光纤传感器
光纤传感器
(b) 临界状态示意图
sin ϕ10=n2/n1
ϕ10=arcsin(n2/n1)
临界角
11
并继续增大时， 当ϕ1 ＞ϕi0并继续增大时，ϕ2 ＞90º， n2 ， 这时便发生全反射现象， 如图(c) ， n1 这时便发生全反射现象 ， 如图 其出射光不再折射而全部反射回来。 其出射光不再折射而全部反射回来。
5
光纤温度传感器 OTG-M170光纤温度传感器的直径是 光纤温度传感器的直径是170um， 它 光纤温度传感器的直径是 ， 是最小的光纤温度传感器，响应时间为10ms。 是最小的光纤温度传感器，响应时间为 。 在医疗工业要求中，精度可达到± 在医疗工业要求中，精度可达到± 0.3°C，满量 ° ， 程温度范围+20°C到80°C。 程温度范围 ° 到 ° 。
B、心血管血压监控：微小和末端感应光纤传 、心血管血压监控：
压力感器是制作心血管血液压力导尿管的理想传 感器。 感器。 C、头颅，隔膜的动态压力测量等 、头颅，
6
2、电力行业 、
光纤传感器是开关设备和其它高电压器件（ 光纤传感器是开关设备和其它高电压器件 （ 如母 的温度上升，高温循环测试的理想选择。 线 ） 的温度上升 ， 高温循环测试的理想选择 。 光 纤传感器耐高温，对电磁/射频， 纤传感器耐高温，对电磁/射频，高电压和电子干 扰完全免疫。 扰完全免疫。
3
光纤传感器的应用
应用： 压力、温度、加速度、 应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀
位移、 液面、 转矩、 光声、 螺 、 位移 、 液面 、 转矩 、 光声 、 电流和应 变等物理量的测量。 变等物理量的测量。
测量对象：电流磁场、电压电场、温度、 测量对象：电流磁场、电压电场、温度、
光纤传感器
这种干涉仪是多光束干涉，与前几种双光束干涉仪不同。
光 源
BS
M2
光纤
M1
调制
S0(t)
透射 输出
反射输出
几种干涉仪的共同点：如果相干光均在空气中传播, 受环境温度变化的影响，会引起空气折射率的扰动以 及声波干扰，导致空气光程的变化，造成工作不稳定， 精度的降低。
利用单模光纤作干涉仪的光路，可以减小环境温度的 影响。
其中
2
a
微弯光纤纤芯半径
n1 n2 相对折射率差 n1
2 2 n1 n2 2 2n1
对SIF, 对GIF,
g
g2
有: 有:
0
a
2a
0
例:水听器
2．光强度的外调制
外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤
本身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和
例
被测物理量(温度)
I in
折射率改变
I out
1
强度改变
2 3
(a)
(b)
斜面反射式光纤温度传感器 1、2 光纤 3 棱镜
4 由光吸收系数的改变引起的强度调制
X射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加,光纤的输出 功率降低.
辐射 Iin L Iout D
(二) 解调
S0(t)
1 直接检测
L
D2 S D1
可得: I 2 I 0 1 cos( m t )
频移 m 一般由声光调制器AOM(布喇格盒)获得.其实质 是多谱勒效应
注:相位检测技术非常复杂,限于课时,不能展开讲解.有兴趣 的同学可参看王惠文主编的«光纤传感技术与应用»一书.
光纤传感器
光纤传感器光纤传感器技术在现代科技领域中扮演着重要的角色。
本文将介绍光纤传感器的原理、应用领域以及未来发展趋势。
光纤传感器是一种利用光纤输送光信号并将其转换为传感信号的装置。
其工作原理基于光纤的光学特性，利用光的传输和反射来检测物理量的变化。
光纤传感器可以实现高灵敏度、高分辨率、快速响应和远程感知等特点，因此在许多领域得到广泛应用。
一种常见的光纤传感器类型是光纤光栅传感器。
光纤光栅传感器利用光栅的干涉效应来实现对物理量的测量。
光栅是将光纤纤芯中周期性的折射率变化引入的装置，在光的传播过程中形成干涉。
当光栅受到外界物理量的作用时，其折射率发生变化，从而引起干涉的变化，进而实现对物理量的检测。
光纤传感器的应用领域非常广泛，其中之一是环境监测领域。
光纤传感器可以用于测量温度、湿度、压力等环境参数，用于监测大气污染、水质污染、土壤质量等环境指标。
通过将光纤传感器网络部署在不同地点，可以实现对环境状况的实时连续监测，为环境保护提供重要数据支持。
另外，光纤传感器在基础设施安全领域也起着关键作用。
例如，光纤传感器可以应用于石油管道、天然气管道、电力输电线路等重要设施的监测和安全保护。
通过光纤传感器可以实现对温度、压力、振动等参数的监测，及时发现异常情况并采取措施，避免事故的发生。
光纤传感器还在医疗领域发挥着重要作用。
例如，在手术中，医生可以使用光纤传感器来监测患者的生命体征，如心率、血压等，并及时作出反应。
此外，光纤传感器还可以用于光学成像，如光纤内窥镜等，帮助医生进行精确的病灶检测和治疗。
未来，光纤传感器技术有望进一步发展。
一方面，随着光纤技术的不断革新，光纤传感器的性能将得到进一步提升。
例如，光纤传感器的灵敏度和分辨率将更高，响应速度将更快，从而满足更多领域对传感器的需求。
另一方面，光纤传感器的应用范围也将不断扩大，如在机器人技术、智能交通、航空航天等领域的应用都将成为可能。
这些发展将进一步推动光纤传感器技术的应用和创新。
什么是光纤传感器_光纤传感器分类
什么是光纤传感器_光纤传感器分类
光纤传感器简介光纤最早是应用于光的传输，适合长距离传递信息，是现代信息社会光纤通信的基石。
光波在光纤中传播的特征参量会因外界因素的作用而间接或直接地发生变化，由此光纤传感器就能分析探测这些物理量、化学量和生物量的变化。
光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。
其基本原理是将光源的光经入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使入射光的某些光学性质（如强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。
光纤传感器的分类光纤传感器按结构类型可分两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能性（传光型）传感器。
（1）功能型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤（或特殊光纤）作为传感元件，对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，多采用多模光纤。
优点：结构紧凑，灵敏度高。
缺点：须用特殊光纤，成本高。
典型应用：光纤陀螺、光纤水听器等。
（2）非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。
光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上被测量调制。
优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。
缺点：灵敏度较低。
实用化的大都是非功能型的光纤传感器根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传。
第-十一章-光纤传感器
§11.0 光纤传感器概述 §11.1 光纤与光纤传感器 §11.2 功能型光纤传感器 §11.3 非功能型光纤传感器
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第11章 光纤传感器
• 光纤与光纤传感器 • 功能型光纤传感器 • 非功能型光纤传感器
光纤传感器的特点
• 灵敏度高 • 电绝缘性能好 • 抗电磁干扰 • 耐腐蚀、耐高温 • 体积小、重量轻
l
x Kl 2T h
h x
b
•△T:温度变化 •l：双金属片长度 • K：常数
光纤束 光 透 射 率 0
遮光板 双金属片
温度
50
光纤束
利用半导体光吸收的光纤温度传感器
2.4
禁 带 宽 度
相
GaP
对
光
GaAs 强
Si
InP
0
温度K 600
波μm
透 射 T1 率
T2 T3
光源 放大器
温度敏 感元件
2
2 T 2 1
ln R C1 ( 1 1 )
T 2 1
四、频率调制型光纤传感器
光学多普勒效应
光源
V
es
粒
子
e0
探测器
f f0
1 v e0
c
1 v e0
2
c
f
f 0 (1
v
e0 c
)
fs
f (1 v es ) c
fs
f0 (1
v
(es e0 ) ) c
1
E E
介质
H
光路
输电线
起偏器
I
激光器
I1 检偏器 I2
I1-I2 I1+I2
光纤传感器
光纤传感器传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。
在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。
光纤具有很多优异的性能，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。
1.光纤的结构2.光纤的传光原理3.光纤传感器工作原理（1）功能型——利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成（2）传光型——光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化。
光纤传感器的测量原理有两种：（1）物性型光纤传感器原理，物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。
其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。
因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。
这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。
激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。
外界参数(温度、压力、振动等)引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压等。
（2）结构型光纤传感器原理，结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。
其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。
光纤传感器
光纤传感器结构原理
光纤传感器的分类
光纤传感器的特点
光纤传感器的应用
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斯乃尔定理
光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。 一、斯乃尔定理(Snell's Law) 斯乃尔定理:当光由光密物质(折射率大)出射至光疏物质(折射 率小)时,发生折射。其折射角大于入射角,即：即n1＞n2时，θr ＞θi n1、n2、θ r、θ i之间的数学关系为
n1sinθi=n2sinθr
可见，入射角 θ i 增大时，折射角 θ r 也随之增大，且始终 θ r＞θ i。
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斯乃尔定理
（a）折射角大于入射角：n1 sin i n2 sin r （b）临界状态： i0 arcsin(n2 / n1 ) （c）全反射 ：
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30
（1）采用弹性元件的光纤压力传感器
1 Y形光纤 2 壳体
3 膜片
利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从 而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及 结构，就可以实现压力的检测。上图为简单的利用Y形光纤 束的膜片反射型光纤压力传感器。在Y形光纤束前端放置一 感压膜片，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。 。
返
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24
（b）偏振调制光纤传感器
是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。
法拉第电流传感器
法拉第电流传感器是利用光纤的磁光效应实现电流测量的， 属于偏振调制型。磁光效应，又称法拉第效应，是指某些物质在 外磁场的作用下，使通过它的线偏振光的偏振方向发生偏转。设 材料的长度为 l，沿施加的外磁场强度为 H，则线偏振光通过它后 偏振方向旋转的角度为
光纤传感器的基本原理
二、利用半导体的吸收特性进行强度调制
大多数半导体的禁带宽度Eg都随着 温度T的升高而几乎线性地减小.它们的 光吸收边的波长将随着T的升高而变化.
5.3 相位调制机理
• 利用光相位调制来实现一些物理量的测 量可以获得极高的灵敏度.
• 相位调制光纤传感器的基本传感原理是： 通过被测能量场的作用,使光纤内传播的 光波相位发生变化,再用干涉测量技术把 相位变化转换为光强变化,从而检测出待 测的物理量.
不用透镜的两光 纤直接耦合系统, 结构虽然简单, 但也能很好地工 作.只是接收光 纤端面只占发射 光纤发出的光锥 底面的一部分, 使光耦合系数减 小,灵敏度也降 低一个数量级
<r/dT>2.
利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器．通过一对光栅遮光 屏的透射率,从50％<当两个屏完全重叠时>变到零<当一个屏 的不透明条完全覆盖住另一个屏的透明部分>.在此周期性结 构范围内,光的输出强度是周期性的.而且它的分辨率在光珊 条纹间距的10-6数量级以内.这是能够构成很灵敏、很简单、 高可靠的位移传感器的基础.
二、温度应变效应
仅考虑径向折射率变化时,其相位随温度变化为
5.3.2 光纤干涉仪
光纤相位传感器要求有相应的干涉仪来完 成相位检测过程.对于一个相位调制干涉 型光纤传感器,敏感光纤和干涉仪缺一不 可.敏感光纤完成相位调制任务,干涉仪完 成相位—光强的转换任务.
• 在光波的干涉测量中,传播的光波可能是 两束或多束相干光.
2
f
1
v c
cos
1
1
v c
cos
2
f
1
v c
cos(
1
2
)
5.4.1 光纤多普勒技术
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单模、多模
单模 多模 多模 多模 多模 单模 单模、多模
位移 振动 加速度 压力
光强度
偏光 相位 频率
§10.2 光强调制型光纤传感器
一、光纤微弯位移和压力传感器
光纤的弯曲能够使光从纤芯射入包层而产生损耗。 微弯光纤传感器就是根据光纤弯曲(微弯)时纤芯中的光 进入包层的原理研制成的。 这类传感器的敏感元件是由一个能引起光纤产生微弯 的变形器。变形器为一对错开的带锯齿槽的平行板。
15
20
0
1
n0 n2 n1
阶跃型光纤
n2 sin sin C n1
n0 sin 0 n1 cos
n2 cos 1 n 1
2
2
n2 n1 n1 1 2 2 sin 0 cos 1 n1 n2 n0 n0 n1 n0 16
传输/ %
80
60 40 0 .0° 7 .0° 8 .0° 9 .0° 0 .5 1 .0 力/N 1 .5
特点：
20
0
光保持在光纤内部，可以避免周围环境的 影响； 采用多模光纤； 结构简单,性能稳定。 38
ห้องสมุดไป่ตู้
微弯变形器作为换能件的水听器
休斯研究实验室与美海军 实验室合作研制的一种以 微弯变形器作为换能元件 的水听器。 其中一块变形器刚性地安 装在水听器的圆柱形外壳 上,而另一块变形器连接到 一块薄膜片上。该水听器 除了通常的光纤外,还包含 一根不通光的光纤,以确保 变形片在工作过程中保持 平行。 经过改进的微弯传感器的 灵敏度已能接近普通的水 听器。
18
光的全反射实验
19
传光损耗
造成光纤衰减的主要因素：本征损耗、弯 曲、挤压、杂质、不均匀和对接等: 1)本征损耗:光纤的固有损耗，包括：光纤 内杂质瑞利散射、固有吸收等. 2)弯曲：光纤弯曲时光纤内的部分光会因散 射和折射而损失掉，造成损耗。 3)对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同 轴（单模光纤同轴度要求小于0.8μ m）， 端面与轴线不垂直，端面不平，对接心径 不匹配和熔接质量差等。
• T：Transverse(横的）；E：Electric(电); • M:Magnetic(磁)
纵向
横向
模符号解释:
• • • • • • • TE： 电场E只有横向分量，纵向分量为0; TM：磁场M只有横向分量，纵向分量为0; EH： 具有电场和磁场的所有分量，电场占优； HE： 具有电场和磁场的所有分量，磁场占优； TEM：电场、磁场都只有横向分量； LPnm：简并表示法（光纤传播的大多为线偏振光）； LP01＝HE11：光纤的基模，无截至频率。
光纤
单模、多模 单模 多模 单模 多模 多模 多模 多模 多模 单模
温度 光强度－光谱 偏光 角速度 相位
速度－流速
流量
频率
相位
多普勒效应
干涉现象 微弯曲损耗 用隔板遮断光路 反射光强度变化 光弹性效应 干涉现象（光弹性效应） 多普勒效应 35
传光型
传感型 传感型 传光型 传光型 传光型 传感型 传光型
n1 sin 1 n2 sin 2
14
n2 sin C 1 n1
光纤传感器的原理
• 光纤传光与数值孔径(NA:Numerical Aperture)
20
0
1
n0 n2 n1
阶跃型光纤
n0 sin 0 n1 sin 1 n1 cos
全反射条件：
n2 sin sin C n1
LPml HEm1,l EHm1,l
24
高阶模
低阶模
光脉冲 强度
涂覆层 芯 轴
扩展的光脉冲 强度 扩展, D t t
0
t
© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
25
光纤模式及其对光信号传输的影响
n2
多模 阶跃光纤 A A
n1
27
四、光纤传感器所用器件
光源：要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定
相干光：半导体激光器、氦氖激光器等 非相干光：发光二极管、白炽灯等
探测器：要求灵敏度高、响应快、线性好
光电二极管、光电倍增管 光敏电阻、光电池
光无源器件（无需能量完成某种功能）：
光连接器件、衰减器件、光功率分配器件、光波长 分配器件、光隔离器件、光开关器件、光纤耦合器 （光纤分路器）、自聚焦透镜（折射率沿径向梯度 渐变透镜）
光纤传感器的原理
• 光纤传光与数值孔径(NA:Numerical Aperture)
20 0
1
n0 n2 n1
阶跃型光纤
1 2 2 2 2 sin C n1 n2 n1 n2 n0
定义：
2 NA sin C n12 n2
物理意义：表示光纤的集光能力。 17
5
光纤传感器在易燃易爆场合的应用
各类油罐 参数检测
控制室 光 纤
压力容器 参数检测
煤矿中瓦斯 等气体检测
6
核工业环境 参数检测
光纤传感器在高电压、强电磁场干扰场合的应用
高压 变压器
控制室 光 纤
高压 电动机
微波 设备
7
强电磁干扰 电气设备
§10.1 光纤及传光原理
一、结构
涂覆层 包层 纤芯 护套
n2 n1 n2 n2 n1
n纤芯>n包层 或n1>n2
8
各种光纤
玻璃光纤
塑料光纤
9
制作工艺
• 用于不同场合的光纤，具有不同的结构、 特性参数和折射率分布，即制作工艺。 • 例如:纤芯和包层都用石英作为基本材料， 折射率差通过在纤芯和包层进行不同的掺 杂来实现。
– 纤芯掺入Ge和P 折射率 – 包层掺入B 折射率
2000年意大利第十四届国际FOS会议
4
光纤传感器的特点
* 本质防爆
适合于易燃、易爆等危险物品检测 * 对电绝缘 适合于高电压场合检测 * 无感应性 适合于强电磁场干扰环境下检测 * 化学稳定性 适合于环保、医药、食品工业检测 * 时域变换性 适合于多点分布测量 * 低损耗 * 大容量 * 高精度 * 尺寸小 * 重量轻 * 非接触式
20
光纤传感器与电类传感器对比
电源
电类传感器
电缆
电量检测
电 类 传 感 器
被 测 参 量
光源
光纤传感器
光量检测
光纤
光 纤 传 感 器
被 测 参 量
光电转换
21
光纤传感器与电类传感器对比
分类 内容 调制参量 敏感材料 传输信号 传输介质 光纤传感器 振幅(吸收、反射等) 相位、偏振… 温-光敏、力-光敏、 磁-光敏… 光 光纤、光缆 电类传感器 电阻、电容、电感等 温-电敏、力-电敏、 磁-电敏… 电 电线、电缆
第10章 光纤传感器
本章主要内容：
• • • • • • 光纤与传光原理 光强调制型光纤传感器 相位调制型光纤传感器 偏振态调制型光纤传感器 *频率调制型光纤传感器 *分布式光纤传感器
1
光纤应用简介
通讯： 光纤最早在光学行业中用于传光和传像，在20 世纪70年代初生产出低损耗光纤后，光纤在 通信技术中用于长距离传递信息。 传感器： 由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且 光波在光纤中传播时表征光波的特征参量 （振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因 素（如温度、压力、磁场、电场、位移等） 的作用而间接或直接地发生变化，从而可将 光纤用作传感器元件来探测各种待测量（物 理量、化学量和生物量），这就是光纤传感 器的基本原理。
34
光纤传感器分类
被测物理量 电流、磁场 电压－电场
光的调制
偏光 相位 偏光 相位 光强度
光学效应
法拉第效应 干涉现象（磁致伸缩） 泡克尔效应 干涉现象（电应变效应） 用隔板遮断光路 半导体光吸收效应 荧光反射 发射体辐射 双折射变化 萨格纳克效应
传感器分类
传感型 传光型 传光型 传感型 传光型 传光型 传光型 传光型 传光型 传感型
28
半导体发光器件-发光二极管、激光 二极管
29
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。
30
五、光纤传感器的分类
功能型光纤传感器(传感型）
光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件 具有传、感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤 之中。 高灵敏度 调整困难
2
光纤的发展与动态
1966年，英国霍克姆博士和英籍华人高昆博士提出光纤传输 理论（传输衰减率小于20dB/Km为光纤通讯的必要条件) 1969年，日本平板玻璃公司制出200dB/Km梯度光纤 1970年，美康宁公司制出世界第一根20dB/Km低损耗光纤 1972年，日本电子技术综合研究所制出7dB/Km SiO2芯光纤 1973年，美贝尔实验室用化学沉积法（CVD）制做光纤 1978年，对1.5μm波长光传输接近理论值约0.2dB/Km 1980年，光通讯产业形成
非功能型光纤传感器（传光型、结构型）
光纤仅起传光作用，一般需外加敏感元件 灵敏度、测量精度较低 探针型光纤传感器不需外加光源
31
光纤传感器的基本结构
d：探针型传感器。
32
按照调制方式分类
光强调制型：利用光纤微弯效应的位移、压力 传感器；临界角光纤压力、液位传感器。 相位调制型：利用应变、光弹效应的压力、温 度、加速度传感器；利用磁致伸缩效应的磁场 传感器。 偏振态调制型：利用法拉第效应的电流传感器。 频率调制型：利用光学多普勒效应改变频率的 速度传感器． 分布式：将被测量按照光纤长度分布测试．