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1、光纤传感技术光纤传感技术 廖常锐廖常锐 Email: Email: cliaocliaoszu.ed Tel: Tel: 1501291150815012911508 ( (短号短号6 66150861508) ) 光电工程学院光电工程学院344344室室( (办办) )、218218室室( (实实) ) 1 参考教材参考教材 光纤传感技术 清华大学出版社，廖延 彪等 光纤光学原理与应用清华大学出版社， 廖延彪 光纤光栅原理及应用科学出版社， 饶 云江、王义平等 2 课程安排课程安排 课程教学（课程教学（60%60%） 熟悉并掌握光纤传感技术、光纤光学的基本知识。 学术讲座（学术讲座（20%2
2、0%） 邀请光纤传感研究团队的博士后做最新研究进展学术报告。 实验教学（实验教学（20%20%） 安排学生到光纤传感技术实验室做实验，熟悉并掌握光纤传感技术 的基本技能。 鼓励有兴趣的学生到光纤传感实验室做自己想做的任何实验，鼓励鼓励有兴趣的学生到光纤传感实验室做自己想做的任何实验，鼓励 大家进行交叉学科的研究。大家进行交叉学科的研究。 3 课程考核方式课程考核方式 出勤率（出勤率（2020%） 课堂表现（课堂表现（20%20%） 课程论文（课程论文（6060%） 4 本节内容 1.概述 2.光纤光学基本原理 3.光纤传感器基本原理 4.光纤传感器分类 5.主要应用领域 6.关键技术 7.小结
3、 光纤传感技术 1 传感器技术: 感知获取信息的窗口 智能信息系统的“五官” 光纤传感器: 特点:以光波为信息载体,以光纤为传输媒质 优点：灵敏度高; 抗电磁干扰；耐恶劣环境; 质轻体小; 安全可靠; 传输容量大 应用范围:可用于七十多个物理量的测量 1. 概述概述 光纤通讯的历史光纤通讯的历史 1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)发表了关于 传输介质-光纤新概念的论文 1970年，美国康宁(Corning)以及贝尔研制成功损 耗20dB/km的石英光纤 1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降 低到0.47 dB/km(波长1.2m)。 1980 年，美国标准化FT -
4、 3光纤通信系统投入商 业应用 1989年，第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底 光缆通信系统建成 光纤传感器技术的形成 光纤传感器技术是随着光导纤维实用化与光通信 技术的发展而形成的。 光纤作为远距离传输光 波信号的媒质，最早用于光通信技术中。 但是,在实际光通信过程中发现,光纤受到外界环 境因素的影响,如压力、温度、电场、磁场等环 境条件变化时，将引起光纤传输的光波量，如光 强、相位、颇率、偏振态等变化。因此科技人 员推测如果能测量出光波量变化的大小，就可 以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、 磁场等物理量的大小于是就出现了光纤传感器 技术。 光纤传感器技术是本世纪70年
5、代末发展起来的一 门崭新的技术，是传感器技术的新成就。 光纤传感器(FOS-Fiber Optical Sensor) 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的区别。 光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用 光纤作为传输敏感信息的媒质。由于它同 时具有光纤和光学测量的特点，因此经过 三十多年的发展，已经研究和开发出上百 种各种类型的光纤传感器。 可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感 器 便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统 的遥测和控制 可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境 结构简单、体积小、重量轻、能耗低 高灵敏度 光纤传感器可测量位移、应变
6、、液位、速度、加速 度、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场、 气体等。 优点 本节内容 1.概述 2.光纤光学基本原理 3.光纤传感器基本原理 4.光纤传感器分类 5.主要应用领域 6.关键技术 7.小结 光纤光学的基本理论 光纤光学 研究光波在光纤中传播特性的科学，包括基 本原理、器件、系统。 光纤的定义 光纤是一种介质圆柱光波导，所谓“光波导” 是指能够约束并导引光波在其内部或表面附 近沿其轴线方向传播的传输介质。 结构：由纤芯、包层、涂敷层、护套构成。 光纤的结构 对称柱体光学纤维对称柱体光学纤维 多层介质结构多层介质结构 1.纤芯：石英玻璃，直径5-75微米， 材料以二氧化硅为主
7、，掺杂微量 元素,提高n。 2.包层：直径100-200微米，折射率 略低于纤芯,SiO2。 3.涂敷层：硅酮或丙烯酸盐-用于 隔离杂光。 4.护套：尼龙或其他有机材料-提 供光纤机械强度,保护光纤。 特殊场合：没有涂敷层和护套 - 裸纤 光在光纤中的传播 全反射 光纤的重要参数 1. 数值孔径NA 和 分别是光纤纤芯和包层的折射率。 1 n 2 n 光纤光学基本原理 几何光学方法几何光学方法：光纤芯径远大于光波波长时，可以近似 认为0，从而将光波近似看成由一根一根光线所构成， 因此可采用几何光学方法来分析光线的入射、传播轨迹以 及时延（色散）和光强分布等特性，这种分析方法即为光 线理论。 优
8、点：简单直观，适合于分析芯径较粗的多模光纤。 缺点：不能解释诸如模式分布、包层模、模式耦合以及光 场分布等现象，分析单模光纤时存在很大误差。 波动光学方法波动光学方法：是一种严格的分析方法，从光波是电磁波 这一本质出发，通过求解电磁波所遵从的麦克斯韦方程， 导出电磁波的场分布。 优点：具有理论上的严谨性，未作任何的前提近似，因此 适用于各种折射率分布的单模和多模光纤。 缺点：分析过程较为复杂。 2.传播模式 根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程，考虑到光纤 圆柱波导和纤芯-包层界面处的几何边界条件时， 则只存在波动方程的特定(离散)的解。不同的允许 存在的解代表许多离散的沿波导轴传播的波。每一 个
9、允许传播的波称为模式。每个波具有不同的离散 的振幅和速度。采用“V值”表述光在阶跃型折射 率光纤中的传播特性: 式中，a为纤芯半径， 为入射光在真 空中的波长(真空中的光波长近似等于 光在空气中的波长)。归一化频率是表 征有多少个模式能在光纤中传播的一 个参数，用符号V表示。光纤V值越大， 则光纤所能拥有的模式多，即允许传 输的模式(不同的离散波)数越多。当V 值低于2.404时，只允许一个波或模式 在光纤中传输。即圆柱波导的“单模 条件”是： 0 在光导纤维中，传播模式很多对在光导纤维中 信息传输是不利的。因为同一光信号采取很多 模式传播,就会使这一光信号分为不同时间到达 接收端的多个小信号
10、，从而导致合成信号的畸 变。 在信息传输中一般希望模式数量越少越好。希望 V小，纤芯直径d=2a不能太大，一般为几个微米， 不能超过几十微米。另外， 与 之差很小(例 如,一般纤芯折射率 可能是1.46,而包层折射率 可能是1.44) 。一般要求 与 之差不大于 1.4%6.2%。 1 n 2 n 1 n 2 n 2 n 1 n 3. 传播损耗 4. 色散 光纤的色散是指光脉冲在光纤中传播时，由于光的 群速不同而产生的脉冲展宽现象。 光纤传感技术 2 本节内容 1.光纤传感器基本原理 2.光纤传感器分类 3.主要应用领域 4.关键技术 5.小结 光纤的分类 按用途类型分类 通信用光纤； 非通信
11、用光纤； 特种光纤。 按折射率变化类型分类 按纤芯到包层折射率变化可分为阶跃折射率光纤 （a）和渐变折射率光纤（b）。 按传播模式种类分类 单模光纤 (只允许一个模式传播的光纤) （常用标识：9/125） （通信用标准单模光纤芯径为9 m，包层直径为125 m，涂层 直径245 m 。） 多模光纤 （光纤中允许两个或更多的模式 传播） （常用标识： 50/125、62.5/125） （通信用标准多模光纤芯径为50 m，包层直径为125 m，涂层 直径245 m 。国际电报电话咨 询委员会推荐多模光纤的芯-包半 径比为0.4） 常用光纤的尺寸 50/125 graded index MM fib
12、er (NA=0.20) 62.5/125 graded index MM fiber (NA=0.275) 100/140 graded index MM fiber (NA=0.29) 200/230 step index MM fiber (NA=0.37) 200/280 step index MM fiber (NA=0.24) SMF-28 SM fiber (9-10m core) Payout SM fiber (6-7m core) 1300/1550nm PANDA PM fiber 按材料分类 高纯度石英玻璃纤维：光损耗比较小， 不易于耦合。 多组分玻璃光纤：由常规玻璃制
13、成，损 耗也很低。 塑料光纤：由导光塑料制成，其损耗大， 但重量轻，成本低，柔软性好，易于耦 合。 光纤传感基本原理 一、光纤传感器结构原理和分类 本节内容 1.光纤传感器基本原理 2.光纤传感器分类 3.主要应用领域 4.关键技术 5.小结 光纤传感器的主要应用领域 军事传感器军事传感器 光纤制导武器、光纤陀螺、光纤水听器、光纤加 速度计、光纤压力传感器、光纤灵巧蒙皮、光 纤战地化学传感器。 智能系统智能系统 光纤机器人、智能制造与柔性加工、电力继电 保护与火灾报警、发动机内部故障诊断、智能 大厦 医用传感器医用传感器 胃镜、神经修复、外科手术监测。 光纤传感器的关键技术 小结 光纤的结构以
14、及光在光纤中的传播原理 光纤的分类 光纤传感器的原理和分类 思考题： 多模光纤和单模光纤的区别？ 二、强度调制光纤传感器 引起光纤产生微弯的变形器 1. 光纤微弯传感器 光纤微弯传感器是利用光纤的微弯损耗光纤的微弯损耗 来检测外界物理量的变化。 一根多模光纤从一对机械变形器中间通 过。当变形器受到压力作用时，光纤沿轴 线产生周期性微弯曲。光纤的弯曲会引起 光纤中的传导模与辐射模之间产生耦合， 从而使一部分导模泄漏到包层中去。通过 检测纤芯中的传导光功率，就能测量出与 之成一定关系的压力的大小。 光纤位移传感器的结构 2. 反射式光纤位移传感器 反射式光纤位移传感器的工作原理是：根 据被测目标表
15、面光反射至接收光纤（束）的光 强度变化来测量被测表面距离的变化。所使用 光纤束的特性是影响这种类型光纤传感器的灵 敏度的主要因素之一。一般在光纤探头的端部, 发射光纤与接收光纤有以下四种分布： (a)随机分布； (b)半球形对开分布； (c)共轴内发射分布； (d)共轴外发射分布。 具体结构如下图所示。 发射光纤与接收光纤的四种分布 光缆的种类很光缆的种类很 多，以上是两多，以上是两 种光缆的断面种光缆的断面 结构示意图结构示意图 架空光缆的施工架空光缆的施工 地下光缆的地下光缆的 水下光缆的敷设水下光缆的敷设 位移-输出信号曲线 一个典型位移输出曲线如图所示。在位移-输出曲 线的前坡区，输出
16、信号的强度增加得非常快,这一区域 可以用来进行微米级的位移测量。在后坡区，信号的 减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比，可 用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测 量。 3. 反射式光纤压力传感器 光纤传感技术 3 5. 折射率调制光纤传感器 (1)球面光纤液位传感器 光由光纤的一端导入，在 球状对折端部一部分光透射出 去，而另一部分光反射回来， 由光纤的另一端导向探测器。 反射光强的大小取决于被测介 质的折射率。被测介质的折射 率与光纤折射率越接近,反射光 强度越小。显然,传感器处于空 气中时比处于液体中时的反射 光强要大。因此，该传感器可 用于液位报警。若以探头在空 气中时的反射光强度为基准， 则当接触水时反射光强变化 6dB7dB，接触油时变化 25dB30dB。 (2) 斜端面光纤液位传感器 (3) 单光纤液位传感器 三
