第7章上课用 光纤传感器 (有第7章复习题)

2、光纤的传光原理
光是沿着直线传播的。 当光纤的直径比光的波长大很多时, 可以用几何光学的方 法来说明光在光纤内的传播。 当满足一定条件时，光在光纤中的传输被限制在光纤中, 并随光纤能传送到很远的距离，光能够在光纤中的传输条件是： 光在光纤中发生全内反射：即，只有反射没有折射 。
全反射的条件 如图，根据几何光学理论， 当光线以某一较小的入射角 ， 1 由折射率为n1的光密物质射向折 射率为 n2 的光疏物质(即n1 ＞n2) 时，则一部分入射光以折射角 2 折射入光疏物质，其余部分以 1 角度反射回光密物质，根据折 射定律(斯涅尔定律)，光折射 和反射之间的关系为：
（二）非功能型(传光型)光纤传感器
这类光纤传感器中光纤仅起导光 作用，只“传”不“感”，对外 界信息的“感觉”功能依靠其他 物理性质的功能元件完成，光纤 在系统中是不连续的。此类光纤 传感器比较容易实现，成本低； 但灵敏度也较低，用于对灵敏度 非功能型光纤传感器使用的光 纤主要是数值孔径和芯径大的 要求不太高的场合。 阶跃型多模光纤。 传感探针型光纤传感器:光纤把测量 对象辐射的光信号或测量对象反射、 散射的光信号传播到光电元件上,通 常使用单模或多模光纤。典型的例 子有光纤激光多普勒速度计、辐射 式光纤温度传感器等。
这种传感器的基本原理是利用了多数半导体材料的吸收
光波长将随温度的增加而向长波方向移动的特性, 如果适当 地选定一种波长在该半导体材料工作范围内的光源, 那么就 可以使透射过半导体材料的光强随温度而变化, 从而达到测 量温度的目的。
这种光纤温度传感器结构简单、制造容易、成本低、便
于推广应用, 可在-10 ℃ ··+300℃的温度范围内进行测量, · ·
一、偏振现象
• 取一根软绳，一端固定在
墙上，手持另一端上下抖 动，就在软绳上形成一列 横波
现在，让软绳穿过一块带有狭缝的木板，如果狭缝与 振动方向平行，则振动可以通过狭缝传到木板的另一 侧（图甲）．如果狭缝与振动方向垂直，则振动就被
狭缝挡住而不能向前传播（图乙）
就像：
腰横别扁担进不了城门
• 如果将这根绳换成细软的弹簧，前后推动弹簧形
技术。光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。
1．功能型光纤传感器
如图，它利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤作
传感元件，将“传”和“感”合为一体。功能性光纤传感器 中光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素的作用
下，其光学特性(光强、相位、频率、偏振态等)的变化来实
现“传”和“感”的功能。这类传感器主要使用单模光纤。
单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均 为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光，常用于光 纤传感器。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性 度；但因芯小，难以制造和耦合。
多模光纤允许多个模 数的光在光纤中同时 传播，通常纤芯直径 较大，达几十微米以 上。由于每一个“模” 光进入光纤的角度不 同，它们在光纤中走 的路径不同，因此它 们到达另一端点的时 间也不同，这种特征 称为模分散。特别是 阶跃折射率多模光纤， 模分散最严重。这限 制了多模光纤的带宽 和传输距离。
当光线的入射角 1 增大到某一角度 c 时，透射入光疏物质的 折射光则沿界面传播，即 2 ＝90°，称此时的入射角 c 为临界角。 由斯涅尔定律得 n2 临界角仅与介质的 sin c n1 折射率的比值有关
当入射角 1＞ c 时，光线不会透过其界面，而全部反射到光密 物质内部，也就是说光被全反射。根据这个原理，如图所示， 只要使光线射入光纤端面的光与光轴的夹角 0 小于一定值，则 入射到光纤纤芯和包层界面的 角就满足小于临界角 c 的条件， 1 光线就射不出光纤的纤芯。光线在纤芯和包层的界面上不断地 产生全反射而向前传播，光就能从光纤的一端以光速传播到另 一端，这就是光纤传光的基本原理。
成纵波，则无论狭缝怎样放置，弹簧上的纵波都
可以通过狭缝传播到木板的另一侧（如下图）．
通光方向
光是横波, 只有横波有偏振现象 而纵波无偏振现象 偏振:横波的振动方向
偏振光
线偏振光 （完全偏振光）
光振动（电场矢量E的方向）只沿某一固定方向的光 。
E
振动面
v
圆偏振光 ：电场矢量E 的轨迹连线是一个圆形
3．光纤的种类 （2）按光纤的传播模式来分类 根据传输“模”数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。 什么是光纤的传播模式 光纤传输的光波，可以分解为沿轴向传播和沿径向传播的两 种平面波成分。后者在纤芯和包层的界面上会产生全反射。当 2 它在横向往返一次的相位变化为 的整倍数时，将形成驻波。 形成驻波的光线组称为“模”；即一定纤芯和材料的光纤只能 传输有限个“模”的光。
响应时间约为2秒。
3．光纤开关与定尺寸检测装置
光纤开关与定尺寸检测装置是利用光纤中光强度的跳变来测出各 种移动物体的极端位置，如定尺寸、定位、记数等。特别是用于 小尺寸工件的某些尺寸的检测有其独特的优势。 传输光纤 出射光纤 电路板标志检测
功能型光纤传感器 光纤在这类传感器中不仅作为光传播的波导，而且具
有测量的功能。由于光纤既是光电材料又是磁光材料，
所以可以利用法拉第效应（即磁旋效应）等，制成测量 强电流、高电压等的传感器；其次，可利用光纤的传输
特性把输入量变为调制的光信号。因为表征光波特性的
参量，如振幅（光强）、相位和偏振态等会随着光纤的 环境（如应变、压力、温度、电场、射线等）而改变， 故利用这些特性便可实现传感测量。
由上图，可以求出从空气中射入光纤端面的光线能够发生全反射
的入射角满足
，由于
得到光线被“束缚”在光纤里面传播的条件是： 其中
称为光纤的“数值孔径” （计算题： P161的第8题）
一般光纤所处环境为空气, 则n0=1
数值孔径NA的意义: 无论光源发射功率有多大, 只有入射光处
于2θc 的角度范围内, 光纤才能导光。 如入射角过大,超过了该角
度范围,光线经折射后, 便会从包层逸出而产生漏光。NA是光纤的一 个重要参数。要适当选择数值孔径NA的值。
总结：ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ在光纤内传播的条件
（1）对于不弯曲光纤：在满足全反射的条件下，光线就能在纤芯和 包层的界面上不断地产生全反射，呈锯齿形路线在芯内向前传播，
从光纤的一端以光速传播到另一端。
（2）对于弯曲光纤：R—弯曲光纤曲率半径 d—光纤直径
四、光纤传感器
在光通讯系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的
媒质。显然，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界干 扰越小越好。 但是，在实际的光传输过程中，光纤会受到外界因素 的影响，例如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引 起光纤光波参数如光强、相位、频率、、波长等的变化。 因此，如果能测出上述光波参数的变化，就可以知道导致 光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感
1、光强度调制型 光强度调制光纤传感器的基本原理：待测物理量引起光纤
中传输光的光强变化，通过检测光强的变化实现对待测量
的测量。 调制方法大致分为：反射式强度调制、透射式强度调制、 光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等。
下图a)：光纤弯曲时，在纤芯中传输的光有一部分耦合到包层中， 原来光束以大于临界角的角度在纤芯中传播为全内反射，但在弯曲 处，光束以小于临界角的角度入射到界面，部分光逸出，散射到包 层。这种检测原理可以实现对力、位移和压强等物理量的测量。 下图b)：光纤中光强被油滴所调制的情况 ，这是通过改变光纤的折 射率来实现光强调制的方法。
的应用前景。
三、光 纤 传 感 器的基本知识 1、光纤的结构
光纤是光导纤维的简称，形状一般为圆柱形，结构如下图所示。中心的圆 柱体叫纤芯, 围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层由不同掺杂的石英 玻璃制成。纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2 ；在包层外面还常有一层护 套, 多为尼龙材料。由护套维持光纤的机械强度。光纤的传光能力取决于纤芯 和包层的性质, 当满足一定条件时，光就被“束缚”在光纤里面传播。
3、光偏振态调制型（偏振态：光的振动方向）
被测量导致光纤中光的偏振态 发生变化，并能够建进行检测 这种光的偏振态变化的光纤 传感器属于光偏振态调制型。 如右图，是光偏振态调制型 的光纤电流传感器的原理图。 从激光器发出的单色偏振光 进入单模光纤，单模光纤环 图7-29 光纤电流传感器 绕被测的导体（被测电流为I） N圈。在电流I产生的磁场的作用下，单模光纤中的光会发生偏振面的旋 转。其旋转角度与被测电流I的关系为： (KV是磁光系数) 出射的光经棱镜被分成两束振动方向互相垂直的偏振光，分别送入两个 光接收器，把接收光强标准化合成为P, 得到：P=K K 是和光纤特性有关的一个常数，就可以测出被测电流I 。 优点：量程大，灵敏度高
图7-27 光强度调制型光纤传感器原理图
a) 光纤弯曲 b) 折射率变化
2、光相位调制型
其基本原理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变 化，再用干涉测量技术检测相位变化，从而检测出待测的物理量。 常用的干涉仪有四种：迈克尔逊、马赫-琴特、萨古纳克、法布里-珀罗。
图7-28 马赫-琴特干涉仪原理图
图7-30 反射式光纤位移传感器 a) 原理图 b) 位移和输出的关系
下图是瞬逝波多模光纤位移传感器的原理图：两光纤端面斜切，两斜切
面抛光。两斜切面的距离小于光波的波长。则光线在接收光纤中形成全 内反射。接收光纤中耦合到的光量和被测的两斜切面的位移 d的关系曲
线见下图 b) 。这种瞬逝波多模光纤位移传感器量程范围是光波的波长
1、光纤位移传感器 如右图：从发射光纤出射的光经过被 测物体（被测量是位移）的表面被反 射后，由接收光纤传送到光电接收器 件。接收到的光量和被测位移的关系 见右图（b） 右图（b）初始线性段适合测量微小 位移；峰值处适合测量表面粗糙度。 发射光纤和接收光纤的常见组合方式 有3种：混合式、共轴内发射式、对 半分式。 由右图（b）可见： 混合式的灵敏度高； 对半分式的测量范围大。
渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴 线开始沿径向大致按抛物线形成递减，中心轴折射率最大，因 此，光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚， 光纤传播的轨迹类似正弦波形，如图所示，具有光自聚焦效果， 故渐变折射率多模光纤又称为自聚焦光纤。因此渐变折射率多 模光纤的模分散比阶跃型小得多。
二、光 纤 传 感 器的基本原理和用途 光纤传感器是利用光在光纤中传播特性的变化来测量它所 受环境的变化，即用被测量的变化来调制光纤中的光波，使 光纤中的光波参量（幅度、相位、频率）随被测量而变化，
从而得到被测信号大小。
用于压力、应变、位移、速度、加速度、流量、振动、
温度、电流、电压、磁场等各种物理量的测量, 具有极为广泛
数量级，灵敏度可达到纳米量级。
图7-31 瞬逝波光纤位移传感器 a) 原理图 b) 位移与输出的关系
２． 光纤温度传感器 光纤温度传感器根据工作原理可分为相位调制型、 光强
调制型和偏振光型等。这里介绍一种光强调制型的半导体光
吸收型光纤温度传感器, 下页图是这种传感器的结构原理图, 它的敏感元件是一个半导体光吸收器, 光纤用来传输信号。 传感器是由半导体光吸收器、光纤、发射光源和包括光控制 器在内的信号处理系统等组成。它体积小、灵敏度高、 工作 可靠, 广泛应用于高压电力装置中的温度测量等特殊场合。
第四节 光 纤 传 感 器
一、 概述 光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术, 它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。 光纤传感器的优点：不受电磁干扰,电绝缘性能好；体积 小, 重量轻, 可挠曲, 灵敏度高, 耐腐蚀, 易与微机连接, 容易实 现对被测信号的远距离监控，便于遥测等。
R远大于4d时，仍能满足全反射条件，光纤传输损耗很小； R小于4d时， 不满足全反射条件， 光纤传输损耗很大。
3．光纤的种类 （1）按折射率来分类
分为折射率阶跃型光纤和折射率梯度型光纤，如下图所示。 阶跃型光纤：纤芯和包层的折射率不连续，有突变。 梯度型光纤：又称渐变光纤，在中心轴上折射率最大，沿径向由中心向外呈 抛物线逐渐变小，纤芯和包层的交界处n1 = n2 。梯度型光纤是自聚焦光纤 （入射光线会自动从界面向轴心汇聚，但制造困难）