第9章光纤传感器
传感器技术9-光纤传感器-中英对照
§9.1
光纤传感器基础
三
光纤的种类
1、玻璃光纤 Glass fiber
按材料 性质分 2、塑料光纤 Plastic fiber
§9.1
光纤传感器基础
1、阶跃型(step index): 阶跃型纤芯的折射率不随半 径而变，在纤芯与包层界面处有突变。 按折射 率分 2、渐变型(grade index)：折射率沿径向由中心向外由 大渐小，至界面处与包层折射率一致。因此，这类光 纤有聚焦作用；光线传播轨迹近似于正弦波。
多模色散是阶跃型多模光纤中色散的主要根源；在单模光纤中起 主要作用的是材料色散和波导色散。
§9.1
光纤传感器基础
9.1.3 光纤传感器分类
1、功能型传感器 光纤传 感器一 般分为 两大类 2、非功能传感器 又称FF型光纤传感器，利用光纤本 身特性，把光纤作为敏感元件，所 以又称传感型光纤传感器。 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，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，所以也称传光型光纤传感 器。
§9.2
光调制与解调技术
9.2.1 强度调制与解调
光纤传感器中光强度(Light Intensity)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。 解调过程主要考虑的是信噪比(Signal to Noise RatioSNR)是否能满足测量精度的要求。
§9.1
光纤传感器基础
9.1.1 光纤波导(waveguide)原理
一
光纤的结构
光纤是用光透射率(Transmissivity)高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构 成的光通路(light propagation path) 。光纤的结构比较简单，通常由纤芯 (core)、包层(cladding)、涂覆层(coating)、护套(protecting sleeve)组成 （如上图所示）。其核心是由折射率(Refractive Index)n1较大(光密介质 optically denser medium)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质optically thinner medium)的包层构成的双层同心(concentric)圆柱(column)结构。 纤芯直径约为5～150微米。
光纤传感器的特点和工作原理
第二章光纤传感器的特点和工作原理2.1 光纤传感器的特点光纤传感器有极高的灵敏度和精度、固有的安全性好、抗电磁干扰、高绝缘强度、耐腐蚀、集传感与传输于一体、能与数字通信系统兼容等优点，光纤传感器受到世界各国的广泛重视。
总体来说光纤传感器具有许多优点，概括如下:(1)高灵敏度(2)轻细柔韧便于安装埋设（3）电绝缘性及化学稳定性。
光纤本身是一种高绝缘、化学性能稳定的物质,适用于电力系统及化学系统中需要高压隔离和易燃易爆等恶劣的环境中。
(4）良好的安全性。
光纤传感器是电无源的敏感元件，故应用于测量中时，不存在漏电及电击等安全隐患.(5）抗电磁干扰.一般情况下光波频率比电磁辐射频率高,因此光在光纤中传播不会受到电磁噪声的影响。
（6）可分布式测量.一根光纤可以实现长距离连续测控，能准确测出任一点上的应变、损伤、振动和温度等信息,并由此形成具备很大范围内的监测区域，提高对环境的检测水平。
(7)使用寿命长。
光纤的主要材料是石英玻璃，外裹高分子材料的包层，这使得它具有相对于金属传感器更大的耐久性。
(8)传输容量大。
以光纤为母线,用传输大容量的光纤代替笨重的多芯水下电缆采集收纳各感知点的信息,并且通过复用技术,来实现对分布式的光纤传感器监测。
纤细的光纤具有这么多的优点,使得它在建筑桥梁、医疗卫生、煤炭化工、军事制导、地质探矿、电力工程、石油勘探、地震波检测等领域有着广阔的发展空间。
2。
2 光纤传感器的工作原理光纤传感器工作原理是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数,使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测，从而得到被测物理量。
在光纤传感器中，由于光纤不仅可以作为光波的传播媒质,并且在光纤中传播的光波因外界因素的变化而改变，同时也可将光纤作为传感元件来探测如振幅、相位、偏振态、波长等物理量.图2 光纤传感系统的基本构成2。
3 光纤传感器的分类：光纤传感器按其作用不同可分为两种类型：一类是功能型(传感型)传感器；另一类是非功能型(传光型）传感器。
《光纤传感器》PPT课件
光导纤维的主要参数
1. 数值孔径（NA）
2. 光纤模式
3. 传播损耗
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1. 数值孔径（NA）
2 NA sin i n12 n2
反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。
意义：无论光源发射功率有多大，只有 2θi 张角 之内的光功率能被光纤接受传播。
差动式膜片反射型光纤压力传感器
1．输出光纤
2．输入光纤
3．输出光纤
4．胶
5．膜片
I 2 1 Ap A―常数； 两束输出光的光强之比 I 1 1 Ap p―待测量压力
输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关
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将上式两边取对数，在满足(Ap)2≤1时，得到
传感器的固有频率可表示为
2.56t gE fr p 2 2 R 3 (1 )
式中, ρ――膜片材料的密度； g――重力加速度。 结构简单、体积小、使用方便， 光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，
其精度就要受到影响。
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The most commonly used type of fiberoptic sensor is an intensity sensor, where light intensity is modulated by an external stimulus
光纤传感器强度调制
非 干 涉 型
光纤传感器偏振调制
光纤传感器频率调制
注：MM——多模光纤；SM——单模光纤；PM——偏振保持光纤
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光纤传感器ppt讲解可修改文字
n n 1为纤芯折射率 ， 2 为包层折射率
arcsinNA是一个临界角，
θ> arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
θ< arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大，只有2 张角之内的光被
光纤接受传播。一般希望光纤有大的数值孔径，这样有利于耦合效率的提高。 但数值孔径越大，光信号将产生大的“模色散”，入射光能分布在多个模式 中，各模式速度不同，因此到达光纤远端的时间不同，信号将发生严重的畸
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，光纤只起传光作用。
三 介绍几种光纤传感器
1，光纤压力传感器
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如 图。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。
6 光纤传感器的类型
光纤传感器按其作用方式一般分为两种类型： 一 功能型光纤传感器， 二 非功能型光纤传感器。
功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏 感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且 在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学 特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。
（3）传输损耗
由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等 的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输 损耗A可用下式表示
-10 lg I0
A=
I
L
式中 L ——光纤的长度 I0——光纤入射端的光强 I——光纤输出端的光强
光纤传感器基本原理1
实现纵向、径向应变最简便的方法是采用一个空心的 压电陶瓷圆柱筒(PZT)，在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈 光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号，由于PZT筒的直 径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光 纤承受到应力，光波相位随之变化。
(2)温度应变效应
若光纤放置在变化的温度场中，并把温度场变化等效 为作用力F时，那么作用力F将同时影响光纤折射率、和 长度L的变化。由F引起光纤中光波相位延迟为
(3)反射系数型
光波在入射界面上的光强分配由菲涅尔公式描述，界面强度 反射系数由菲涅尔反射公式给出
由反射系数的菲涅尔公式知道， 当光波以大于临界面(θc=sin-1n)的θ角 入射到n1、n3介质的界面上时，若n3 介质由于压力或温度的变化引起n3的 微小改变，相应会引起反射系数的变 化，从而导致反射光强的改变，利用 这一原理可以设计出压力或温度传感 器。
二、强度调制机理
强度调制光纤传感器的基本原理是待测物理量引起 光纤中的传输光光强变化。通过检测光强的变化实现对 待测量的测量，其原理如下图所示。
Pi Pi
P0 P0
强度调制方式很多，大致可分为以下几种:反射式强度 调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸 收系数强度调制等等。一般透射式、反射式和折射率强度 调制称为外调制式，光模式称为内调制式。
(1)光纤折射率变化型
一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同。在温度恒定 时，包层折射率n2与纤芯折射率n1之间的差值是恒定的。当温 度变化时， n2 、 n1之间的差发生变化，从而改变传输损耗。因 此，以某一温度时接收到的光强为基准,根据传输功率的变化可 确定温度的变化。
(2)渐逝波耦合型
通常，渐逝波在光疏媒质中深入距离有几个波长时．能量就 可以忽略不计了。如果采用一种办法使渐逝场能以较大的振幅穿 过光疏媒质，并伸展到附近的折射率高的光密媒质材料中，能量 就能穿过间隙，这一过程称为受抑全反射。
部分习题参考答案(传感器原理及应用,第9章)
部分习题参考答案第9章新型光电传感器9.1 象限探测器与PSD光电位置传感器有什么异同？各有哪些特点？9.2 叙述SSPD自扫描光电二极管阵列工作原理及主要参数特征。
9.3 CCD电荷耦合器主要由哪两个部分组成？试描述CCD输出信号的特点。
9.4 试述CCD的光敏元和读出移位寄存器工作原理。
9.5 用CCD做几何尺寸测量时应该如何由像元数确定测量精度。
9.6 CCD信号二值化处理电路主要有哪种电路形式，可起到什么作用？9.7说明光纤传感器的结构和特点，试述光纤的传光原理。
9.8 当光纤的折射率N1=1.46，N2=1.45时，如光纤外部介质N0=1，求最大入射角θc的值。
9.9 什么是光纤的数值孔径？物理意义是什么？NA取值大小有什么作用？有一光纤，其纤芯折射率为1.56，包层折射率为1.24，求数值孔径为多少？9.10光纤传感器有哪两大类型？它们之间有何区别？9.11 图9-36为Y结构型光纤位移测量原理图，光源的光经光纤的一个分支入射，经物体反射后光纤的另一分支将信号输出到光探测器上。
光探测器的输出信号与被测距离有什么样关系，试说明其调制原理，画出位移相对输出光强的特性曲线。
9.12光纤可以通过哪些光的调制技术进行非电量的检测，说明原理。
9.13埋入式光纤传感器有哪些用途，举例说明可以解决哪些工程问题。
答案9.1答：1）象限探测器它是利用光刻技术，将一个整块的圆形或方形光敏器件敏感面分隔成若干个面积相等、形状相同、位置对称的区域，这就构成了象限探测器。
PSD光电位置传感器是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电器件。
两种器件工作机理不同，但其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。
光电位置传感器被广泛应用于激光束对准、平面度检测、二维坐标检测以及位移和振动测量系统。
2）象限探测器有几个明显缺点：它需要分割从而产生死区，尤其当光斑很小时，死区的影响更明显。
若被测光斑全部落入某个象限时，输出的电信号无法表示光斑位置，因此它的测量范围、控制范围都不大，测量精度与光强变化及漂移密切相关，因此它的分辨率和精度受到限制。
传感器技术复习提纲
传感器复习提纲第0章绪论【没有大题】1．什么是传感器？（传感器定义）国家标准定义：能感受规定的被测量（包括物理量,化学量、生物量等）并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
2．传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？1.敏感元件：直接感受被测量（一般为非电量）并将其转换为与被测量有确定关系的易变成电量（包括电量）的其他元件。
2.转换元件：它能将物理量直接转换为有确定关系的电量的元件。
3.测量电路：把转换元件输出的电信号变为便于处理显示，记录控制的可用电信号的电路。
4.辅助电源：供给转换能量。
3．了解传感器的分类方法。
1.按基本效应分：物理型、化学型、生物型2.按传感机器分：结构型、物性型3.按能量关系分：能量转换型（自源型）能量控制型（外源型）4.按作用原理分：应变式，电容式，压电式，热电式5.按功能性质分：力敏，热敏，磁敏，气敏6.按功能材料分：固态（半导体，半导瓷，电介质）光纤，膜，超导等7.按输入量：位移，压力、温度、流量、气体8、按输出量：模拟式、数字量4．传感器的基本要求。
1、足够的容量2、灵敏度高、精度适当3、响应速度快，工作稳定、可靠性好4、适用性和适应性强5.使用经济第1章传感器技术基础【没有大题】1 衡量传感器静态特性的主要指标有哪些?说明它们的含义。
1.线性度：表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线（作为工作直线）之间的吻合（或偏离）程度的指标。
2.回差：反映传感器正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出-输入曲线的不重合程度的指标。
3.重复性：衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线一致性程度的指标4.灵敏度：传感器输出量增量与输入量增量之比。
5.分辨力：传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量6.阈值:能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值。
7.稳定性：传感器在相当长时间内保持其性能的能力8.漂移：在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的，不需要的变化9.静态误差：指传感器在满量程内任一点输出值相对其理论值的可能偏离（逼近）程度。
传感器技术第九章光纤传感器
a类：功能型 FF b类：非功能 型NF
C类：拾光型 NF
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(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是 敏感元件，光在光纤内受被测量调制。 优点：结构紧凑、灵敏度高。 缺点：须用特殊光纤，成本高，
典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。
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(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器
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光纤按折射率变化类型分类
按纤芯到包层折射率变化： 阶跃折射率光纤 渐变折射率光纤
光纤模式
光纤模式:光波沿光导纤维传播的途径和方式。 以不同角度入射的光线在(n1和n2)界面上的反射次 数是不同的。 光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿 横切向传播的两种平面波成分。后者在纤芯和包 层的界面上会产生全反射。当它在横向往返一次 的相位变化为2π的整数倍时，将形成驻波。形成 驻波的光线组称为模。 在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利 的，导致合成信号的畸变，因此我们希望模式数 量较少为好。
n0 sin i n1 sin j
n1 sin k n2 sin r
sin i (n1 / n0 ) sin j
j 90 k
n1 n1 sin i (n1 / n0 ) sin(90 k ) cos k 1 sin 2 k n0 n0
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光在光纤中的全反射
光的全反射实验
数值孔径（NA）
NA sin i 0 n1 n2
2 2
NA 反映纤芯接收光量的多少，标志光纤集光性能。
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2．应用举例 若传感光纤受物理量的作
用，则光纤的长度、直径和折 射率将会发生变化，将会引起 传播光的相位角也发生变化。
如果在传感光纤和参考光 纤的汇合端放置一个光电探测 器，就可以将合成光强的强弱 变化转换成电信号大小的变化， 如图9.10所示。
图9.9 测量压力或温度的相位调制型光纤传感器原理图
第9章 光纤传感器
9.1 光纤传感器的原理结构及种类
9.1.1 光纤传感器的原理
光纤传感系统的基本原理是：光纤中光波参数（如光强、频率、波 长、相位以及偏振态等）随外界被测参数的变化而变化，所以，可通过 检测光纤中光波参数的变化以达到检测外界被测物理量的目的。
9.1.2 光纤的结构 图9.1 光纤传感器构成示意图
图9.19 Y形光纤微位移传感器原理示意图
图9.20 光纤微位移传感器测量位移
9.6.2 光纤流量传感器
用一个小型光电探测器接收斑图中的亮区，便可接收到光纤振动的信号， 经过频谱仪分析便可检测出振动频率，由此可计算出液体的流速及流量。
图9.21 光纤流量传感器原理图
9.6.3 光纤图像传感器
1．工业用内窥镜
图9.22 工业用内窥镜原理图
图9.23 微机控制的工业内窥镜
2．医用内窥镜 医用内窥镜由末端的物镜、光纤图像导管、顶端的目镜和控制手
柄组成。照明光经照明导光管，再穿过图像导管外层光纤照射到被观 察物体上，反射光由物镜成像后，通过光纤图像导管，把被观察物的 像素送到目镜后输出。
9.3.3 光纤传感器的主 要部件
1．光源
2．耦合器
3．探测器
4．连接器
图9.7 非功能型光纤传感器敏 感元件在中间原理结构图
图9.8 非功能型光纤“敏感元件+ 发光元件” 组合体原理结构图
9.4 功能型光纤传感器
9.4.1 相位调制型光纤传感器
1．相位调制的原理 由普通物理学知道，在一段长为L的单模光纤（纤芯折射率n1）中，波长
图9.18 受抑全内反射光纤压力传感器
9.6 光纤传感器的应用
9.6.1 光纤微位移测量传感器
图9.19所示为测量微位移的Y形 光纤传感器的原理示意图，其中一根 光纤表示传输入射光线，另一根表示 传输反射光线。传感器与被测物的反 射面的距离在0～4.0mm之间变化时， 可以通过测量显示电路将距离显示出 来，测量显示电路如图9.20所示。
jc
arcsinn
n2 n1
当被测介质压力（或温度）变化时，将使纤芯的折射率n1和介质的
折射率n3发生不同程度的变化，引起临界角发生改变，返回纤芯的反射
光强度也随之发生变化。
图9.13 临界角光强调制型光纤传感器
9.5 非功能型光纤传感器
非功能型光纤传感器主要是光强调制型。按照敏感元件对光强调制的原 理，又可以分为传输光强调制型和反射光强调制型。
光纤的数值孔径（NA） sinqc
1 n0
n12
n22
NA
数值孔径是衡量光纤集光性能的一个主要参数，它决定了能被传 播的N的A=光0.束2～的0半.4孔。径角的最大值qc，反映了光纤的集光能力。石英光纤
9.3 光导纤维传感器的类型
9.3.1 光纤传感器的分类
1．按测量对象分类 2．按光纤中光波调制的原理分类 3．按光纤在传感器中的作用分类
为l的输出光相对于输入端来说，其相位角f为
f 2 n1L l
当光纤受到外界物理量的作用时，则光波的相位角变化为
fl l 2 ( n 1 L L n 1) 2 L ( n 1L n 1)
这样，就可以应用光的相位检测技术测量出温度、压力、加速度、电流 等物理量。
干涉测量仪的基本原理：光源的输出光都被分束器（棱镜或低损耗光纤 耦合器）分成光功率相等的两束光（也有的分成几束光），并分别耦合到两 根或几根光纤中去。在光纤的输出端再将这些分离光束汇合起来，输到一个 光电探测器，这样在干涉仪中就可以检测出相位调制信号。因此，相位调制 型光纤传感器实际上为一光纤干涉仪，故又称为干涉型光纤传感器。
9.3.2 功能型和非功能型光纤传感器
1．功能型光纤传感器 功能型光纤传感器主要使用单模光纤，它是利用对外界信息具有敏感
能力和检测功能的光纤，构成“传”和“感”合为一体的传感器。
图9.6 功能型光纤传感器的原理结构图
2．非功能型光纤传感器
在非功能型光纤传感器 中，光纤不是敏感元件，它 只起到传递信号的作用。传 感器信号的感受是利用光纤 的端面或在两根光纤中间放 置光学材料、机械式或光学 式的敏感元件，感受被测物 理量的变化。
图9.3 光纤的种类和光传播形式
9.2 光的传输原理
9.2.1 光的全反射定律
光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。
图9.4 光线在临界面上发生的内反射示意图
9.2.2 光纤的传光原理
图9.5 阶跃型多模光纤中子午光线的传播
只有在光纤端面一定入射角范围内的光线才能在光纤内部产生全 反射而传播出去。能产生全反射的最大入射角可以通过临界角定义求 得。
图9.10 输出光电流与光相位变化的关系
9.4.2 光强调制型光纤传感器
光强调制型光纤传感器的工作原理是利用外界因素改变光纤中光的强度， 通过检测光纤中光强的变化来测量外界的被测参数，即强度调制。 1．微弯损耗光强调制
图9.11 微弯损耗光强调制器及其传感器
2．临界角光纤压力传感器
临界角光纤传感器也是一种光强调制型传感器。临界角jc由纤芯折 射率n1和光纤端部介质的折射率n3决定，
光纤是一种传输光信息的导光 纤维，主要由高强度石英玻璃、常 规玻璃和塑料制成。
图9.2 光纤的基本结构
9.1.3 光纤的种类
光纤按纤芯和包层材料性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两大类； 按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型两种。 1．阶跃型光纤（折射率固定不变） 2．梯度型光纤（纤芯折射率近似呈平方分布）
9.5.1 遮断光路的光强调制型光纤传感器
图9.14 用于油库的双金属片光纤温度传感器
9.5.2 改变光纤相对位置的光强调制型光纤传感器
受抑全内反射光纤压力传感器是利用改变光纤轴向相对位置对光强进行 调制的一个典型例子。
图9.16 受抑全内反射光纤压力传感器原理图
图9.17 透射光强与光纤间隙距离的关系