光纖傳感器

光纖——光導纖維，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介質材料制成的極細的纖維，是一種理想的光傳輸線路。光纖傳感器（FiberOpticSensor，FOS）興起于20世紀70年代，是一類較新的光敏器件，它是利用被測量對光纖內傳輸的光波進行調制，使光波的一些參數，如強度、頻率、波長、相位、偏振態等特性產生變化來工作。可以測量位移、加速度、壓力、溫度、磁、聲、電等物理量。光纖傳感器光纖的發展

1966年高琨博士提出光纖傳輸的理論

1969年日本平板玻璃公司制出200dB/KM梯度光纖

1970年美康寧公司制出世界第一根20dB/KM低損耗光纖

1972年日本電子技術綜合研究所制出7dB/KMSiO2芯光纖

1973年美貝爾實驗室用化學沉積法（CVD）制光纖

1978年對1.5μm光傳輸接通理論值約0.2dB/KM

1980年光通訊產業形成傳光原理：光在光纖界面內產生全反射。

光纖通常由纖芯、包層及保護套組成。纖芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圓柱體，直徑約為5～150μm。包層的材料也是玻璃或塑料等，但纖芯的折射率n1稍大于包層的折射率n2。外套起保護光纖的作用。較長的光纖又稱為光纜。光纖結構纖芯包層涂覆層護套當時，發射全反射，即：光纖傳光原理

以入射角小于θi進入光纖的光線將形成全反射被引導至光纖輸出端，并以近似等于入射角的角度射出。θc稱為臨界角，2θi為接受角，處于接受角之外的光線均被包層吸收而損失掉。sinθi定義為光纖的數值孔徑（NumericalAperture）

，用NA表示，它反映纖芯接收光量的多少，是光纖的一個重要參數。光纖結構

數值孔徑（NumericalAperture）光纖的數值孔徑大小與幾何尺寸無關，與纖芯—包層相對折射率有關。光纖的數值孔徑表示光纖接收入射光的能力。NA越大，則光纖接收光的能力也越強。數值孔徑大有利于光纖的對接。可以使光纖NA值很大而截面積很小，使得光纖柔軟可以彎曲。NA太大時，光信號的畸變加大，會影響光纖的帶寬。因此對光纖的數值孔徑有一定的要求。通常作為傳感器的光纖0.2≤NA<0.4。光纖結構光纖按照折射變化情況分為：（1）階躍型：纖芯與包層之間的折射率是突變的；（2）漸變型：纖芯在橫截面中心處折射率最大，并由中心向外逐漸變小，到纖芯邊界時減小為包層折射率。這類光纖有自聚焦作用，也稱自聚焦光纖。光纖分類光纖按照傳輸模式分為：（1）單模光纖：纖芯直徑很小，接受角小，傳輸模式很少。這類光纖傳輸性能好，頻帶寬，具有很好的線性和靈敏度，但制造困難。（2）多模光纖：纖芯尺寸較大，傳輸模式多，容易制造，但性能較差，帶寬較窄。光波可分解為沿軸向和沿截面徑向傳播的兩種平面波成分。沿截面徑向傳播的光波在纖芯與包層的界面上產生全反射，因此當它在徑向每一次往返傳輸的相位變化是2π的整數倍時，就在截面內形成駐波。這種駐波光線組又稱為“模”。某一種光纖只能形成特定數目的“模”式來傳輸光波，傳播速度最快的模式稱為基模或主模。纖芯直徑越大，傳播模式越多。光纖分類光纖模式及對光信號傳輸的影響n2n1多模階躍光纖nr多模梯度光纖n2n1單模梯度光纖色散色散——指一個光脈沖信號通過光纖時，由于光纖材料等因素的影響，在輸出端光脈沖被展寬，出現明顯失真的現象。色散影響光纖傳輸信息的容量和速率。色散和帶寬都是衡量光脈沖展寬大小的參數。色散越小，所產生的脈沖展寬就越小，帶寬就越大，傳送的信息量就越大，可傳輸的距離就越長。色散的種類：材料色散、模式色散和波導色散。

色散材料色散：纖芯的折射率隨光波長而變化引起的色散，由光纖材料自身特性造成，又稱顏色色散。光源發出的光不是理想的單一波長，而是有一定的波譜寬度。當光在折射率為n的介質中傳播時，其速度v與空氣中的光速C之間的關系為：v=C/n

當具有一定光譜寬度的光脈沖射入光纖時，光的傳輸速度將隨光波長的不同而改變，到達終端時將產生時延差，從而引起脈沖波形展寬。模式色散：在多模光纖中，傳輸的模式很多，不同的模式傳輸路徑不同，到達終點的時間也就不同。光纖的時延差引起了脈沖的展寬。色散波導色散：由于光纖的傳輸常數隨光線波長而呈現非線性變化引起的色散叫做波導色散。由于光纖的纖芯與包層的折射率差很小，因此在交界面可能有一部分光進入包層之內。在包層內傳輸一定距離后，又可能回到纖芯中繼續傳輸。進入包層內的這部分光強的大小與光波長有關，這就相當于光傳輸路徑長度隨光波波長的不同而異。

把一定譜寬的光源發出的光脈沖射入光纖后，入射光的波長越長，進入包層中的光強比例就越大，這部分光走過的距離就越長。色散一般來說，光纖三種色散的大小順序是：

模式色散>材料色散>波導色散對于多模光纖，總色散等于三者相加，起主導作用的是模式色散，其他兩個色散影響很小。對于單模光纖，只有一個傳輸模式，故不存在模式色散，其總色散為材料色散和波導色散之和。為減小總的波長色散，要盡量選用窄譜線激光器作光源。光纖的傳輸損耗傳輸損耗——光信號通過光纖傳播時，因某種原因造成的光能量衰減，單位dB/km。造成光纖衰減的主要因素有：

本征：是光纖的固有損耗，包括散射，固有吸收等。

擠壓：光纖受到擠壓產生微小的彎曲而造成的損耗。

雜質：光纖內雜質吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。

不均勻：光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。

對接：光纖對接時產生的損耗，如：不同軸(單模光纖同軸度要求小于0.8μm)，端面與軸心不垂直，端面不平，對接心徑不匹配和熔接質量差等。1，光纖是光信號的傳輸媒介；2，當光信號在光纖中傳播時，表征光信號的特征參量(振幅、相位、偏振態、波長等)因外界因素(如溫度、壓力、磁場、電場、位移等)的作用而間接或直接地發生變化；3，將光纖用作傳感元件來探測各種待測量(物理量、化學量和生物量等)。光纖傳感器工作原理光纖傳感器與電類傳感器比較分類內容光纖傳感器電類傳感器調制參量振幅：吸收、反射等相位：偏振…電阻、電容、電感等敏感材料溫-光敏、力-光敏、磁-光敏…

溫-電敏、力-電敏、磁-電敏…

傳輸信號光電傳輸介質光纖、光纜電線、電纜光纖傳感器是與電類傳感器并行互補的一類新型傳感器。光纖傳感器與電類傳感器比較光纖傳感器的特點本質防爆——適合于易燃、易爆等危險物品檢測

對電絕緣——適合于高電壓場合檢測

無感應性——適合于強電磁場干擾環境下檢測化學穩定性——適合于環保、醫藥、食品工業檢測

時域變換性——適合于多點分布測量

低損耗、高精度、幾何形狀適應性強、尺寸小、重量輕

、頻帶寬、非接觸式等

在機械、電子、航空航天、化工、生物醫學、電力、交通、食品等領域的自動控制、在線檢測、故障診斷、安全報警以及軍事等方面都有廣泛應用。光纖傳感器結構

按照光纖在傳感器中的作用，通常將光纖傳感器分為兩種類型：非功能型（或稱傳光型、結構型）和功能型（或稱傳感型、探測型）。

非功能型光纖傳感器：利用其它敏感元件感受被測量，光纖僅作為傳輸介質，依靠光傳輸或光反射引起的強度調制來工作；光纖是不連續的,中斷處要接上其他介質的敏感元件；多使用多模光纖。

功能型光纖傳感器：把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內傳輸光的強度、相位、偏振態等進行調制，再通過解調得到被測信號；常使用單模光纖。光纖傳感器分類光纖傳感器分類根據光被調制的原理，光纖傳感器分為：強度調制型、頻率調制型、波長調制型、相位調制型及偏振態調制型。光纖傳感器的核心就是光被外界輸入參數的調制。外界信號可能引起光的某些特性(如強度、波長、頻率、相位、偏振態等)變化，從而構成強度、波長、頻率、相位和偏振態等調制器。根據被測參數，光纖傳感器也可分為：光纖位移傳感器、光纖壓力傳感器、光纖溫度傳感器等。1，非功能性：通過光束位移、遮擋、耦合等方式使接收光纖的光強變化。光反射依靠折射率變化測液位：光強調制型光纖傳感器光傳輸光纖微彎曲位移（壓力）傳感器2，功能型：通過改變光纖外形、折射率差、吸收特性等方式使光強變化。當光線到達微彎曲段界面時，入射角將小于臨界角，有一部分光透射進入包層。主要用于微彎曲位移檢測和壓力檢測。光強調制型光纖傳感器x、γ射線等輻射會引起光纖材料的吸收損耗增加，使光纖的輸出功率降低，從而可以構成強度調制器。

在頻率調制型光纖傳感器中，光纖只起著傳輸光的作用，它的工作原理是光學多普勒效應，即由于觀察者和目標的相對運動，觀察者接收到的光波頻率將發生變化。采用光學多普勒測量系統，可以方便的實現在非接觸條件下對液體流速流量的測量，如血液、氣流及其他液體。（非功能型）頻率調制型光纖傳感器光源觀測者被測量移動速度v被測量當一束波長為λ的相干光在光纖中傳播時，光波的相位角與光纖的長度L、纖芯折射率n1及纖芯直徑d有關。光纖受到溫度等物理量的作用時，這三個參數會發生不同程度的變化，從而引起光相移。相位調制型光纖傳感器折射率改變：某些光纖的纖芯線和外包封材料在溫度下降時折射率相互接近，使發生全反射的可能變小，傳輸損耗增大，用于低溫探測。

由于光的頻率很高，光電探測器不能檢測相位的變化，因此需要用光學干涉技術將相位調制轉換為振幅調制。在光纖傳感器中常采用馬赫－澤德（Mach-Zehader）干涉儀等儀器完成這一過程。單膜光纖＋激光器參考光纖被調制光纖被測量激光器比較二者輸出相位的不同，最小可測得0.025微米的位移。相位調制型光纖傳感器偏振態調制型光纖傳感器自然光：在垂直于光傳播方向的平面內沿各方向振動的光矢量呈對稱分布。可用相互垂直的光振動描述自然光。光波是一種橫波：光振動的電場矢量E和磁場矢量H始終與傳播方向v垂直。

如果光在傳播過程中，只存在某一確定方向的振動，這種光稱為線偏振光或完全偏振光，簡稱偏振光。偏振態調制型光纖傳感器

根據光波振動方向的分布和變化規律，又分為部分偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。偏振態調制型光纖傳感器偏振態調制型光纖傳感器

偏振態調制是指外界信號（被測量）通過一定的方式使光波的偏振態發生規律性偏轉，或產生雙折射，通過檢測光偏振態的變化即可測出外界被測量。偏振態調制主要利用磁致旋光效應、彈光效應等物理效應。

磁致旋光效應也稱法拉第旋光效應，是指某些物質在外磁場作用下，能使通過它的平面偏轉光的偏振方向發生旋轉。旋轉角度與通過法拉第材料的長度和外加磁場強度成正比。可以用來檢測電流強度。

彈光效應是一種由應力應變引起的雙折射效應。雙折射會使光波的偏振態發生相應的變化。

由應力引起的感應雙折射正比于所施加的力，因此可以通過檢測偏振光的強度檢測應力。偏振態調制型光纖傳感器光纖位移傳感器透射式反射式反射式光纖結構光纖溫度傳感器反射式相位變化振幅變化光纖壓力傳感器相位調制偏振態調制強度調制反射型強度調制易燃易爆場合控制室光纖各類油罐參數檢測壓力容器參數檢測核工業環境參數檢測煤礦中CH4等參數檢測高電壓、強磁場場合控制室光纖高壓變壓器高壓電動機強電磁干擾電氣設備微波設備實時在線檢測取樣送檢樣品光譜儀被測物傳統光譜儀物質成分檢測光纖光纖光譜儀被測物光纖光譜儀物質成分檢測光纖轉速傳感器非接觸測量方式LEDPIN光纖點式光纖液位控制器適用于高、低液位報警密封加油控制LEDPIN液體LEDPIN液體光纖液位控制器光纖溫度傳感器LEDPINn1n2n2'隨溫度變化n2'折光型光纖高溫溫度傳感器PIN1PIN2濾波器1智能儀表濾波器2光纖高溫爐黑體輻射腔藍寶石光纖光譜型光纖氣體成分傳感器R,θ光纖傳感頭參考頻率LEDPIN鎖相放大器混氣室N2O2流量計氣體光譜吸收理論比爾-蘭伯定理光纖光譜傳感器光源出口待測氣體white室探測器信號處理分布式檢測時域變換技術傳統分布測量檢測儀表S1S2S3Sn電纜OTDR技術用于分布檢測光纖S1T1S2T2S3T3SnTn分布式檢測時域變換技術OTDR(OpticalTimeDomainReflectmeter)光時域反射儀分布式檢測時域變換技術OTDR測試是通過發射光脈沖到光纖內，然后在OTDR端口接收返回的信息來進行。當光脈沖在光纖內傳輸時，會由于光纖本身的性質、連接器、接合點、彎曲或其它類似的事件而產生散射、反射。其中一部分的散射和反射就會返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探測器來測量，它們就作為光纖內不同位置上的時間或曲線片斷。OTDR的工作原理就類似于一個雷達。它先對光纖發出一個信號，然后觀察從某一點上返回來的是什么信息。這個過程會重復地進行，然后將這些結果進行平均并以軌跡的形式來顯示，這個軌跡就描繪了在整段光纖內信號的強弱。OTDR是利用光線在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反射所產生的背向散射而制成的精密的光電一體化儀表，它被廣泛應用于光纜線路的維護、施工之中，可進行光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測量。光纖多點測溫傳感器光纖溫度報警器光纖陀螺儀薩格納克效應（SagnacEffect）

：將同一光源發出的一束光分解為兩束，讓它們在同一個環路內沿相反方向循行一周后會合，然后在屏幕上產生干涉。光纖陀螺儀當光學環路轉動時，在不同的前進方向上，光學環路的光程相對于環路在靜止時的光程都會產生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進的光之間產生干涉來測量環路的轉動速度，這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀；如果利用這種環路光程的變化來實現在環路中不斷循環的光之間的干涉，也就是通過調整光纖環路