光纖傳感器介紹

2024/4/1

第二講

光纖傳感器介紹光纖干涉測量技術(shù)12024/4/1光纖傳感器的發(fā)展20世紀(jì)60年代，激光使得利用光的各種屬性（干涉、衍射、偏振、反射、吸收和發(fā)光等）的光檢測技術(shù)，作為非接觸、高速度、高精確度的檢測手段獲得了飛速的發(fā)展。20世紀(jì)70年代，由于光纖不但具有良好的傳光特性，而且其本身就可用來進(jìn)行信息傳遞，無需任何中間媒體就能把測量值與光纖內(nèi)的光特性變化聯(lián)系起來，因此，在20世紀(jì)80年代光纖傳感器就已顯示出廣闊的應(yīng)用前景。氙閃光燈聚光器觸發(fā)電極激光束紅寶石棒Al2O322024/4/1但是在當(dāng)時(shí)，光纖傳感器真正投入實(shí)際應(yīng)用的卻不多，這主要是因?yàn)榕c傳統(tǒng)的傳感技術(shù)相比，光纖傳感器的優(yōu)勢是本身的物性特性而不是功能特性。因此，光纖傳感技術(shù)的重要應(yīng)用之一是利用光纖質(zhì)輕、徑細(xì)、強(qiáng)抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、信號衰減小，集信息傳感與傳輸于一體等特點(diǎn)，解決常規(guī)檢測技術(shù)難以完全勝任的測量問題。光纖傳感器的發(fā)展32024/4/120世紀(jì)90年代后期，光通信帶動(dòng)下的光子產(chǎn)業(yè)取得了巨大的成功，光纖傳感器呈產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，在國際上形成了許多應(yīng)用領(lǐng)域，即醫(yī)學(xué)和生物、電力工業(yè)、化學(xué)和環(huán)境、軍事和職能結(jié)構(gòu)、石油行業(yè)、汽車行業(yè)、船舶、航空航天等領(lǐng)域。光纖傳感器的發(fā)展42024/4/1傳感器（Sensor，Transducer）是完成信息獲取（檢測）、傳輸和轉(zhuǎn)換的器件。光纖傳感器（OpticalFiberSensor）則是以光纖作為功能材料的傳感器。光纖傳感器的發(fā)展微彎光纖壓力傳感器光纖溫度傳感器52024/4/1圖a經(jīng)典測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖b光纖測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)典的傳感器完成的是從非電量到電量的轉(zhuǎn)換。光纖傳感器完成的是從非光量到光量的轉(zhuǎn)換。它們的區(qū)別是，光纖傳感器以光作感知信息的載體，而不是電；用光纖傳送信息，而不是導(dǎo)線。光纖傳感器與經(jīng)典傳感器的區(qū)別6

光纖傳感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(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)。因此，它同時(shí)具有光纖及光學(xué)測量的特點(diǎn)。

①電絕緣性能好。

②抗電磁干擾能力強(qiáng)。

③非侵入性。

④高靈敏度。

⑤容易實(shí)現(xiàn)對被測信號的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場等物理量2024/4/1什么是光纖傳感器？72024/4/1光纖傳感器的基本原理光纖傳感器的基本原理：光導(dǎo)纖維不僅可以作為光波的傳播介質(zhì)，而且光波在光纖中傳播時(shí)表征光波的特征參量（振幅、相位、偏振態(tài)、波長等）因外界因素（如溫度、壓力、磁場、電場、位移、轉(zhuǎn)動(dòng)等）的作用而間接或直接地發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感元件來探測各種物理量。82024/4/1光纖的基本知識91966年，英籍華裔學(xué)者高錕（CharlesK.Kao）發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》，指出了利用光纖（OpticalFiber）進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，并指明通過“原材料提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向，他奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。2024/4/1光纖的基本知識光纖是一種傳輸光信息的導(dǎo)光纖維，主要由高強(qiáng)度石英玻璃、常規(guī)玻璃和塑料制成。光纖由纖芯、包層、護(hù)套組成。10光主要在纖芯中傳輸，光纖的導(dǎo)光能力主要取決于纖芯和包層的折射率，纖芯的折射率n1稍大于包層的折射率n2，典型數(shù)值是n1=1.46~1.51，n2=1.44~1.50.n2n1纖芯包層纖芯包層涂敷層護(hù)套2024/4/1光纖的基本知識850nm窗口，典型的衰減值為2dB/km；1300nm窗口，典型的衰減值為0.4dB/km；1550nm窗口，具有最低的衰減，典型值為0.2dB/km。112024/4/1光纖傳感器的分類——按功能分根據(jù)光纖在傳感器中的作用，光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三大類1）功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(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)，增加其長度，可提高靈敏度。信號處理光受信器光纖敏感元件光發(fā)送器122024/4/1光纖傳感器的分類2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。

光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無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，用于對靈敏度要求不太高的場合。信號處理光受信器敏感元件光發(fā)送器光纖以多模光導(dǎo)纖維來傳輸光信號，根據(jù)光接受強(qiáng)度不同進(jìn)行測量，而對被測參數(shù)起檢測作用的是其他敏感元件。這種傳感器多用于工業(yè)檢測液位、壓力、形變、溫度、流速、電流、磁場等。它的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉.缺點(diǎn)是靈敏度低。3）拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。信號處理光受信器光發(fā)送器光纖耦合器被測對象

傳感型與傳光性光纖傳感器都可再分成光強(qiáng)調(diào)制、相位調(diào)制、偏振態(tài)調(diào)制以及波長調(diào)制等幾種形式。132024/4/1光纖傳感技術(shù)的分類——按調(diào)制方式分強(qiáng)度調(diào)制型偏振調(diào)制型相位調(diào)制型波長調(diào)制型142024/4/1光纖傳感器的分類——強(qiáng)度調(diào)制型強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器：

是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實(shí)現(xiàn)敏感測量的傳感器。

有利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動(dòng)膜或液晶的反射光強(qiáng)度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機(jī)械的激勵(lì)而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力、振動(dòng)、溫度、位移、氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：受光源強(qiáng)度波動(dòng)和連接器損耗變化等影響較大152024/4/1類型方式主要應(yīng)用強(qiáng)度調(diào)制安裝斬波器、光開關(guān)、調(diào)制輻射式溫度傳感器安裝光楔、光柵、動(dòng)閘位移、壓力、流量傳感器發(fā)光或受光纖自調(diào)制振動(dòng)、頻率、重量傳感器反射式強(qiáng)度調(diào)制微位移、液位傳感器光纖微彎擾式模式調(diào)制壓力傳感器液體折射率變化進(jìn)行調(diào)制濃度、折射率傳感器光纖吸收特性進(jìn)行調(diào)制x、射線傳感器比較光纖出射模斑的強(qiáng)度調(diào)制流量傳感器利用數(shù)字編碼技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)速傳感器利用電壓式表面聲波衍射進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制光開關(guān)光纖傳感器的分類——強(qiáng)度調(diào)制型16光強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器——光纖壓力傳感器在壓力作用下光纖產(chǎn)生微彎變形導(dǎo)致光強(qiáng)度變化，從而引起光纖傳輸損耗的改變，并由吸收、發(fā)射或折射率變化來調(diào)制發(fā)射光，可制成微彎效應(yīng)的光纖壓力傳感器。由于齒板的作用，在沿光纖光軸的垂直方向上加有壓力時(shí)，光纖產(chǎn)生微彎變形，光波導(dǎo)方式改變，傳輸損耗增加。這種傳感器具有較高的靈敏度。2024/4/1172024/4/1光纖傳感器的分類——偏振調(diào)制型偏振調(diào)制型光纖傳感器：是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的傳感器。

有利用光在磁場中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流、磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體內(nèi)傳播的普克爾效應(yīng)做成的電場、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動(dòng)或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動(dòng)等傳感器。優(yōu)點(diǎn)：這類傳感器可以避免光源強(qiáng)度變化的影啊，因此靈敏度高。類型方式主要應(yīng)用偏振態(tài)調(diào)制Faraday效應(yīng)（磁光效應(yīng)）電流、電壓、磁場傳感器克爾電光效應(yīng)光電效應(yīng)182024/4/1

在干涉和衍射里，光波的振動(dòng)是以標(biāo)量形式來處理的，即未考慮振動(dòng)的方向，只研究光振動(dòng)的大小和強(qiáng)度分布。而研究光的偏振現(xiàn)象，光波必須用矢量來描述。

光除了有干涉和衍射現(xiàn)象外還有偏振現(xiàn)象電磁波的振動(dòng)方式19Maxwell電磁波理論和實(shí)驗(yàn)表明，光波是橫波。光的偏振現(xiàn)象2024/4/1法拉第效應(yīng)20許多物質(zhì)在磁場的作用下可以使穿過它的平面偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為磁致旋光效應(yīng)或法拉第效應(yīng)。播傳方向振動(dòng)面線偏振光偏振調(diào)制型光纖傳感器——光纖電流傳感器單模光導(dǎo)纖維的偏振特性極易受到外界各種物理量的影響，如在高電場下的克爾效應(yīng)和在強(qiáng)磁場下的法拉第效應(yīng)，利用這一原理可制成大電流、高電壓測試傳感器。（1）容易安裝，不用斷開導(dǎo)線，僅將細(xì)長、柔軟的絕緣光纖卷繞在導(dǎo)體上就可檢測電流，能實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳感裝置的小與輕量化；（2）無電磁噪音的干擾。（3）計(jì)測范圍廣，沒有鐵心磁飽和的制約，同時(shí)，法拉第效應(yīng)的響應(yīng)速度快，具有從低頻到高頻、到大電流的廣闊測量范闈；（4）因?yàn)樾盘柾ㄟ^光纖傳輸。波形畸變小。傳輸損耗小，故可實(shí)現(xiàn)長距離的信號傳輸。212024/4/1類型方式主要應(yīng)用相位調(diào)制Sagnac光纖干涉儀微位移、粗糙度測量F-P光纖干涉儀光潔度、加速度、速度測量Michelson光纖干涉儀角度等傳感器光纖傳感器的分類——相位調(diào)制型相位調(diào)制型光纖傳感器：是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。

通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。優(yōu)點(diǎn)：這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本高。22相位調(diào)制型光纖傳感器——光纖溫度傳感器用單模光導(dǎo)纖維構(gòu)成干涉儀，外界各種物理量的影響因素能導(dǎo)致光導(dǎo)纖維中光程的變化，從而引起干涉條紋的變動(dòng)。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是有極高的靈敏度，主要用于光纖陀螺、光纖水聽器、動(dòng)態(tài)壓力和應(yīng)變測量、機(jī)械振動(dòng)測量等方面。激光器的點(diǎn)光源光束擴(kuò)散為平行波，經(jīng)分光器分為兩路，一為基準(zhǔn)光路，另一為測量光路。外界溫度（或壓力、振動(dòng)等）引起光纖長度的變化和相位的光相位變化，從而產(chǎn)生不同數(shù)量的干涉條紋，對它的模向移動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可測量溫度或壓力等。2024/4/1232024/4/1類型方式主要應(yīng)用波長調(diào)制利用熱色物質(zhì)的顏色變化進(jìn)行波長調(diào)制pH值測量、溫度測量利用熒光光譜變化進(jìn)行波長調(diào)制溫度測量利用黑體輻射進(jìn)行波長調(diào)制溫度測量利用濾光器參數(shù)變化進(jìn)行波長調(diào)制氣體濃度傳感器利用棱鏡光柵進(jìn)行波長調(diào)制位移分色計(jì)利用被測物自身吸收特性進(jìn)行波長調(diào)制氣體成分傳感器光纖傳感器的分類——波長調(diào)制型

波長調(diào)制光纖傳感器主要是利用傳感探頭的光頻譜特性隨外界物理量變化的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的。此類傳感器多為非功能型傳感器。242024/4/1光纖傳感技術(shù)的分類——按光學(xué)現(xiàn)象分干涉型非干涉型分布式傳感器Bragg傳感器252024/4/1類型被測量光學(xué)現(xiàn)象檢測對象光纖類型干涉型Michelson干涉儀速度、振動(dòng)、位移多普勒效應(yīng)頻率多模梯度光纖振動(dòng)、位移多次反射干涉單模光纖溫度熱膨脹相位Mach-Zehnder干涉儀聲壓聲光效應(yīng)相位（干涉）單模光纖變形、振動(dòng)、加速度光彈性效應(yīng)溫度熱膨脹電流、磁場磁致伸縮效應(yīng)電流熱膨脹電壓電致伸縮效應(yīng)位移、應(yīng)變多次反射Sagnac干涉儀旋轉(zhuǎn)速度Sagnac效應(yīng)相位（干涉）保偏光纖電流、磁場Faraday效應(yīng)光纖傳感技術(shù)的分類262024/4/1類型被測量光學(xué)現(xiàn)象檢測對象光纖類型非干涉型電壓電光效應(yīng)偏振單模光纖電流、磁場Faraday效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)壓力、變形微彎曲損耗傳輸損耗多模光纖溫度Plank定律輻射量大芯徑光纖位移三角反射光強(qiáng)多模光纖濃度折射率調(diào)制折射率多模光纖分布式傳感器溫度、壓力、位移、濃度、含水率吸收、散射時(shí)間頻率單模光纖多模光纖保偏光纖Bragg傳感器溫度、應(yīng)力調(diào)諧波長反射機(jī)理干涉光柵摻雜光纖光纖傳感技術(shù)的分類27分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用2024/4/128分布式光纖傳感技術(shù)用于航空領(lǐng)域的多參量監(jiān)測太空飛船X-38的再入式實(shí)驗(yàn)飛行器（NASA圖片）傳感器布測區(qū)域a.分布式溫度傳感方案b.分布式應(yīng)力傳感方案輸出信號沿光纖傳輸光的背向散射分量光纖溫度傳感元平面溫度場分布輸入信號埋入光纖應(yīng)力傳感元輸入信號輸出信號光纖監(jiān)測網(wǎng)損傷探測2024/4/1292024/4/1靈敏度高原因：光測量以光波長為計(jì)量單位。利用長光纖和光波干涉技術(shù)使不少光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器。例如，相位變化10-6rad用現(xiàn)代手段可以檢測到，則它對應(yīng)的被測量位移的大小是（10-3~10-4)nm。光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)302024/4/1抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕，本質(zhì)安全理由：光纖傳感器是利用光波傳輸信息，光纖的主要材質(zhì)是SiO2，是電絕緣、耐腐蝕的傳輸介質(zhì)，因而不怕強(qiáng)電磁干擾，也不影響外界的電磁場，并且安全可靠。這使它在大型機(jī)電、石油化工、冶金高壓、強(qiáng)電磁干擾、易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕環(huán)境中能方便而有效地傳感。光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)312024/4/1重量輕、體積小，外形可變原因：光纖除具有重量輕、體積小的特點(diǎn)外，還有可撓的優(yōu)點(diǎn)，因此利用光纖可制成外形各異、尺寸不同的各種光纖傳感器。這有利于航空、航天以及狹窄空間的應(yīng)用。

目前已有性能不同的測量溫度、壓力、位移、速度、加速度、液面、流量、振動(dòng)、水聲、電流、電場、磁場、電壓、雜質(zhì)含量、液體濃度、核輻射等各種物理量、化學(xué)量的光纖傳感器在現(xiàn)場實(shí)用。測量對象廣泛光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)322024/4/1對被測介質(zhì)影響小這對于醫(yī)藥生物領(lǐng)域的應(yīng)用極為有利。

有利于與現(xiàn)有光通信技術(shù)組成遙測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。便于復(fù)用，便于成網(wǎng)成本低有些種類的光纖傳感器的成本將大大低于現(xiàn)有同類傳感器。光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)332024/4/1為何選擇相位調(diào)制的干涉型光纖傳感器？

在這眾多的調(diào)制方法中，選擇介紹相位調(diào)制，即干涉型的光纖傳感器，主要是因?yàn)檫@種測量具有極高的靈敏度和很高的精度。342024/4/1從歷史上看，光干涉儀廣泛應(yīng)用于高分辨的實(shí)驗(yàn)室測量裝置。但是，一般的光干涉儀是以自由空間作光路，因此造成以下缺點(diǎn)而限制了它的應(yīng)用：干涉儀體積大，易受空氣、環(huán)境、溫度、聲波與振動(dòng)的影響，使測量不穩(wěn)定，準(zhǔn)確度低，調(diào)整也較困難。干涉型光纖傳感器的介紹一般光干涉儀的缺點(diǎn)352024/4/1干涉型光纖傳感器的介紹干涉型光纖傳感器以光纖作光路，減少了干涉儀器的長臂安裝和校準(zhǔn)的困難，容易實(shí)現(xiàn)小型化，并且易于用中長光纖的方法使干涉光路對環(huán)境參數(shù)的響應(yīng)靈敏度增加。其結(jié)果使傳統(tǒng)的光學(xué)干涉儀從實(shí)驗(yàn)室走出來，成為有高機(jī)械強(qiáng)度和精密靈活的生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)用的儀表。因此相位調(diào)制是光纖傳感器中最基本的傳感技術(shù)，最靈敏，要求也較高，可測量的最小相位變化為10-7rad。362024/4/1干涉型光纖傳感器的介紹舉例對于真空中的光波長λ0=0.83μm的光波，光程差：這相當(dāng)于一個(gè)原子核的大小?？梢?，高精度的長度檢測要用相位調(diào)制。372024/4/1有很高的檢測靈敏度例如：可對溫度為10-6rad/(m·oC)、壓力為10rad/(m·Pa)、應(yīng)變?yōu)?0-7、軸向?yàn)?1.4rad/(m·με)進(jìn)行檢測。如果檢測系統(tǒng)可以檢測μrad(一般是這個(gè)數(shù)量級)的相位移，則每米光纖的檢測靈敏度可達(dá)到對溫度為10-8

oC、對壓力為10-7Pa、對應(yīng)變?yōu)?0-7με。干涉型光纖傳感器的特點(diǎn)動(dòng)態(tài)測量范圍大，可達(dá)1010。探頭形式多樣，適用于不同的測試環(huán)境，相應(yīng)速度也快。相位調(diào)制一般與干涉測量技術(shù)并用。382024/4/1相位調(diào)制干涉型光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)采用極長的傳感光纖，用以提高儀器的靈敏度。392024/4/1利用外界因素引起的光纖中光波相位變化來探測各種物理量的傳感器，稱為相位調(diào)制傳感型光纖傳感器。相位調(diào)制光纖傳感器主要通過被測能量場的作用使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再利用干涉測量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測出待測的物理量。光纖中光波的相位由光纖波導(dǎo)的物理長度、折射