生物医学传感-光纤
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渐变（梯度）折射率光纤：光纤纤芯的折射率沿径 向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折 射率一致。
2020/4/9
13
c、按光纤的传播模式分类
什么是光纤的传播模式
实际中常用归一化频率ν作为确定光纤传输模 数的参数。ν的值可以由纤芯半径r、传输光波波长 λ及光纤的数值孔径NA确定，即:
ν值小于2.41的光纤，纤芯很细(5µm--10µm)，仅能传
例：遮光式光纤温度计
2020/4/9
18
激光二极管
光源
发光二极管
2020/4/9
19
专用的光纤连接头及光纤插座
光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严 格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完 成。
2020/4/9
20
光电转换器件
2020/4/9
21
二、 光纤传感器的工作原理
电
被
电源
2020/4/9
27
1）强度调制型
光源 接收
Y形光纤束
壳体 弹性膜片
P
膜片反射式光纤压力传感器
当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而 使输出光强受到调制。
*
28
微弯光纤压力传感器
F 变形器 F
光纤
S
D
d
在微弯处一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时， 光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯 输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率， 就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移等 物理量。
输基模(截止波长最长的模式)，故称为单模光纤。ν值大
的光纤传输的模数多，称为多模光纤，通常纤芯直径较粗
(几十µm以上)，能传输几百个以上的模。
2020/4/9
14
单模光纤:阶跃型,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。
2020/4/9
15
多模光纤:允许多个模数的光在光纤中同时传播， 模分散最严重。这限制了多模光纤的带宽和传输距离。
类
测
电类传感器
电缆
传
参
电量检测
感
量
器
光纤传感器
光源 光量检测
光缆
光
被
纤
测
传
参
感
量
器
2020/4/9
光纤传感器与电类传感器的对比
22
分类内容
光纤传感器
电类传感器
调制参量
光的振幅、相位、频 电阻、电容、电
率、偏振态
感等
敏感材料
温-光敏、力-光敏、 温-电敏、力-电
磁-光敏
敏、磁-电敏
传输信号 光
电
传输介质 光纤、光缆
MM
c
MM
b
MM
b
注：2M02M0/4多/9 模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型 26
2 光调制和解调
➢ 光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频 率和波长等方式。
➢ 光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载 波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。
➢ 在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光 携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探 测器进行检测。
无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，
成本低；但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高
的场合。
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25
光纤传感器的分类
传感器
光学现象
被测量
光纤
分类
干 涉 型
相位 调制 光纤 传感
干涉（磁致伸缩） 干涉（电致伸缩） Sagnac效应 光弹效应
电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移
6
光纤的拉制
2020/4/9
7பைடு நூலகம்
2.传光原理
光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。
2020/4/9
8
光在两介质界面上的折射和反射
2020/4/9
9
NA——定义为“数值孔径”。它是衡量光纤集光性能 的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有
2θ0张角内的光，才能被光纤接收、传播(全反射)； NA愈大，光纤的集光能力愈强。产品光纤通常不给出
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16
渐变折射率多模光纤: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，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。
2020/4/9
17
4.光纤传感器的基本组成 构成光纤传感器除光导纤维之外，还必须有光
源和光探测器，另外还有一些光无源器件。
SM、PM
a
SM、PM
a
SM、PM
a
SM、PM
a
器
干涉
温度
SM、PM
a
遮光板遮断光路
温度、振动、压力、加速度、位移
MM
b
半导体透射率的变化 温度
MM
b
强度调制 荧光辐射、黑体辐射 温度
MM
b
非 光纤温度 光纤微弯损耗
振动、压力、加速度、位移
SM
b
传感器 振动膜或液晶的反射 振动、压力、位移
MM
b
气体分子吸收
第十章 光纤传感器
2020/4/9
1
光纤-信息时代的神经
光纤通讯系统
2020/4/9
光 纤
光纤之父-2009诺贝尔奖获得者高2 锟
医学应用
光纤连接的激光手术刀
2020/4/9
光纤内窥镜
3
艺术应用
动 态 图 案
2020/4/9
4
光纤传感
光纤传感技术就是将温度、 压力、电场、磁场等环境因素的 变化转化为光波量的变化的技术。
电线、电缆
2020/4/9
23
1、 光纤传感器分类 a．功能型光纤传感器
将“传”和“感”合为一体的传感器。
由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。这 类传感器主要使用单模光纤。
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24
b．非功能型(传光型)光纤传感器
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。
折射率，而只给出NA。石英光纤的NA=0.2-0.4。
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11
3.光纤的种类
a、按材料分类 1) 高纯度石英(SiO2)玻璃纤维 2) 多组分玻璃光纤 3) 塑料光纤 4）复合光纤 5）掺氟光纤 6）氟氯化物光纤 ……
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12
b、按折射率分类
阶跃折射率光纤：在纤芯和包层的界面上，纤芯的 折射率不随半径而变,但在纤芯与包层界面处折射率有 突变。
气体浓度
MM
b
干
光纤漏泄膜
液位
MM
b
偏振调 法拉第效应 制光纤 泡克尔斯效应 涉 温度传 双折射变化 感器 光弹效应
电流、磁场 电场、电压、 温度 振动、压力、加速度、位移
SM
b,a
MM
b
SM
b
MM
b
型 频率调制 多普勒效应 光纤温度 受激喇曼散射 传感器 光致发光
速度、流速、振动、加速度 气体浓度 温度
光纤传感器通过光纤把输入 变量转换成调制的光信号。
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。
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一、 光纤传感器基础
1.光纤的结构 光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、
塑料等)构成的光通路。光纤的结构如图所示:
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c、按光纤的传播模式分类
什么是光纤的传播模式
实际中常用归一化频率ν作为确定光纤传输模 数的参数。ν的值可以由纤芯半径r、传输光波波长 λ及光纤的数值孔径NA确定，即:
ν值小于2.41的光纤，纤芯很细(5µm--10µm)，仅能传
例：遮光式光纤温度计
2020/4/9
18
激光二极管
光源
发光二极管
2020/4/9
19
专用的光纤连接头及光纤插座
光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严 格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完 成。
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20
光电转换器件
2020/4/9
21
二、 光纤传感器的工作原理
电
被
电源
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1）强度调制型
光源 接收
Y形光纤束
壳体 弹性膜片
P
膜片反射式光纤压力传感器
当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而 使输出光强受到调制。
*
28
微弯光纤压力传感器
F 变形器 F
光纤
S
D
d
在微弯处一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时， 光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯 输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率， 就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移等 物理量。
输基模(截止波长最长的模式)，故称为单模光纤。ν值大
的光纤传输的模数多，称为多模光纤，通常纤芯直径较粗
(几十µm以上)，能传输几百个以上的模。
2020/4/9
14
单模光纤:阶跃型,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。
2020/4/9
15
多模光纤:允许多个模数的光在光纤中同时传播， 模分散最严重。这限制了多模光纤的带宽和传输距离。
类
测
电类传感器
电缆
传
参
电量检测
感
量
器
光纤传感器
光源 光量检测
光缆
光
被
纤
测
传
参
感
量
器
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光纤传感器与电类传感器的对比
22
分类内容
光纤传感器
电类传感器
调制参量
光的振幅、相位、频 电阻、电容、电
率、偏振态
感等
敏感材料
温-光敏、力-光敏、 温-电敏、力-电
磁-光敏
敏、磁-电敏
传输信号 光
电
传输介质 光纤、光缆
MM
c
MM
b
MM
b
注：2M02M0/4多/9 模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型 26
2 光调制和解调
➢ 光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频 率和波长等方式。
➢ 光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载 波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。
➢ 在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光 携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探 测器进行检测。
无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，
成本低；但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高
的场合。
2020/4/9
25
光纤传感器的分类
传感器
光学现象
被测量
光纤
分类
干 涉 型
相位 调制 光纤 传感
干涉（磁致伸缩） 干涉（电致伸缩） Sagnac效应 光弹效应
电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移
6
光纤的拉制
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7பைடு நூலகம்
2.传光原理
光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。
2020/4/9
8
光在两介质界面上的折射和反射
2020/4/9
9
NA——定义为“数值孔径”。它是衡量光纤集光性能 的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有
2θ0张角内的光，才能被光纤接收、传播(全反射)； NA愈大，光纤的集光能力愈强。产品光纤通常不给出
2020/4/9
16
渐变折射率多模光纤: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，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。
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4.光纤传感器的基本组成 构成光纤传感器除光导纤维之外，还必须有光
源和光探测器，另外还有一些光无源器件。
SM、PM
a
SM、PM
a
SM、PM
a
SM、PM
a
器
干涉
温度
SM、PM
a
遮光板遮断光路
温度、振动、压力、加速度、位移
MM
b
半导体透射率的变化 温度
MM
b
强度调制 荧光辐射、黑体辐射 温度
MM
b
非 光纤温度 光纤微弯损耗
振动、压力、加速度、位移
SM
b
传感器 振动膜或液晶的反射 振动、压力、位移
MM
b
气体分子吸收
第十章 光纤传感器
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1
光纤-信息时代的神经
光纤通讯系统
2020/4/9
光 纤
光纤之父-2009诺贝尔奖获得者高2 锟
医学应用
光纤连接的激光手术刀
2020/4/9
光纤内窥镜
3
艺术应用
动 态 图 案
2020/4/9
4
光纤传感
光纤传感技术就是将温度、 压力、电场、磁场等环境因素的 变化转化为光波量的变化的技术。
电线、电缆
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1、 光纤传感器分类 a．功能型光纤传感器
将“传”和“感”合为一体的传感器。
由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。这 类传感器主要使用单模光纤。
2020/4/9
24
b．非功能型(传光型)光纤传感器
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。
折射率，而只给出NA。石英光纤的NA=0.2-0.4。
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2020/4/9
11
3.光纤的种类
a、按材料分类 1) 高纯度石英(SiO2)玻璃纤维 2) 多组分玻璃光纤 3) 塑料光纤 4）复合光纤 5）掺氟光纤 6）氟氯化物光纤 ……
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12
b、按折射率分类
阶跃折射率光纤：在纤芯和包层的界面上，纤芯的 折射率不随半径而变,但在纤芯与包层界面处折射率有 突变。
气体浓度
MM
b
干
光纤漏泄膜
液位
MM
b
偏振调 法拉第效应 制光纤 泡克尔斯效应 涉 温度传 双折射变化 感器 光弹效应
电流、磁场 电场、电压、 温度 振动、压力、加速度、位移
SM
b,a
MM
b
SM
b
MM
b
型 频率调制 多普勒效应 光纤温度 受激喇曼散射 传感器 光致发光
速度、流速、振动、加速度 气体浓度 温度
光纤传感器通过光纤把输入 变量转换成调制的光信号。
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。
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5
一、 光纤传感器基础
1.光纤的结构 光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、
塑料等)构成的光通路。光纤的结构如图所示:
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