光电检测技术与应用光纤传感技术与系统.pptx

光纤传感技术与系统光纤传感技术与系统光纤光纤是是20世纪后半叶的世纪后半叶的重要发明之一。重要发明之一。光纤、激光器、半导体光电探测器光纤、激光器、半导体光电探测器构成光电子学新领域。构成光电子学新领域。世界光纤之父高锟世界光纤之父高锟英籍、美籍华人，世界著名光纤专家，原香港中文大学校长，英籍、美籍华人，世界著名光纤专家，原香港中文大学校长，1996年当选为中国科学院外籍院士，中国科学院紫金山天文台将一颗小行星年当选为中国科学院外籍院士，中国科学院紫金山天文台将一颗小行星命名为命名为“高锟星高锟星”。2009年诺贝尔奖获得者，克服疾病参加领奖会，免年诺贝尔奖获得者，克服疾病参加领奖会，免除仪式。除仪式。中国光纤之父赵梓森院士，中国光谷在武汉中国光纤之父赵梓森院士，中国光谷在武汉高锟高锟赵梓森赵梓森1 1 概述概述 光纤：光纤：是是光导纤维光导纤维简称，是用光简称，是用光透射率高透射率高的介质构成的的介质构成的光通路光通路。微细的光纤封装在微细的光纤封装在塑料护套塑料护套中，能够弯曲不断裂。通常光纤一端的中，能够弯曲不断裂。通常光纤一端的发发射射装置使用装置使用发光二极管（发光二极管（LEDLED）或一束或一束激光激光将光脉冲传送至光纤，光纤另一将光脉冲传送至光纤，光纤另一端的端的接收接收装置为装置为光敏元件光敏元件。光波导：光波导：将以将以光光的形式出现的电磁波能量，利用的形式出现的电磁波能量，利用全反射全反射的原理，的原理，约束并引导约束并引导光光波在光纤波在光纤内部或表面内部或表面附近沿光光纤的附近沿光光纤的轴线轴线方向传播。方向传播。光纤的制作：光纤的制作：先在高温下做成先在高温下做成预制棒预制棒，然后在高温炉中，然后在高温炉中加温软化加温软化，拉成长丝拉成长丝，再进，再进行行涂覆涂覆、套塑套塑，成为光纤芯线。，成为光纤芯线。光纤的用途：光纤的用途：光纤通信光纤通信光纤光纤传感传感光纤光纤照明照明1 1 概述概述光纤传感器是传感技术发展的一个主导方向。光纤传感器是传感技术发展的一个主导方向。光纤传感器：光纤传感器：当光纤受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、当光纤受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等条件变化时，光纤的传输特性将随之改变，且二者之间磁场等条件变化时，光纤的传输特性将随之改变，且二者之间存在一定的对应关系，由此研制出光纤传感器。存在一定的对应关系，由此研制出光纤传感器。优点：优点：灵敏度和精度极高，安全性好，抗电磁干扰能力强，灵敏度和精度极高，安全性好，抗电磁干扰能力强，绝缘强度高，耐高温、耐腐蚀性好，轻质、柔韧、宽频带，易绝缘强度高，耐高温、耐腐蚀性好，轻质、柔韧、宽频带，易集成为光纤系统。集成为光纤系统。应用：应用：可以测量声场、磁场、压力、温度、加速度、转动可以测量声场、磁场、压力、温度、加速度、转动(陀螺陀螺)、位移、液位、流量、电流、辐射等、位移、液位、流量、电流、辐射等1 1 概述概述2.1 光纤光纤的结构和分类的结构和分类一、光纤的结构一、光纤的结构（纤芯、包层、涂覆层）（纤芯、包层、涂覆层）纤芯：纤芯：高透明材料；高透明材料；包层：包层：折射率略小于纤芯折射率略小于纤芯，形成光波导效应，使大部分光电磁场被，形成光波导效应，使大部分光电磁场被束束缚在纤芯中传输缚在纤芯中传输；涂覆层：涂覆层：保护光纤保护光纤不受水汽不受水汽侵蚀和侵蚀和机械机械擦擦伤，又增加光纤的柔韧。伤，又增加光纤的柔韧。在涂覆层外，往往加在涂覆层外，往往加油塑料外套油塑料外套。2 光纤光纤的传输理论的传输理论包层包层 涂覆层涂覆层纤芯纤芯纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套光纤的导光能力：光纤的导光能力：取决于纤芯和包层的性质。取决于纤芯和包层的性质。光纤的机械强度：光纤的机械强度：取决于塑料保护外套。取决于塑料保护外套。包层包层 涂覆层涂覆层纤芯纤芯纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套二、光纤的分类二、光纤的分类 按光纤的原材料分为四类：按光纤的原材料分为四类：(1)石英系光纤：石英系光纤：纤芯和包层由纤芯和包层由高纯度高纯度sio2掺杂制成；掺杂制成；光耗光耗最低最低、强度和可靠性最高、强度和可靠性最高、应用最广泛、价格最高应用最广泛、价格最高。(2)多组分玻璃纤维：多组分玻璃纤维：光纤由光纤由钠玻璃钠玻璃掺杂制成；掺杂制成；光损较低，可靠性偏低。光损较低，可靠性偏低。(3)塑料包层光纤：塑料包层光纤：纤芯是纤芯是石英石英，包层是，包层是硅树脂硅树脂；(4)全塑光纤：全塑光纤：纤芯和包层由纤芯和包层由塑料塑料制成；价格低、光损大、可靠性低。制成；价格低、光损大、可靠性低。根据光纤截面上根据光纤截面上折射率分布折射率分布分为两类：分为两类：(1)阶跃型光纤阶跃型光纤（阶跃折射率光纤）（阶跃折射率光纤）纤芯的折射率纤芯的折射率分布均匀分布均匀，在纤芯和包层的界面上，在纤芯和包层的界面上折射率发生突变折射率发生突变，光线，光线行进轨迹呈行进轨迹呈锯齿形锯齿形。(2)渐变型光纤渐变型光纤（梯度型光纤）（梯度型光纤）纤芯的折射率从纤芯的折射率从芯中芯中至至芯边缘芯边缘按抛物线按抛物线减小减小，包层的折射率是，包层的折射率是常数常数，光线行进轨迹呈光线行进轨迹呈蛇形蛇形。根据光纤中光传播模式的数量分为两类：根据光纤中光传播模式的数量分为两类：(1)多模光纤：多模光纤：芯的直径芯的直径15m50m。工作波长工作波长传播模式为多个模式传播模式为多个模式的光纤。的光纤。(2)单模光纤：单模光纤：芯的直径为芯的直径为8m10m。工作波长，工作波长，只能传输一个传播模式只能传输一个传播模式的光纤，是应用的光纤，是应用最广泛最广泛的光纤。的光纤。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质一、光的传输一、光的传输全反射现象：全反射现象：当当光光线线由由光光密密媒媒质质(折折射射率率n1)射射入入光光疏疏媒媒质质(折折射射率率n2，n1n2)时时，若若入入射射角角大大于于等等于于临临界界角角f fsin1(n2/n1)，在在媒媒质质界界面面上上会会发发生生全全反反射射现现象。象。c cmaxmax光按直线传播，在光按直线传播，在纤芯纤芯和和包层包层的的界面界面上光发生反射。上光发生反射。包层的折射率包层的折射率n n2 2小于小于纤芯的折射率纤芯的折射率n n1 1，存在着，存在着临界角临界角c c。光线在界面上入射角光线在界面上入射角大于大于c c时，发生时，发生全反射全反射现象。现象。如如小于小于c c，入射光有一部分反射，另一部分，入射光有一部分反射，另一部分通过界面进入通过界面进入包层包层，经过，经过多次反射，多次反射，光能量很快衰减光能量很快衰减。只有满足全反射条件的光线才能携带能量传向远方。只有满足全反射条件的光线才能携带能量传向远方。c=sin 1（n2/n1)光在光纤中传播：光在光纤中传播：2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质二、光纤的主要参数1.数值孔径数值孔径 光光从从空空气气入入射射到到光光纤纤输输入入端端面面时时，处处在在某某一一角角锥锥内内的的光光线线进进入入光光纤纤后后，就被截留在纤芯中，此就被截留在纤芯中，此光锥半角光锥半角(q qC)的正弦称为数值孔径的正弦称为数值孔径。数数值值孔孔径径NA是是光光纤纤的的一一个个基基本本参参数数，反反映映了了光光纤纤与与光光源源或或探探测测器器等等元元件耦合时的件耦合时的耦合效率耦合效率，只有入射光处于，只有入射光处于2q qC的光锥的光锥内内,光纤才能导光。光纤才能导光。一一般般希希望望有有大大的的数数值值孔孔径径，这这有有利利于于耦耦合合效效率率的的提提高高，但但数数值值孔孔径径过过大，会造成光信号畸变。大，会造成光信号畸变。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质 NA与与光光纤纤的的几几何何尺尺寸寸无无关关，仅仅与与纤纤芯芯和和包包层层的的折折射射率率有有关关，纤纤芯芯和和包包层层的的折折射射率率差差别别越越大大，数数值值孔孔径径就就越越大大，光光纤纤的的集光能力就越强集光能力就越强。石英光纤的石英光纤的NA0.20.4。数值孔径数值孔径NA2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质2.光纤的传输模式光纤的传输模式 光光纤纤中中每每一一个个允允许许传传播播的的波波称称为为一一个个模模，某某种种光光纤纤只只能能传传输输特特定定模模数的光。数的光。光纤传输模数的参数光纤传输模数的参数n n：由纤芯半径由纤芯半径r、传输光波长传输光波长l l及光纤的数值孔径及光纤的数值孔径NA确定。确定。n n值值小小于于2.41的的光光纤纤，纤纤芯芯很很细细(5 m mm10 m mm)，仅仅能能传传输输基基模模，故故称称为为单模单模光纤。光纤。n n值值大大的的光光纤纤传传输输的的模模数数多多，称称为为多多模模光光纤纤，通通常常纤纤芯芯直直径径较较粗粗(几几十十m mm以上以上)，能传输几百个以上的模。，能传输几百个以上的模。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质(1)单模光纤单模光纤 光光纤纤传传输输性性能能好好，常常用用于于功功能能型型光光纤纤传传感感器器，制制成成的的传传感感器器比比多多模模传传感感器器有有更更好好的的线线性性、更更高高的的灵灵敏敏度度和和动动态态测测量量范范围围。但由于纤芯太小，但由于纤芯太小，制造、连接和耦合都很困难。制造、连接和耦合都很困难。(2)多模光纤多模光纤 光光纤纤性性能能较较差差。但但纤纤芯芯截截面面大大，容容易易制制造造，连连接接耦耦合合也也比比较方便。较方便。常用于非功能型光纤传感器常用于非功能型光纤传感器。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质3.传输损耗传输损耗 光光波波在在光光纤纤中中传传输输，随随着着传传输输距距离离的的增增加加，光光功功率率逐逐渐渐下下降降，这这就就是是光纤的传输损耗。光纤的传输损耗。形形成成光光纤纤损损耗耗的的原原因因很很多多，光光纤纤纤纤芯芯材材料料的的吸吸收收、散散射射，光光纤纤弯弯曲曲处处的的辐辐射射损损耗耗，光光纤纤与与光光源源的的耦耦合合损损耗耗，光光纤纤之之间间的的连连接接损损耗耗等等，都都会会造造成光信号在光纤中的传播有一定程度的损耗。成光信号在光纤中的传播有一定程度的损耗。通常用衰减率通常用衰减率 表示传播损耗。表示传播损耗。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质 光纤的损耗对传输系统的光纤的损耗对传输系统的中继距离中继距离影响很大。影响很大。通常采用通常采用加大输入光强加大输入光强来补偿光纤损耗。来补偿光纤损耗。固有损耗：固有损耗：难以消除难以消除 源于源于石英材料石英材料的本征吸收和瑞利散射，这限制了光纤的本征吸收和瑞利散射，这限制了光纤的最小损耗；的最小损耗；非固有损耗：非固有损耗：可以减小可以减小 源于因材料、工艺引起的杂质吸收和光纤弯曲，通过提源于因材料、工艺引起的杂质吸收和光纤弯曲，通过提纯材料、改善工艺和精心设计、制作来减小损耗。纯材料、改善工艺和精心设计、制作来减小损耗。有的光纤传感器就是利用有的光纤传感器就是利用被测量被测量的变化引起光纤损耗，通的变化引起光纤损耗，通过光纤光强的变化进行精密测量。过光纤光强的变化进行精密测量。光纤的损耗机理分为两种：光纤的损耗机理分为两种：2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质4.色散色散 光光纤纤的的色色散散是是由由于于光光信信号号中中的的不不同同频频率率成成分分或或不不同同的的模模式式，在在光光纤纤中中传传输时，输时，由于速度不同而使得传播时间不同由于速度不同而使得传播时间不同，从而产生，从而产生波形畸变波形畸变的现象。的现象。当当输输入入光光束束是是光光脉脉冲冲时时，随随着着光光的的传传输输，光光脉脉冲冲的的宽宽度度可可被被展展宽宽，如如果果光脉冲变得太宽以致发生重叠或完全吻合，施加在光束上的信息就会丧失。光脉冲变得太宽以致发生重叠或完全吻合，施加在光束上的信息就会丧失。光纤中产生的脉冲展宽现象称为色散。光纤中产生的脉冲展宽现象称为色散。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质光纤的色散分为三种：光纤的色散分为三种：材料色散：材料色散：因光纤的因光纤的折射率随波长变化折射率随波长变化产生的。产生的。结构色散：结构色散：由光纤的由光纤的几何结构几何结构决定的色散，它是模式本身的色散。决定的色散，它是模式本身的色散。模式色散：模式色散：多模式传输下，因多模式传输下，因模式不同模式不同引起的色散。引起的色散。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质常用光纤类型及参数常用光纤类型及参数类类 型型折射率分布折射率分布纤芯直径纤芯直径/m mm包层直径包层直径/mm数值孔径数值孔径单单 模模28801250.100.15多模阶跃光纤多模阶跃光纤(玻璃玻璃)802001002500.10.3多模阶跃光纤多模阶跃光纤(玻璃玻璃/塑料塑料)200100023012500.180.50多模梯度光纤多模梯度光纤501001251500.10.22.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质一、光纤传感技术的分类一、光纤传感技术的分类（1）功能型）功能型（传感型光纤传感器）传感型光纤传感器）光纤既感知信息，又传输信息。光纤既感知信息，又传输信息。主要使用单模光纤，主要使用单模光纤，改变光纤的几何尺寸和材料性质可以改善灵改变光纤的几何尺寸和材料性质可以改善灵敏度。敏度。3 光光纤传感原理纤传感原理光纤光纤敏感敏感元件元件光源光源光源光源光纤光纤光电元件光电元件光电元件光电元件测测量量对对象象测测量量对对象象 功功能能型型光光纤纤是是连连续续的的，结结构构比比较较简简单单，但但为为了了能能够够灵灵敏敏地地感感受受外外界界因素的变化，需要用因素的变化，需要用特种光纤作探头特种光纤作探头，使得制造比较困难。，使得制造比较困难。（2）非功能型：非功能型：光纤光纤仅起传输信息仅起传输信息的作用，的作用，利用在两根光纤中间或光纤端面放置利用在两根光纤中间或光纤端面放置敏感元件敏感元件，来感受被测量的变化。，来感受被测量的变化。光纤光纤敏感敏感元件元件光源光源光源光源光纤光纤光电元件光电元件光电元件光电元件测测量量对对象象测测量量对对象象光纤光纤光纤光纤敏感元件敏感元件光源光源光电元件光电元件光电元件光电元件测测量量对对象象测测量量对对象象 非非功功能能型型光光纤纤传传感感器器可可以以充充分分利利用用现现有有的的性性能能优优良良的的敏敏感感元元件件来来提提高高灵灵敏敏度度。为为了了获获得得较较大大的的受受光光量量和和传传输输光光的的功功率率，这这类类传传感感器器使使用用的的光纤主要是数值孔径和芯径较大的阶跃型光纤主要是数值孔径和芯径较大的阶跃型多模光纤多模光纤。探针型光纤传感器：探针型光纤传感器：是是非非功功能能型型光光纤纤传传感感器器，不不需需要要外外加加敏敏感感元元件件。光光纤纤把把测测量量对对象象辐辐射射或反射、散射的光信号传播到光电元件。或反射、散射的光信号传播到光电元件。使使用用单单模模光光纤纤或或多多模模光光纤纤。典典型型的的例例子子有有光光纤纤激激光光多多普普勒勒速速度度传传感感器器和光纤辐射温度传感器等。和光纤辐射温度传感器等。光纤光纤光纤光纤敏感元件敏感元件光源光源光电元件光电元件光电元件光电元件测测量量对对象象测测量量对对象象3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件1.非相干光源非相干光源(1)热光源：热光源：物质的热辐射，结构简单、使用方便、物质的热辐射，结构简单、使用方便、连续光谱连续光谱。(2)气体放电光源：气体放电光源：光谱不连续光谱不连续、高强度、短波长。、高强度、短波长。(3)发光二极管：发光二极管：可靠性较高、连续可靠性较高、连续工作时间长、光功率工作时间长、光功率电流线性度好。电流线性度好。一、光纤传感器的常用光源一、光纤传感器的常用光源 分分为为相相干干光光源源(各各种种激激光光器器)和和非非相相干干光光源源(白白炽炽光光、发发光光二二极极管管)。实实际际中中，一一般般要要求求光光源源的的尺尺寸寸小小、发发光光面面积积大大、波波长长合合适适、足足够够亮亮、稳稳定定性性好好、噪声小、寿命长、安装方便等。噪声小、寿命长、安装方便等。2.相干光源相干光源激光良好的单色性、方向性、相干性及高亮度。激光良好的单色性、方向性、相干性及高亮度。(1)固体激光器：固体激光器：用于测量用于测量吸收光谱吸收光谱。(2)液体激光器：液体激光器：因使用不方便，在光纤传感领域很少使用。因使用不方便，在光纤传感领域很少使用。(3)气体激光器：气体激光器：氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氦分子激光器。氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氦分子激光器。(4)半导体激光二极管：半导体激光二极管：应用广泛，发光原理与发光二极管相似，应用广泛，发光原理与发光二极管相似，输出光由非相干光变为了相干输出光由非相干光变为了相干光光。(5)光纤激光器：光纤激光器：与光纤耦合好，与光纤器件兼容，能进行全光纤测试。与光纤耦合好，与光纤器件兼容，能进行全光纤测试。3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件光探测器光探测器 包包括括光光敏敏二二极极管管、光光敏敏三三极极管管、光光电电倍倍增增管管、光光电电池池等等。光光探探测测器器在在光光纤纤传传感感器器中中有有着着十十分分重重要要的的地地位位，它它的的灵灵敏敏度度、带带宽宽等等参参数数将将直直接接影响传感器的总体性能。影响传感器的总体性能。3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件二、光纤传感检测系统的无源器件二、光纤传感检测系统的无源器件1.光纤连接器光纤连接器 是是光纤之间可拆卸（活动）连接光纤之间可拆卸（活动）连接的器件。的器件。用于光纤线路与光发射机、光接收机及无源器件之间的用于光纤线路与光发射机、光接收机及无源器件之间的连接连接。光纤连接器会引入光纤连接器会引入插入损耗插入损耗，影响传输性能。，影响传输性能。对光纤连接器的对光纤连接器的要求要求：插入损耗小、重复插拔、寿命长、互换性好、：插入损耗小、重复插拔、寿命长、互换性好、拆卸方便等。拆卸方便等。3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件2.光纤耦合器光纤耦合器(1)T型耦合器：型耦合器：把把一根光一根光纤输入纤输入的光信号按照一定比例的光信号按照一定比例分配给两根光纤分配给两根光纤，或或是把是把两根光两根光纤输入纤输入的光信号组合在一起，的光信号组合在一起，输入一根光纤输入一根光纤。(2)星型耦合器：星型耦合器：把把n根光纤输入根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤输出根光纤输出。(3)定向耦合器：定向耦合器：分别取出光纤中分别取出光纤中不同方向传输的光信号不同方向传输的光信号，用作分路器，用作分路器。(4)波分复用器波分复用器/解复用器：解复用器：波分复用器波分复用器是把是把多个不同波长多个不同波长的发射机输出的光信号的发射机输出的光信号组合组合在一起，在一起，输入输入到一根到一根光纤；解复用器是把光纤；解复用器是把一根光纤输出一根光纤输出的的多个不同波长多个不同波长的光信号，的光信号，分配分配给给不同的接收机。不同的接收机。3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件3.光环形器光环形器环形器能够把光信号流按一个方向，从一个端口送到另一个端口，并防环形器能够把光信号流按一个方向，从一个端口送到另一个端口，并防止光信号沿错误方向止光信号沿错误方向传播引起不必要的串扰。传播引起不必要的串扰。环形器在使用中通常是端口环形器在使用中通常是端口1输入的信号由端口输入的信号由端口2输出，端口输出，端口2输入的信输入的信号由端口号由端口3输出。输出。光环形器在光传输的双向路由中有广泛的应用。光环形器在光传输的双向路由中有广泛的应用。光环形器的损耗小，光环形器的损耗小，相邻端口的隔离度很高。相邻端口的隔离度很高。光环形器示意图光环形器示意图3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件4.光衰减器光衰减器光衰减器允许用户光衰减器允许用户降低光信号电平降低光信号电平。衰减器采用衰减器采用金属蒸发膜来吸收光能金属蒸发膜来吸收光能，实现光的衰减，实现光的衰减，衰减量的大小与膜衰减量的大小与膜的厚度成正比的厚度成正比。衰减器分为衰减器分为固定固定衰减器和衰减器和可变可变衰减器。衰减器。（a）固定衰减器）固定衰减器（b）可变衰减器）可变衰减器3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件5.法拉第旋转镜法拉第旋转镜通过通过反射镜反射镜将将输出光的偏振态输出光的偏振态在在输入光的偏振态输入光的偏振态基础上旋转基础上旋转90。基于此，可以在光路的任何一点，基于此，可以在光路的任何一点，使输入方向上的光的偏振态与输出方使输入方向上的光的偏振态与输出方向的光的偏振态实现正交向的光的偏振态实现正交，从而消除光纤，从而消除光纤的的双折射双折射，实现光纤系统中的偏振，实现光纤系统中的偏振不敏感性。不敏感性。3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件光纤传感器光纤传感器强度强度调制型光纤传感器调制型光纤传感器相位相位调制型光纤传感器调制型光纤传感器频率频率调制光纤传感器调制光纤传感器时分时分调制光纤传感器调制光纤传感器偏振偏振调制光纤传感器调制光纤传感器 被被测测量量对对光光纤纤内内传传输输的的光光进进行行调调制制，使使传传输输光光的的振振幅幅、波波长长、相相位位、频频率率或或偏偏振振态态等等发发生生变变化化，再再对对被被调调制制的的光光信信号号进进行行检检测测，从从而而得得出出相相应的被测量。应的被测量。光调制是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上的过程光调制是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上的过程。3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件1 1、强度调制、强度调制 被测物理量被测物理量改变光纤中传输光的强度改变光纤中传输光的强度。强度调制是光纤传感器使用最早的调制方法。强度调制是光纤传感器使用最早的调制方法。特特点点是是技技术术简简单单可可靠靠、价价格格低低廉廉。可可采采用用多多模模光光纤纤，光光纤纤的的连连接接器器和和耦耦合合器器均均已已商商品品化化。光光源源可可采采用用LED和和白白炽炽灯灯等等非非相相干干光光源源，探探测测器器一一般般用光敏二极管、光敏三极管和光电池。用光敏二极管、光敏三极管和光电池。三种典型强度调制示意图三种典型强度调制示意图 被测量被测量利用利用光纤反射传感器的光强调制光纤反射传感器的光强调制应用于应用于表面粗糙度及小位移测量表面粗糙度及小位移测量。微弯损耗光强调制微弯损耗光强调制 当当光光纤纤受受力力微微弯弯时时，一一部部分分纤纤芯芯模模式式能能量量会会转转化化为为包包层层模模式式能能量量，通通过测量包层模式能量或纤芯模式能量的变化就能测出被测量。过测量包层模式能量或纤芯模式能量的变化就能测出被测量。利用折射率的变化进行光强调制利用折射率的变化进行光强调制 当当某某些些物物理理量量(如如温温度度或或压压力力等等)作作用用于于光光纤纤时时，引引起起光光纤纤的的纤纤芯芯和和包包层层的的折折射射率率发发生生变变化化，若若包包层层的的折折射射率率变变得得大大于于或或等等于于纤纤芯芯的的折折射射率率，则则光光在在纤纤芯芯和和包包层层界界面面上上的的全全反反射射遭遭到到破破坏坏，输输出出光光强强的的变变化化即即实实现现强强度度调调制。制。利用小的线位移和角位移进行光强调制利用小的线位移和角位移进行光强调制采用端面为平面的采用端面为平面的两根光纤两根光纤，一根为入射光纤，一根为出射光纤，光纤，一根为入射光纤，一根为出射光纤，光纤间距间距约约23mm。出射光纤相对于入射光纤横向或纵向微小移动或微小转动出射光纤相对于入射光纤横向或纵向微小移动或微小转动时时，出射光强随之发生变化。，出射光强随之发生变化。SSDDSSDDDD利用光纤的吸收特性进行光强调制利用光纤的吸收特性进行光强调制X射线、射线、g射线等射线等辐射辐射会使光纤材料的会使光纤材料的吸收损耗增加吸收损耗增加，光纤的，光纤的输出功率输出功率降低降低，从而形成强度调制。，从而形成强度调制。不同材料对不同的射线敏感，因此不同材料对不同的射线敏感，因此改变光纤材料的成分可对不同的射线改变光纤材料的成分可对不同的射线进行测量进行测量。光源光源光纤光纤辐射计辐射计射线射线探测器探测器光纤微弯传感器光纤微弯传感器位移或压力位移或压力变形器变形器光纤微弯曲光纤微弯曲光强变化光强变化用于大型结构健康监测：用于大型结构健康监测：构成构成阵列阵列系统，对大型建筑工程如桥梁、水坝、坑道等的结构变系统，对大型建筑工程如桥梁、水坝、坑道等的结构变形进行长时间检测。形进行长时间检测。埋入结构的光纤直径小于埋入结构的光纤直径小于140微米微米时，不会降低材料的时，不会降低材料的抗拉强度抗拉强度和疲劳寿命和疲劳寿命。二、相位调制原理二、相位调制原理 式中式中 为光波波长；为光波波长；为纤芯折射率；为纤芯折射率；为光纤长度。为光纤长度。相位测量相位测量不能直接测量：光的频率很高，不能直接测量：光的频率很高，10101414HzHz。间接测量：光学干涉测量技术。间接测量：光学干涉测量技术。相相位位调调制制是是光光纤纤传传感感器器中中最最基基本本的的调调制制技技术术，以以灵灵敏敏度度高著称。高著称。公公式式表表明明，纤纤芯芯折折射射率率n变变化化和和光光纤纤长长度度L变变化化导导致致的的光光相位变化。相位变化。被测量改变光波的相位。被测量改变光波的相位。纵向纵向(轴向轴向)的机械应力对光波相位影响的机械应力对光波相位影响 当当光光纤纤受受到到纵纵向向(轴轴向向)的的机机械械应应力力作作用用时时，由由于于应应力力应应变变效效应应，光光纤纤的的长长度度(应应变变效效应应)、光光纤纤的的直直径径(泊泊松松效效应应)、纤纤芯芯折折射射率率(光光弹弹性性效效应应)都都将将变变化化，这这些些变变化化将将导导致致光光纤纤中中光波相位的变化光波相位的变化。温度对光波相位影响温度对光波相位影响 将将光光纤纤放放在在变变化化的的温温度度场场中中，由由于于温温度度应应变变效效应应，引引起起光纤的光纤的折射率和几何长度的变化折射率和几何长度的变化，引起相位变化。，引起相位变化。光波相位的光波相位的干涉测量干涉测量 光光探探测测器器对对光光的的相相位位变变化化都都不不敏敏感感，须须采采用用干干涉涉技技术术将将相相位变化转化为强度变化位变化转化为强度变化，才能够实现对物理量的测量。，才能够实现对物理量的测量。相相位位变变化化将将引引起起干干涉涉条条纹纹的的运运动动，记记录录干干涉涉条条纹纹移移动动的的数数目目，就就可可测测得得相相位位的的变变化化，从从而而测测得得导导致致相相位位变变化化的的物物理理量量，这就是干涉测量的原理。这就是干涉测量的原理。迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪马赫马赫曾特尔干涉仪曾特尔干涉仪萨格奈克干涉仪萨格奈克干涉仪法布里法布里珀罗干涉仪珀罗干涉仪v 光经光经分束器分束器分为二束，分为二束，一束一束相位受被测试信息调制，相位受被测试信息调制，一束一束作作为参考光；为参考光；v 二束光二束光叠加形成干涉花纹；叠加形成干涉花纹；v 检测检测干涉条纹的变化，干涉条纹的变化，确定确定两束光相位的变化，两束光相位的变化，解算解算出使相出使相位变化的待测物理量。位变化的待测物理量。相位调制原理示意图相位调制原理示意图 三、频率调制原理三、频率调制原理 单色光照射运动物体，反射回来，由于单色光照射运动物体，反射回来，由于多普勒效应多普勒效应发生频移。发生频移。式中式中f f为单色光频率；为单色光频率；c c为光速；为光速；v v为运动物体的速度。为运动物体的速度。此频率的光此频率的光与与参考光参考光共同作用于共同作用于光探测器光探测器上，产生上，产生差拍差拍，用，用频谱频谱分析器求出频率变化分析器求出频率变化，推算出被测速度。，推算出被测速度。被被测测量量改改变变光光纤纤中中光光波波的的频频率率。光光纤纤只只作作为为传传光光元元件件，频频率率调调制制多多是是利用光学多普勒效应来实现的。利用光学多普勒效应来实现的。例：例：设设激激光光频频率率为为f0，流流体体流流速速为为u u。根根据据多多普普勒勒效效应应，光光纤纤接接收收到到的的散散射射光光频频率率为为f0D Df或或f0D Df(视视流流向向而而定定)，由由检检偏偏器器检检出出散散射射光光与与光光纤纤端端面面反反射射光光(参参考考光光)中中振振动动方方向向相相同同的的光光，探探测测器器检检测测出出二二者者的的差差频频D Df，可可知知流流体的流速体的流速。四、偏振调制四、偏振调制 被测量改变光的被测量改变光的偏振特性偏振特性，使光的，使光的某一方向振动某一方向振动比其他方比其他方向占优势，向占优势，通过检测光的偏振态变化通过检测光的偏振态变化(即偏振面的旋转即偏振面的旋转)来测量来测量被测量被测量。偏偏振振调调制制主主要要基基于于人人为为旋旋光光现现象象和和人人为为双双折折射射现现象象，如如法法拉第磁光效应、克尔电光效应和光弹效应等。拉第磁光效应、克尔电光效应和光弹效应等。书书P168，图，图7-9，7-10五、时分调制五、时分调制 利用外界因素调制返回信号的利用外界因素调制返回信号的基带频谱基带频谱，检测检测基基带的带的延迟时间、幅度大小延迟时间、幅度大小的变化，测量各种物理量的的变化，测量各种物理量的大小和空间分布。大小和空间分布。光纤辐射剂量仪光纤辐射剂量仪 结构图结构图光纤传感器实例光纤传感器实例光纤射线传感器结构光纤射线传感器结构 用用x x、射线辐照光纤，使光纤损耗增加，输出功率射线辐照光纤，使光纤损耗增加，输出功率P P0 0减少，减少，光强下降。光强下降。X X、射线的辐射剂量不同，输出射线的辐射剂量不同，输出P P0 0下降辐度不同。下降辐度不同。光纤电流传感器光纤电流传感器 v 镍护套光纤镍护套光纤固定于通电固定于通电螺线管中心螺线管中心；v 螺线管螺线管电流不同电流不同使螺线管中的使螺线管中的磁场不同磁场不同；v 镍护套发生磁致伸缩，使镍护套发生磁致伸缩，使光纤在径向、轴向受到应力光纤在径向、轴向受到应力；v 光纤芯折射率和长度都发生变化，引起光纤芯折射率和长度都发生变化，引起相位差异相位差异。光光纤纤烟烟气气传传感感器器 平行单色光入射到平行单色光入射到被测烟气被测烟气的颗粒场的颗粒场(含有微粒和分子含有微粒和分子)，受到颗粒，受到颗粒团的散射和吸收，团的散射和吸收，光强衰减。光强衰减。式中式中为消光系数，为消光系数，l l为光程为光程。电源电源He-NeHe-Ne激光器激光器耦合器耦合器分路器分路器光纤光纤探测器探测器浓度场浓度场透镜组透镜组记录仪记录仪 光纤温度传感器光纤温度传感器是工业中应用最多的光纤传感器之一。光纤温度传感器是工业中应用最多的光纤传感器之一。1.半导体吸收式温度传感器半导体吸收式温度传感器 半半导导体体材材料料的的光光吸吸收收和和温温度度有有关关系系曲曲线线，半半导导体体材材料料的的吸吸收边波长收边波长l lg(T)随温度增加而向较长波长方向位移。随温度增加而向较长波长方向位移。适适当当选选择择发发光光二二极极管管，使使其其光光谱谱范范围围正正好好落落在在吸吸收收区区域域，即即可可做做成成透透射射式式光光纤纤温温度度传传感感器器。透透过过半半导导体体的的光光强强随随温温度度升高而减少。升高而减少。光纤位移传感器光纤位移传感器1.反射强度调制型位移传感器反射强度调制型位移传感器 通通过过改改变变反反射射面面与与光光纤纤端端面面之之间间的的距距离离来来调调制制反反射射光光的的强强度度。Y形形光光纤纤束束由由几几百百根根至至几几千千根根直直径径为为几几十十m mm的的阶阶跃跃型型多多模模光光纤纤集集束束而而成成。它它被被分分成纤维数目大致相等，长度相同的两束。成纤维数目大致相等，长度相同的两束。用用来来测测量量小小位位移移，能能检检测测零零点点几几m mm的的位位移移量量。用用于于镀镀层层不不平平度度、零零件件椭椭圆圆度度、锥锥度度、偏偏斜斜度度等等测测量量，也也用用来来测测量量微微弱弱振振动动，而而且且是是非非接接触触测测量量。（书P175，图7-21）光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器1.光纤涡流流量计光纤涡流流量计 采采用用一一根根横横贯贯液液流流管管的的大大数数值值孔孔径径的的多多模模光光纤纤作作为为传传感感元元件件。光光纤纤受受到到液液体体涡涡流流的的作作用用而振动，这种振动与液体的流速有关。而振动，这种振动与液体的流速有关。这这种种流流量量计计结结构构简简单单、安安全全可可靠靠，可可用用于于易燃、易爆及腐蚀性易燃、易爆及腐蚀性的液体测量。的液体测量。光光纤纤直直径径很很细细，对对流流体体的的流流阻阻小小，对对流流场场几乎没有影响几乎没有影响。对低速流体不敏感。对低速流体不敏感。涡列的形成：涡列的形成：根根据据流流体体力力学学原原理理，由由于于光光纤纤不不是是流流线线体体，在在一一定定条条件件下下，在在其其下下游游会会产产生生涡涡流流。这这种种涡涡流流是是在在光光纤纤下下游游两两侧侧产产生生的的有有规规律律的的漩漩涡涡，称称为为卡卡门门“涡涡街街”，由由于于漩漩涡涡列列之之间间的的相相互互作作用用，涡涡列列一一般般不不稳稳定定，但但是是实实验验证证明明，当满足，当满足h/l0.281时，涡列是稳定的。时，涡列是稳定的。光纤振动的形成：光纤振动的形成：当当每每个个漩漩涡涡产产生生并并泻泻下下时时，它它会会在在光光纤纤上上产产生生一一种种侧侧向向力力，这这样样就就有有一个一个周期力作用在光纤周期力作用在光纤上，上，使其振动使其振动。野外的电线在风吹动下会嗡嗡作响，就是这种现象。野外的电线在风吹动下会嗡嗡作响，就是这种现象。光纤振动的频率：光纤振动的频率：式中式中，u u为流速；为流速；d为光纤直径；为光纤直径；s为斯特罗哈数为斯特罗哈数(无量纲无量纲)。光纤振动的频率的测定：光纤振动的频率的测定：当当光光通通过过未未受受扰扰动动的的光光纤纤时时，如如果果光光纤纤直直径径为为200 m mm300 m mm，在在距距离离光光纤纤端端面面约约1520 cm的的地地方方可可以以观观察察到到清清晰而稳定的斑图晰而稳定的斑图，它的，它的分布是无规则的分布是无规则的。当当光光纤纤振振动动时时，这这些些斑斑图图就就会会不不断断地地振振动动，如如用用光光探探测测器器接接收收斑斑图图的的一一个个小小区区域域，即即可可通通过过频频谱谱仪仪读读出出光光纤纤振振动动的的频频率率。再再算算出出流流速速，在在管管子子尺尺寸寸一一定定的的条条件件下下，就就可可得得出出流流量量。光纤多普勒血流传感器光纤多普勒血流传感器 利利用用多多普普勒勒效效应应可可构构成成光光纤纤速速度度传传感感器器。由由于于光光纤纤很很细细(外外径径约约几几十十m mm)，能能装装在在注注射射器器针针头头内内，插插入入血血管管中中。又又由由于于光光纤纤速速度度传传感感器器没没有有触触电电的的危危险险，所所以以用用于于测测量量心心脏脏内内的的血血流流十分安全。十分安全。光纤多普勒血流传感器：光纤多普勒血流传感器：测测量量光光束束通通过过光光纤纤探探针针进进到到被被测测血血流流中中，经经直直径径约约7 m mm的的红红血血球球散散射射，一部分光按原路返回，得到多普勒频移信号一部分光按原路返回，得到多普勒频移信号f D Df，频移，频移D Df为为 式式中中，u u为为血血流流速速度度；n为为血血液液的的折折射射率率；q q为为光光纤纤轴轴线线与与血血管管轴轴线线的的夹角；夹角；l l为激光波长。为激光波长。另另一一束束进进入入驱驱动动频频率率为为f140 MHz的的布布喇喇格格盒盒(频频移移器器)，得得到到频频率率为为ff1的参考光信号。的参考光信号。f1+Dff-f1 将参考光信号与多普勒频移信号进行混频，就得到要探测的信