在磁屏蔽盒中。 ④ 光 Kerr 效应 光 Kerr 效应是由光场引起的材料折射率的变化。在单模光纤中这意味着导 波的传播常数是光波功率的函数。在光纤陀螺的情况下，对于熔石英这种线 性材料，当正、反两列光波的功率相差较大时，就足以引起（对惯性导航） 不可忽略的误差。因此，对于总功率为100μW 的一般情况，就要求功率稳 定性优于 10-4。
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3.1 相位调制型光纤传感器原理
利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量的传感器，称为 相位调制传感型光纤传感器。干涉型光纤传感器利用光纤作为相位调制元 件，构成干涉仪。主要通过被测场（参量）与光纤的相互作用，引起光纤 中传输光的相位变化（主要是光纤的应变所引起的光程变化）。 这类光纤传感器的主要特点如下： 1. 灵敏度高 光学干涉法是已知最灵敏的探测技术之一。在光纤干涉仪中，由于使用了数 米甚至数百米以上的光纤，使它比普通的光学干涉仪更加灵敏。 2. 灵活多样 由于这种传感器的敏感部分由光纤本身构成，因此其探头的几何形状可按使 用要求而设计成不同形式。
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3.1.2 温度应变效应
（详见第1章） 用Mach-Zehnder干涉仪等光纤干涉仪进行温度传感的原理与压力传感完全相 似。只不过这时引起干涉仪相位变化的原因是温度。对于一根长度为 L、折 射率为n的裸光纤，其相位随温度的变化关系为
式中：P11是纤芯的弹光系数；εz 是轴向应变；εr 则是径向应变。 如上所述，光纤一般是多层结构，故 εz扎和 εr 则之值与外层材料之特性有 关。设因温度的变化 ΔT 而引起的应变的变化为：
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③ Farady 效应 在磁场中的光纤圈由于 Faraday 效应会在光纤陀螺中引起噪声：引入非互易 圆双折射（光振动的旋转方向与光传播方向有关），叠加在原有的互易双折 射上。影响的大小取决于磁场的大小及方向。例如，在地磁场中，其效应大 小为10º /h。较有效地消除办法是把光纤系统放在磁屏蔽盒中。 ④ 光 Kerr 效应 光 Kerr 效应是由光场引起的材料折射率的变化。在单模光纤中这意味着导 波的传播常数是光波功率的函数。在光纤陀螺的情况下，对于熔石英这种线 性材料，当正、反两列光波的功率相差较大时，就足以引起（对惯性导航） 不可忽略的误差。因此，对于总功率为100μW 的一般情况，就要求功率稳 定性优于 10-4。
光纤通信系统中光调制技术综述
光纤通信系统中光调制技术综述随着信息技术的迅猛发展，光纤通信系统作为一种高速、大容量的信息传输方式，广泛应用于现代通信领域。
而光调制技术作为光纤通信系统中的重要环节，扮演着关键的角色。
本文将对光纤通信系统中的光调制技术进行综述，包括其基本原理、发展历程以及应用前景。
首先，我们来了解光调制技术的基本原理。
光调制技术是指通过改变光信号的某些特性来实现信息的传输和控制。
主要有三种基本的光调制技术：幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）。
幅度调制是通过改变光信号的振幅来传输信息；频率调制是通过改变光信号的频率来传输信息；相位调制则是通过改变光信号的相位来传输信息。
这些调制技术的选择将取决于不同应用场景和需求，以实现更高的数据传输速率和更低的误码率。
其次，我们来看一下光调制技术的发展历程。
20世纪50年代末，最早的光纤通信系统使用的是幅度调制技术，但受限于光信号的带宽和噪声等因素，传输距离和数据传输速率都较为有限。
随着科技的不断发展，频率调制和相位调制技术得到了广泛应用。
频率调制技术可以克服幅度调制技术中的带宽限制问题，实现更高的数据传输速率；相位调制技术则可以在光信号中携带更丰富的信息，提高信息传输的可靠性。
近年来，随着高速数字信号处理、光电器件技术的快速发展，光调制器的研究和应用也取得了重要突破，为光纤通信系统的进一步发展提供了基础。
最后，我们来讨论一下光调制技术的应用前景。
光调制技术在高速、大容量的光纤通信系统中扮演着重要角色。
光调制技术的不断创新和发展，为光通信系统提供了更高的数据传输速率和更稳定的信号传输质量。
光调制技术还被广泛应用于光传感器、光纤传感等领域，推动了信息通信技术的发展。
此外，随着数据中心、云计算等新兴应用的快速发展，对光纤通信系统的需求也越来越高，这将进一步促进光调制技术的创新和进步。
综上所述，光调制技术作为光纤通信系统的关键环节，在信息传输和控制中起着重要作用。
通过改变光信号的振幅、频率或相位，光调制技术可以实现高速、大容量的信息传输。
光纤传感技术课件：光纤传感系统
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光纤传感系统
我国光纤传感的进一步发展需要从光纤基础产业、 光电 基础产业和光纤传感技术全方位综合发展， 才有可能真正创 造我国的尖端传感技术。 目前， 国内至少有二十几家公司转 向研究光纤传感器的开发和生产， 其研究的种类繁多， 达到 了历史上的最好时期。 相信在未来的几年内， 光纤传感技术 的发展有望带动并形成一个与光纤和光电产品相关的产业群， 它必将带动我国在光纤制造、 光纤器件和光电器件的生产以 及相关仪器设备的制造等众多领域的技术进步， 为促进我国 的工业和军事领域的尖端技术革新和国民经济的发展贡献力量。
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光纤传感系统
双异质结， 主要是因为在有源区的两边有两个不同材料 的合金层。 这种结构是从半导体激光器的研究中发展起来的。 通过将各种不同材料的合金层夹在一起， 所有的载流子和辐 射光都将局限在中心有源层。 相邻层间的带隙差限制了载流 子， 而相邻层间的折射率差使辐射光约束在中心有源层。 这 就使得它具有高效率和高辐射强度， 如图2-2所示。 这样会使 阈值电流降低， 发热现象减轻， 可在室温状态下连续工作。 为了进一步降低阈值电流， 提高发光效率， 以及提高与光纤 的耦合效率， 常常使有源区尺寸尽量减小，通常ω=10 μm， d=0.2 μm，L=100 μm~400 μm。
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光纤传感系统
图2-1 两种基本LED结构
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光纤传感系统
在面发光二极管中， 有源发光面与光纤轴垂直， 如图21(b)所示。 这种结构中， 在器件的衬底腐蚀了一个小孔， 然 后使用环氧树脂材料固定插入小孔的光纤， 这样能以尽可能 高的效率接收发射出来的光。
边发光二极管的辐射光要比面发光二极管的具有更好的方 向性。 同质结LED， 即只有一个简单PN结， 且P区和N区都 是同一物质。 LED阈值电流密度太大， 工作时发热非常严重， 只能在低温环境、 脉冲状态下工作。 为了提高激光器的功率 和效率， 降低同质结LED的阈值电流， 人们研究出了双异质 结的LED， 如图2-2所示。
光纤传感系统
我国光纤传感的进一步发展需要从光纤基础产业、 光电 基础产业和光纤传感技术全方位综合发展， 才有可能真正创 造我国的尖端传感技术。 目前， 国内至少有二十几家公司转 向研究光纤传感器的开发和生产， 其研究的种类繁多， 达到 了历史上的最好时期。 相信在未来的几年内， 光纤传感技术 的发展有望带动并形成一个与光纤和光电产品相关的产业群， 它必将带动我国在光纤制造、 光纤器件和光电器件的生产以 及相关仪器设备的制造等众多领域的技术进步， 为促进我国 的工业和军事领域的尖端技术革新和国民经济的发展贡献力量。
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光纤传感系统
双异质结， 主要是因为在有源区的两边有两个不同材料 的合金层。 这种结构是从半导体激光器的研究中发展起来的。 通过将各种不同材料的合金层夹在一起， 所有的载流子和辐 射光都将局限在中心有源层。 相邻层间的带隙差限制了载流 子， 而相邻层间的折射率差使辐射光约束在中心有源层。 这 就使得它具有高效率和高辐射强度， 如图2-2所示。 这样会使 阈值电流降低， 发热现象减轻， 可在室温状态下连续工作。 为了进一步降低阈值电流， 提高发光效率， 以及提高与光纤 的耦合效率， 常常使有源区尺寸尽量减小，通常ω=10 μm， d=0.2 μm，L=100 μm~400 μm。
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光纤传感系统
图2-1 两种基本LED结构
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光纤传感系统
在面发光二极管中， 有源发光面与光纤轴垂直， 如图21(b)所示。 这种结构中， 在器件的衬底腐蚀了一个小孔， 然 后使用环氧树脂材料固定插入小孔的光纤， 这样能以尽可能 高的效率接收发射出来的光。
边发光二极管的辐射光要比面发光二极管的具有更好的方 向性。 同质结LED， 即只有一个简单PN结， 且P区和N区都 是同一物质。 LED阈值电流密度太大， 工作时发热非常严重， 只能在低温环境、 脉冲状态下工作。 为了提高激光器的功率 和效率， 降低同质结LED的阈值电流， 人们研究出了双异质 结的LED， 如图2-2所示。
光纤传感中的光功率调制与解调技术研究
光纤传感中的光功率调制与解调技术研究随着科技发展的迅猛，光纤传感技术作为一种高灵敏度、高精度的测量手段，逐渐受到广泛关注。
在光纤传感领域中，光功率调制与解调技术的研究和应用成为一个重要的方向。
本文将对光纤传感中的光功率调制与解调技术进行研究。
光纤传感中的光功率调制技术是指通过改变光信号的功率来实现对传感信息的调制。
光功率调制技术通常可以分为直接调制和间接调制两种方式。
直接调制是指通过改变光源的光功率来实现调制。
这种调制方式直接改变了光信号的功率，使得传感信号在光纤中的传输过程中受到了影响。
直接调制技术的优势在于简单、成本低，但是其调制范围有限，同时也容易受到光源的频率波动等因素的干扰。
间接调制是指通过在光纤传感器中引入调制元件，如光纤光栅、光纤光调制器等来实现调制。
间接调制技术通过改变光信号的相位或频率来实现对传感信息的调制。
这种调制方式能够实现较大范围的调制，同时也具有较高的稳定性和抗干扰能力。
但是间接调制的实现较为复杂，对于调制元件的性能要求较高。
在光功率调制技术的基础上，光纤传感中的光功率解调技术同样具有重要意义。
光功率解调技术通过对传感信号的功率进行解调，实现对传感信息的提取和分析。
常用的光功率解调技术包括光功率差法、光功率比法和光功率积法等。
光功率差法在光纤传感中常用于测量温度和压力等参数。
原理是通过比较两个相邻的光功率信号之间的差值来得到传感信息。
该方法简单直观，但是对于成像和分辨率要求较高的应用存在一定的局限性。
光功率比法利用光纤光栅或光纤光调制器等元件实现传感信号的光功率与参考信号的光功率之间的比较，从而提取传感信息。
光功率比法具有较高的灵敏度和较大的动态范围，广泛应用于光纤传感领域，如应力测量、液位测量等。
光功率积法通过将传感信号光功率与参考信号光功率相乘获得传感信息。
这种方法对光源功率和光纤损耗等因素的影响较小，能够提供较为准确的测量结果。
光功率积法广泛应用于测量光纤传感的强度、形变和位移等参数。
光纤传感技术课件：相位调制型光纤传感器
增加传感光纤长度 l 的方法， 可以提高相位检测的灵敏度。
实际上采用反射镜使光在光纤中传输两次的方法， 可以在没
有增加传感光纤长度的情况下， 达到相位延迟提高为2f效果。
11
相位调制型光纤传感器
因此采用此方法得到的相位差可以表示为
(5.1-12)
有两种反馈装置可以实现光在光纤中传输两次的目的： 其一， 在传感光纤端面镀以高反射系数的反射膜， 使得光 纤中的光到达端面后以极高的比例重新耦合到光纤中； 其 二， 在光纤反射端接法拉第旋转镜(FRM)， 使得光被反射 并重新耦合到传感光纤的同时， 其偏振面发生90°的旋转。
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相位调制型光纤传感器
这个相位延迟量可表示为φ=（8πA／λ0c）Ω。 式中， Ω为
旋转率， A是光路围成的面积， c是真空中的光速， λ0是真空中的光波长。 这样， 通过探测器检测干涉光强的变 化， 便可确定旋转角速度。 因此， 萨格纳克干涉仪是构成光 纤陀螺仪的基础。 光纤陀螺仪的结构见图5-7。 其灵敏度比空 气光程的萨格纳克干涉仪要高几个数量级。 首先是由于采用 若干圈光纤增加了干涉仪环的有效面积， 其次是由于利用了 电子探测技术， 其相移表达式为φ=(8πNA／λ0c)Ω， 式中， N 是光纤环的匝数。
2
相位调制型光纤传感器
图5-1 相位调制型光纤传感器的工作原理图
3
相位调制型光纤传感器
确切地说， 相位调制型光纤传感器通过待测能量场对通 过一段单模光纤传输的相干光进行相位调制, 其相位的变化就 反映了待测场的大小。 由于光敏探测器无法响应激光的高频 率, 所以待测场所产生的相位调制不可能直接被探测到, 通常应 先把相位调制转换为振幅调制, 而后由探测光强的变化即可得 知相位变化。
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图9.2 蚀刻型光纤传感器
光纤传光纤传感器如图9.3所示。 遮光型光纤传感器是将发射光纤和输出光纤对准， 光强调制信号加在移动的遮光板上使接收光纤只能接 收到发送光纤发出的部分光，从而实现光调制。
图9.3 遮光型光纤传感器
光纤传感调制技术
9.1.4 缠绕型
缠绕型光纤传感器是将传感光纤缠绕在被测物体 上或者由两根或多根多模光纤相互缠绕绞合而成的， 如图9.4所示。
光纤传感调制技术
9.1.6 吸收特性的强度调制
x、γ射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降 低，从而可以构成强度调制器，用来测量各种辐射量，其原理如下图(a)所示。 用不同材料制成的光纤对不同射线的敏感程度是不一样的，由此还可以鉴别 不同的射线。例如铅玻璃光纤对x、γ射线和中子射线特别灵敏，并且这种材 料的光纤在小剂量射线照射时，具有较好的线性，可以测量射线的辐射剂量。
随着被测物体的变形，光纤的曲率、节距都在随 之变化，光纤的输出光强随之变化，以此来计算被 测量的变化。
图9.4 缠绕型光纤传感器
光纤传感调制技术
9.1.5 微小的线性位移和角位移调制方法
这种调制方法使用两根光纤，一根为光的入射光纤，另一根为光被调制
后的出射光纤，如下图所示。两根光纤的间距为2～3μm，端面为平面，两者
图9.1 微弯型光纤传感光器纤传感调制技术
微弯效应造成的损耗α可写成如下形式：
K f(l,m ,x,a,b,)
(9.1)
式中，K 为比例系数；l 为齿距；m为齿数目；x
为变形幅度；a 为纤心半径；b 为光纤外半径；
为内、外层折射率的差值。
在实际问题中，变形器及光纤参数全部固定 时，则可以认为
kg(x)
(9.2)
光纤传感调制技术
9.1.2 蚀刻型
蚀刻型光纤传感器如图9.2所示。当外力作用在蚀刻后的多 模光纤上时，光纤长度的变化将引起折射率和模量系数的变化， 进而将引起功耗的变化，此变化大于未蚀刻光纤的功耗的变化， 且蚀刻得越深，功耗越多。
❖ 实验结果表明，光纤长 度变化与功耗成正比， 光纤长度变化的灵敏度 与蚀刻深度成正比。
第9章 光纤传感调制技术
光纤传感调制技术
光纤传感的理论基础
❖光光效应：
多普勒效应 萨格纳克效应 拉曼和布里渊效应
❖光电效应：
外光电效应 内光电效应
❖电光效应
鲍格鲁斯效应 电光克尔效应 古亭-鲍鲁 底歇效应
❖磁光效应
法拉第效应 磁光克尔效应 科顿-蒙顿效应
光纤传感调制技术
(1) 光纤的传感器中的作用
当一恒定光源的光波I IN注入调制区，在外力场强Is的作用下，输出光波的 强度被Is所调制，载有外力场信息的出射光 IOUT 的包络线与Is形状相同，光 （强度）探测器的输出电流ID(或电压)也反映出了作用力场。同理，可以利用 其他各种对光强的调制方式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、 辐射等来调制入射光，从而形成相应的调 制器。强度调制是光纤 传感器使用最早的调制 方法，其特点是技术简 单可靠、价格低廉。可 采用多模光纤，光纤的 连接器和耦合器均已商 品化。光源可采用LED 和白炽灯等非相干光 源，探测器一般用光电二极管、三极管和光电池等。
光纤传感调制技术
1 9.1 光强调制型光纤传感器 2 9.2 相位调制型光纤传感器 3 9.3 偏振调制型光纤传感器 4 9.4 频率调制型光纤传感器
光纤传感调制技术
9.1 光强调制型光纤传感器
❖光强调制型光纤传感器是用被测信号调制光强，使 探测器接收到的光强随被测信号的变化而变化，这 类光纤传感器称为光强调制型光纤传感器。
❖光强调制型光纤传感器具有结构简单，易于实现等 优点。常用的类型有：微弯型、蚀刻型、遮光型和 缠绕型。
9.1.1
9.1.2
9.1.3
9.1.4
微弯型、
蚀刻型
遮光型
光纤传感调制技术
缠绕型
9.1 光强调制型光纤传感器
利用被测量的作用改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量被测量， 称为强度调制。其原理如图所示。
光纤传感调制技术
9.1.1 微弯型
光纤的弯曲能够使光从纤芯射入包层而产生损耗，微弯型光纤传感器就 是根据光纤弯曲时纤芯中的光注入包层的原理研制成的，微弯型光纤传感 器如图9.1所示。
在无外力作用时，光纤输出端光强为一常量；当被测面受外力作用时， 将产生变形，光纤的弯曲状况发生变化，光在光纤中传输所经过的路程和 入射角发生变化，则光传输时的损耗也发生变化。
❖ 光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感 元件上受被测量调制。
❖ 优点：无需特殊光纤及其他特殊技术， 比较容易实现，成本低。
❖ 缺点：灵敏度较低。 ❖ 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。
光纤传感调制技术
(c) 拾光型光纤传感器
❖ 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。
❖ 典型例子： 光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器
光纤传感调制技术
第9章 光纤传感调制技术
❖ 从光信号调制方式的角度分类，光纤传感器可分为光 强调制型、频率调制型、相位调制型及偏振调制型。
❖ 其中，光强调制型光纤传感器在一般工程测量中因结 构简单、测量范围大而应用较多，而在对测量精度要 求较高的场所，则采用相位型和偏振型调制光纤传感 器。随着科学技术的高速发展，对传感器的精度、稳 定性及小型化的要求越来越高。因此，相位调制型及 偏振调制型光纤传感器是目前研究和开发的主要对象。
❖ 功能型
❖ 非功能型
光纤传感调制技术
❖ 拾光型
(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器
❖ 光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是 敏感元件，光在光纤内受被测量调制。
❖ 优点：结构紧凑、灵敏度高。 ❖ 缺点：须用特殊光纤，成本高， ❖ 典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。
光纤传感调制技术
(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器
对置。通常入射光纤固定，外界作用（如压力、张力等）使得出射光纤作横
向或纵向位移或转动，于是出射光纤输出的光强被其位移所调制。
若入射和出射光纤均采用相同性能的单模光纤，径向位移 d 与功率耦合
系数 T 之间存在下列关系：
T
d2
c
S
2 0
式中S0为光纤中的 光斑尺寸；T和d的 关系为高斯型曲线。 这种调制方法可以 测量10μm以内的 位移量。
光纤传光纤传感器如图9.3所示。 遮光型光纤传感器是将发射光纤和输出光纤对准， 光强调制信号加在移动的遮光板上使接收光纤只能接 收到发送光纤发出的部分光，从而实现光调制。
图9.3 遮光型光纤传感器
光纤传感调制技术
9.1.4 缠绕型
缠绕型光纤传感器是将传感光纤缠绕在被测物体 上或者由两根或多根多模光纤相互缠绕绞合而成的， 如图9.4所示。
光纤传感调制技术
9.1.6 吸收特性的强度调制
x、γ射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降 低，从而可以构成强度调制器，用来测量各种辐射量，其原理如下图(a)所示。 用不同材料制成的光纤对不同射线的敏感程度是不一样的，由此还可以鉴别 不同的射线。例如铅玻璃光纤对x、γ射线和中子射线特别灵敏，并且这种材 料的光纤在小剂量射线照射时，具有较好的线性，可以测量射线的辐射剂量。
随着被测物体的变形，光纤的曲率、节距都在随 之变化，光纤的输出光强随之变化，以此来计算被 测量的变化。
图9.4 缠绕型光纤传感器
光纤传感调制技术
9.1.5 微小的线性位移和角位移调制方法
这种调制方法使用两根光纤，一根为光的入射光纤，另一根为光被调制
后的出射光纤，如下图所示。两根光纤的间距为2～3μm，端面为平面，两者
图9.1 微弯型光纤传感光器纤传感调制技术
微弯效应造成的损耗α可写成如下形式：
K f(l,m ,x,a,b,)
(9.1)
式中，K 为比例系数；l 为齿距；m为齿数目；x
为变形幅度；a 为纤心半径；b 为光纤外半径；
为内、外层折射率的差值。
在实际问题中，变形器及光纤参数全部固定 时，则可以认为
kg(x)
(9.2)
光纤传感调制技术
9.1.2 蚀刻型
蚀刻型光纤传感器如图9.2所示。当外力作用在蚀刻后的多 模光纤上时，光纤长度的变化将引起折射率和模量系数的变化， 进而将引起功耗的变化，此变化大于未蚀刻光纤的功耗的变化， 且蚀刻得越深，功耗越多。
❖ 实验结果表明，光纤长 度变化与功耗成正比， 光纤长度变化的灵敏度 与蚀刻深度成正比。
第9章 光纤传感调制技术
光纤传感调制技术
光纤传感的理论基础
❖光光效应：
多普勒效应 萨格纳克效应 拉曼和布里渊效应
❖光电效应：
外光电效应 内光电效应
❖电光效应
鲍格鲁斯效应 电光克尔效应 古亭-鲍鲁 底歇效应
❖磁光效应
法拉第效应 磁光克尔效应 科顿-蒙顿效应
光纤传感调制技术
(1) 光纤的传感器中的作用
当一恒定光源的光波I IN注入调制区，在外力场强Is的作用下，输出光波的 强度被Is所调制，载有外力场信息的出射光 IOUT 的包络线与Is形状相同，光 （强度）探测器的输出电流ID(或电压)也反映出了作用力场。同理，可以利用 其他各种对光强的调制方式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、 辐射等来调制入射光，从而形成相应的调 制器。强度调制是光纤 传感器使用最早的调制 方法，其特点是技术简 单可靠、价格低廉。可 采用多模光纤，光纤的 连接器和耦合器均已商 品化。光源可采用LED 和白炽灯等非相干光 源，探测器一般用光电二极管、三极管和光电池等。
光纤传感调制技术
1 9.1 光强调制型光纤传感器 2 9.2 相位调制型光纤传感器 3 9.3 偏振调制型光纤传感器 4 9.4 频率调制型光纤传感器
光纤传感调制技术
9.1 光强调制型光纤传感器
❖光强调制型光纤传感器是用被测信号调制光强，使 探测器接收到的光强随被测信号的变化而变化，这 类光纤传感器称为光强调制型光纤传感器。
❖光强调制型光纤传感器具有结构简单，易于实现等 优点。常用的类型有：微弯型、蚀刻型、遮光型和 缠绕型。
9.1.1
9.1.2
9.1.3
9.1.4
微弯型、
蚀刻型
遮光型
光纤传感调制技术
缠绕型
9.1 光强调制型光纤传感器
利用被测量的作用改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量被测量， 称为强度调制。其原理如图所示。
光纤传感调制技术
9.1.1 微弯型
光纤的弯曲能够使光从纤芯射入包层而产生损耗，微弯型光纤传感器就 是根据光纤弯曲时纤芯中的光注入包层的原理研制成的，微弯型光纤传感 器如图9.1所示。
在无外力作用时，光纤输出端光强为一常量；当被测面受外力作用时， 将产生变形，光纤的弯曲状况发生变化，光在光纤中传输所经过的路程和 入射角发生变化，则光传输时的损耗也发生变化。
❖ 光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感 元件上受被测量调制。
❖ 优点：无需特殊光纤及其他特殊技术， 比较容易实现，成本低。
❖ 缺点：灵敏度较低。 ❖ 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。
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(c) 拾光型光纤传感器
❖ 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。
❖ 典型例子： 光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器
光纤传感调制技术
第9章 光纤传感调制技术
❖ 从光信号调制方式的角度分类，光纤传感器可分为光 强调制型、频率调制型、相位调制型及偏振调制型。
❖ 其中，光强调制型光纤传感器在一般工程测量中因结 构简单、测量范围大而应用较多，而在对测量精度要 求较高的场所，则采用相位型和偏振型调制光纤传感 器。随着科学技术的高速发展，对传感器的精度、稳 定性及小型化的要求越来越高。因此，相位调制型及 偏振调制型光纤传感器是目前研究和开发的主要对象。
❖ 功能型
❖ 非功能型
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❖ 拾光型
(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器
❖ 光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是 敏感元件，光在光纤内受被测量调制。
❖ 优点：结构紧凑、灵敏度高。 ❖ 缺点：须用特殊光纤，成本高， ❖ 典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。
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(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器
对置。通常入射光纤固定，外界作用（如压力、张力等）使得出射光纤作横
向或纵向位移或转动，于是出射光纤输出的光强被其位移所调制。
若入射和出射光纤均采用相同性能的单模光纤，径向位移 d 与功率耦合
系数 T 之间存在下列关系：
T
d2
c
S
2 0
式中S0为光纤中的 光斑尺寸；T和d的 关系为高斯型曲线。 这种调制方法可以 测量10μm以内的 位移量。