第六章光纖傳感檢測(cè)技術(shù)

光電傳感與檢測(cè)技術(shù)

第六章光纖傳感檢測(cè)技術(shù)一光纖傳感器的基礎(chǔ)

1光纖的發(fā)展與動(dòng)態(tài)2光纖傳感器的發(fā)展與動(dòng)態(tài)3光纖波導(dǎo)原理4光纖的種類(lèi)5光纖的特性6光纖傳感器分類(lèi)二光纖的光波調(diào)制技術(shù)

1強(qiáng)度調(diào)制與解調(diào)2偏振調(diào)制與解調(diào)

3相位調(diào)制與解調(diào)4頻率調(diào)制與解調(diào)

5波長(zhǎng)調(diào)制

三光纖傳感器實(shí)例

1光纖位移傳感器2光纖溫度傳感器3光纖角速度傳感器

4光纖壓力傳感器5光纖電流傳感器

四分布式光纖傳感器

1概述（定義和特點(diǎn)）2分類(lèi)3主要技術(shù)第六章光纖傳感檢測(cè)技術(shù)主要內(nèi)容：光纖傳感器FOS(FiberOpticalSensor)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)或作為感受被測(cè)量的敏感器。一光纖傳感器的基礎(chǔ)▲其實(shí)質(zhì)是通過(guò)光調(diào)制器，將一個(gè)攜帶著待測(cè)信息（被測(cè)對(duì)象）的信號(hào)疊加到載波光波上，經(jīng)光纖傳輸后由光探測(cè)系統(tǒng)解調(diào)、經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)處理后檢測(cè)出所需要的待測(cè)信號(hào)?！庹{(diào)制器能使光纖的傳輸參數(shù)或載波光波參數(shù)隨待測(cè)信號(hào)的變化而改變。這些參數(shù)包括：光纖的折射率、光波的強(qiáng)度（振幅）、位相、頻率、偏振以及波長(zhǎng)等。

主要優(yōu)點(diǎn)：◆靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、可撓性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)不帶電的全光型探頭?！纛l帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大?！艨捎煤芟嘟募夹g(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成傳感不同物理量的傳感器?！舯阌谂c計(jì)算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙測(cè)和控制。◆可用于高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾、腐蝕等惡劣環(huán)境?！艚Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、耗能少。光纖傳感器可測(cè)量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場(chǎng)等物理量。1光纖的發(fā)展與動(dòng)態(tài)●1966年高昆博士提出光纖傳輸?shù)睦碚摗?969年日本平板玻璃公司制出200dB/Km梯度光纖●1970年美國(guó)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(shù)綜合研究所制出7dB/KmSiO2芯光纖●1973年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室用化學(xué)沉積法（CVD）制光纖●

1978年對(duì)1.5μm光傳輸接通理論值約0.2dB/Km●1980年光通訊產(chǎn)業(yè)形成各種裝飾性的光導(dǎo)纖維發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線(xiàn)，通過(guò)光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠球體的表面。在計(jì)算機(jī)控制下，可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖案。上海東方明珠2光纖傳感器的發(fā)展與動(dòng)態(tài)

70年代末，美國(guó)最先發(fā)表FOS文章

1981年美國(guó)召開(kāi)光纖陀螺會(huì)議

1981年英國(guó)第一屆國(guó)際FOS會(huì)議

1984年西德第二屆FOS會(huì)議

1986年美國(guó)第三屆FOS會(huì)議

1988年日本第四屆FOS會(huì)議

1989年美國(guó)第五屆FOS會(huì)議

2000年意大利第十四屆FOS會(huì)議

3光纖導(dǎo)光的原理一次涂覆層纖芯

包層套層一次涂覆層包層纖芯套層多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)：①

纖芯：石英玻璃，直徑5-75um，材料以SiO2為主，摻雜微量元素，摻雜的作用是提高材料折射率。②

包層：直徑100-200um，折射率略低于纖芯。③

涂敷層：硅酮或丙烯酸鹽，隔離雜光，保護(hù)。④

套層：尼龍或其他有機(jī)材料，提高機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖。纖芯包層涂敷層尼龍外層12×12光纖陣列聚乙烯外殼聚烯烴雙絞線(xiàn)紙聚乙烯內(nèi)殼光纖帶抗應(yīng)變的鋼索光纜的結(jié)構(gòu)光纖

的結(jié)構(gòu)（1）斯乃爾定理（Snell'sLaw）當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大)入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，如圖，其折射角大于入射角，即n1＞n2時(shí)，θr＞θi

。n1、n2、θr、θi之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

n1sinθi=n2sinθr

可見(jiàn)，入射角θi增大時(shí)，折射角θr也隨之增大，且始終θr＞θi。n1n2θrθi光的折射示意圖當(dāng)θr

=

90o時(shí)，θi

仍＜90o，此時(shí)，出射光線(xiàn)沿界面?zhèn)鞑ト鐖D，稱(chēng)為臨界狀態(tài)。這時(shí)有n1n2θrθi臨界狀態(tài)示意圖

n1n2θrθi光全反射示意圖sinθr＝sin90o＝1

sinθi0=n2/n1

θi0

=

arcsin(n2/n1)式中：θi0——臨界角。當(dāng)θi＞θi0并繼續(xù)增大時(shí)，θr＞90o，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖，其出射光不再折射而全部反射回來(lái)。光的全反射實(shí)驗(yàn)（2）光纖導(dǎo)光原理及數(shù)值孔徑NA入射光線(xiàn)AB與纖維軸線(xiàn)OO相交角為θi，入射后折射(折射角為θj)至纖芯與包層界面C點(diǎn)，與C點(diǎn)界面法線(xiàn)DE成θk角，并由界面折射至包層，CK與DE夾角為θr。則θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1n0sinθi=n1sinθjn1sinθk=n2sinθr

sinθi=(n1/n0)sinθj

sinθk=(n2/n1)sinθr

因θj=90o－θk

所以光纖導(dǎo)光示意圖n0為入射光線(xiàn)AB所在空間的折射率，一般為空氣，故n０≈1，nl為纖芯折射率，n2為包層折射率。當(dāng)n０=1時(shí)當(dāng)θr=90o的臨界狀態(tài)時(shí)，θi=θi0，上式sinθi0為“數(shù)值孔徑”NA(Numerical

Aperture)。θjθiθkθrABCDEFGKOON0n2n1當(dāng)θr=90o時(shí)θi0=arcsinNA當(dāng)θr>90o時(shí)，光線(xiàn)發(fā)生全反射，則θi<θi0=arcsinNA結(jié)論：arcsinNA是一臨界角，凡入射角θi＞arcsin(NA)的光線(xiàn)進(jìn)入光纖都不能傳播而在包層消失；相反，只有入射角θi＜arcsin(NA)的光線(xiàn)才可進(jìn)入光纖被全反射傳播。θjθiθkθrABCDEFGKOON0n2n1當(dāng)θr<90o時(shí)，sinθi>NA，θi>arcsinNA，纖芯內(nèi)的光線(xiàn)消失。（3）光纖的主要參數(shù)由右圖和折射定律可導(dǎo)出光線(xiàn)由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射入纖芯時(shí)實(shí)現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射角)為：

θjθiθkθrABCDEFGKOON0n2n1

式中NA——定義為“數(shù)值孔徑”。它是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。它表示：無(wú)論光源發(fā)射功率多大，只有2θc張角內(nèi)的光，才能被光纖接收、傳播(全反射)；NA愈大，光纖的集光能力愈強(qiáng)。產(chǎn)品光纖通常不給出折射率，而只給出NA。石英光纖的NA=0.2～0.4。①②n1n2n2n2n1光纖的臨界角對(duì)應(yīng)光纖的入射角臨界值為漸變光纖的導(dǎo)光原理示意圖在漸變光纖中光線(xiàn)傳播的軌跡近似于正弦波。光纖模式及其對(duì)光信號(hào)傳輸?shù)挠绊憂(yōu)2n1多模階躍光纖nr多模梯度光纖n2n1單模梯度光纖（1）、按材料性質(zhì)：4光纖的種類(lèi)高純度石英玻璃光纖

耐溫度較高，導(dǎo)光效率佳塑料光纖

損耗小，體積小，廣泛應(yīng)用于短距離傳輸，醫(yī)療器械，光纖傳感，汽車(chē)，光纖照明等領(lǐng)域

多組分玻璃光纖

用更常規(guī)的玻璃制作，損耗很低高純度石英玻璃光纖多組分玻璃光纖

塑料光纖4光纖的種類(lèi)（2）、按折射率分布：階躍折射率光纖漸變折射率光纖（3）、按光纖的傳輸模式：?jiǎn)文９饫w多模光纖（4）、按用途分：通信光纖特殊光線(xiàn)：液芯光纖、紅外光纖等（5）、按制作方法分：CVDMCVD美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室和英國(guó)南安安普頓大學(xué)20世紀(jì)70年代首次提出5光纖的特性（1）損耗光纖纖芯材料和包層物質(zhì)的吸收、散射、畸變，以及光纖彎曲處的輻射損耗等,它表示光強(qiáng)度相對(duì)衰減與光纖長(zhǎng)度的關(guān)系。設(shè)光纖輸入輸出端的光功率分別為，光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則光纖損耗為（2）色散光纖的色散是輸入光脈沖在光纖傳輸過(guò)程中，由于光波的群速度不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象?？煞譃橐韵聨追N：①材料色散：材料的折射率隨波長(zhǎng)的變化而變化，使得光信號(hào)中各波長(zhǎng)分量的光的群速度不同而引起的②波導(dǎo)色散:由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不同，某一波導(dǎo)模式的傳輸常數(shù)隨信號(hào)角頻率變化而引起的色散有時(shí)也稱(chēng)為結(jié)構(gòu)色散③多模色散：在多模光纖中，由于各個(gè)模式在同一角頻率下傳輸常數(shù)不同、群速度不同而產(chǎn)生的色散，是階躍型多模光纖中脈沖展寬的主要根源，可在梯度光纖中大大減少。單模光纖中起主要作用的是材料色散和波導(dǎo)色散!（3）光纖的模式是光波沿光纖傳播的途徑和方式。

（4）歸一化頻率歸一化頻率是光纖的最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，它能表征光纖中傳播模式的數(shù)量。歸一化頻率的值可由纖芯半徑r、光波長(zhǎng)λ0

及其材料折射率n（或數(shù)值孔徑NA）確定。①當(dāng)<2.405時(shí)，就是單模光纖的條件，當(dāng)＞2.405時(shí)，一定是多模光纖；②當(dāng)纖芯與包層折射率越大，光纖中允許存在的模式越多，即光纖端面接收角越大，光纖中被激勵(lì)的模式數(shù)越多。6光纖傳感器分類(lèi)（１）光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理

以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的電信號(hào)的裝置。見(jiàn)圖(a)。光纖傳感器是一種把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置。見(jiàn)圖(b)。信號(hào)處理電源信號(hào)接收敏感元件（a）傳統(tǒng)傳感器導(dǎo)線(xiàn)光纖信號(hào)處理光接收器敏感元件光源（b）光纖傳感器

可見(jiàn)，光纖傳感器與以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器相比較，在測(cè)量原理上有本質(zhì)的差別。傳統(tǒng)傳感器是以機(jī)—電測(cè)量為基礎(chǔ)，而光纖傳感器則以光學(xué)測(cè)量為基礎(chǔ)。光纖傳感器與電類(lèi)傳感器對(duì)比分類(lèi)內(nèi)容光纖傳感器電類(lèi)傳感器調(diào)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(hào)光電傳輸介質(zhì)光纖、光纜電線(xiàn)、電纜

從對(duì)比可見(jiàn)光纖傳感器與電類(lèi)傳感器是并行互補(bǔ)的一類(lèi)新型傳感器。光是一種電磁波，其波長(zhǎng)從極遠(yuǎn)紅外的lmm到極遠(yuǎn)紫外線(xiàn)的10nm。它的物理作用和生物化學(xué)作用主要因其中的電場(chǎng)而引起。因此，討論光的敏感測(cè)量必須考慮光的電矢量E的振動(dòng)，即A——電場(chǎng)E的振幅矢量；ω——光波的振動(dòng)頻率；φ——光相位；t——光的傳播時(shí)間?？梢?jiàn)，只要使光的強(qiáng)度、偏振態(tài)(矢量A的方向)、頻率和相位等參量之一隨被測(cè)量狀態(tài)的變化而變化，或受被測(cè)量調(diào)制，那么，通過(guò)對(duì)光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制、波長(zhǎng)調(diào)制等進(jìn)行解調(diào)，獲得所需要的被測(cè)量的信息。（２）光纖傳感器的分類(lèi)傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量光纖分類(lèi)干涉型相位調(diào)制光纖傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓角速度振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非

干

涉

型

強(qiáng)度調(diào)制光纖溫度傳感器遮光板遮斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動(dòng)膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移振動(dòng)、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振調(diào)制光纖溫度傳感器法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓、溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb頻率調(diào)制光纖溫度傳感器多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動(dòng)、加速度氣體濃度溫度MMMMMMcbb注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a，b，c功能型、非功能型、拾光型Ａ按光纖在傳感器中的作用光纖傳感器分為功能型、非功能型兩大類(lèi)。

①

功能型（全光纖型）光纖傳感器

FF（FunctionFibreOptilSensor）利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學(xué)特性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長(zhǎng)度，可提高靈敏度。信號(hào)處理光受信器光纖敏感元件光發(fā)送器傳感型光纖傳感器（功能型光纖傳感器）（本征型）光敏器件入射光纖信號(hào)出射光纖原理：指利用外界因素改變光纖中光的特征參量，從而對(duì)外界因素進(jìn)行計(jì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。特點(diǎn)：傳感合一，信息的獲取和傳輸都在光纖之中。②非功能型（或稱(chēng)傳光型）光纖傳感器NFF（Non-FunctionFibreOptilSensor）光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，對(duì)外界信息的“感覺(jué)”功能依靠其它物理性質(zhì)的功能元件完成，光纖不連續(xù)。此類(lèi)光纖傳感器無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對(duì)靈敏度要求不太高的場(chǎng)合。信號(hào)處理光受信器敏感元件光源光纖傳光型光纖傳感器：非功能型光纖傳感器——NoneFunctionFilter—NFF（非本征型）

光敏器件

調(diào)制器入射光纖出射光纖信號(hào)原理：利用其它敏感元件測(cè)得特征量，由光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。特點(diǎn)：是充分利用現(xiàn)有的傳感器，便于推廣應(yīng)用。一光纖傳感器的基礎(chǔ)

1光纖的發(fā)展與動(dòng)態(tài)2光纖傳感器的發(fā)展與動(dòng)態(tài)3光纖波導(dǎo)原理4光纖的種類(lèi)5光纖的特性6光纖傳感器分類(lèi)二光纖的光波調(diào)制技術(shù)

1強(qiáng)度調(diào)制與解調(diào)2偏振調(diào)制與解調(diào)

3相位調(diào)制與解調(diào)4頻率調(diào)制與解調(diào)

5波長(zhǎng)調(diào)制與解調(diào)

三光纖傳感器實(shí)例

1光纖位移傳感器2光纖溫度傳感器3光纖角速度傳感器

4光纖壓力傳感器5光纖電流傳感器

四分布式光纖傳感器

1概述（定義和特點(diǎn)）2分類(lèi)3主要技術(shù)第六章光纖傳感檢測(cè)技術(shù)主要內(nèi)容：Ｂ根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式形式：強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制、波長(zhǎng)調(diào)制等?！獾恼{(diào)制過(guò)程就是將一攜帶信息的信號(hào)疊加到載波光波上；完成這一過(guò)程的器件叫做調(diào)制器?！诠饫w傳感器中，光的解調(diào)過(guò)程通常是將光載波攜帶的信號(hào)轉(zhuǎn)換成光的強(qiáng)度變化，然后由光電探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。⑴強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器中光強(qiáng)度調(diào)制是被測(cè)對(duì)象引起載波光強(qiáng)度變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)的方式。光強(qiáng)度變化可以直接用光電探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。其基本結(jié)構(gòu)主要由光源、調(diào)制區(qū)、光探測(cè)器三大部分組成。強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的特點(diǎn)是：技術(shù)上比較容易實(shí)現(xiàn)，所采用光纖多為光通信用多模光纖，而相關(guān)的光纖接頭和耦合器等部件，國(guó)內(nèi)已有產(chǎn)品供應(yīng)。強(qiáng)度調(diào)制分為：①非功能型光強(qiáng)調(diào)制②功能型光強(qiáng)調(diào)制①非功能型光強(qiáng)調(diào)制非功能型光強(qiáng)調(diào)制的基本原理是根據(jù)光束位移、遮擋、耦合及其它物理效應(yīng)，通過(guò)一定的方式使進(jìn)入接收光纖的光強(qiáng)隨外界信號(hào)變化而改變?；菊{(diào)制方式大致可分為5種類(lèi)型：a光束切割型b遮光型光強(qiáng)調(diào)制c開(kāi)關(guān)式光強(qiáng)調(diào)制d松耦合型e物理效應(yīng)型a光束切割型光強(qiáng)調(diào)制光束切割型光纖位移傳感器簡(jiǎn)圖b遮光型光強(qiáng)調(diào)制移動(dòng)光柵式光纖壓力傳感器c開(kāi)關(guān)式光強(qiáng)調(diào)制

入射和出射光纖相對(duì)位置固定不動(dòng)，外界物體運(yùn)動(dòng)使光強(qiáng)發(fā)生變化，外界物體如薄膜或管式壓力計(jì)、熱膨脹元件、液位等。DrPδ彈性薄膜入射光：被透鏡準(zhǔn)直成半徑為r的平行光束；出射光強(qiáng)變化與擋板位移δ的關(guān)系：與（δ/r）成比例。

d松耦合型光強(qiáng)調(diào)制松耦合型光強(qiáng)調(diào)制原理示意圖物理效應(yīng)型光強(qiáng)調(diào)制主要是基于外調(diào)制技術(shù)，外調(diào)制技術(shù)的調(diào)制環(huán)節(jié)通常在光纖外部，因而光纖本身只起傳光作用。這里光纖分為兩部分：發(fā)送光纖和接收光纖。兩種常用的調(diào)制器是反射器和遮光屏。e物理效應(yīng)型光強(qiáng)調(diào)制反射式光強(qiáng)調(diào)制器的原理結(jié)構(gòu)(a)和輸出電壓與位移的關(guān)系(b)物理效應(yīng)型光強(qiáng)調(diào)制典型代表：半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器②功能型光強(qiáng)調(diào)制功能型光強(qiáng)調(diào)制是指光纖本身作為傳感元件，被測(cè)量通過(guò)改變傳感光纖的外形、纖芯與包層折射率比、吸收特性及模耦合特性等方法對(duì)光纖傳輸?shù)墓獠◤?qiáng)度進(jìn)行調(diào)制。a微彎損耗與光纖微彎型光強(qiáng)調(diào)制b變折射率型光強(qiáng)調(diào)制功能型光強(qiáng)調(diào)制a微彎損耗與光纖微彎光強(qiáng)調(diào)制微彎損耗強(qiáng)度調(diào)制器的原理如圖。當(dāng)垂直于光纖軸線(xiàn)的應(yīng)力使光纖發(fā)生彎曲時(shí)，傳輸光有一部分會(huì)泄漏到包層中去。微彎損耗強(qiáng)度調(diào)制傳感器原理圖b變折射率型光強(qiáng)調(diào)制液體芯光纖傳感器探頭示意圖液體光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖液體折射率隨溫度減小(2)偏振調(diào)制與解調(diào)光波是橫波。光振動(dòng)的電場(chǎng)矢量E和磁場(chǎng)矢量H與與光線(xiàn)傳播方向s正交。按照光的振動(dòng)矢量E、H在垂直于光線(xiàn)平面內(nèi)矢端軌跡的不同，又可分為線(xiàn)偏振光（又稱(chēng)平面偏振光）、圓偏振光、橢圓偏振光和部分偏振光。利用光波的這種偏振性質(zhì)可以制成光纖的偏振調(diào)制傳感器。在許多光學(xué)系統(tǒng)中，尤其是包含有單模光纖的系統(tǒng)中，光波的偏振特性起著重要作用。理解光纖系統(tǒng)中的偏振現(xiàn)象是討論光纖偏振元件和傳感器的核心問(wèn)題。許多物理效應(yīng)都會(huì)影響或改變光的偏振狀態(tài)。光纖傳感器中的偏振調(diào)制器普遍采用的物理效應(yīng)有①旋光效應(yīng)、②磁光效應(yīng)、③普克爾效應(yīng)、④克爾效應(yīng)及⑤光彈效應(yīng)。①

基于旋光效應(yīng)的偏振調(diào)制

石英晶體的旋光性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)石英晶體波長(zhǎng)為λ的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)石英晶體時(shí)，光矢量受到旋轉(zhuǎn)，如圖所示。按照菲涅耳的解釋?zhuān)M(jìn)入石英晶體的線(xiàn)偏振光可以分解為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。設(shè)左、右旋圓偏振光在石英晶體中的折射率分別為nL、nR，則線(xiàn)偏振光穿過(guò)石英晶體后其光矢量的旋轉(zhuǎn)角α為：

式中的d為光線(xiàn)穿過(guò)石英晶體的幾何長(zhǎng)度。光矢量的旋轉(zhuǎn)角α與溫度有關(guān)，究其原因，只能是石英晶體的折射率nL、nR受溫度的調(diào)制。②

基于磁光效應(yīng)的偏振調(diào)制在光學(xué)各向同性的透明介質(zhì)上，外加磁場(chǎng)H，可以使穿過(guò)它的平面偏振光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁致旋光效應(yīng)或法拉第效應(yīng)。處于磁場(chǎng)中的光纖會(huì)使在光纖中傳播的偏振光發(fā)生偏振面的旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度θ與磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁場(chǎng)中光纖的長(zhǎng)度L成正比：法拉第磁光效應(yīng)

平面偏振光通過(guò)帶磁性的物體時(shí)，其偏振光面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為法拉第磁光效應(yīng)。P1+-旋光物質(zhì)P2P1、P2偏振片S光源式中，I為導(dǎo)線(xiàn)中通過(guò)的電流。這種結(jié)構(gòu)可以制成電流傳感器。光纖電流傳感器

根據(jù)法拉第旋光效應(yīng)，由電流所形成的磁場(chǎng)會(huì)引起光纖中線(xiàn)偏振光的偏轉(zhuǎn)，通過(guò)檢測(cè)偏轉(zhuǎn)角的大小，就可得到相應(yīng)電流值。如上圖所示，從激光器發(fā)生的激光經(jīng)起偏器變成偏振光，再經(jīng)顯微鏡（×10）聚焦耦合到單模光纖中。為了消除光纖中的包層模，可把光纖浸在折射率高于包層的油中，再將單模光纖以半徑R繞在高壓載流導(dǎo)線(xiàn)上。上圖為一種全光纖結(jié)構(gòu)的光纖電流傳感器。其中單偏光纖代替了上述結(jié)構(gòu)中的起偏器，并用了一個(gè)多圈傳感線(xiàn)圈。電流測(cè)量范圍可達(dá)0.l～5000A。③

基于普克爾效應(yīng)的偏振調(diào)制

各向異性晶體中的普克爾效應(yīng)是一種很有用的電光效應(yīng)，當(dāng)電場(chǎng)施加到光正在其中傳播的各向異性晶體時(shí)，所引起的感應(yīng)雙折射正比于所加電場(chǎng)的一次方，故普克爾效應(yīng)又稱(chēng)為線(xiàn)性電光效應(yīng)。如果在晶體兩端接上電極，兩極間加一個(gè)電場(chǎng)，通光方向平行于外加電場(chǎng)時(shí)，稱(chēng)為縱向運(yùn)用，也叫縱向調(diào)制。這種情況下晶體折射率的變化Δn與電場(chǎng)E的關(guān)系為：折射率變化引起的相位差為：

普克爾效應(yīng)

如圖所示，當(dāng)壓電晶體受光照射并在其正交方向上加以高電壓，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象——普克耳效應(yīng)。在晶體中，兩正交的偏振光的相位變化：④基于克爾效應(yīng)的偏振調(diào)制

克爾效應(yīng)又稱(chēng)平方電光效應(yīng)，是一種分子對(duì)稱(chēng)性的微觀畸變，是在施加電場(chǎng)的作用下，電子云產(chǎn)生輕度的排列取向的結(jié)果，發(fā)生在一切物質(zhì)中。由感應(yīng)雙折射引起的尋常光折射率no和異常光折射率ne與外加電場(chǎng)E之間的關(guān)系為：

兩光波間的相位差為：基于克爾效應(yīng)的偏振調(diào)制

光克爾調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖

⑤基于光彈效應(yīng)的偏振調(diào)制

設(shè)單軸晶體的主折射率ne對(duì)應(yīng)于MN方向上振動(dòng)光的折射率；主折射率no對(duì)應(yīng)于垂直于MN方向上的振動(dòng)光的折射率，則由光彈效應(yīng)產(chǎn)生的相位差與壓強(qiáng)p的關(guān)系為

式中，k為物質(zhì)的常數(shù)；no?ne為表征光彈效應(yīng)的強(qiáng)弱；l為光波通過(guò)材料的長(zhǎng)度。形變應(yīng)力雙折射實(shí)驗(yàn)裝置

在實(shí)用的光纖壓力傳感器中，為了加大光束在光彈材料中的光路長(zhǎng)度，往往把光纖卷繞在一個(gè)小的圓柱體上，以在光纖中產(chǎn)生大的雙折射而獲得較大的線(xiàn)圈張力。雙折射產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立傳播的線(xiàn)偏振本征模。采用適當(dāng)?shù)姆治鰞x，檢測(cè)光纖中傳播光的偏振面旋轉(zhuǎn)與強(qiáng)度變化相關(guān)。

偏振調(diào)制傳感探頭

(3)相位調(diào)制與解調(diào)相位調(diào)制是光纖傳感中最重要的傳感技術(shù)，其基本的傳感機(jī)理是，外界信號(hào)（被測(cè)量）按照一定的規(guī)律使光纖中傳播的光波相位發(fā)生相應(yīng)的變化，光相位的變化量即反映被測(cè)的外界量。相位調(diào)制型光纖傳感器的特點(diǎn)①靈敏度高

光學(xué)中的干涉法是目前最靈敏的探測(cè)技術(shù)之一。在光纖干涉儀中，由于以光纖代替空氣光程，光纖的長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)米且不受機(jī)械限制，比普通的光學(xué)干涉儀更加靈敏。②幾何形狀靈活多樣

由于傳感器的敏感部分由光纖本身構(gòu)成，而光纖又十分柔軟，可繞性能好，所以敏感部分的幾何形狀可根據(jù)使用要求設(shè)計(jì)成不同形式的傳感元件，如平面式、線(xiàn)列陣式、梯度式等。③工作對(duì)象廣泛

任何物理量，只要對(duì)干涉儀中的光程產(chǎn)生影響，即可用相位調(diào)制型光纖傳感器探側(cè)。④需要特殊類(lèi)型的光纖

在光纖干涉儀中，為獲得最佳干涉效應(yīng)，應(yīng)使同一模式的光疊加，且兩相干光的振動(dòng)方向必須一致，因此希望采用高雙折射的單模光纖。實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的物理效應(yīng)(ⅰ)應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)光纖受到縱向（軸向）的機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，將產(chǎn)生三個(gè)主要的物理效應(yīng)，導(dǎo)致光纖中光相位的變化：①光纖的長(zhǎng)度變化——應(yīng)變效應(yīng)②光纖芯的直徑變化——泊松效應(yīng)③光纖芯的折射率變化——光彈效應(yīng)(ⅱ)熱脹冷縮效應(yīng)在所有干涉型光纖傳感器中，光纖中傳播光的相位響應(yīng)φ都是與待測(cè)場(chǎng)中光纖的長(zhǎng)度L成正比。這個(gè)待測(cè)場(chǎng)可以是變化的溫度T。由于干涉型光纖傳感器中的信號(hào)臂光纖可以足夠長(zhǎng)，因此信號(hào)光纖對(duì)溫度變化有很高的靈敏度。(4)頻率調(diào)制與解調(diào)光頻率調(diào)制，是指用被測(cè)量對(duì)光纖中傳輸?shù)墓獠l率進(jìn)行調(diào)制，頻率偏移即反映被測(cè)量的變化。頻率調(diào)制時(shí)光纖往往只起傳輸光信號(hào)的作用，而不作為敏感元件，是一種非功能型調(diào)制。目前主要是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。圖中，S為光源，P為運(yùn)動(dòng)物體，Q是觀察者所處的位置。若物體P的運(yùn)動(dòng)速度為v，方向與PS及PQ的夾角分別為θ1和θ2，則從S發(fā)出的頻率為f的光經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)物體P散射，觀察者在Q處觀察到的頻率為f1。光學(xué)多普勒概念

多普勒頻移是最有代表性的一種光頻率調(diào)制。當(dāng)頻率為f的光入射到相對(duì)于觀察者速度為v的運(yùn)動(dòng)物體上時(shí)，從運(yùn)動(dòng)物體反射到觀察者的光的頻率變成f1，f1與f之間有如下關(guān)系：

式中，c為真空中的光速；θ1、θ2為物體運(yùn)動(dòng)方向與光源、物體運(yùn)動(dòng)方向與觀察者的夾角。

多普勒頻移為光纖多普勒系統(tǒng)激光多普勒光纖測(cè)速系統(tǒng)

通過(guò)測(cè)量多普勒頻移量Δω=ωs-ω0實(shí)現(xiàn)流體速度的測(cè)量干涉光的光強(qiáng)I(t)為：◆利用頻譜分析儀測(cè)量光敏器件電信號(hào)，即可測(cè)出頻移。◆由于余弦函數(shù)為偶函數(shù)，對(duì)于的正負(fù)不易斷定，因此零差測(cè)量法只能測(cè)量運(yùn)動(dòng)大小，不能測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)方向。一光纖傳感器的基礎(chǔ)

1光纖的發(fā)展與動(dòng)態(tài)2光纖傳感器的發(fā)展與動(dòng)態(tài)3光纖波導(dǎo)原理4光纖的種類(lèi)5光纖的特性6光纖傳感器分類(lèi)二光纖的光波調(diào)制技術(shù)

1強(qiáng)度調(diào)制與解調(diào)2偏振調(diào)制與解調(diào)

3相位調(diào)制與解調(diào)4頻率調(diào)制與解調(diào)

5波長(zhǎng)調(diào)制

三光纖傳感器實(shí)例

1光纖位移傳感器2光纖溫度傳感器3光纖角速度傳感器

4光纖壓力傳感器5光纖電流傳感器

四分布式光纖傳感器

1概述（定義和特點(diǎn)）2分類(lèi)3主要技術(shù)第六章光纖傳感檢測(cè)技術(shù)主要內(nèi)容：三光纖傳感器實(shí)例1光纖位移傳感器

反射式光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活、能適應(yīng)惡劣環(huán)境，在實(shí)際工作中得到了廣泛應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。由光源發(fā)出的光經(jīng)發(fā)射光纖束傳輸入射到被測(cè)目標(biāo)表面,目標(biāo)表面的反射光由與發(fā)射光纖束扎在一起的接收光纖束傳輸至光敏元件。根據(jù)被測(cè)目標(biāo)表面光反射至接收光纖束的光強(qiáng)度的變化來(lái)測(cè)量被測(cè)表面距離的變化。

x發(fā)送光纖束接受光纖束反射面

其工作原理如下圖：由于光纖有一定的數(shù)值孔徑，當(dāng)光纖探頭端部緊貼被測(cè)件時(shí)，發(fā)射光纖中的光不能反射到接收光纖中去，接收光纖中無(wú)光信號(hào)；當(dāng)被測(cè)表面逐漸遠(yuǎn)離光纖探頭時(shí)，發(fā)射光纖照亮被測(cè)表面的面積越來(lái)越大，于是相應(yīng)的發(fā)射光錐和接收光錐重合面積B1越來(lái)越大，因而接收光纖端面上被照亮的B2區(qū)也越來(lái)越大，有一個(gè)線(xiàn)性增長(zhǎng)的輸出信號(hào)。

當(dāng)整個(gè)接收光纖被全部照亮?xí)r，輸出信號(hào)達(dá)到了位移-輸出信號(hào)曲線(xiàn)上的“光峰點(diǎn)”，光峰點(diǎn)以前的這段曲線(xiàn)叫前坡區(qū)；當(dāng)被測(cè)表面繼續(xù)遠(yuǎn)離時(shí)，由于被反射光照亮的B2面積達(dá)到極值，逐漸有部分反射光不能反射進(jìn)接收光纖，還由于接收光纖更加遠(yuǎn)離被測(cè)表面，接收到的光強(qiáng)逐漸減小，光敏輸出器的輸出信號(hào)逐漸減弱,進(jìn)入曲線(xiàn)的后坡區(qū)，如下圖所示。

位移-輸出信號(hào)曲線(xiàn)

在位移-輸出曲線(xiàn)的前坡區(qū),輸出信號(hào)的強(qiáng)度增加得非?？?這一區(qū)域可以用來(lái)進(jìn)行微米級(jí)的位移測(cè)量。在后坡區(qū),信號(hào)的減弱約與探頭和被測(cè)表面之間的距離平方成反比,可用于距離較遠(yuǎn)而靈敏度、線(xiàn)性度和精度要求不高的測(cè)量。在光峰區(qū),信號(hào)達(dá)到最大值,其大小取決于被測(cè)表面的狀態(tài)。所以這個(gè)區(qū)域可用于對(duì)表面狀態(tài)進(jìn)行光學(xué)測(cè)量。

位移-輸出信號(hào)曲線(xiàn)

所使用光纖束的特性是影響這種類(lèi)型光纖傳感器的靈敏度的主要因素之一。這些特性包括光纖的數(shù)量、尺寸和分布，以及每根光纖的數(shù)值孔徑。而光纖探頭端部的發(fā)射光纖和接收光纖的分布狀況對(duì)探頭測(cè)量范圍和靈敏度的大小有較大影響。一般在光纖探頭的端部，發(fā)射光纖與接收光纖有以下四種分布：

(a)隨機(jī)分布；

(b)半球形對(duì)開(kāi)分布；

(c)共軸內(nèi)發(fā)射分布；

(d)共軸外發(fā)射分布。如下圖所示。

發(fā)射光纖與接收光纖的四種分布(a)隨機(jī)分布；(b)半球形對(duì)開(kāi)分布；(c)共軸內(nèi)發(fā)射分布；(d)共軸外發(fā)射分布。

光纖位移傳感器的一個(gè)典型例子是：發(fā)射、接收各300根光纖組成一根0.762mm的光纜。

光纖內(nèi)芯是折射率為1.62的火石玻璃，包層是折射率為1.52的玻璃。光纜的后部被分成兩支，一支用于發(fā)射光，一支用于接收光。光源是2.5V的白熾燈泡，而接收光信號(hào)的敏感元件是光電池。光敏檢測(cè)器輸出與接收到的光強(qiáng)成正比的電信號(hào)。對(duì)于每0.25μm位移產(chǎn)生1V的電壓輸出，分辨率是0.025μm。

光纖傳感器位移-輸出信號(hào)曲線(xiàn)的形狀取決于光纖探頭的結(jié)構(gòu)特性，但是輸出信號(hào)的絕對(duì)值卻是被測(cè)表面反射率的函數(shù)。

為了使傳感器的位移靈敏度與被測(cè)表面反射率無(wú)關(guān)，可以采取“歸一化”過(guò)程。即將光纖探頭調(diào)整到位移-輸出曲線(xiàn)的光峰位置上，調(diào)整輸入光，使輸出信號(hào)達(dá)到滿(mǎn)量程，這樣就可對(duì)被測(cè)表面的顏色、灰度進(jìn)行補(bǔ)償?！皻w一化”后，就可將探頭移到前坡區(qū)或后坡區(qū)進(jìn)行測(cè)量。

光纖液位傳感器

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

光纖測(cè)頭端有一個(gè)圓錐體反射器。當(dāng)測(cè)頭置于空氣中沒(méi)接觸液面時(shí)，光線(xiàn)在圓錐體內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射而回到光電二極管。當(dāng)測(cè)頭接觸液面時(shí)，由于液體折射率與空氣不同，全內(nèi)反射被破壞，有部分光線(xiàn)透入液體內(nèi)，使返回到光電二極管的光強(qiáng)變?nèi)?；返回光?qiáng)是液體折射率的線(xiàn)性函數(shù)。返回光強(qiáng)發(fā)生突變時(shí)，表明測(cè)頭已接觸到液位。(a)主要由一個(gè)Y型光纖、全反射錐體、LED光源以及光電二極管組成，(b)是一種U型結(jié)構(gòu)，當(dāng)測(cè)頭侵入到液體內(nèi)時(shí)，無(wú)包層的光纖的數(shù)值孔徑增加，液體起到包層作用，接收光強(qiáng)與液體折射率和測(cè)頭彎曲形狀有關(guān)，(c)是兩根多模光纖由棱鏡耦合在一起，對(duì)光源和光電接收器要求不高。

由于同種液體在不同濃度時(shí)折射率也不同，因此這種液位傳感器也可以做液位計(jì)。光纖液位計(jì)可用于易燃、易爆場(chǎng)合，但不能探測(cè)污濁液體及會(huì)粘附在測(cè)頭表面的粘稠物質(zhì)。2光纖溫度傳感器

⑴遮光式光纖溫度計(jì)下圖為利用雙金屬熱變形的遮光式光纖溫度計(jì)。當(dāng)溫度升高時(shí)，雙金屬片的變形量增大，帶動(dòng)遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強(qiáng)發(fā)生變化。這種形式的光纖溫度計(jì)能測(cè)量10℃～50℃的溫度。檢測(cè)精度約為0.5℃。它的缺點(diǎn)是輸出光強(qiáng)受殼體振動(dòng)的影響，且響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，一般需幾分鐘。光源接收熱雙金屬式光纖溫度開(kāi)關(guān)121遮光板2雙金屬片⑵透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器

當(dāng)一束白光經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體晶體片時(shí)，低于某個(gè)特定波長(zhǎng)λg的光將被半導(dǎo)體吸收，而高于該波長(zhǎng)的光將透過(guò)半導(dǎo)體。這是由于半導(dǎo)體的本征吸收引起的,λg稱(chēng)為半導(dǎo)體的本征吸收波長(zhǎng)。電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶引起的吸收稱(chēng)為本征吸收。當(dāng)一定波長(zhǎng)的光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，電子吸收光后能從價(jià)帶躍遷入導(dǎo)帶，顯然，要發(fā)生本征吸收，光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，即h——普朗克常數(shù)；v——光頻因λ＝c/v，則產(chǎn)生本征吸收條件：因此，對(duì)于波長(zhǎng)大于λg的光，能透過(guò)半導(dǎo)體，而波長(zhǎng)小于λg的光將被半導(dǎo)體吸收。不同種類(lèi)的半導(dǎo)體材料具有不同的本征吸收波長(zhǎng)，圖為在室溫(20℃)時(shí)，120μm厚的GaAs材料的透射率曲線(xiàn)。

由圖看出，GaAs在室溫時(shí)的本征吸收波長(zhǎng)約為880nm左右，半導(dǎo)體的吸收光譜與Eg有關(guān)，而半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度的不同而不同，Eg與溫度t的關(guān)系可表示為式中：Eg（0）——絕對(duì)零度時(shí)半導(dǎo)體的禁帶寬度；α——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(eV／K)；β——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(K)。

GaAs的光譜透射率曲線(xiàn)8508009009501000010203040t=20℃波長(zhǎng)λ/nm透射率(%)對(duì)于GaAs材料，由實(shí)驗(yàn)得α=5.8×10-4eV/K

由此可見(jiàn)，半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度上升而減小，亦即其本征吸收波長(zhǎng)λg隨溫度上升而增大。反映在半導(dǎo)體的透光特性上，即當(dāng)溫度升高時(shí)，其透射率曲線(xiàn)將向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的λg(t)相匹配的發(fā)光二極管作為光源，如圖，則透射光強(qiáng)度將隨著溫度的升高而減小。LED發(fā)光光譜半導(dǎo)體透射率T1<T2<T3T3T1T2相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度半導(dǎo)體透射測(cè)量原理透射率波長(zhǎng)⑶熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器

許多無(wú)機(jī)溶液的顏色是隨溫度變化的，因而溶液的光吸收譜線(xiàn)也隨溫度變化，其中鈷鹽溶液表現(xiàn)出最強(qiáng)的光吸收作用。利用無(wú)機(jī)溶液的這種熱色特性，可以制成溫度傳感器。鈷鹽溶液的頻譜特征是，在波長(zhǎng)600nm附近形成了一個(gè)強(qiáng)帶，而在500nm附近有一個(gè)非常弱的帶。下圖所示是含有15%水的0.1mol/L異丙基乙醇中的溶液，在5～75℃之間的不同溫度下，波長(zhǎng)為400～800nm范圍內(nèi)的吸收頻譜。從這些頻譜中看出鈷鹽溶液所具有的強(qiáng)烈的熱色效應(yīng)，這與Co（Ⅱ）離子的存在有著密切的關(guān)系，同時(shí)這樣的熱色特性是完全可逆的，因此，可將溶液制成熱色換能器探頭，并分別采用波長(zhǎng)為655nm和800nm的光來(lái)作為敏感信號(hào)和參考信號(hào)。異丙基乙醇中溶液，在不同溫度下，波長(zhǎng)為400～800nm范圍內(nèi)的吸收頻譜這種溫度傳感器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。采用一個(gè)60W的鹵素?zé)襞谧鳛楣庠矗⒂靡粋€(gè)斬波器把輸入光變成一個(gè)頻率穩(wěn)定的光脈沖信號(hào)，然后通過(guò)顯微鏡L把光脈沖導(dǎo)入光纖3送到有熱色溶液的探頭4中。光通過(guò)熱色溶液后再由探頭底的鏡面反射回來(lái)，被另一根光纖接收，通過(guò)光纖耦合器5把接收到的光信號(hào)分成兩路，分別經(jīng)濾光器6（655nm）和7（800nm）進(jìn)行選擇。前者選取的655nm的光信號(hào)的振幅是受溫度調(diào)制的測(cè)量信號(hào)后者選取的800nm波長(zhǎng)的光信號(hào)與溫度無(wú)關(guān)，故作為參考信號(hào)。這兩個(gè)光信號(hào)分別由PIN光電二極管轉(zhuǎn)換成交流電信號(hào)，再經(jīng)鎖相放大，使噪聲通過(guò)其中的有源波得到有效抑制，獲得兩個(gè)直流信號(hào)，最后用一個(gè)多通道12位A/D變換器10把信號(hào)接入微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)11進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于系統(tǒng)利用測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的比值來(lái)表示測(cè)量結(jié)果，從而消除了電源的波動(dòng)及以光纖中與溫度無(wú)關(guān)的因素所引起的損耗對(duì)測(cè)量的影響，保證系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

溫度探頭裝置是一根有鏡面層的玻璃毛細(xì)管，里面充滿(mǎn)了鈷鹽熱色溶液。把兩根光纖終端部分插入溶液后，利用CAF33硅樹(shù)脂膠來(lái)封口，最后整個(gè)探頭覆蓋一層保護(hù)膜，探頭的外徑最小為1.5mm，長(zhǎng)為10mm。測(cè)量范圍在25～50℃之間，精度±0.2℃原理：當(dāng)閉合光路相對(duì)慣性空間以轉(zhuǎn)速Ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，順、逆時(shí)針傳播的光將產(chǎn)生一個(gè)非互易性的光程差，由于光程差又引入了兩相反傳播的光波之間的時(shí)間差，進(jìn)一步引入相位延遲。3光纖角速度傳感器

其中，A為光纖圈的面積，N為光纖的圈數(shù)，Ω為角速度。（1）采用彈性元件的光纖壓力傳感器

利用彈性體的受壓變形，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移信號(hào)，從而對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。因此，只要設(shè)計(jì)好合理的彈性元件及結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)壓力的檢測(cè)。下圖為簡(jiǎn)單的利用Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當(dāng)膜片受壓變形時(shí)，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強(qiáng)受到調(diào)制。膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖光源接收121Y形光纖束2殼片3膜片3P4光纖壓力傳感器

彈性膜片材料是恒彈性金屬，如殷鋼、鈹青銅等。但金屬材料的彈性模量有一定的溫度系數(shù)，因此要考慮溫度補(bǔ)償。若選用石英膜片，則可減小溫度的影響。膜片的安裝采用周邊固定，焊接到外殼上。對(duì)于不同的測(cè)量范圍，可選擇不同的膜片尺寸。一般膜片的厚度在0.05mm～0.2mm之間為宜。對(duì)于周邊固定的膜片，在小撓度(y＜0.5t，t為膜片厚度)的條件下，膜片的中心撓度y為R—膜片有效半徑；t—膜片厚度；

p—外加壓力；E－膜片材料的彈性模量；μ—為膜片的泊松比。可見(jiàn)，在一定范圍內(nèi)，膜片中心撓度與所加的壓力呈線(xiàn)性關(guān)系。若利用Y形光纖束檢測(cè)位移特性的線(xiàn)性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測(cè)壓力呈線(xiàn)性關(guān)系。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用方便，但如果光源不穩(wěn)定或長(zhǎng)期使用后膜片的反射率下降，影響其精度。

改進(jìn)型的膜片反射式光纖壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖(a),這里采用了特殊結(jié)構(gòu)的光纖束，光纖束的一端分成三束,其中一束為輸入光纖,兩束為輸出光纖。三束光纖在另一端結(jié)合成一束,并且在端面成同心環(huán)排列分布,如圖(b)。其中最里面一圈為輸出光纖束1,中間一圈為輸入光纖束,外面一圈為輸出光纖束2。當(dāng)壓差為零時(shí)，膜片不變形,反射到兩束輸出光纖的光強(qiáng)相等,即I1＝I2。當(dāng)膜片受壓變形后,使得處于里面一圈的光纖束,接收到的反射光強(qiáng)減小,而處于外面一圈的光纖束2接到的反射光強(qiáng)增大，形成差動(dòng)輸出。

PI2I1I0

p>0P=0P<0I1I0I2I1I0I2I1I0I242(外圈)1(內(nèi)圈)3(輸入)(a)傳感器結(jié)構(gòu)

(b)探頭截面結(jié)構(gòu)(c)測(cè)量原理兩束輸出光的光強(qiáng)之比A——與膜片尺寸、材料及輸入光纖束數(shù)值孔徑等有關(guān)的常數(shù)；p——待測(cè)量壓力。可見(jiàn)，輸出光強(qiáng)比I2／Il與膜片的反射率、光源強(qiáng)度等因素均無(wú)關(guān)，因而可有效地消除這些因素的影響。（2）光彈性式光纖壓力傳感器晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，呈現(xiàn)雙折射的現(xiàn)象稱(chēng)為光彈性效應(yīng)。利用光彈性效應(yīng)測(cè)量壓力的原理及傳感器結(jié)構(gòu)如圖。發(fā)自L(fǎng)ED的入射光經(jīng)起偏器后成為直線(xiàn)偏振光。當(dāng)有與入射光偏振方向呈45o的壓力作用于晶體時(shí)，使晶體呈雙折射從而使出射光成為橢圓偏振光，由檢偏器檢測(cè)出與入射光偏振方向相垂直方向上的光強(qiáng)，即可測(cè)出壓力的變化。其中1/4波長(zhǎng)板用于提供一偏置，使系統(tǒng)獲得最大靈敏度。P6789101112345P偏振光線(xiàn)偏振光橢圓偏振光(b)傳感器結(jié)構(gòu)(a)檢測(cè)原理

1光源2、8起偏器3、91/4波長(zhǎng)板4、10光彈性元件5、11檢偏器6光纖7自聚焦透鏡為了提高傳感器的精度和穩(wěn)定性，下圖為另一種檢測(cè)方法的結(jié)構(gòu)。輸出光用偏振分光鏡分別檢測(cè)出兩個(gè)相互垂直方向的偏振分量；并將這兩個(gè)分量經(jīng)“差／和”電路處理，即可得到與光源強(qiáng)度及光纖損耗無(wú)關(guān)的輸出。該傳感器的測(cè)量范圍為103Pa～106Pa，精度為±1％，理論上分辨力可達(dá)1.4Pa。這種結(jié)構(gòu)的傳感器在光彈性元件上加上質(zhì)量塊后，也可用于測(cè)量振動(dòng)、加速度。輸出前置放大前置放大I2－I1I2+I1驅(qū)動(dòng)123456I1I2PD1PD2光彈性式光纖壓力傳感器的另一種結(jié)構(gòu)1光纖2起偏器3光彈性元件41/4波長(zhǎng)板5偏振分光鏡6反射鏡5光纖電流傳感器

現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)的輸送和檢測(cè)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的高壓大電流的測(cè)量手段將面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)．隨著光纖技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的光纖電流傳感系統(tǒng)，因具有很好的絕緣性和抗干擾能力，較高的測(cè)量精度，容易小型化，沒(méi)有潛在的爆炸危險(xiǎn)等一系列優(yōu)越性，而受到人們的廣泛重視．光纖電流傳感器的主要原理是利用磁光晶體的法拉弟效應(yīng)。

據(jù)

，通過(guò)對(duì)法拉弟旋轉(zhuǎn)角θ的測(cè)量，可得到電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度H，從而可以計(jì)算出電流大小。由于光纖具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、絕緣性能好、信號(hào)衰減小的優(yōu)點(diǎn)，因而在法拉弟電流傳感器研究中，一般均采用光纖作為傳輸介質(zhì)。6光纖流量、流速傳感器

當(dāng)一個(gè)非流線(xiàn)體置于流體中時(shí)，在某些條件下會(huì)在液流的下游產(chǎn)生有規(guī)律的旋渦。這種旋渦將會(huì)在該非流線(xiàn)體的兩邊交替地離開(kāi)。當(dāng)每個(gè)旋渦產(chǎn)生并瀉下時(shí)，會(huì)在物體壁上產(chǎn)生一側(cè)向力。這樣，周期產(chǎn)生的旋渦將使物體受到一個(gè)周期的壓力。若物體具有彈性，它便會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率近似地與流速成正比。即

式中：v——流體的流速；d——物體相對(duì)于液流方向的橫向尺寸；s——與流體有關(guān)的無(wú)量綱常數(shù)。因此，通過(guò)檢測(cè)物體的振動(dòng)頻率便可測(cè)出流體的流速。光纖渦街流量計(jì)便是根據(jù)這個(gè)原理制成的，其結(jié)構(gòu)如圖。（1）光纖渦街流量計(jì)在橫貫流體管道的中間裝有一根繃緊的多模光纖，當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，光纖就發(fā)生振動(dòng)，其振動(dòng)頻率近似與流速成正比。由于使用的是多模光纖，故當(dāng)光源采用相干光源(如激光器)時(shí)，其輸出光斑是模式間干涉的結(jié)果。當(dāng)光纖固定時(shí)，輸出光斑花紋穩(wěn)定。當(dāng)光纖振動(dòng)時(shí)，輸出光斑亦發(fā)生移動(dòng)。對(duì)于處于光斑中某個(gè)固定位置的小型探測(cè)器，光斑花紋的移動(dòng)反映為探測(cè)器接收到的輸出光強(qiáng)的變化。利用頻譜分析，即可測(cè)出光纖的振動(dòng)頻率。根據(jù)上式或?qū)嶒?yàn)標(biāo)定得到流速值，在管徑尺寸已知的情況下，即可計(jì)算出流量。光纖渦街流量計(jì)特點(diǎn)：可靠性好，無(wú)任何可動(dòng)部分和聯(lián)接環(huán)節(jié)，對(duì)被測(cè)體流阻小，基本不影響流速。但在流速很小時(shí)，光纖振動(dòng)會(huì)消失，因此存在一定的測(cè)量下限。

分析記錄光源頻譜探測(cè)器12345（2）光纖多普勒流速計(jì)下圖為利用光纖多普勒計(jì)來(lái)測(cè)量流體流速的原理。當(dāng)待測(cè)流體為氣體時(shí)，散射光將非常微弱，此時(shí)可采用大功率的Ar激光器（出射光功率為2W，λ=514.5nm）以提高信噪比。特點(diǎn)：非接觸測(cè)量，不影響待測(cè)物體的流動(dòng)狀態(tài)。光纖多譜勒流量計(jì)結(jié)構(gòu)探測(cè)器頻譜分析儀He-Ne激光器123456781、3——分束器；2——反射鏡；4——透鏡；5——流體管道；6——窗口；7、8——光纖

分布式光纖傳感器是將傳感光纖沿場(chǎng)排布，并采用獨(dú)特的檢測(cè)技術(shù)，對(duì)沿光纖傳輸路徑上場(chǎng)的空間分布和隨時(shí)間變化的信息進(jìn)行測(cè)量或監(jiān)控。這類(lèi)傳感器只需要一個(gè)光源和一個(gè)檢測(cè)線(xiàn)路，集傳感與傳輸于一體，可實(shí)現(xiàn)對(duì)龐大和重要結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制。（定義）該技術(shù)是在20世紀(jì)70年代末提出的，并在多個(gè)領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。目前，這項(xiàng)技術(shù)已成為光纖傳感技術(shù)中最具前途的技術(shù)之一。目前有兩種方式發(fā)展比較快，一種是以光纖的后向散射光或前向散射光損耗時(shí)域檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的光時(shí)域分布式，另一種是以光波長(zhǎng)檢測(cè)為基礎(chǔ)的波長(zhǎng)域分布式。四分布式光纖傳感器1概述（定義和特點(diǎn)）

時(shí)域分布式光纖傳感器的物理基礎(chǔ)是光學(xué)時(shí)域反射技術(shù)（OpticalTime-domainReflectometry），簡(jiǎn)稱(chēng)OTDR。其基本原理是利用分析光纖中后向散射光或前向散射光的方法測(cè)量因散射、吸收等原因產(chǎn)生的光纖傳輸損耗和各種結(jié)構(gòu)缺陷引起的結(jié)構(gòu)性損耗。當(dāng)光纖某一點(diǎn)受溫度或應(yīng)力作用時(shí)，該點(diǎn)的散射特性將發(fā)生變化，因此通過(guò)顯示損耗與光纖長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)檢測(cè)外界信號(hào)分布于傳感光纖上的擾動(dòng)信息。下面是一種基于后向散射光檢測(cè)的OTDR原理圖。脈沖激光光源后向散射回波傳感光纖3dB光電檢測(cè)與信號(hào)處理系統(tǒng)由于外界因素引起的沿光纖長(zhǎng)度上的某一點(diǎn)散射信號(hào)的變化，可以通過(guò)OTDR方法獨(dú)立地探測(cè)出來(lái)，而不受其他點(diǎn)散射信號(hào)改變的影響，因此可以采用OTDR方法實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖的分布式測(cè)量。相對(duì)回波光功率初始脈沖作用點(diǎn)終端費(fèi)涅爾回波長(zhǎng)度Z后向散射光檢測(cè)波形示意圖

分布式光纖傳感技術(shù)的特點(diǎn)：①分布式光纖傳感系統(tǒng)中的傳感元件僅為光纖;②一次測(cè)量就可以獲取整個(gè)光纖區(qū)域內(nèi)被測(cè)量的一維分布圖，將光纖架設(shè)成光柵狀，就可測(cè)定被測(cè)量的二維和三維分布情況；系統(tǒng)的空間分辨力一般在米的量級(jí)，因而對(duì)被測(cè)量在更窄范圍的變化一般只能觀測(cè)其平均值;檢測(cè)信號(hào)一般較微弱，因而要求信號(hào)處理系統(tǒng)具有較高的信噪比；由于在檢測(cè)過(guò)程中需進(jìn)行大量的信號(hào)加法平均、頻率的掃描、相位的跟蹤等處理，因而實(shí)現(xiàn)一次完整的測(cè)量需較長(zhǎng)的時(shí)間。(1)利用后向瑞利散射的傳感技術(shù);(2)利用喇曼效應(yīng)的傳感技術(shù);(3)利用布里淵效應(yīng)的傳感技術(shù);(4)

利用前向傳輸模耦合的傳感技術(shù)。依據(jù)信號(hào)的性質(zhì)，該類(lèi)傳感技術(shù)可分為4類(lèi)2分類(lèi)

當(dāng)光通過(guò)光纖介質(zhì)時(shí)，有一部分光會(huì)偏離原來(lái)的傳播方向而向空間散射，形成3種散射：★

第1種是頻率與入射光相同的瑞利散射，它是由光纖折射

率的微小變化引起的；★

第2種是與入射光頻差為幾十太赫茲的喇曼散射，它是由

光子與光學(xué)聲子的相互作用而引起的；★

第3種是與入射光頻差為幾十吉赫茲的布里淵散射，它是

由光子與低頻聲子的相互作用而引起的。光纖中后向散射光的頻譜分布布里淵散射是入射光波場(chǎng)與介質(zhì)內(nèi)彈性聲波場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的一種光散射現(xiàn)象。依據(jù)彈性聲波場(chǎng)產(chǎn)生的原因，它可分為自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射兩種。自發(fā)布里淵散射：介質(zhì)的宏觀彈性振動(dòng)，其振動(dòng)的頻率較低。由于介質(zhì)內(nèi)的自發(fā)熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的彈性聲波場(chǎng)較弱，對(duì)其測(cè)量與觀察較困難，一般采用法布里—珀羅干涉儀實(shí)現(xiàn)頻率的檢測(cè)。受激布里淵散射：受激布里淵散射過(guò)程中的彈性聲波場(chǎng)是通過(guò)電致伸縮效應(yīng)而發(fā)生的。這種相干聲波場(chǎng)與入射激光耦合而產(chǎn)生受激布里淵散射的相干輻射。如果入射激光足夠強(qiáng)，以致于介質(zhì)內(nèi)電致伸縮效應(yīng)感應(yīng)產(chǎn)生的聲波場(chǎng)和相應(yīng)的散射光波場(chǎng)的增益大于它們各自的損耗，則將出現(xiàn)介質(zhì)內(nèi)感應(yīng)聲波場(chǎng)與布里淵散射光波場(chǎng)的受激放大。

瑞利散射是造成光纖傳輸衰減的主要因素，雖然其背向散射效應(yīng)較強(qiáng)，但在常規(guī)材料的光纖中它隨溫度的變化不明