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1、8.2 光 纤 传 感 器,光纤传感器（FOS）是基于光导纤维它制成的新型传感器。,1.光纤传感器,与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能力强、高灵敏度、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。,2.特点,光纤传感器可应用于：位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。,3.光纤传感器的应用,8.2.1 光纤结构及其传光原理,光导纤维简称光纤，中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫包层。纤芯和包层通常由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1(光密
2、介质)略大于包层的折射率n2(光疏介质)，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料，以增加机械强度。,1.光纤结构,光缆的外形及光纤的拉制,2.光纤传光原理,根据几何光学原理，当光线以较小的入射角1由光密介质1射向光疏介质2（n1n2）时，一部分入射光将以折射角2折射入介质2，其余部分仍以1反射回介质1。,光在两介质界面上的折射和反射,光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。,图840光纤的传光原理,若光在纤芯和包层的界面上发生全反射，则界面上的光线临界折射角c=90，即 c=90。,根据斯涅耳（Snell）光的折射定律，由图8-40可得,n0为光纤外界介
3、质的折射率。,当=c=90时（即发生全反射条件），有,产生全反射的条件,为满足光在光纤内的全内反射，光入射到光纤端面的入射角i应满足,一般光纤所处环境为空气，则n0=1，这样上式可表示为,实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍然继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。,光的全反射实验,8.2.2 光纤基本特性,数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少。其意义是：无论光源发射功率有多大，只有入射角处于2c的光椎角内，光纤才能导光。如入射角过大，光线便从包层逸出而产生漏光。光纤的NA越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这
4、有利于提高耦合效率；但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.20.4。,数值孔径（NA）定义为,1.数值孔径（NA）,2.按光纤传输模数分类,根据光纤的传输模式分类，可以把光纤分为多模光纤和单模光纤两类。,模的概念可简单介绍如下：,在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的平面波和沿垂直方向（剖面方向）传播的平面波。沿剖面方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上将产生反射。如果此波在一个往复（入射和反射）中相位变化为2的整数倍，就会形成驻波。只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光波才能在光纤内传播，这些光波就称为模。,一般纤芯直径为212m，
5、只能传输一种模式称为单模光纤，常用于光纤传感器。这类光纤的传输性能好，信号畸变小，信息容量大，线性好，灵敏度高，但由于纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困难。,在光纤内只能传输一定数量的模。通常，纤芯直径较粗（几十m以上）时，能传播几百个以上的模，而纤芯很细（510m）时，只能传播一个模。前者称为多模光纤，后者称为单模光纤。,纤芯直径较大（50100m）传输模式较多称为多模光纤。这类光纤的性能较差，输出波形有较大的差异，但由于纤芯截面积大，故容易制造，连接和耦合比较方便。,3.光纤传输损耗,目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。在这些材料中，由于存在杂质离子、原子的缺陷等都会吸
6、收光，从而造成材料吸收损耗。,（1）吸收损耗,光纤传输损耗主要来源于材料吸收损耗、散射损耗和光波导弯曲损耗。,散射损耗主要是由于材料密度及浓度不均匀引起的，这种散射与波长的四次方成反比。因此散射随着波长的缩短而迅速增大。所以可见光波段并不是光纤传输的最佳波段，在近红外波段（11.7m）有最小的传输损耗。因此长波长光纤已成为目前发展的方向。,（2）散射损耗,光纤拉制时粗细不均匀，造成纤维尺寸沿轴线变化，同样会引起光的散射损耗。另外纤芯和包层界面的不光滑、污染等，也会造成严重的散射损耗。,光波导弯曲损耗是使用过程中可能产生的一种损耗。光波导弯曲会引起传输模式的转换，激发高阶模进入包层产生损耗。当弯
7、曲半径大于10cm时，损耗可忽略不计。,（3）光波导弯曲损耗,光纤传输损耗,设光纤入射端与出射端的光功率分别为 Pi 和Po，光纤长度为L（单位：km），则光纤的损耗 a(单位：dBkm)可以用下式计算：,光纤传感器原理实际上是研究光在调制区内，外界信号（温度、压力、应变、位移、振动、电场等）与光的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。,8.2.3 光纤传感器,1.光纤传感器的基本工作原理及组成,（1）基本工作原理,外界信号可能引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。,光纤传感器由光源、敏感元件（光纤或非光纤的）、光探测器、信号处理系统、光纤等组成。,（2
8、）光纤传感器的组成,如图8-41所示。由光源发出的光通过源光纤引到敏感元件，被测参数作用于敏感元件，在光的调制区内，使光的某一性质受到被测量的调制，调制后的光信号经接收光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号，最后经信号处理得到所需要的被测量。,图8-41 光纤传感器组成示意图（a）传感型；（b）（c）传光型；（d）拾光型,光纤传感器外形,光纤位移传感器,光纤应变传感器,西门子光纤传感器,2.光纤传感器的分类,光纤传感器分为两大类：功能型非功能型,1）根据光纤在传感器中的作用,（1）功能型（全光纤型）光纤传感器,利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，称为功能型传感器（Functiona
9、l Fiber，缩写为FF），又称为传感型传感器；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)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。,光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。,（2）非功能型（或称传光型）光纤传感器,是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，这类传感器称为非功能型（Non Functional Fiber，缩写为NFF）传感器，又称为传光型传感器。光纤仅起导光作
10、用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。在这种情况下，光纤只是作为光的传输回路，如图8-14(b)、（c）所示，光纤不连续。,在非功能型光纤传感器中，也有并不需要外加敏感元件的情况，光纤把测量对象所辐射、反射的光信号传播到光电元件如图8-14（d）所示。,这种光纤传感器也叫探针型（拾光型）光纤传感器。该类传感器中通常使用单模光纤或多模光纤。典型的例子有光纤激光多普勒速度传感器、光纤液位传感器（外加激光光源）、光纤辐射温度传感器等，其特点是非接触式测量，而且具有较高的精度。,2）根据光受被测对象的调制形式,强度调制型偏振调制型频率调制型相位调制型,（1）强度
11、调制型光纤传感器,是一种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，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。,有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。,优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。,是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压
12、传感器；这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。,（2）偏振调制光纤传感器,（3）频率调制光纤传感器,是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器。,（4）相位调制传感器,其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，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。通常有：,利用磁致
13、伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。利用光弹效应（物质的弹性应变，产生双折射，引起其折射率变化的现象）的声、压力或振动传感器；这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。,传感器,光学现象,被测量,光纤,分类,干涉型,相位调制光线传感器,干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干涉,电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度,SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PM,aaaaa,非干涉型,强度调制光纤温度传感器,遮光板遮断光路半导体透
14、射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜,温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位,MMMMMMSMMMMMMM,bbbbbbb,偏振调制光纤温度传感器,法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应,电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移,SMMMSMMM,b,abbb,频率调制光纤温度传感器,多普勒效应受激喇曼散射光致发光,速度、流速、振动、加速度气体浓度温度,MMMMMM,cbb,注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型,8.2.4 功能型光纤传感器举例,当一束
15、波长为的相干光在光纤中传播时，光波的相位角与光纤的长度L、纤芯折射率n1和纤芯直径d有关。光纤受到物理量的作用时，这三个参数就会发生不同程度的变化，从而引起光相移。一般说来，光纤长度和折射率的变化引起光相位的变化要比纤心直径引起光相位的变化大得多，因此纤芯直径d引起的光相位变化可以忽略。,1.相位调制型光纤传感器,（1）相位调制的原理,当光纤受到物理量的作用时，则相位角变化为,式中：光波相位角的变化量；L光纤长度的变化量；n1光纤纤芯折射率的变化量；L光纤轴向应变（L=LL）。,由普通物理学知道，在一段长为L的单模光纤（纤芯折射率为n1）中，波长为的输出光相对输入端来说，其相角为,于是，就可以
16、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。由于光的频率很高（约为1014Hz），光电探测器不能跟踪以这样高的频率进行变化的瞬时值，因此，光波的相位变化是不能够直接被检测到的。为此，应用光学干涉测量技术将相位调制转换成振幅（强度）调制。,在光纤传感器中常采用马赫-泽德（Mach-Zehader）干涉仪等几种不同的干涉测量仪。它们有一个共同之处，即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（也有分成几束光的），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。在干涉仪中，采用锁相零差、合成外差等解调技术，就可以
17、检测出相位调制信号。,利用马赫-泽德干涉仪测量压力或温度的相位调制型光纤传感器组成原理图如图8-42所示。He-Ne(氦-氖)激光器发出的一束相干光（相位恒定的光）经过扩束以后，被分束器分成两束光，分别耦合到传感光纤和参考光纤中。传感光纤被置于被测对象的环境中，感受压力（或温度）信号；参考光纤不感受被测物理量。这两根单模光纤构成干涉仪的两个臂。这两根光纤再通过光纤耦合器组合起来，以便产生相互干涉，形成一系列明暗相间的干涉条纹。,（2）相位调制型光纤压力和温度传感器,图8-42 用马赫-泽德干涉仪测量压力或温度的相位调制型光纤传感器组成原理图,当传感光纤感受到温度变化时，光纤的折射率会发生变化，
18、而且因光纤的热胀冷缩使其长度发生改变。由式（8-16）知，光纤的长度和折射率变化，将会引起传播光的相位角变化。这样，传感光纤和参考光纤的两束输出光的相位也发生了变化，从而使合成光强随着相位的变化而变化（增强或减弱），即干涉。于是，通过光电探测器，就可以将合成光强的强弱变化转换成电信号大小的变化。,图8-43 随着温度T的上升，光相位变化与输出电流的关系,如图8-43所示。由图中可以看出：在初始情况（室温26），传感光纤中的传播光与参考光纤中的传播光同相，输出光电流最大。随着T的上升，相位增加，光电流逐渐减小。T继续上升，到26.03，相移增加弧度，光电流达到最小值。继续上升到26.06，相移增
19、加到2弧度，光电流又上升到最大值。这样，光的相位调制便转换成电信号的幅值调制。T上升了0.06，相位变化了2弧度，干涉条纹移动了一根。如果在两光纤的输出端用光电元件来扫描干涉条纹的移动，并变换成电信号，再经放大后输入记录仪，从记录的移动条纹数就可以检测出温度（或压力）信号。,2.光强调制型光纤传感器,图8-44 光纤微弯对传播光的影响,光纤微弯曲位移和压力传感器是光强调制型光纤传感器的一个典型例子。它是基于光纤微弯而产生的弯曲损耗原理制成的。微弯曲损耗的机理可用图8-44中光纤微弯对传播光的影响来说明。,假如光线在光纤的直线段以大于临界角射入界面（1c），则光线在界面上产生全反射。理想情况下，
20、光将无衰减地在纤芯内传播。当光线射入微弯曲段的界面上时，入射角将小于临界角（1c）。这时，一部分光在纤芯和包层的界面上反射；另一部分光则透射进入包层，从而导致光能的损耗。基于这一原理，人们研制成了光纤微弯曲传感器如图8-45所示。,图8-45 光纤微弯曲位移（压力）传感器原理图,该传感器由两块波形板（变形器）构成，其中一块是活动板，另一块是固定板。波形板一般采用尼龙、有机玻璃等非金属材料制成。一根阶跃型多模光纤（或渐变型多模光纤）从一对波形板之间通过。当活动板受到微扰（位移或压力）作用时，光纤就会发生周期性微弯曲，引起传播光的散射损耗，使光在芯模中重新分配：一部分光从芯模（传播模）耦合到包层模
21、（辐射模）；另一部分光反射回芯模。,当活动板的位移或压力增加时，泄漏到包层的散射光随之增大，光纤芯模的输出光强度就减小。,参见图8-46。于是光强就受到了调制。通过检测泄漏出包层的散射光强度或光纤芯透射光强度就能测出位移（或压力）信号。,图8-46 光纤芯透射光强度与外力的关系,特点：,光纤微弯曲传感器的一个突出优点是光功率维持在光纤内部，这样就可以免除周围环境污染的影响，适宜在恶劣环境中使用。它还有灵敏度较高（能检测小至100Pa的压力变化）、结构简单、动态范围宽、线性度较好、性能稳定等优点。因此，光纤微弯曲传感器是一种有发展前途的传感器。,图8-47 偏振态调制型光纤电流传感器测试原理,偏
22、振态调制型光纤传感器的典型应用例子之一是输电线电流的测量。偏振态调制型光纤电流传感器测试原理如图8-47所示。,3.偏振态调制型光纤传感器,法拉第磁光效应（偏振光面发生偏转）,如图8-47 中所示，从激光器发出的激光经起偏器变成线偏振光，再经显微物镜（10）聚焦耦合到单模光纤中。为了消除光纤中的包层模，可把光纤浸在折射率高于包层的油中，再将单模光纤以半径R绕在高压载流导线上。,根据法拉第旋光效应，由电流所形成的磁场会引起光纤中线偏振光的偏转。检测偏转角的大小，就可得到相应的电流值。,设通过其中的电流为I，由此产生的磁场 H 满足安培环路定律。对于无限长直导线，则有,由磁场H产生的法拉第旋光效应
23、引起光纤中线偏振光的偏转角为,式中：V费尔德常数（对于石英：V=3.710-4radA）；L受磁场作用的光纤长度；R 粗导线的半径。,受磁场作用的光束由光纤出端经显微物镜耦合到偏振棱镜，并分解成振动方向相互垂直的两束偏振光，分别进入光探测器，再经信号处理后输出信号为：,式中N为光纤绕在输电线上的匝数。由此可见，只要系统的V和N一经确定，就可通过输出信号P的大小，获得被测输电线上的电流值。对大多数光纤材料，费尔德常数V随着波长的增长而减小。另外，当波长较小(如为0.5 m)时，材料的吸收系数又急剧增加。因此，为了获得较高的信噪比，光源激光器应在波长为0.550.9 m 范围内选择。,8.2.5
24、非功能型光纤传感器举例,非功能型光纤传感器又可分为,传输光强调制型,反射光强调制型,传输光强调制型光纤传感器，一般是在输入光纤与输出光纤之间放置有机械式或光学式的敏感元件。敏感元件在物理量的作用之下，对传输的光强进行调制，如吸收光的能量、遮断光路、改变光纤之间的相对位置等。,1.传输光强调制型光纤传感器,图8-48 半导体吸收式光纤传感器测温系统原理图,现在我们来看一个通过吸收光的能量，对传输的光强进行调制的半导体吸收式传感器实例。图8-48为其系统电原理图。由图可以看出，整个系统结构简单。,光源：系统应用恒流源电路激励光源，光源应选择其发光光谱的峰值对应波长与半导体吸收边波长g一致的光源。敏
25、感元件：测试系统组成时，须将光纤的一端与光电接收管固化耦合，光纤的另一端与发光管固化耦合，这样就构成了一个光纤耦合器。敏感材料的夹入可看成是在光纤耦合器的中部切断的置入。系统组成并通过调试后，光源发出的稳定光通过输入光纤传到半导体薄片，透射光强受到所测温度的调制，并由输出光纤接收，传到光电探测器。光电探测器：利用雪崩光电二极管或PIN光电二极管，转换成电信号输出，从而达到测温的目的。,该系统的温度测量范围为-20300，精度约为3，响应时间常数约2 s，能在强电场环境中工作。,在图示输入光纤和输出光纤两端面间夹一片厚度约零点几毫米的半导体光吸收片，并用不锈钢管加以固定，使半导体与光纤成为一体。
26、它的关键部件是半导体光吸收片。由半导体物理知道，半导体的禁带宽度 Eg 随温度 T 增加近似线性地减小，如图8-49所示。,图8-49 半导体的禁带宽度与温度的关系,图8-50 半导体的透射光强与温度的关系,g,LED的具有一定谱线宽度的光谱，且 g使之处于半导体吸收边界,光谱吸收边界,T1T2T3,在 T 一定时的情况下，半导体引起的光吸收随着吸收边波长g的变短而急剧增加，也即透过率急剧下降，直至光几乎不能穿透半导体。反之，随着吸收边波长g的变长，半导体的透光率增大。,由图8-50可以看出：,半导体的本征吸收限（或吸收边）波长随温度增加而向长波长的方向位移。,对于某一的光，通过半导体的透射光
27、强随温度 T 的增加而减小。,2.反射光强调制型光纤传感器,下面分析一个依据反射光调制的光纤传感器实例光纤动态压力传感器。图8-51为光纤动态压力传感器原理图。整个系统由光源、压力膜片、光敏二极管、Y形光纤束和放大器等组成。,图8-51 光纤动态压力传感器原理图,光的反射面是压力敏感元件膜片，它是用不锈钢等材料制成的圆形平膜片，通过一定工艺制作在传感头端面上。膜片的内表面进行了抛光处理，以提高光反射率。如在内表面再蒸镀一层反射膜，反射效率会更高。Y形光纤束约由3000根直径为50 m的阶跃型多模光纤（NA=0.603）集束而成。它被分成纤维数目大致相等、长度相同的两束：发送光纤束和接收光纤束。
28、为了补偿光源光功率的波动以及光敏二极管的噪声，系统增加了一根补偿光纤束。,该系统是用于动态压力测量的，因此，膜片感受到的压力有压力流场的平均压力和脉动压力两种。于是，当系统工作时，光敏二极管接收的反射光光强也由两部分组成：恒定光强和随压力变化的光强。为此，在膜片设计时，既要考虑平均压力的大小，又要考虑脉动压力的最大值。也就是说，当膜片在动态压力作用下，应保证膜片的最大位移不超过如图8-52所示AB段工作范围，故系统的偏置工作点选择在AB段的中点M。,由膜片的挠度理论知，周边固定的圆形平膜片，其中心位移与压力成正比。当压力增加（或减小）时，膜片与光纤端面之间的距离将线性地减小（或增加）。这样，光
29、纤接收的反射光强度就将随压力变化而线性变化。此时，随压力变化的光信号被光敏二极管接收，变成相应的微弱光电流，经放大、滤波后输出与压力成正比的电压信号。,图8-52 光纤动态压力传感器的膜片反射光强与距离的关系曲线,优点：结构简单，容易实现；频率响应好，脉动压力的频率在018 kHz的范围内变化，传感器的灵敏度几乎不变；输出幅度大，放大后的输出信号可达几伏。,缺点：精度不高，一般情况下，非线性、迟滞、重复性等误差约1%2%。光纤动态压力传感器虽不如高精度静态压力传感器，但还是能满足动态压力测量的需要。,优缺点：,光纤式光电开关应用,标志孔,电路板标志检测,当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。,光纤 耦合器,传输光纤,出射光纤,光纤式光电开关应用,遮断型光纤光电开关,出射光纤,接收光纤,光纤式光电开关应用,采用遮断型光纤光电开关对IC 芯片引脚进行检测,光纤的其他应用,军用光纤陀螺：将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可以测得出射光的相位发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，无机械磨擦力。,光纤内窥镜,Thank You!,
