1、光纖傳感與檢測技術(shù)光纖傳感與檢測技術(shù)1 1、應(yīng)用、應(yīng)用 測量多種物理量測量多種物理量: 聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等 。優(yōu)異的性能優(yōu)異的性能: 抗電磁干擾，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無抗電磁干擾，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無感應(yīng)的電氣性能感應(yīng)的電氣性能: 耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等。耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等。傳感靈敏度高傳感靈敏度高: 特殊環(huán)境下可以與光纖遙感、遙測技術(shù)配合，形成光纖遙特殊環(huán)境下可以與光纖遙感、遙測技術(shù)配合，形成光纖遙感系統(tǒng)和光纖遙測系統(tǒng)。感系統(tǒng)和光纖遙測系統(tǒng)。 軍用光纖傳感器軍用光纖傳感器

2、: 光纖陀螺光纖陀螺,光纖水聽器，光纖加速度傳感器，光纖壓力光纖水聽器，光纖加速度傳感器，光纖壓力傳感器傳感器 2、光纖結(jié)構(gòu)、光纖結(jié)構(gòu) 3 、 光纖的特點(diǎn)光纖的特點(diǎn) 1)光纖有良好的傳光性能，它對(duì)光波的損耗目前可低到光纖有良好的傳光性能，它對(duì)光波的損耗目前可低到0.2dB/km，甚至更低；，甚至更低； 2)頻帶寬，信息量大頻帶寬，信息量大 3)光在光纖中傳輸時(shí)，光的特性如振幅、相位、偏振態(tài)等將光在光纖中傳輸時(shí)，光的特性如振幅、相位、偏振態(tài)等將隨檢測對(duì)象發(fā)生變化而相應(yīng)變化隨檢測對(duì)象發(fā)生變化而相應(yīng)變化 4)光纖電絕緣性能好，它不受電磁干擾光纖電絕緣性能好，它不受電磁干擾 5)光纖極細(xì)，可塑性好。光

3、纖的總直徑為光纖極細(xì)，可塑性好。光纖的總直徑為100200 m，可放，可放置在在小孔和縫隙等被測場點(diǎn)置在在小孔和縫隙等被測場點(diǎn) 4 4、光纖分類光纖分類 纖芯折射率分布的不同纖芯折射率分布的不同，階躍折射率型光纖和梯度折射率型光纖，階躍折射率型光纖和梯度折射率型光纖 .光纖傳輸特性的不同光纖傳輸特性的不同，光纖又分為單模光纖和多模光纖。，光纖又分為單模光纖和多模光纖。單模光纖單模光纖采用固體激光器做光源，纖芯較細(xì)，傳輸頻帶寬、采用固體激光器做光源，纖芯較細(xì)，傳輸頻帶寬、容量大，傳輸距離長，但因其需要激光源，成本較高。容量大，傳輸距離長，但因其需要激光源，成本較高。多模光纖多模光纖采用發(fā)光二極管

4、做光源。芯線粗，傳輸速度低、采用發(fā)光二極管做光源。芯線粗，傳輸速度低、距離短，整體的傳輸性能差，但其成本比較低距離短，整體的傳輸性能差，但其成本比較低。2211sinsinnn12sinnnc光纖傳感器構(gòu)成框圖光纖傳感器構(gòu)成框圖5 、光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類 （1） 按光纖在傳感器中所起的作用按光纖在傳感器中所起的作用: 功能型光纖傳感器（功能型光纖傳感器（FF）和）和非功能型光纖傳感器（非功能型光纖傳感器（NF） （2）按測量對(duì)象：光纖溫度傳感器、光纖壓力傳感器、光纖流量）按測量對(duì)象：光纖溫度傳感器、光纖壓力傳感器、光纖流量傳感器、光纖電流傳感器、光纖磁場傳感器、光纖應(yīng)變傳感器、光傳

5、感器、光纖電流傳感器、光纖磁場傳感器、光纖應(yīng)變傳感器、光纖位移傳感器等纖位移傳感器等 （3）按被調(diào)制的光波參數(shù)：強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器、偏振調(diào)制型）按被調(diào)制的光波參數(shù)：強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器、偏振調(diào)制型光纖傳感器、頻率調(diào)制型光纖傳感器、波長調(diào)制型光纖傳感器、相光纖傳感器、頻率調(diào)制型光纖傳感器、波長調(diào)制型光纖傳感器、相位調(diào)制型光纖傳感器和時(shí)分調(diào)制型光纖傳感器等位調(diào)制型光纖傳感器和時(shí)分調(diào)制型光纖傳感器等 強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器 改變光纖的幾何形狀，從而改變光線的傳播入射角；改變光纖的幾何形狀，從而改變光線的傳播入射角； 改變光纖纖芯或者包層的折射率。改變光纖纖芯或者包層的折射率。 導(dǎo)致接

6、收光纖中的光強(qiáng)度變化來實(shí)現(xiàn)敏感測量。光強(qiáng)度變化可以直導(dǎo)致接收光纖中的光強(qiáng)度變化來實(shí)現(xiàn)敏感測量。光強(qiáng)度變化可以直接用光電探測器進(jìn)行檢測。接用光電探測器進(jìn)行檢測。光纖微彎壓力傳感器原理相位調(diào)制光纖傳感器相位調(diào)制光纖傳感器將光波相位上的變化轉(zhuǎn)換為干涉條紋強(qiáng)度上的變化，從而實(shí)現(xiàn)將光波相位上的變化轉(zhuǎn)換為干涉條紋強(qiáng)度上的變化，從而實(shí)現(xiàn)光電檢測。光電檢測。 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀 (b) 馬赫馬赫-琴特干涉儀琴特干涉儀 (c) 塞格納克干涉儀塞格納克干涉儀 (d) 法布里法布里-珀珀羅干涉儀羅干涉儀 共同點(diǎn)共同點(diǎn)：光源發(fā)出的光都要分成兩束或更多束的光，沿不同：光源發(fā)出的光都要分成兩束或更多束的光，沿不

7、同的路徑傳播后，分離的光束又組合在一起，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。的路徑傳播后，分離的光束又組合在一起，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 時(shí)分調(diào)制光纖傳感器時(shí)分調(diào)制光纖傳感器時(shí)分調(diào)制型光纖傳感器也稱為分布式光纖傳感器。分布式光纖時(shí)分調(diào)制型光纖傳感器也稱為分布式光纖傳感器。分布式光纖傳感系統(tǒng)是將傳感光纖沿場排布，對(duì)沿光纖傳輸路徑上場的空傳感系統(tǒng)是將傳感光纖沿場排布，對(duì)沿光纖傳輸路徑上場的空間分布和隨時(shí)間變化的信息進(jìn)行測量和監(jiān)控間分布和隨時(shí)間變化的信息進(jìn)行測量和監(jiān)控。 特征為：特征為：分布式光纖傳感系統(tǒng)中的傳感元件僅為光纖分布式光纖傳感系統(tǒng)中的傳感元件僅為光纖 一次測量就可以獲取整個(gè)光纖區(qū)域內(nèi)被測量的一維分布圖，將光一次測量就

8、可以獲取整個(gè)光纖區(qū)域內(nèi)被測量的一維分布圖，將光纖架設(shè)成纖架設(shè)成光柵光柵狀，就可測定被測量的二維和三維分布情況狀，就可測定被測量的二維和三維分布情況 偏振調(diào)制光纖傳感器偏振調(diào)制光纖傳感器Bragg光纖光柵技術(shù)光纖光柵技術(shù) 反反射射光光 輸輸入入寬寬光光譜譜 透透射射光光 纖纖芯芯 Bragg 光光柵柵 Bragg光纖光柵光纖光柵 通過激光照射，光纖的折射率隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相通過激光照射，光纖的折射率隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)變化，使其內(nèi)部折射率呈周期性分布，形成的空間相應(yīng)變化，使其內(nèi)部折射率呈周期性分布，形成的空間相位光柵，經(jīng)處理后可長期保存位光柵，經(jīng)處理后可長期保存. 其實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形其

9、實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的成一個(gè)窄帶的(透射或反射透射或反射)濾波器或反射鏡。濾波器或反射鏡。 檢測的物理量檢測的物理量:溫度、應(yīng)變、溫度、應(yīng)變、位移、壓強(qiáng)、位移、壓強(qiáng)、扭角、加速度、扭角、加速度、電流、電壓、電流、電壓、磁場、頻率及磁場、頻率及濃度等。濃度等。光纖壓力傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)光纖壓力傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì) 光纖微彎液位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖光纖微彎液位傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖LED光譜特性電流放大型變化電路LED光譜較寬光譜較寬(約約40nm)，但色散度大，且它發(fā)射的光是非相干光，但色散度大，且它發(fā)射的光是非相干光，只能與多模光纖耦合。只能與多模光纖耦合。 發(fā)射電路 前置放大電路 巴特沃斯四階有源低通濾波器

10、電路光纖安防振動(dòng)傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)光纖安防振動(dòng)傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì) 光纖安防振動(dòng)傳感系統(tǒng)示意圖無外界干擾時(shí)，光在傳感光纖中的傳播振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)干擾時(shí)，光在傳感光纖中的傳播壓力干擾時(shí)，光在傳感光纖中的傳播（1）Sagnac效應(yīng)效應(yīng) 當(dāng)環(huán)形光路相對(duì)于慣性空間有一轉(zhuǎn)動(dòng)速度當(dāng)環(huán)形光路相對(duì)于慣性空間有一轉(zhuǎn)動(dòng)速度時(shí)，順時(shí)針光路時(shí)，順時(shí)針光路和逆時(shí)針光路之間形成與轉(zhuǎn)速成正比的光程差和逆時(shí)針光路之間形成與轉(zhuǎn)速成正比的光程差L cos4cALSagnac效應(yīng)和轉(zhuǎn)動(dòng)光程表Sagnac型光纖振動(dòng)傳感器 擾動(dòng)作用的擾動(dòng)作用的光纖光纖長度為長度為l，則其產(chǎn)生的相位變化，則其產(chǎn)生的相位變化 rrlnnlllll cos22121IIIII兩束光回到耦合器處的干涉發(fā)生變化，而這種變化就可被光電兩束光回到耦合器處的干涉發(fā)生變化，而這種變化就可被光電探