光纤传感器的基础一

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。
一、强度调制与解调 光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载波光
强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。 光强度变化可以直接用光电探测器进行检测。
Vd HL
费尔德常数，表征 法拉第效应的大小 H：磁场强度 L：作用距离
采用YIG的光学式磁场传感器
（3）光弹效应 光弹效应又称应力双折射：在垂直于光波传播方向施 加应力，材料将产生双折射现象，其强弱正比于应力。
偏振光的相位变化： 2kpl /
三、相位调制与解调
基本原理：通过被测能量场的作用，使能量场中的一段 敏感单模光纤内传播的光波发生相位变化，利用干涉测 量技术把相位变化变换为振幅变化，再通过光电探测器 进行检测。
（4）利用折射率变化的光强度调制
利用折射不同进行光 强度调制的原理包括： ①利用被测物理量引起 传感材料折射率的变化； ②利用渐逝场耦合； ③利用折射率不同的介 质之间的折射与反射。
（5）光纤的吸收实现光强度调制
在光纤芯中掺入特殊材料，改变光纤的吸收特性。 如掺入产生吸收光谱的材料，由于光纤的吸收损耗 的增大导致输出功率的降低；或掺入产生荧光的杂质， 利用外来辐射激发光纤，检测荧光。
第7章 光纤传感检测技术
关于光纤传感器：
1. 从原理上看，以光学技术为基础，将测量对象的状 态变成光信号的形式取出；从材料上看以石英为主， 适于在高电压、电磁干扰、海水下以及化学腐蚀气 氛等环境条件下使用。
2. 光纤是优越的低损耗传输线，使用时可不必考虑测 量设备与被测对象的相对位置，可用于一般电子传感 器难以适应的场合。
PL 总光功率 Ps 信号功率
二、偏振调制与解调
光波是横波。
S
E
自然光 线偏振光（平面偏振光） 圆偏振光 椭圆偏振光 部分偏振光
利用外来因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏 振面的旋转（即偏振态的变化）来检测物理量，称 为偏振调制。
光纤传感器中的偏振调制器常利用电光、磁光、光 弹等物理效应。
强度调制与解调原理图
1. 几种常用的光强调制技术
（1）微弯效应
当垂直于光纤轴线 的应力使光纤发生弯 曲时，传输光有一部 分会泄漏到包层中去。
（2）反射式光强度调制
光强大小与光纤端面和被测物体间距离有关
探头结构
（3）透射式光强度调制 利用透射实现的光强度调制途径： ① 线性位移、角位移
② 利用光闸（遮光板）进行强度调制 光闸类型：光开关、光劈、可动透镜、光栅、莫尔条纹
7.1 光纤传感器的基础
一、光纤波导原理
斯涅尔(Snell)定律
n1 sin 1 n2 sin 2
临界角
sin c

n2 n1
存在的问题：
表面污染引起能量损耗 解决方案：
完整光纤模型：
光线由折射率为n0的外界介质 (空气n0=1)射入纤芯时实现全反 射的临界角(始端最大入射角)为
sin c
2. 强度调制的解调
强度调制型光纤传感器的关键是信号功率与噪声功率
之比要足够大
信号电流
is2

e

h
Ps
2
功率信噪比
SNRp

i
2 phN
is2 iT2
id2N
光电检测器噪声电流
光信号噪声电流
i
2 phN


2e
e h
PL f
前置放大器输入端等效电阻热噪声电流 iT2 4kTf / RF
光纤传感器分类
四.光纤传感器的发展趋势 1.当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器
的主要研究对象。 2. 集成化光纤传感器。 3.多功能全光纤控制系统。 4.充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系
统。 5.开辟新领域。
7.2 光纤的光波调制技术
光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频 率和波长等方式。
瑞利散射
③ 其它损耗： 菲涅耳（Fresnel）反射
菲涅耳反射
3. 其它分类方式
按纤芯和包层材料性质分类： 玻璃光纤
塑料光纤
按传输模式分类：
单模光纤
多模光纤
按用途分类： 通信光纤 特殊光纤
低双折射光纤 高双折射光纤 涂层光纤 液芯光纤 激光光纤 红外光纤
三、光纤传感器分类
光纤传感器一般可分为两大类： ① 功能型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又
1. 调制原理 （1） 普克耳（Pockels）效应
当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高电压， 晶体将呈现双折射现象——普克耳效应。
两正交的偏振光的相位 变化：
n03reU l 0 d
普克耳效应的应用
（2） 法拉第磁光效应 法拉第磁光旋转是一种磁感应旋光性 平面偏振光通过带磁性的物体（或磁场）时，其偏振光 面发生偏转，光矢量旋转角：

1 n0
n12 n22 NA
NA——定义为“数值孔径”。
它是衡量光纤集光性能的主要
参数。
二、光纤的特性与分类 1.
ຫໍສະໝຸດ Baidu
光纤运动路径不同，使得光脉冲沿光纤展宽 ——色散 改善方法： 速度补偿
阶跃光纤
梯度光纤
阶跃光纤 梯度光纤
2. 损耗 ① 吸收损耗：
紫外吸收、红外吸收、杂质吸收
② 散射损耗： 瑞利（Rayleigh）散射、拉曼（Raman）散射
称FF型光纤传感器 利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又 称传感型光纤传感器。
② 非功能传感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器
利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光 的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光 信号，因此，也称传光型光纤传感器。
3.光纤传感器与光电检测器件、电子装置有良好的兼容。
光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器（FOS） 与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能力 强、高灵敏度 、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简 单、以及与光纤传输线路相容等。
光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯 曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿 度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理 量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。