光纤传感器

(2)多模光纤的色散
对于多模光纤，模间色散通常占主导地位。如果把模间色散平衡掉，则剩下的是材料色散和 波导色散。此时，情况与单模传输类似，不同的是这里的波导色散是多模波导色散。在多模光纤 中，波导色散与材料色散相比，常常可以忽略。
材料色散是材料的折射率随频率变化引起的色散，因此材料色散引起的脉冲展宽与光源谱宽成 正比。对于多模渐变型光纤，如果采用激光器(LD)作光源，其谱宽一般为1-2nm，故可忽略材 料色散。此时，脉冲展宽主要由模间色散决定。但是，当光源为发光二级管(LED)时，由于其谱 宽大约为30—50nm，故增加了材料色散的影响。这时，材料色散和模问色散相比不可忽略。
3）光纤色散与带宽的关系
光纤色散使输入信号的各波长分量到达终端的群延时不同．因此输出信号或脉冲将发生畸变 或展宽。脉冲展宽将限制传输容量或决定最大中继距离。展宽程度可以有延迟时间来表示。
1•f c f0
•k0•dd2k2
f
f0
k0 2f0 c
4）抗拉强度 5）集光能力
N Asini n12n2 2
1.4
1.6
波 长 / m
散射损耗主要由材料微观密度不均匀 引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷(如气 泡)引起的散射产生的。 结构缺陷散射产 生的损耗与波长无关。
损 耗 / ( d－B )1·k m
10 0 50
10
5
实验
红外
吸收
1
0.5
瑞 利 散射
紫 外 吸收 0.1
0.05
波 导 缺陷
0.01 0.8
（a）折射角大于入射角： （b）临界状态： （c）全反射 ：
i i0
n1sini n2sinr
i0 arcsn2i/nn1()
光纤导光
n0sini n1sinj n1sinkn2sinr
sini (n1/n0)sinj j 90k
sini (n1/n0)sin9(0k)nn10 cosk
n1 n0
5、波长调制
波长调制是利用被测量改变光纤中光的波长，再通过检测光波长的变化来测量各种被测量。波长调制的 优点是它对引起光纤或连接器的某些器件的稳定性不敏感，因此被广泛应用于液体浓度的化学分析、磷 光和荧光现象分析、黑体辐射分析及法布里-珀罗等光学滤波器上。其缺点是解调技术较复杂。但采用 光学滤波或双波长检测技术后，可使解调技术简化。
强度调制
光源
入射光
IS 信号
t 光探测器
强度调制
出射光
输出ID
Ii
IO
t
ID
t
t
强度调制原理
2、偏振调制光纤传感器
利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息 应用：
电流、磁场传感器：法拉第效应； 电场、电压传感器：泡尔效应； 压力、振动或声传感器：光弹效应； 温度、压力、振动传感器：双折射性 优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。
涂覆层
包层
纤芯
护套
2.光纤的种类及传输模式 根据折射率的变化规律,光纤分为阶跃型和梯度型.传输模式分为单模和多模.
多模 阶跃光纤
n2 n1
nr 多模
梯度光纤
单模 梯度光纤
n2 n1
光纤的传光原理
返回
3.传光原理--斯乃尔定理 当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射
氢 氧 根 离 子 (OH-) 吸 收 峰 在 0.95μm 、 1.24 μm和1.39 μm波长，其中以1.39 μm的吸收峰影响最为严重。
损 耗 / ( d－B )1·k m
10 0 50
10
5
实验
红外
吸收
1
0.5
瑞 利 散射
紫 外 吸收 0.1
0.05
波 导 缺陷
0.01 0.8
1.0
1.2
损 耗 / ( d－B )1·k m
10 0 50
10
5
实验
红外
吸收
1
0.5
瑞 利 散射
紫 外 吸收 0.1
0.05
波 导 缺陷
0.01 0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
波 长 / m
固有吸收很小，在0.8~1.6μm 波段，小于0.1dB/km，在 1.3~1.6μm波段，小于 0.03dB/km。
信号 处理
光受 信器
耦合器
光纤
被测对象
四、光纤传感器光学测量的基本原理
光就是一种电磁波，பைடு நூலகம்
光的电矢量E
EBsi nt ()
被测量调制： 光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位 光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制
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 。
2）色散 色散(Dispersion)：是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生 的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。
模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生的， 它取决于光纤的折射率分布，并和光 纤材料折射率的波长特性有关.
材料色散：是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光(实际光源 不是纯单色光)，其时间延迟不同而产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和 光源的谱线宽度。
入射光
异常光 正常光
泡克尔斯效应
压电晶体
3、频率调制光纤传感器
被测对象引起的光频率的变化来进行监测 利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器； 利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器； 利用光致发光的温度传感器等。
频率调制
要减小。光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。
1)传输损耗：在光纤内传输的光功率P随距离z的变化，可以用下式表示
，α是损耗(衰减)系数。
设长度为L(km)的光纤， 输入光功率为Pi，输出光功率应为
Po=Piexp(-αL)
习惯上α的单位用dB/km,损耗(衰减)系数
dp ap dz
10lgpi (dB/km)
1sin2k
siinn n 1 0 1(n n 1 2sir n )2n 1 0 n 1 2n2 2si2n r
n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n0≈1
sini n12n2 2si2nr
当θr =90°的临界状态时，
sini0 n12n22
Sin θi定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture）
L p0
损 耗 / ( d－B )1·k m
10 0 50
10
5
实验
红外
吸收
1
0.5
瑞 利 散射
紫 外 吸收 0.1
0.05
波 导 缺陷
0.01 0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
波 长 / m
吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸 收和由杂质引起的吸收产生的。
由材料电子跃迁引起的吸收带发生在 紫外(UV)区(λ<0.4μm)，由分子振动引起 的吸收带发生在红外(IR)区(λ>7μm)，由于 SiO2是非晶状材料，两种吸收带从不同方 向伸展到可见光区。
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
1.结构—两个同轴区，内区称为纤芯，外区称为包层 而且内芯的折射率略大于包层的折射率 。通常，在包 层外面还有一层起支撑保护作用的套层。
波导色散：是由于波导结构参数与波长有关而产生的， 它取决于波导尺寸和纤芯与包层的 相对折射率差。
单模光纤与多摸光纤的色散
(1)单模光纤的色散
由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在模间色散，只有模内色散，即材料色散和波导色散。 它们分别用色散系数σc和σω表示。总色散σ= σc+σω 。 通常，材料色散比波导色散大两个量级。但是，在零色散区，材料色散与波导色散值大致相当， 只是两者符号相反。
光纤传感器
一、基础知识
光纤传感器
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。
1.0
1.2
1.4
1.6
波 长 / m
瑞利散射损耗αR与波长λ四次方成反比，可用 经验公式表示为α R =A/λ4，瑞利散射系数A取 决于纤芯与包层折射率差Δ。当Δ分别为0.2% 和0.5%时，A分别为0.86和1.02。瑞利散射 损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的 最低理论极限。 如果Δ=0.2%，在1.55μm波 长，光纤最低理论极限为0.149 dB/km 。
利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺） 优点：灵敏度很高， 缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。
光信号相位的变化Δ 与温度变化ΔT的关系为
2 0l n 20 T n T
——线膨胀系数； l——光纤的长度； n/T——折射率温度系数； n——纤芯平均折射率； 0——自由空间光波长； /ε——传播常数与纤芯半径的变化率。