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1、第第7章光纤传感技术章光纤传感技术 光纤传感光纤传感:一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外 界信号一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外 界信号(被测量被测量)的传感技术。的传感技术。 光纤传感的优点光纤传感的优点:无源性、无毒、化学惰性、绝缘性、极 宽的信号带宽、无源性、无毒、化学惰性、绝缘性、极 宽的信号带宽、“传传”“感感”合一、灵敏度高、响应速度 快、动态范围大、抗电磁干扰等。合一、灵敏度高、响应速度 快、动态范围大、抗电磁干扰等。 光纤传感器始于低损耗光纤问世不久的光纤传感器始于低损耗光纤问世不久的70年代中期，随 着光纤及光纤通信技术而发展，目前已成为一个种类繁 多的传感大家
2、族。年代中期，随 着光纤及光纤通信技术而发展，目前已成为一个种类繁 多的传感大家族。 本章内容：本章内容：光纤传感器的分类及优点，介绍几类重要的 光纤传感器（光纤法珀传感器、光纤白光干涉传感器、 光纤陀螺传感器、光纤光栅传感器等）。主要介绍传感 器的基本原理、解调方法及简单的应用技术。光纤传感器的分类及优点，介绍几类重要的 光纤传感器（光纤法珀传感器、光纤白光干涉传感器、 光纤陀螺传感器、光纤光栅传感器等）。主要介绍传感 器的基本原理、解调方法及简单的应用技术。光纤传感的基本思路光纤传感的基本思路：被传感参数被传感参数（如外界环境因素温度、压力、辐射 等）（如外界环境因素温度、压力、辐射 等）
3、改变光纤中传输的光波的特征参量改变光纤中传输的光波的特征参量（如振 幅、相位、波长或频率、偏振态、以及模式 等），通过（如振 幅、相位、波长或频率、偏振态、以及模式 等），通过测量光纤中传输光波的特征参量的变 化，测量光纤中传输光波的特征参量的变 化，以以获取被传感参量的信息获取被传感参量的信息。这就间接实现了 引起环境因素变化的相应物理量的测量。这就间接实现了 引起环境因素变化的相应物理量的测量。另外，另外，光纤也可作为光波的传输媒介光纤也可作为光波的传输媒介。 故传感合一故传感合一 7.1.1基本结构基本结构 光纤传感器组成：光源、信号传输光纤、传感头、 光电转换及信号处理，光纤传感器组成
4、：光源、信号传输光纤、传感头、 光电转换及信号处理，结构如图结构如图7.1。 光波作为载波经入射光纤传输到传感头，光波的某些 特征参量在传感头内被外界物理量所调制，含有被调 制信息的光波经出射光纤传输到光电转换部分，经解 调后就能得到被测物理量的大小和状态。光波作为载波经入射光纤传输到传感头，光波的某些 特征参量在传感头内被外界物理量所调制，含有被调 制信息的光波经出射光纤传输到光电转换部分，经解 调后就能得到被测物理量的大小和状态。 光波的频率很高，是多维（强度、频率或波长、相 位、偏振态等）信号载体，所以其信息量大。光波的频率很高，是多维（强度、频率或波长、相 位、偏振态等）信号载体，所以
5、其信息量大。图7.1 光纤传感器工作原理示意图7.1.2光纤传感器的分类光纤传感器的分类1. 按照光纤在传感系统中的功能分按照光纤在传感系统中的功能分 光纤对外界信号光纤对外界信号(被测量被测量)的功能有两种的功能有两种:感知和传输感知和传输。 感知感知(或敏感或敏感)：是指外界信号按照其变化规律使光纤中 传输的光波的物理特征参量，如强度是指外界信号按照其变化规律使光纤中 传输的光波的物理特征参量，如强度(功率功率)、波长、 频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化 即、波长、 频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化 即“感知感知”外界信号的变化。这种外界信号的变化。这种“感知感
6、知”实质上是外界 信号对光纤中传播的光波实施调制。实质上是外界 信号对光纤中传播的光波实施调制。 传输：传输：是指光纤将受外界信号调制的光波传输到光探测 器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要 进行数据处理，也就是解调。是指光纤将受外界信号调制的光波传输到光探测 器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要 进行数据处理，也就是解调。 因此，因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术。外界信号对传感光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区。外界信号对传感光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区。根 据调制区与光纤的关系，可将调制分为两大类：根 据调
7、制区与光纤的关系，可将调制分为两大类： 一为功能型调制一为功能型调制：调制区位于光纤内，外界信号通过直接改变光 纤的某些传输特征参量对光波实施调制。这类光纤传感器称为 功能型：调制区位于光纤内，外界信号通过直接改变光 纤的某些传输特征参量对光波实施调制。这类光纤传感器称为 功能型(Functional Fiber，简称，简称FF型型)或本征型光纤传感器，也 称内调制型传感器。光纤同具或本征型光纤传感器，也 称内调制型传感器。光纤同具“传传”和和“感两种功能。感两种功能。 一般，与光源耦合的发射光纤同与光探测器耦合的接收光纤为一 根连续光纤，称为传感光纤。故功能型光纤传感器亦称全光纤 型或传感型
8、光纤传感器。如光纤微弯压力传感器。一般，与光源耦合的发射光纤同与光探测器耦合的接收光纤为一 根连续光纤，称为传感光纤。故功能型光纤传感器亦称全光纤 型或传感型光纤传感器。如光纤微弯压力传感器。 二为非功能型调制二为非功能型调制，调制区在光纤之外，外界信号通过外加调制 装置对进入光纤中的光波实施调制。这类光纤传感器称为非功 能型，调制区在光纤之外，外界信号通过外加调制 装置对进入光纤中的光波实施调制。这类光纤传感器称为非功 能型(Non Functional Fiber，称，称FF型型)或非本征型光纤传感器。或非本征型光纤传感器。 发射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用，称传光光纤。非功能 型光纤
9、传感器也称传光型光纤传感器或外调制型光纤传感器。发射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用，称传光光纤。非功能 型光纤传感器也称传光型光纤传感器或外调制型光纤传感器。 注意：注意：利用集成光波导，可在需要测量的点将利用集成光波导，可在需要测量的点将传输光纤传输光纤与与传感光 纤传感光 纤（或光波导）集成在一起。如集成光波导电压传感器、分布 式光纤光栅传感器等。这时传光和传感用光纤成为一个整体。（或光波导）集成在一起。如集成光波导电压传感器、分布 式光纤光栅传感器等。这时传光和传感用光纤成为一个整体。2. 按照光纤中光被调制的方式（参数）分按照光纤中光被调制的方式（参数）分 光强调制型：用 光强调制型
10、：用输出光强的变化来表示被测物理量。输出光强的变化来表示被测物理量。 特点：特点：探头结构简单，被测对象广泛。探头结构简单，被测对象广泛。缺点：缺点：抗干扰 能力差（影响光强的因素太多：光纤振动、弯曲、温 度、光源、光路等）抗干扰 能力差（影响光强的因素太多：光纤振动、弯曲、温 度、光源、光路等） 相位调制型 相位调制型：以光纤中光的相位变化来表示被测物理 量。：以光纤中光的相位变化来表示被测物理 量。特点：特点：光频太高，需相干解调，即要参考光路与 传感光路相干；光纤中光的相位很敏感，故其灵敏度 高。光频太高，需相干解调，即要参考光路与 传感光路相干；光纤中光的相位很敏感，故其灵敏度 高。缺
11、点缺点：有串音：有串音(cross talking)，易受多种环境量如 振动、温度等的干扰（灵敏性决定的）。，易受多种环境量如 振动、温度等的干扰（灵敏性决定的）。 偏振态调制型 偏振态调制型：以光纤中光的偏振态的变化来表示被 测量。：以光纤中光的偏振态的变化来表示被 测量。特点特点：用检偏器进行解调。可用磁光效应、电 光效应和光弹效应等进行电磁场、应力等的测量。：用检偏器进行解调。可用磁光效应、电 光效应和光弹效应等进行电磁场、应力等的测量。缺 点缺 点：光纤中光的偏振态易受振动、温度等的影响，：光纤中光的偏振态易受振动、温度等的影响，需 要有补偿措施需 要有补偿措施。 波长调制型 波长调制
12、型，一般采用宽带光源，利用传感部分的 选频特性来调制出射光的波长，从而得到被测量的大 小。，一般采用宽带光源，利用传感部分的 选频特性来调制出射光的波长，从而得到被测量的大 小。特点特点：一般需频谱仪解调；光纤中光的波长很稳 定，故可靠性高，抗干扰能力强。：一般需频谱仪解调；光纤中光的波长很稳 定，故可靠性高，抗干扰能力强。缺点：缺点：光谱的变化 占用很宽的信道，传感头和解调的费用较高。光谱的变化 占用很宽的信道，传感头和解调的费用较高。 频率调制型频率调制型，利用，利用Doppler效应、非线性效应、非线性Kerr效应 （如效应 （如Bullioun和和Raman散射）的光纤传感器。散射）的
13、光纤传感器。特点：特点： 利用相干解调，主要用于位移、速度和温度等的测 量。利用相干解调，主要用于位移、速度和温度等的测 量。注意：注意：由于光频很高，现有光探测器只能响应光强度， 不能直接响应光频、波长、相位和偏振态等参量。因 此光频率、波长、相位和偏振调制信号都要转换为强 度信号，才能为光探测器接收，实现检测。由于光频很高，现有光探测器只能响应光强度， 不能直接响应光频、波长、相位和偏振态等参量。因 此光频率、波长、相位和偏振调制信号都要转换为强 度信号，才能为光探测器接收，实现检测。不同的转 换方法就构成不同的传感系统。不同的转 换方法就构成不同的传感系统。3. 按照被测对象分按照被测对
14、象分光纤光纤温度温度传感器；传感器； 光纤光纤位移位移传感器；传感器； 光纤光纤流量流量传感器；传感器； 光纤光纤压力压力传感器；传感器； 光纤光纤电流电流传感器；传感器； 光纤光纤陀螺陀螺仪；仪；医用光纤传感器医用光纤传感器等等。4、其它分类：、其它分类：按照测量参数的多少分：按照测量参数的多少分：单参数光纤传感器、双参数光 纤传感器、多（包括三）参数光纤传感器；单参数光纤传感器、双参数光 纤传感器、多（包括三）参数光纤传感器； 按照测量点的多少及分布形式分为：按照测量点的多少及分布形式分为：分布式或准分布式 光纤传感器、点式光纤传感器。分布式或准分布式 光纤传感器、点式光纤传感器。 注意注
15、意：分布式分布式光纤传感器是发展趋势，需要传感被测量 及其与空间位置的对应关系（即需地址编码）。最简 单的地址编码是不同光纤代表不同点（空分复用）， 如传象光纤束就是用这种编码方式的分布式传感器， 其解调简单，但不适合于长距离及众多点的测量。光纤传感器是发展趋势，需要传感被测量 及其与空间位置的对应关系（即需地址编码）。最简 单的地址编码是不同光纤代表不同点（空分复用）， 如传象光纤束就是用这种编码方式的分布式传感器， 其解调简单，但不适合于长距离及众多点的测量。串行地址编码更适应大容量传感，有串行地址编码更适应大容量传感，有两种基本编码法：两种基本编码法： 一一光时域反射光时域反射（OTDR
16、）法（时分复用），）法（时分复用），二二光谱反射法光谱反射法（或波分复用）。（或波分复用）。7.1.3 功能型光纤传感器功能型光纤传感器按照光纤在传感器中的作用分：非功能型器件和 功能型器件，功能型光纤传感器有按照光纤在传感器中的作用分：非功能型器件和 功能型器件，功能型光纤传感器有“传传”“感感”合 一的特点。合 一的特点。 本书介绍三种功能型光纤传感器：本书介绍三种功能型光纤传感器：强度强度调制型光 纤传感器、调制型光 纤传感器、相位相位调制型光纤传感器、调制型光纤传感器、偏振偏振调制 型光纤传感器。调制 型光纤传感器。一、 强度调制型光纤传感器一、 强度调制型光纤传感器1. 基本原理基本原理 强度型光纤传感器的一般结构如图强度型光纤传感器的一般结构如图7.2。被测参数通过传感元件对 光源入射。被测参数通过传感元件对 光源入射光强光强进行调制。输出光强或其对应的电信号幅值随被 测量而变化，进行调制。输出光强或其对应的电信号幅值随被 测量而变化，Io=f(Is, x ,E, n)，即输出Io与输入Is,、被测量被
