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1、1光纤传感技术光纤发展历史21870年，英国物理学家丁达尔的实验 1960-光纤发明 1966-华裔科学家“光纤之父”高锟 预言光纤将用于通信。 1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤。 1977-首次实际安装电话光纤网路 1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电 1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中国光纤之父” 1990-区域网路及其他短距离传输应用之光纤 2005 FTTH(Fiber To The Home)光纤直接到家庭 2009 高锟获得诺贝尔物理学奖。 3光纤传感器始于光纤传感器始于19771977年，目前已进入研究与应用并
2、年，目前已进入研究与应用并重阶段。重阶段。主要优点：主要优点：灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可挠性强、可实、可挠性强、可实现不带电的全光型探头。现不带电的全光型探头。频带宽、动态范围大频带宽、动态范围大。可用很可用很相近的技术基础相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器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，易于实现便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测系统的遥测和控制和控制可用高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等可用高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境恶劣环境。结构简单、体积小、重量轻、耗能少。结构简单、体积小、重量轻、耗能少
3、。4一次涂覆层纤芯 包层套层一次涂覆层 包层 纤芯 套层光纤波导的结构光纤波导的结构多层介质结构：多层介质结构：1、纤芯：石英玻璃，直径、纤芯：石英玻璃，直径5-75um，材料以二氧化硅为主，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素。掺杂微量元素。2、包层：直径、包层：直径100-200um，折射率略低于纤芯。，折射率略低于纤芯。3、涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。、涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。4、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。2. 光纤传感器的基础5光纤的光波导原理光纤的光波导原理光纤的光波导原理光纤的光波导原理 n n
4、1 1n n2 2n n2 2n n2 2n n1 1光纤的临界角光纤的临界角对应光纤的入射角临界值为：对应光纤的入射角临界值为：渐变光纤的导光原理示意图渐变光纤的导光原理示意图6在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。光纤的分类光纤的分类7 石英系列光纤（以SiO2为主要材料） 按光纤组成材料划分 多组分光纤（材料由多组成分组成） 液芯光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤（以塑料为材料） 阶跃型光纤（SIF）光纤种类 按光纤纤芯折射率分布划分 渐变型光纤（GIF） W型光纤 单模光
5、纤（SMF） 按光纤传输模式数划分 多模光纤（MMF ）光纤的纤芯折射率剖面分布光纤的纤芯折射率剖面分布8 2b 2b 2b 2c 2a 2a 2a n n n n1 n1 n1 n2 n2 n2 n3 0 a b r 0 a b r 0 a c b r （a）阶跃光纤 （b） 渐变光纤 （c）W型光纤 9光纤的类型光纤的类型光纤的类型光纤的类型光纤中的重要参数光纤中的重要参数 10为表示光纤的集光能力大小，定义光纤波导临界入射角的正弦值为光纤的数值孔径（NA），即：1、数值孔径（NA,Numerical Aperture）当当光光线线在在纤纤芯芯与与包包层层界界面面上上发发生生全全反反射射时
6、时，相相应应的的端端面面入入射射角角为为光光纤纤波波导导的的孔孔径径角角（或或端端面面临临界界角角）。即即只只有有光光纤纤端端面面入入射射角角大大于于的的光光线线才才能能在在光光纤纤中中传传播播，故故光光纤纤的的受受光光区区域域是是一一个个圆锥形区域，圆锥半锥角的最大值就等于孔径角。圆锥形区域，圆锥半锥角的最大值就等于孔径角。光纤参数数值孔径的意义？光纤参数数值孔径的意义？2、光纤中的模式(Fiber Mode)11 电电磁磁波波的的传传播播遵遵从从麦麦克克斯斯韦韦方方程程，而而在在光光纤纤中中传传播播的的电电磁磁场场根根据据由由光光纤纤结结构构决决定定的的边边界界条条件件，可可求求得得满满足
7、足波波动动方方程程的的特特定定的的离离散散的的解解，而而某某一一个个解解代代表表许许多多允允许许沿沿光光纤纤波波导导传传播播的的波波，每每个个允允许许传传播播的的解解称称为为光光纤纤的的模模式式，每每个个波波具具有有不不同的振幅和传播速度。同的振幅和传播速度。光纤中可能传播的模式有光纤中可能传播的模式有横电波、横磁波和混合波横电波、横磁波和混合波。（1）横横电电波波TEmn：纵纵轴轴方方向向只只有有磁磁场场分分量量；横横截截面面上上有有电电场场分分量量的的电电磁磁波波。中中下下标标m表表示示电电场场沿沿圆圆周周方方向向的的变变化化周周数，数，n表示电场沿径向方向的变化周数。表示电场沿径向方向的
8、变化周数。（2）横横磁磁波波TMmn:纵纵轴轴方方向向只只有有电电分分量量；横横截截面面上上有有磁磁场分量的电磁波。场分量的电磁波。（3）混混合合波波HEmn或或EHmn:纵纵轴轴方方向向既既有有电电分分量量又又有有磁磁场场分量，是横电波和横磁波的混合。分量，是横电波和横磁波的混合。无论哪种模式，当无论哪种模式，当m和和n的组合不同，表示的模式也不同。的组合不同，表示的模式也不同。光纤中的重要参数光纤中的重要参数光纤中的重要参数光纤中的重要参数 3、光纤的归一化频率V 12归归一一化化频频率率是是为为表表征征光光纤纤中中所所能能传传播播的的模模式式数数目目多多少而引入的一个特征参数。少而引入的
9、一个特征参数。其定义为：其定义为：光纤中的重要参数光纤中的重要参数光纤中的重要参数光纤中的重要参数 其中，其中， r是光纤的纤芯半径；是光纤的纤芯半径； 是光纤的工作波长；是光纤的工作波长； n1和和n2 分别是光纤的纤芯和包层折射率；分别是光纤的纤芯和包层折射率； k0 真空中的波数；真空中的波数； 光纤的相对折射率差。光纤的相对折射率差。归归一一化化频频率率越越大大，光光纤纤所所允允许许传传播播的的模模式式越越多多，当当V2.405V2.405时，光纤中只允许一个模式传播，即基模。时，光纤中只允许一个模式传播，即基模。模式特性模式特性 当当0 0V V2.4052.405时时, ,光光纤纤
10、中中除除主主模模（或或基基模模）HE11 HE11 模模以以外，其余模式均截止，此时可实现单模传输。外，其余模式均截止，此时可实现单模传输。13单模传输条件单模传输条件多模传输的数目多模传输的数目对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为 对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为14截截止止波波长长是是单单模模光光纤纤特特有有的的参参数数，对对应应于于第第一一高阶模的归一化截止频率高阶模的归
11、一化截止频率V Vc c=2.405=2.405时的波长。时的波长。4、截止波长 c光纤的损耗特性15损耗的定义损耗的定义当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数表示：表示： ( (单位：单位：dB/km)dB/km) 损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择。损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择。损耗的种类损耗的种类吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用；吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用；散射损耗：光纤材料的
12、不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射；散射损耗：光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射；其他损耗：如光纤弯曲也引起散射损耗。其他损耗：如光纤弯曲也引起散射损耗。部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。光纤的损耗光纤的损耗16损耗散射损耗制作缺陷折射率分布不均匀芯-涂层界面不理想气泡、条纹、结石本征散射及其他瑞利散射布里渊散射拉曼散射吸收损耗本征吸收紫外吸收红外吸收杂质离子的吸收过渡族金属离子OH-离子弯曲损耗17光纤的色散特性光纤的色散特性色散的定义色散的定义色散的种类色散的种类光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输光纤的色散是在光纤
13、中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。色散主要影响系统的传输容量，也对中继时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。色散的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波距离有影响。色散的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差。长成分传输同样距离而产生的时间差。模式色散：模式色散：模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延不同而产生的色散。只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决于光纤的折射率分布。材料色散：材料色散：材料色散是由于光纤的折
14、射率随波长变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同产生的色散。取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。波导色散：波导色散：波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的色散。取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折射率差。18波导色散和材料色散都是模式的本身色散，也称模内色散。对于多模光纤，既有模式色散，又有模内色散，但主要以模式色散为主。梯度型光纤中模式色散大为减少。而单模光纤不存在模式色散，只有材料色散和波导色散，由于波导色散比材料色散小很多，通常可以忽略。采用激光光源可有效减小材料色散的影响。19光纤传感器一般可分为两大类：光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器（一类是功能型传感器（
15、Function Fiber Optic Sensor），又称），又称FF型光纤传感器；利用光纤本身感受被测量变化而改变传输光型光纤传感器；利用光纤本身感受被测量变化而改变传输光的特性，光纤既是传光元件，又是敏感元件。的特性，光纤既是传光元件，又是敏感元件。另一类是非功能型传感器（另一类是非功能型传感器（Non-Function Fiber Optic Sensor），），又称又称NF型光纤传感器。利用其他敏感元件感受被测量的变化，型光纤传感器。利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光信号的传输介质。光纤仅作为光信号的传输介质。光纤传感器的分类20功能型光纤传感器功能型光纤传感器功能型光
16、纤传感器功能型光纤传感器这类传感器利用光纤本身对被测对象具有敏感能力和检测功能，这类传感器利用光纤本身对被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到光纤不仅起到传光作用传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等偏振态等光特性得到调制光特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。，调制后的信号携带了被测信息。非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光功能
17、是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。纤只起传光作用。21光纤传感器的分类列表光纤传感器的分类列表222 光纤的光波调制技术强度调制相位调制偏振调制频率调制波长调制231、强度调制：IDttIS信号信号入射光入射光强度调制强度调制光源光源出射光出射光输出输出ID光探测器光探测器强度调制原理强度调制原理I IO Ot tIit24强度调制强度调制是利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸是利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度发生变化来实现敏感收或反射等参数的变化，而导致光强度发生变化来实现敏感测量的。测量的。25光是一种横波
18、。光振动的电场矢量光是一种横波。光振动的电场矢量E E 和磁场矢量和磁场矢量H H 和光线的传和光线的传播方向播方向s s 正交。按照光的振动矢量正交。按照光的振动矢量E E、H H 在垂直于光线平面内矢在垂直于光线平面内矢量轨迹的不同，又可分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和量轨迹的不同，又可分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光。偏振调制就是利用光偏振态的变化来传递被测对部分偏振光。偏振调制就是利用光偏振态的变化来传递被测对象的信息。象的信息。2、偏振调制调制原理：普克尔Pockels效应(电光效应)法拉第磁光效应光弹效应解调原理：检偏器26普克尔效应（电光效应）普克尔效应（电光效
19、应）当当压电晶体压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电场时，晶体将呈现场时，晶体将呈现双折射现象双折射现象，这种现象被称为，这种现象被称为Pockels效应，效应，如下图所示。并且，这种双折射正比于所加电场的一次方在晶如下图所示。并且，这种双折射正比于所加电场的一次方在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为体中，两正交的偏振光的相位变化为其中：n0 正常折射率；re 电光系数；U 加在晶体片上的横向电压； 光波长；L 光传播方向光传播方向晶体长度；d 电电场方向晶体厚度。Pockels效应及应用效应及应用27法拉第效应（磁光效应）法拉第效应（磁
20、光效应）某些物质在某些物质在磁场作用磁场作用下，下，线偏振光线偏振光通过时其振动面会发生旋转，通过时其振动面会发生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量这种现象称为法拉第效应。光的电矢量E E旋转角旋转角与光在物质中通与光在物质中通过的距离过的距离L L和磁场强度和磁场强度H H成正比，即成正比，即式中式中V V为物质的弗尔德常数。为物质的弗尔德常数。利用法拉第效应可以测量磁场。其测量原理如图所示。利用法拉第效应可以测量磁场。其测量原理如图所示。28光弹效应光弹效应在垂直于光波传播方向上施加在垂直于光波传播方向上施加应力应力，被施加应力的材料将会使光，被施加应力的材料将会使光产生产生双折射现
21、象双折射现象，其，其折射率的变化折射率的变化与应力材关，这被称为光弹效与应力材关，这被称为光弹效应。由光弹效应产生的偏振光的相位变化为：应。由光弹效应产生的偏振光的相位变化为： 式中：式中：K K 物质光弹性常数；物质光弹性常数；P P 施加在物体上的压强；施加在物体上的压强；L L 光波通过材料的长度。光波通过材料的长度。此时出射光强为：此时出射光强为：光弹效应示意图光弹效应示意图29偏振调制的解调原理渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜解调原理解调原理 解偏过程：如图为偏振光分束器，解偏过程：如图为偏振光分束器，方解石组成。两棱镜光轴垂直，光线方解石组成。两棱镜光轴垂直，光线垂直入射到垂直入射到No.
22、1，光束不分开，但，光束不分开，但o光光1和和e光光1速度不同。速度不同。到达到达No.2时，光轴垂直，时，光轴垂直，o光光1和和e光光1的角色互换，的角色互换，o光光2对应的折射率对应的折射率从从n0到到ne，e光光2对应的折射率从对应的折射率从ne到到n0，nen0，所以两光束分开。偏振角，所以两光束分开。偏振角为为。光束传播示意图光束传播示意图eooe45o30 偏振角与光分量的关系：偏振角与光分量的关系： 偏振角偏振角与光源强度和通道能量衰减无关，只与两分光束与光源强度和通道能量衰减无关，只与两分光束的光强有关系。由偏振角的光强有关系。由偏振角值可推知需要传感的物理量值可推知需要传感的
23、物理量 两光分量对应的振幅分别为：两光分量对应的振幅分别为：31相位调制的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏相位调制的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。3、相位调制应力应变效应：应力应变效应：光纤长度变化光弹效应光弹效应: :光纤芯折射率变化磁致伸缩效应：
24、磁致伸缩效应：光纤芯直径变化声光效应声光效应光热效应光热效应萨格纳克萨格纳克(Sagnac)(Sagnac)效应效应检测原理检测原理相位解调原理：相位解调原理：光外差检测原理光外差检测原理32典型干涉测量仪与光纤干涉传感器：马赫-泽德尔(Mach-Zender)干涉仪法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉仪迈克尔逊(Michelson)干涉仪萨格纳克(Sagnac)干涉仪常用干涉仪常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤实现的干涉型光纤传感器。实现的干涉型光纤传感器。331. 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪干涉原理：当激光束分得的两光束的光程差小于激光的相
25、干长干涉原理：当激光束分得的两光束的光程差小于激光的相干长度时，射到光检测器上的两相干光束即产生干涉，且相位差为：度时，射到光检测器上的两相干光束即产生干涉，且相位差为：传感器传感器34传感器2. 马赫泽德尔干涉仪马赫泽德尔干涉仪由移动平面镜的位移获得两相干光束的相位差，在光检由移动平面镜的位移获得两相干光束的相位差，在光检测器是产生干涉。测器是产生干涉。优点：没有激光返回激光器，噪声小，稳定性好。对干优点：没有激光返回激光器，噪声小，稳定性好。对干涉影响小。涉影响小。353. 萨格纳克干涉仪萨格纳克干涉仪激光器输出的两束光沿着激光器输出的两束光沿着一条由一个分束器和三个平面一条由一个分束器和
26、三个平面镜构成的闭合光路反方向传输镜构成的闭合光路反方向传输, ,它们重新合路后再入射到光检它们重新合路后再入射到光检测器测器, ,同时一部分光又返回到同时一部分光又返回到激光器。激光器。当平台沿垂直于光束当平台沿垂直于光束平面旋转时，两方向相反的光平面旋转时，两方向相反的光束到达检测器的延迟不同，从束到达检测器的延迟不同，从而产生相位变化。而产生相位变化。若平台以角速度若平台以角速度顺时针旋转时，则在顺时针方向传播的顺时针旋转时，则在顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光延迟大。这个相位延迟量可表示为：光较逆时针方向传播的光延迟大。这个相位延迟量可表示为：通过检测通过检测干涉条纹的变化干涉条
27、纹的变化，就知道旋转速度，就知道旋转速度，它是目前许它是目前许多惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。多惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。364. 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪传感器传感器它是由两块平行的部分透射平面镜组成的。这两块平面镜的反射率(反射系数)通常是大于95%。假定反射率为95%,那么在任何情况下,激光器输出光的95%将朝着激光器反射回来,余下的5%的光将透过平面镜而进入干涉仪的谐振腔内。其干涉原理是多光束干涉，其干涉光强度的变化为：375. 光纤干涉仪传感器光纤干涉仪传感器A: 迈克尔逊干涉仪；迈克尔逊干涉仪；b：马赫：马赫-泽德干涉仪；泽
28、德干涉仪；c: 塞格纳克干涉仪；塞格纳克干涉仪； d：法布里：法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪敏感器敏感器敏感器敏感器部分透射反射镜384、频率调制及解调利用外界因素改变光的频率，通利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率变化来测量外界过检测光的频率变化来测量外界物理量。物理量。目前主要是利用光学多普勒效应实现目前主要是利用光学多普勒效应实现频率调制。如图所示频率调制。如图所示,P点物体的运动点物体的运动将将S点光源发出的光散射到点光源发出的光散射到Q点被观点被观察到，设光频为察到，设光频为f1，由双重多普勒频，由双重多普勒频移原理可得：移原理可得：解调过程：解调过程：与相位调制的解调相同，需要
29、两束光干涉，在检与相位调制的解调相同，需要两束光干涉，在检测器上产生差频，光电流经频谱分析器处理，求出频率变化。测器上产生差频，光电流经频谱分析器处理，求出频率变化。393 光纤传感器实例3.1 光纤位移传感器光纤位移传感器反射式光纤位移传感器结构如图所示。根据被测目标表面光反射反射式光纤位移传感器结构如图所示。根据被测目标表面光反射至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。所使用所使用光纤束的特性光纤束的特性是影响这种类型光是影响这种类型光纤传感器的灵敏度的主要因素之一。在纤传感器的灵敏度的主要因素之一。在光纤探头的端部光纤探头的
30、端部, ,发射光纤与接收光纤发射光纤与接收光纤一般有四种分布一般有四种分布:(a):(a)随机分布随机分布;(b);(b)半球半球形对开分布形对开分布;(c);(c)共轴内发射分布共轴内发射分布;(d);(d)共共轴外发射分布，如图所示。轴外发射分布，如图所示。40典典型位移输出曲线如图所示。在型位移输出曲线如图所示。在输出曲线的前坡区输出曲线的前坡区I,I,输出信号强度输出信号强度增加得很快增加得很快, ,这一区域可以用于微这一区域可以用于微米级的位移测量。在后坡区米级的位移测量。在后坡区II,II,信信号的减弱约与探头和被测表面之间号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比的距离平方成
31、反比, ,可用于距离较可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。高的测量。反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器的原的原理如右图。理如右图。1 1、探头紧贴被测件时，无光接探头紧贴被测件时，无光接收没有电信号。收没有电信号。2 2、被测表面逐渐远离探头时，、被测表面逐渐远离探头时，有一个有一个线性增长线性增长的输出信号。有的输出信号。有一最大输出值一最大输出值“光峰点光峰点”。3 3、继续远离时，输出信号越来继续远离时，输出信号越来越弱，与越弱，与距离平方成反比距离平方成反比。4142内调制式位移传感器内调制式位移传感器43 利用微弯效应制作的位移传感
32、器是一种典型的内调制式光利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式光纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移，纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移，从而使光纤发生微弯变形，改变模式耦合，纤芯中的光部从而使光纤发生微弯变形，改变模式耦合，纤芯中的光部分透入包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的分透入包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的强度也不同、从而实现了光强度的调制。由于光强与位移强度也不同、从而实现了光强度的调制。由于光强与位移之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤位移传感器位移传感器.44
33、HeNe激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤的一端。此光纤没有涂覆层，数值孔径等于的一端。此光纤没有涂覆层，数值孔径等于0.22。 在在变形器前变形器前5cm长的光纤上涂上黑色涂料，以便消除包长的光纤上涂上黑色涂料，以便消除包层模中的光。层模中的光。45变形器由两块有机玻璃波纹板组成，每块波纹板共有变形器由两块有机玻璃波纹板组成，每块波纹板共有5个波纹，每个波纹的长度为个波纹，每个波纹的长度为3mm。变形器的一块波。变形器的一块波纹板可通过千分表用手动调节的方法使它相对另一块纹板可通过千分表用手动调节的方法使它相对另一块产生位移。另一块板可用压电式变换器
34、产生动态位移。产生位移。另一块板可用压电式变换器产生动态位移。用体积为用体积为1cm3的灌满甘油的检测器检测包层模的灌满甘油的检测器检测包层模中的光信号。该检测器的中的光信号。该检测器的6个内表面安装着个内表面安装着6个个太阳能电池。检测器的直流输出用数字式毫伏太阳能电池。检测器的直流输出用数字式毫伏表读数、而交流输出用锁相放大器检测并由表读数、而交流输出用锁相放大器检测并由记录仪记录放大器的输出。记录仪记录放大器的输出。46相位干涉式位移传感器相位干涉式位移传感器47 Mach-Zehnder光纤干涉仪是应用较为广泛的一种干涉仪。光纤干涉仪是应用较为广泛的一种干涉仪。可以用于测量位移，其工作
35、原理如图可以用于测量位移，其工作原理如图4849 外施力可以直接产生传感臂光纤长度外施力可以直接产生传感臂光纤长度L和直径和直径d变化以及折变化以及折射率射率n变化。变化。为了改善光纤对压力的传感灵敏度，通常在包层外再涂覆一为了改善光纤对压力的传感灵敏度，通常在包层外再涂覆一层特殊材料。传感臂上涂复材料具有层特殊材料。传感臂上涂复材料具有“增敏增敏”特性，而参考特性，而参考光纤涂复材料对传感量具有光纤涂复材料对传感量具有“去敏去敏”特性。这样可以有效提特性。这样可以有效提高检测信噪比。高检测信噪比。当光纤表面涂覆对其它物理量敏感的材料时，例如磁致伸缩当光纤表面涂覆对其它物理量敏感的材料时，例如
36、磁致伸缩材料、铝导电膜和压电材料等，则可以实现对其它物理量，材料、铝导电膜和压电材料等，则可以实现对其它物理量，如磁场、电流、电压等的检测。如磁场、电流、电压等的检测。50光纤液面位移传感器光纤液面位移传感器光纤液面位移传感器光纤液面位移传感器还可作为浓度计测量液体浓度，液位还可作为浓度计测量液体浓度，液位传感器可用于易燃、易爆场合，但不能检测污浊液体及会粘传感器可用于易燃、易爆场合，但不能检测污浊液体及会粘附在测头表面的粘稠性物质。附在测头表面的粘稠性物质。LEDPD12传感器光纤探头结构传感器光纤探头结构51传感器光纤探头的不同结构传感器光纤探头的不同结构防液滴附着的方法 反射膜 突出物光
37、纤耦合器单光纤液位传感器结构单光纤液位传感器结构光纤光纤棱镜斜面反射式光斜面反射式光纤液位传感器纤液位传感器52浸液自聚透镜光纤水银接收光源遮光板双金属片简单类型的光纤温度传感器简单类型的光纤温度传感器1、水银式光纤温度开关、水银式光纤温度开关2、遮光式光纤温度计、遮光式光纤温度计53原理原理：半导体材料的光吸收与禁带宽度：半导体材料的光吸收与禁带宽度Eg有关，光子能量大于有关，光子能量大于Eg的光被吸收，光子能量等于的光被吸收，光子能量等于Eg的是半导体吸收的的是半导体吸收的“红限波长红限波长g”，被称为半导体吸收端，在吸收端，波长的增加半导体吸收呈线性被称为半导体吸收端，在吸收端，波长的增
38、加半导体吸收呈线性递减特性，超过这一波长范围的光几乎不产生吸收。当温度增加递减特性，超过这一波长范围的光几乎不产生吸收。当温度增加时，禁带宽度变窄，红限波长线性地变长，光吸收端线性地向长时，禁带宽度变窄，红限波长线性地变长，光吸收端线性地向长波方向平移。波方向平移。 这个性质反映在半导体的透光性这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当温度升高时，其透射上则表现为：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的射光谱与半导体的g g相匹配的发光二相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随着极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而减小，
39、即通过检测透射温度的升高而减小，即通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变光的强度或透射率，即可检测温度变化。化。半导体光吸收型光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器图图 光吸收温度特性光吸收温度特性54图图1 1 半导体光吸收型光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器光纤温度传感器结构如图。光纤温度传感器结构如图。光纤环氧胶半导体反射膜图图2 一种光纤温度单端式探头一种光纤温度单端式探头55反射式光纤压力传感器反射式光纤压力传感器这种传感器是在前面介绍的光纤位移传感器的探头前面加这种传感器是在前面介绍的光纤位移传感器的探头前面加上一个膜片构成的，其结构如图所示。光源发出的光经发射光
40、上一个膜片构成的，其结构如图所示。光源发出的光经发射光纤传输并投射到膜片的内表面上纤传输并投射到膜片的内表面上, ,反射光由接收光纤接收并传反射光由接收光纤接收并传回光敏元件。回光敏元件。56D DS SF FF F变形器变形器光纤光纤A A 1 1 n n0 0n n2 2n n1 1 2 2 3 3微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器光纤被夹在一对锯齿板中间，光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在光纤则发生许多微弯，这
41、时在纤芯中传输的光在微弯处有部纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中分散射到包层中. . 光纤微弯增大，散射掉的光随之光纤微弯增大，散射掉的光随之增加，纤芯输出光强度相应减小。增加，纤芯输出光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、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声压，或检测由压力引起的位移等物理量。等物理量。微弯曲光纤水声传感器微弯曲光纤水声传感器57动态压力传感器动态压力传感器58 这种压力传感器的灵敏度极高，这种压力传感器的灵敏度极高，有很大的实用价值尤其适用于有很大的实用价值尤其适用于微声压的测量，对测量空间尺寸微声压的测量，对测量空间尺寸受限场合应用更是优越。它的工受限场合应用更是优越。它的工作带宽从直流可到作带宽从直流可到20 MHz.偏振调制光纤压力和水声传感器偏振调制光纤压力和水声传感器5960光纤表面粗糙度传感器光纤表面粗糙度传感器616263
