1、關于光纖傳感技術第一張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月 光導纖維傳感器（簡稱光纖傳感器）是20世紀七十年代迅速發展起來的一種新型傳感器。光纖最早用于通訊，隨著光纖技術的發展，光纖傳感器得到進一步發展。 與其它傳感器相比較，光纖傳感器有如下特點： 1.不受電磁干擾，防爆性能好，不會漏電打火； 2.可根據需要做成各種形狀，可以彎曲； 3.可以用于高溫、高壓,絕緣性好,耐腐蝕。第二張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月基本采用石英玻璃， 主要由三部分組成 中心纖芯； 外層包層； 護套尼龍料。 光導纖維的導光能力取決于纖芯和包層的性質， 纖芯折射率n1略大于包層折射率n2（ n1 n2 ）

2、。第一節 光纖的結構與傳光原理（一）光纖的結構單模：8 10m多模：大于50m包層玻璃纖維尼龍外層涂敷層纖芯外層直徑1mm一、結構和種類第三張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月階躍折射率光纖階躍 剖面 n(r)a n2n1 r 纖 芯（二） 光纖的種類 光纖按纖芯和包層材料的性質分類，有玻璃光纖和塑料光纖兩類；按折射率分有階躍型和梯度型二種 。 右圖所示為階躍型光纖，纖芯的折射率n1分布均勻，不隨半徑變化。包層內的折射率n2分布也大體均勻。可是纖芯與包層之間折射率的變化呈階梯狀。在纖芯內，中心光線沿光纖軸線傳播。通過軸線平面的不同方向入射的光線（子午光線）呈鋸齒形軌跡傳播。第四張，PPT

3、共八十八頁，創作于2022年6月8/20/20224漸變 剖面n(r)梯度折射率光纖 a n2 n1 r纖 芯右圖所示為梯度型光纖，纖芯的折射率n1不是常數，從中心軸線開始沿徑向大致按拋物線規律逐漸減小。因此光在傳播中會自動地從折射率小的界面處向中心會聚。光線偏離中心軸線越遠，則傳播路程越長。傳播的軌跡類似正弦波曲線。這種光纖又稱自聚焦光纖。右下圖所示為經過軸線的子午光線傳播的軌跡。第五張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/20225名詞解釋：子午光線 當入射光線通過光纖軸線，且入射角1大于界面臨界角 時，光線將在柱體界面上不斷發生全反射，形成曲折回路，而且傳導光線的軌跡始終在光

4、纖的主截面內。這種光線稱為子午光線，包含子午光線的平面稱為子午面。 第六張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/20226子午平面第七張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/20227 光纖的另一種分類方法是按光纖的傳播模式來分，可分為多模光纖和單模光纖兩類。多模光纖多用于非功能型（NF）光纖傳感器；單模光纖多用于功能型（FF）光纖傳感器。下面介紹模的概念第八張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月模的概念在纖芯內傳播的光波，可以分解為沿軸向傳播的平面波和沿垂直方向（剖面方向）傳播的平面波。沿剖面方向傳播的平面波在纖芯與包層的界面上將產生反射。如果此波在一個往復（入射

5、和反射）中相位變化為2的整數倍，就會形成駐波。只有能形成駐波的那些特定角度射入光纖的光才能在光纖內傳播，這些光波就稱為模。在光纖內只能傳輸一定數量的模。通常纖芯直徑較粗（幾十微米以上）時，能傳播幾百個以上的模，而纖芯很細（510微米），只能傳播一個模。前者稱為多模光纖，后者為單模光纖。第九張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月光進入光學纖維后,多次在內壁上發生全內反射,光從纖維的一端傳向另一端.光學纖維:中央折射率大,表層折射率小的透明細玻璃絲.二、 光纖的傳光原理第十張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202210圖7-3 （a） 光線入射角小于臨界角1折射率 n2折射率

6、 n121 c入射光全反射光當繼續加大入射角1，（即1c)， 光不再產生折射，只有反射，形成光的全反射現象，如右圖所示。第十三張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月外反射：第十四張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202214入射角大于臨界角的光線發生全反射內反射，全內反射：第十五張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202215圖7-4 光纖導光示意圖101ABCn0n2n1dD20階躍型多模光纖的傳光原理第十六張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月光纖的傳播基于光的全反射。當光線以不同角度入射到光纖端面時，在端面發生折射后進入光纖； 光線在光纖端面入射

7、角減小到某一角度 c時，光線全部反射。 只要c，光在纖芯和包層界面上經若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。第十七張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月101ABCn0n2n1dD20由斯奈爾（Snell）定律：若滿足即就能產生全反射。可見，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質（n1、n2）決定的，與光纖的幾何尺寸無關。第十八張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月入射角的最大值 為：將sinc定義為光導纖維的數值孔徑,用NA表示,則 第十九張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月NA意義討論： NA表示光纖的集光能力，無論光源的發射功率有多大，只要在2c張角之內的入射光才能被光

8、纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會進入包層漏光。 一般NA越大集光能力越強，光纖與光源間耦合會更容易。但NA越大光信號畸變越大，要選擇適當。 產品光纖不給出折射率N，只給數值孔徑NA。第二十張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月2008-10-17第二十一張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月三、傳光損耗在實際上，光纖傳光中，存在費涅耳反射損耗、光吸收損耗、全反射損耗以及彎曲損耗等。下面簡要分析階躍型多模光纖的損耗。第二十二張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202222當n0 n1入射角小于臨界角時，在界面上將產生反射和折射光束。1折射率 n1折射率 n021

9、c），則光線在界面上產生全反射。當光線射入微彎曲段的界面上時，入射角將小于臨界角（1c）。此時，一部分光在纖芯和包層的界面上反射；另一部分光則透射進入包層，從而導致光能的損耗。基于這一原理，研制成光纖微彎曲傳感器。第三十九張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202239光纖微彎曲位移（壓力）傳感器由兩塊波形板（變形器）構成。其中一塊是活動板；另一塊是固定板。一根階躍多模光纖（或漸變型多模光纖）從一對波形板之間通過。當活動板受到微擾（位移或壓力作用）時，光纖就會發生周期性微彎曲，引起傳播光的散射損耗，使光在芯模中再分配：一部分光從芯模（傳播模）耦合導包層模（輻射模）；另一部分光反

10、射回芯模。當活動板的位移或所加的壓力增加時，泄漏到包層的散射光隨之增大；相反，光纖芯模的輸出光強就減少。光纖芯透射光強度與外力的關系如下圖所示。第四十張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202240這樣光強受到了調制。通過檢測泄漏出包層的散射光強度或光纖芯透射光強度，就能測出位移（或壓力）信號。光纖微彎曲傳感器，靈敏度高，結構簡單，動態范圍寬，線性度較好，性能穩定。第四十一張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202241（二）臨界角光纖壓力傳感器臨界角光纖壓力傳感器也是光強調制型傳感器。如右圖所示，在一根單模光纖的段部切割一個反射面。切割角剛小于臨界角。 臨界角

11、c由纖芯折射率n1和光纖端部介質的折射率n3決定： 如果臨界角部接近45，那么就需要在端面再切割一個反射面。第四十二張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202242入射光線在界面上的入射角是一定的。由于入射角小于臨界角，一部分光折射入周圍介質；另一部分則返回光纖。返回的反射光被分束器偏轉到光電探測器輸出。當被測介質的壓力（或溫度）變化時，將使纖芯的折射率n1和介質的折射率n3發生不同程度的變化，引起臨界角發生改變，返回纖芯的反射光強度也就變化。基于這一原理，有可能設計出一種微小探針壓力傳感器。這種傳感器的缺點是靈敏度較低。然而頻率響應高、尺寸小卻是它的獨特優點。第四十三張，PP

12、T共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202243三、偏振態調制型光纖傳感器平面偏振光通過帶磁性的物體時，其偏振光面將發生偏轉，這種現象稱為法拉第磁光效應。 光矢量旋轉角 :式中 V正常光折射率； L物質中的光程； H磁場強度。(7-16)第四十四張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月法拉第磁光效應磁場偏振光片磁光材料L檢偏片光源第四十五張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月 光纖的磁光效應最典型的應用就是高壓傳輸線用的電流傳感器，其結構如圖所示。將光纖繞在被測導線上，設圈數為N，導線中通過的電流為I，由安培環路定律，距導線軸心為R處的磁場為 P2 WP 探測器1探測器2I1I2

13、光源光纖I P1第四十六張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202246 由前面二式可知，電流強度I與線偏振光的偏振面旋轉角度成正比。該解調方法的特點是可以有效消除光源強度波動對測量結果的不利影響。 P2 WP 探測器1探測器2I1I2光源光纖I P1可得偏轉角和第四十七張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202247由于探測器不能直接檢測光的偏振態，需要將光偏振態的變化轉換為光強度信號。一種檢測方法采用Wollaston棱鏡WP，由光源發射的激光經起偏器P1變為線偏振光進入傳感光纖，在輸出端將檢偏器P2輸出的正交偏振分量在空間上分成兩路輸出，分別被探測器1與探

14、測器2接收。探測器1與探測器2接收的光強信號分別為經信號處理可得到偏振面的偏轉角 P2 WP 探測器1探測器2I1I2光源光纖I P1第四十八張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202248 該解調方法的特點是可以有效消除光源強度波動對測量結果的不利影響。 P2 WP 探測器1探測器2I1I2光源光纖I P1設：則：得：當線偏振光旋轉角度很小時，有第四十九張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202249第三節 非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器中主要是光強調制型。可分為傳輸光強調制型和反射光強調制型。一、傳輸光強調制型光纖傳感器一般在兩根光纖（輸入光纖和輸出光

15、纖）之間配置機械式或光學式的敏感元件。敏感元件調制傳輸光強的方式有：改變輸入光纖和輸出光纖之間的相對位置、遮斷光路和吸收光能等。第五十張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202250圖713受抑全內反射光纖壓力傳感器的光纖輸出光纖（固定）垂直位移輸入光纖n=1.48n=1.48x90（一）改變光纖相對位置的光強調制型光纖傳感器原理 受抑全內反射光纖壓力傳感器，是利用改變光纖軸相對位置對光強進行調制的。 傳感器有兩根多模光纖：一根固定；另一根在壓力作用下可以垂直位移。如右圖所示。第五十一張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月圖713受抑全內反射光纖壓力傳感器的光纖輸出光纖（固

16、定）垂直位移輸入光纖n=1.48n=1.48x90 兩根光纖相對的端面被拋光，并與光纖軸線成一足夠大的角度，以便使光纖中傳播的所有模式的光產生全內反射。 當兩根光纖充分靠近（中間約有幾個波長距離的薄層空氣），一部分光將透射入空氣層，并進入輸出光纖。這種現象稱為受抑全內反射現象。它類似于量子力學中的“隧道效應”或“勢壘穿透”。第五十二張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月輸出光纖（固定）垂直位移 當一根光纖相對另一根固定光纖垂直位移距離x時，則兩根光纖端面之間的距離變化xsin。如左下圖所示。透射光強隨距離發生變化如右下圖所示。由曲線可知，光強變化與間隙距離的變化呈非線性關系。 x90 x輸

17、入光纖圖714 透射光強與光纖間隙距離的關系第五十三張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月因此在實際使用中，應限制光纖的位置距離，使傳感器在變化距離較小的一段線性范圍內，從曲線還可以看出，角越大，曲線的線性段斜率越大。所以為了使傳感器獲得較高的靈敏度，光纖端面的傾斜面（90）要切割得較小。第五十四張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/2022542008-10-24第五十五張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202255（二）遮斷光路的光強調制型光纖傳感器原理在兩根大芯徑多模光纖之間放置一對線光柵。當兩光柵相對平行移動時，透射光強度發生變化。圖717 光柵調制

18、光強的原理圖第五十六張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202256當兩光柵所處的位置正好是全透過部分和不透過部分重合，這時將沒有光透過光柵，輸出光強為零。 當兩光柵所處的位置正好是全透過和全透過部分重合，這時輸出光強為最大。 可見輸出光強將隨兩光柵的相對位移成周期性變化。假設兩個光柵的間距為5m、格子寬5m的柵元組成，則透射光強如下右圖所示。圖717 光柵調制光強的原理圖圖719 透射光相對強度與光柵相對位移的關系第五十七張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202257二、反射光強調制型光纖傳感器 反射式位移傳感器 ，其基本原理如圖所示。光源發出的光通過光纖射

19、向被測物體，其反射光由接收光纖收集，送到探測器，接收光強將隨著反射物體表面與光纖探頭端面的距離變化。通過信號處理得到光纖端面與被測面之間距離的變化（位移）。 探測器光源被測面傳輸光纖接收光纖反射式位移傳感器第五十八張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202258Ra交疊面R= r+2dT接收光纖被測面傳輸光纖傳輸光纖像da2r 為了定量的說明接收光強變化與位移之間的關系，參考下圖。反射鏡面即被測物的移動是與光纖探頭端面垂直的。反射鏡面在其背面距離d處形成輸入光纖的虛象。因此光強調制作用是與虛光纖和接收光纖的耦合是等效的。0第五十九張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/2

20、0/202259Ra交疊面R= r+2dT假設兩根光纖均為階躍折射率光纖，芯徑為2r，數值孔徑為NA，兩光纖間隔為a，并定義第六十張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202260Ra交疊面R= r+2dT接收光纖被測面傳輸光纖傳輸光纖像da2r 當距離 時，兩光纖的光耦合為零，即沒有反射光進入接受光纖； 當距離 時，兩光纖的光耦合隨距離的增大而加強； 當 時，兩光纖的耦合最強，接收光強達到最大值。此時輸入光纖的像發出的光錐完全覆蓋接收光纖端面。 當 時，兩光纖的耦合反而減少。0第六十一張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202261 反射光強與位移的關系如右圖所

21、示。 當位移d相對光纖直徑r較小時（dr）時，則按x-2的規律變化。曲線在峰頂的兩側有兩段近似線性的工作區域（AB段和CD段）。AB段的斜率比CD段的大，線性也較好。因此位移和壓力傳感器的工作范圍選擇在AB段，偏置工作點則設在AB段的中點M點。AB段的靈敏度和線性度較好，但測量范圍較小。CD段可以測量較大的范圍，偏置工作點設置在N點，但靈敏度較低。第六十二張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202262 光纖傳感器由于它的獨特的性能而受到廣泛的重視, 它的應用正在迅速地發展。下面我們介紹幾種主要的光纖傳感器。第四節 光纖傳感器的應用舉例第六十三張，PPT共八十八頁，創作于202

22、2年6月8/20/202263 光纖加速度傳感器的組成結構如下圖所示。 它是一種簡諧振子的結構形式。激光束通過分光板后分為兩束光, 透射光作為參考光束, 反射光作為測量光束。當傳感器感受加速度時, 由于質量塊M對光纖的作用, 從而使光纖被拉伸, 引起光程差的改變。相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會合產生干涉效應。激光干涉儀的干涉條紋的移動可由光電接收裝置轉換為電信號, 經過處理電路處理后便可正確地測出加速度值。 一、 光纖加速度傳感器第六十四張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202264利用馬赫一澤德干涉儀的光纖加速度計第六十五張，PPT共八十八頁，創作于2022年

23、6月8/20/202265如右圖所示，在兩根光纖之間懸掛一塊質量塊，光纖1牢固地固定在殼體上端蓋和質量塊上；光纖2牢固地固定在質量塊和傳感器底座上。安裝時光纖稍微繃緊。這兩根光纖分別被熔接在干涉儀的每一條臂上。光纖加速度傳感器工作原理的具體分析第六十六張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202266當傳感器受到垂直向上的加速度時，慣性力的作用將使光纖1的軸向應變增強，長度伸長L而光纖2的軸向應變減弱，長度縮短L。這樣質量塊加速所受力F為F2ST=ma式中 S為光纖的截面積； T為每根光纖上單位面積張力的變化量； m質量塊質量 a加速度式中的因子2是指兩根光纖。第六十七張，PPT

24、共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202267張應力變化引起的光纖應變由下式給出式中 E光纖材料的彈性模數。 當光纖受應變后，光速經過長度為L光纖的傳播，光的相位將發生變化。其變化為：式724第六十八張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202268 當折射率n1所引起的作用很小時，可以忽略。這樣光纖中傳播光的相位移為 將代入上式，且因則得第六十九張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202269由上式可知，光相位的變化（兩根光纖則變化量加倍）與加速度成正比。利用光學干涉技術就可測出加速度。第七十張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/20227

25、0在光纖加速度傳感器中，光纖起著支承質量塊的彈簧的作用，因而質量塊將會振動，可以計算出其的振動頻率。當質量塊沿光纖軸向位移距離x所需的彈簧力F為由此可得式中 k光纖的彈性常數； E光纖材料的彈性模量； S光纖的截面積； L光纖的長度第七十一張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202271由此可得質量塊連在彈性常數為k的光纖上時，其諧振頻率為將代入上式，且因則可得第七十二張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202272左上圖為典型的光纖加速度傳感器的頻響特性。可以看出，光纖加速度傳感器的頻率響應并不高，一般只能響應幾百赫茲頻率的振動。右上圖為光纖加速度傳感器對加速

26、度的響應特性。可見具有良好的線性響應。第七十三張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202273二、光纖磁場傳感器鎳、鐵、鈷等金屬結晶材料和鐵基非晶態金屬玻璃（FeSiB）具有很強的磁致伸縮效應。將單模光纖和磁致伸縮材料粘合在一起，沿磁場軸向放置。由于磁致伸縮材料的磁致伸縮效應，光纖被迫產生縱向應變，使光纖的長度合折射率發生變化，從而引起光纖中的傳播光產生相移。第七十四張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202274光纖磁場傳感器由三種結構形式如上圖所示。a、在磁致伸縮材料的圓柱上卷繞光纖；b、在光纖表面上包上一層鎳護套或用電鍍方法鍍上一層約10m后的鎳或鎳合金金

27、屬層。c、用環氧樹脂將光纖粘貼在具有高磁致伸縮效應的金屬玻璃帶上。第七十五張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202275 相位調制光纖磁場傳感器的靈敏度極高，一種包鎳護套的光纖傳感器，當光纖長1米時，可檢測到1.410-3A/m的磁場強度。如采用更強的磁致伸縮效應的金屬玻璃材料左護套，當光纖長度為1千米時，預計可檢測小至410-9A/m的磁場。 光纖磁場傳感器的線性度也很好，如右圖所示為包鎳的光纖傳感器對于頻率為10kHz的交流磁場的響應曲線。第七十六張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202276三、光纖流量傳感器在橫貫流體管道的中間裝有一根繃緊的多模光纖，

28、當流體流動時,光纖就發生振動,其振動頻率近似與流速成正比。由于使用的是多模光纖,故當光源采用相干光源(如激光器)時,其輸出光斑是模式間干涉的結果。這種流量傳感器結構示意圖如右圖所示。 光源頻譜分析記錄探測器123451 夾具2 密封膠3 液體流管4 光纖5 張力載荷第七十七張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202277 當流體流動受到一個垂直于流動方向的非流線體阻礙時, 根據流體力學原理，在某些條件下，在非流線體的下游兩側產生有規則的旋渦，其旋渦的頻率f近似與流體的流速成正比，即 式中: v流速; d流體中物體的橫向尺寸大小; S斯特羅哈（Strouhal）數, 它是一個無量

29、綱的常數, 僅與雷諾數有關。 上式是旋渦流體流量計測量流量的基本理論依據。由此可見，流體流速與渦流頻率呈線性關系。 第七十八張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202278光纖的振動頻率與流體的流速和光纖的直徑有關。在光纖直徑不變時，近似正比于流速，如右圖所示。光纖中的相干光是通過外界擾動（如振動）來進行相位調制的。在多模光纖中，由于眾多模式干涉的結果，在光纖射出端可以觀察到“亮”、“暗”無規則相間的斑圖。第七十九張，PPT共八十八頁，創作于2022年6月8/20/202279 如右圖所示，用一個小型光電探測器接受斑圖中的亮區，便可接受光纖振動頻率的信號，經過頻譜儀分析便可檢測出振蕩頻率，由此可計算液體的流速及流量。 光纖流量傳感器最突出的優點是能在易爆、易燃的環境中安全可靠地工作。對于透明和不透明液體也能檢測。 但對于流速過小的流體，測量受到限制。第八十張，PPT共八十八頁，創作于20