第七章光纖傳感技術(shù)

7.1概述

背景介紹光導纖維光纖通信：通信質(zhì)量受干擾的原因光纖對外部因素十分敏感。外界環(huán)境溫度壓力電場磁場光波參量強度相位頻率偏振態(tài)光纖傳感

目前一頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點光纖結(jié)構(gòu)圖目前二頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點光纖的優(yōu)點長距離低損耗易彎曲體積小、重量輕、成本低防水、防火、耐腐蝕抗電磁干擾光纖傳感技術(shù)應用航天：飛機及航天器各部位壓力、溫度傳感航海石油化工電力工業(yè)核工業(yè)醫(yī)療器械：血液流速、血壓及心音測量目前三頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點7.1.2光纖傳感器分類光纖傳感器原理：利用光纖將待測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠▍⒘窟M行調(diào)制，并對調(diào)制過的光波信號進行解調(diào)檢測，從而獲得待測量值。

功能型（傳感型、全光纖）傳感器：光纖中傳輸?shù)墓獠ㄊ艿奖粶y對象的調(diào)制，空載波變?yōu)檎{(diào)制波，攜帶了被測對象信息。光纖直接作為敏感元件，既感且傳目前四頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點非功能型（傳光型、混合型）傳感器：光纖送來光波通過光轉(zhuǎn)換元件時光波參量發(fā)生相應變化，空載波變成了調(diào)制波，攜帶了帶測量信息。其他敏感元件感知待測量的變化，只傳不感目前五頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點提問：光纖傳感器利用什么物理效應來感知待測量？它能檢測哪些物理量？

功能型光纖傳感器光纖自身的結(jié)構(gòu)參量（尺寸和形狀）發(fā)生變化，光纖中的光波參量受到相應控制光纖中傳輸?shù)墓獠ㄗ陨戆l(fā)生了某種變化

非功能型（傳光型、混合型）傳感器

光轉(zhuǎn)換元件自身的性能發(fā)生了變化由光纖的幾何位置排布實現(xiàn)光轉(zhuǎn)換功能目前六頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點目前七頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點光波調(diào)制技術(shù)：利用光波參量的調(diào)制實現(xiàn)待測信息提取。強度調(diào)制位相調(diào)制頻率調(diào)制偏振調(diào)制顏色調(diào)制（光纖傳感頭的光頻譜特性隨待測物理量變化）目前八頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點7.2光纖的傳輸特性

階躍光纖（包層光纖）漸變光纖（自聚焦光纖）纖芯包層目前九頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點7.2.1包層光纖中的傳輸光線傳輸條件：滿足全反射定律1.子午光線：傳播時在同一平面內(nèi)，且與光纖軸線相交。子午光線的傳輸目前十頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點入射角滿足的條件：表征光纖收光能力的重要參數(shù)——光纖的數(shù)值孔徑目前十一頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點2.斜光線：傳播時不在同一平面內(nèi)，且不與光纖軸線相交。斜光線的傳輸入射角滿足的條件：目前十二頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點7.2.2梯度折射率光纖與自聚焦透鏡

只討論子午光線的傳播規(guī)律：即子午光線的傳播方向與入射角的關(guān)系光線沿著一彎曲的路徑傳播，而且彎向折射率大的一方目前十三頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點目前十四頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點當梯度折射率分布呈拋物線型分布時，梯度折射率光纖中的子午光線路徑是正弦曲線。說明：入射角不同時，各曲線的振幅不同，但周期相同。各入射角的光線自動會聚到一點，故折射率梯度型光纖又稱為自聚焦光纖。目前十五頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點透鏡和自聚焦透鏡靠球面的折射來彎曲曲線靠折射率的梯度變化來彎曲曲線目前十六頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點7.2.3單模光纖和多模光纖

由現(xiàn)象到本質(zhì)送入光纖的光信號是一個完整的圓形光斑的激光束，光纖輸出端面上觀察到的光信號卻可能是分裂開的幾個小光斑。為什么會出現(xiàn)光斑分裂現(xiàn)象？（導波光學、模式）光波是光頻電磁波，光纖是介質(zhì)波導，上述現(xiàn)象可用電磁波導理論解釋。光纖波導中的麥克斯韋方程有許多獨立的特解，每一特解代表能獨立存在于波導中的一種模式或波型。光波導中總的電磁場分布可由這些可能存在的模式線性疊加來表示。目前十七頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點光纖波導中的光波模式橫模和縱模橫電模（TE）和橫磁模(TH)EH模和HE模單模光纖：只允許一種模式在光纖中傳輸；多模光纖：允許多個模式在光纖中傳輸。單模光纖和多模光纖的區(qū)分——歸一化頻率參量階躍光纖目前十八頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點每根曲線對應于麥氏方程組的一個特解；解得允許值在kn1和kn2之間（纖芯和包層中的波數(shù)）；隨V增大，不同模式的速度ω/β由高（β?。┑降停é麓螅┳兓?；隨V增大，允許存在的模式數(shù)目增多。基模單模光纖條件：V<2.405目前十九頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點當V值很大時，允許存在的模式總數(shù)：

折射率：光纖纖芯與包層的折射率差越大，光纖中允許存在的模式數(shù)目越多；引申：光纖端面的接收角越大，光纖中被激勵的模式數(shù)目越多；高階模式對應大的入射角。

波長：短波長光激勵的模式多，存在截止工作波長；

光纖半徑：半徑越大允許存在的模式越多。目前二十頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點7.2.4光纖中的模式耦合

光纖中的三類模式

傳導模：場能量集中在光纖纖芯中沿光纖傳播，在包層中迅速衰減；泄漏模：場能量一部分泄漏到包層中，包層中的場是恒定值；輻射模：能量從光纖包層向外輻射（不滿足全反射條件）存在條件目前二十一頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點模式耦合：不同模式間能量交換理想光纖V確定后，光纖中存在一定數(shù)目的傳導模式，這些導模都是麥氏方程組的特解，彼此獨立傳播，相互之間沒有能量交換，即沒有模式耦合。實際光纖存在缺陷（纖芯折射率不均、纖芯包層界面畸變等）破壞獨立傳播，導致各模式間能量交換，使模式幅度發(fā)生起伏變化。目前二十二頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點7.2.5光纖的傳輸損耗

產(chǎn)生衰減的因素材料吸收（雜質(zhì)離子）和散射（氣泡等缺陷）光纖彎曲時造成損耗：

改變傳播路徑，能量外泄光波導散射：

粗細不均、截面變形，能量輻射出去光在光纖中傳輸時會衰減，產(chǎn)生損耗。I(Z)=I0e-αZ目前二十三頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點包層損失損耗最低目前二十四頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點引起的結(jié)果：限制光纖傳輸光信號的光頻帶寬，從而限制光纖的傳輸信息容量；種類：模式色散（各模式傳輸速度不同）材料色散（不同波長的光傳播速度不同）波導色散（不同波長的光波使光纖V參數(shù)發(fā)生變化，相速變化）光纖的色散：脈沖展寬現(xiàn)象目前二十五頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點7.3單模光纖的偏振與雙折射

引言相位干涉調(diào)制型光纖傳感器：信號臂和參考臂中的光波必須同偏振；偏振調(diào)制型光纖傳感器：為了使光的偏振態(tài)隨待檢測信號線性變化，要求光波的原始偏振態(tài)保持不變。因此，為減小光纖本身相位和偏振態(tài)的有害擾動，需采用單模光纖。目前二十六頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點1實際單模光纖的偏振特性

理想情況（圓截面、筆直、無缺陷）：兩個偏振分量傳播常數(shù)相等，相位差保持不變，始終合成為原來的偏振狀態(tài)。目前二十七頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點實際光纖（這里研究呈橢圓形界面的均勻筆直光纖）：兩個模傳播常數(shù)不同，傳播過程中不再保持同相，合成偏振態(tài)變化。目前二十八頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點產(chǎn)生雙折射偏振演變周期性重復偏振方向上輻射最小垂直于偏振方向泄漏最多目前二十九頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點2單模光纖的雙折射

光的偏振效應與光的雙折射同是介質(zhì)光學各向異性的兩種表現(xiàn)形式。單模光纖雙折射：兩個本來簡并的模式的傳播常數(shù)出現(xiàn)差異。產(chǎn)生雙折射的原因：截面橢圓、光纖彎曲或扭曲、光纖電致或磁致效應目前三十頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點3偏振型單模光纖

低雙折射單模光纖：理想圓對稱光纖、自旋光纖。高雙折射單模光纖（偏振保持光纖，保偏光纖）絕對單模光纖：使一個模式截止或提高兩模式的消光比目前三十一頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點7.4光纖的光波調(diào)制技術(shù)

引言敏感頭或傳感臂的作用：通過與待測對象相互作用，將待測信息傳遞到光纖內(nèi)的導光波中，或?qū)⑿畔⒓虞d于光波之上。上述過程成為光波調(diào)制。強度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、光譜（顏色）調(diào)制目前三十二頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點7.4.1光強度調(diào)制

1透射機制光強度調(diào)制器組成：固定光纖+移動光纖，隔開一小段距離。目前三十三頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點原理：光纖移動導致透射到接收光纖中的光強發(fā)生規(guī)律變化。作用：測量能造成光纖移動的物理量。目前三十四頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點受抑全反射透射光強調(diào)制X較大：光纖內(nèi)部光全反射X較?。ü獠ㄩL量級）：全反射受到抑制，大部分光功率耦合到另一光纖中去目前三十五頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點2反射機制光強度調(diào)制器組成：發(fā)送光纖+接收光纖+反射體。作用：探測反射體位置的變化。目前三十六頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點3周期微彎機制原理：將纖芯中的傳輸導模耦合入輻射模，光纖中的透射光強和逸出光纖的輻射光強發(fā)生變化。作用：探測位移。有效光強調(diào)制目前三十七頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點4光纖功能機制特點：無需借助外界變化；原理：利用光纖纖芯材料的化學性質(zhì)變化實現(xiàn)光強調(diào)制；主要機制：吸收、散射、熒光、折射率變化和偏振。例如吸收機制，在光纖中摻入產(chǎn)生吸收光譜的材料，一些吸收峰對溫度敏感，另一些吸收峰對溫度不敏感，兩種波長處的光強之比可作為溫度的傳感函數(shù)。目前三十八頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點7.4.2光相位調(diào)制及干涉測量法

特點：靈敏度高相位調(diào)制機制

物理因素：應力應變效應和由溫度變化引起的熱脹冷縮效應。目前三十九頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點1應力應變效應

施加于光纖縱向（軸向）的應力產(chǎn)生三方面的相位調(diào)制效應：光纖長度變化產(chǎn)生縱向應變，直接導致光波相位變化；光纖直徑變化產(chǎn)生橫向泊松應變，進而導致波數(shù)變化，最終導致相位變化；光纖縱、橫向應變產(chǎn)生二次效應——光彈效應，導致折射率變化，從而導致相位變化。2熱脹冷縮機制

目前四十頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點干涉測量原理光波干涉條紋記錄了相位，相位變化時干涉條紋會運動，記錄干涉條紋的移動數(shù)目，就測得了相位變化量，也就測得了導致相位變化物理量。干涉儀由兩臂組成：參考臂：提供相位基準；傳感臂：敏感待測物理量（聲、力、電磁、溫度等）的變化，進行光相位調(diào)制目前四十一頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點幾種干涉儀及其光纖結(jié)構(gòu)目前四十二頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點7.4.3偏振調(diào)制

調(diào)制機制：電光效應、磁光效應、光彈效應作用：用于快速電場、電壓的傳感測量普克爾效應——線性電光效應克爾效應——平方電光效應法拉第效應——磁致旋光效應光彈效應：光纖在正交方向上受到壓力差作用

目前四十三頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點7.4.4頻率調(diào)制

調(diào)制機制：光學多普勒效應：光源和探測器都不動，但探測器探測從運動體散射或反射來的光波頻率同樣也是變化的。光頻率的變化量稱為多普勒頻移。作用：感知流體速度目前四十四頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點原理：測得多普勒頻移，即可求得流體速度;典型應用：醫(yī)學上對血液流動的測量。目前四十五頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點7.4.5顏色（光譜）調(diào)制

顏色調(diào)制：傳感頭的光譜特性隨外界物理量變化的效應。調(diào)制機制：熱色效應：某些物質(zhì)的光吸收譜強烈地隨溫度而變化，溫度傳感元件；黑體輻射效應：光纖中熱點本身的黑體熱輻射隨溫度變化而變化，在高溫傳感中廣泛應用；熒光效應：熒光特性與溫度相關(guān)，測量熒光特性的變化可檢測溫度；透明度效應：某些化學指示劑的透明度在紅光區(qū)對溶液的pH值敏感。目前四十六頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點7.5光纖傳感器

7.5.1光纖溫度傳感器半導體光吸收型光纖溫度傳感器（傳光型）目前四十七頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點熱色效應光纖溫度傳感器（傳光型）熱色效應：許多無機溶液的顏色隨溫度而變化，因而溶液的光吸收譜線也隨溫度而變化。敏感信號——655nm光透過率幾乎與溫度成線性關(guān)系參考信號——800nm幾乎與溫度無關(guān)目前四十八頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點目前四十九頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點光纖溫度開關(guān)傳感器（功能型）原理：若光纖纖芯和包層材料折射率隨溫度變化，且在某一溫度下出現(xiàn)交叉，光能進入包層。溫度再升高，纖芯中光能量傳輸中斷，傳感器報警。優(yōu)點：傳感器電絕緣，不怕強電磁干擾，可用于大型發(fā)電機、電動機及變壓器中進行溫度控制。目前五十頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點摻雜光纖溫度傳感器（功能型）原理：摻雜稀土元素的玻璃光纖，產(chǎn)生溫度敏感的吸收光譜。840860目前五十一頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點7.5.2光纖壓力傳感器微彎式光纖壓力傳感器（功能型）剝模器作用：吸收進入光纖包層的光，以免干擾測量結(jié)果。例如在幾厘米長的光纖外面涂上黑炭。目前五十二頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點7.5.3光纖流量流速傳感器壓差