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1、第第1111章章 光纤与光纤传感器光纤与光纤传感器一、基础知识一、基础知识光纤传感器光纤传感器 光纤传感器光纤传感器(FOS Fiber Optical(FOS Fiber Optical Sensor)Sensor)是是2020世纪世纪7070年代中期发展起来年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器光纤传感器用光作为敏感信息的载体用光作为敏感信息的载体，用光纤作为用光纤作为传递敏感信息的媒质传递敏感信息的

2、媒质。因此，。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。它同时具有光纤及光学测量的特点。电绝缘性能好。电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。非侵入性。非侵入性。高灵敏度。高灵敏度。容易实现对被测信号的远距离监容易实现对被测信号的远距离监控。控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量电流、电压、磁场等物理量纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套1.结构结构两个同轴区，内两个同轴区，内区称为纤芯，外区称为包层区称为纤芯，外区称为包层而且内芯的折射率略大于包而且内芯

3、的折射率略大于包层的折射率层的折射率。通常，在包层。通常，在包层外面还有一层起支撑保护作外面还有一层起支撑保护作用的套层。用的套层。n2n1多模 阶跃光纤nr多模 梯度光纤n2n1单模 梯度光纤2.光纤的种类及传输模式光纤的种类及传输模式根据折射率的变化规律根据折射率的变化规律,光纤分为阶跃型和梯度型光纤分为阶跃型和梯度型.传输模传输模式分为单模和多模式分为单模和多模.光纤的传光原理光纤的传光原理返回3.3.传光原理传光原理-斯乃尔定理斯乃尔定理 当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射 （a a）折射角大于入射角：）折射角大于入射角：（b b）临界状态

4、：）临界状态：（c c）全反射）全反射 ：rinnsinsin21)/arcsin(120nni0ii光纤导光光纤导光 jinnsinsin10rknnsinsin21kj 90kkkinnnnnn2010101sin1cos)90sin()/(sinjinnsin)/(sin01rrinnnnnnn22221021201sin1)sin(1sinn0为入射光线为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n01rinn22221sinsin22210sinnni当当r=90r=90的临界状态时，的临界状态时，Sin iSin i定义为定义为“数值孔径数值

5、孔径”NANA（Numerical ApertureNumerical Aperture）arcsinNAarcsinNA是一个临界角，是一个临界角，i arcsinNAi arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；i arcsinNAi arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。，光线才可以进入光纤被全反射传播。4.光纤的传输特性光纤的传输特性 光纤的光纤的衰减衰减(或损耗或损耗)和和色散色散(或带宽或带宽)是描是描述光纤传输特性的两个重要参量。述光纤传输特性的两个重要参量。衰减的概念衰减的概念 由于损耗的存在，在光纤中传输的光由

6、于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字脉冲，其信号，不管是模拟信号还是数字脉冲，其幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。决定了系统的传输距离。1)1)传输损耗：在光纤内传输的光功率传输损耗：在光纤内传输的光功率P P随距离随距离z z的变化，可以用下式表示的变化，可以用下式表示 式中，式中，是损耗是损耗(衰减衰减)系数。系数。设长度为设长度为L(km)L(km)的光纤，的光纤，输入光功率为输入光功率为PiPi，输，输出光功率应为出光功率应为 Po=PPo=Pi iexp(-L)exp(-L)习惯上习惯上 的单位用的单位

7、用dB/km,dB/km,损耗损耗(衰减衰减)系数系数apdzdp)/(lg100kmdBppLi 吸收吸收损耗是由损耗是由SiO2SiO2材材料引起的固有吸收和由杂料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。质引起的吸收产生的。由由材料电子跃迁引起材料电子跃迁引起的吸收带发生在紫外的吸收带发生在紫外(UV)(UV)区区(0.4m)(7m)(7m)，由于，由于SiO2SiO2是非晶状材料，两种是非晶状材料，两种吸收带从不同方向伸展到吸收带从不同方向伸展到可见光可见光区。区。0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6实验波导缺陷紫外吸收瑞利散射红外吸收波长/m损耗

8、/(dBkm1)固有吸收很小，固有吸收很小，在在0.81.6m0.81.6m波段，小于波段，小于0.1dB/km0.1dB/km，在，在1.31.6m1.31.6m波波段，小于段，小于0.03dB/km0.03dB/km。0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6实验波导缺陷紫外吸收瑞利散射红外吸收波长/m损耗/(dBkm1)0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6实验波导缺陷紫外吸收瑞利散射红外吸收波长/m损耗/(dBkm1)光纤中的杂质主要有光纤中的杂质主要有过渡金属过渡金属(例如例如Fe2+Fe2+、Co2+Co2+、

9、Cu2+)Cu2+)和氢氧和氢氧根根(OH-)(OH-)离子，这些杂离子，这些杂质是早期实现低损耗质是早期实现低损耗光纤的障碍。光纤的障碍。氢氧根离子氢氧根离子(OH-)(OH-)吸吸收 峰 在收 峰 在 0.9 5 m0.9 5 m、1.24 m1.24 m和和1.39 m1.39 m波长，其中以波长，其中以1.39 1.39 mm的吸收峰影响最为的吸收峰影响最为严重。严重。散射损耗主要由材散射损耗主要由材料微观密度不均匀引料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光起的瑞利散射和由光纤结构缺陷纤结构缺陷(如气泡如气泡)引引起的散射产生的。起的散射产生的。结结构缺陷散射产生的损构缺陷散射产生的损耗与

10、波长无关。耗与波长无关。0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6实验波导缺陷紫外吸收瑞利散射红外吸收波长/m损耗/(dBkm1)瑞利散射损耗瑞利散射损耗 R R与波长与波长 四次方成反比，可用经四次方成反比，可用经验公式表示为验公式表示为 R R=A/=A/4 4，瑞利散射系数瑞利散射系数A A取决于纤取决于纤芯与包层折射率差芯与包层折射率差。当。当 分别为分别为0.2%0.2%和和0.5%0.5%时，时，A A分别为分别为0.860.86和和1.021.02。瑞利散射损耗是光纤的瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极

11、限。纤损耗的最低理论极限。如果如果=0.2%=0.2%，在，在1.55m1.55m波长，光纤最低波长，光纤最低理论极限为理论极限为0.149 0.149 dB/kmdB/km。0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6实验波导缺陷紫外吸收瑞利散射红外吸收波长/m损耗/(dBkm1)2 2）色散）色散色散色散(Dispersion)(Dispersion)：是在光纤中传输的光信号，：是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和物理效应。色散一般包括模式色散、

12、材料色散和波导色散。波导色散。模式色散模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生是由于不同模式的时间延迟不同而产生的，的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关料折射率的波长特性有关.材料色散：材料色散：是由于光纤的折射率随波长而改变，是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光以及模式内部不同波长成分的光(实际光源不是纯实际光源不是纯单色光单色光)，其时间延迟不同而产生的。这种色散取，其时间延迟不同而产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。度。波导色散：波

13、导色散：是由于波导结构参数与波长有关而产是由于波导结构参数与波长有关而产生的，生的，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。折射率差。单模光纤与多摸光纤的色散单模光纤与多摸光纤的色散(1)(1)单模光纤的色散单模光纤的色散 由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在模间由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在模间色散，只有模内色散，即材料色散和波导色散。它色散，只有模内色散，即材料色散和波导色散。它们分别用色散系数们分别用色散系数 c c和和 表示。总色散表示。总色散=c c+。通常，材料色散比波导色散大两个量级。但是，在通常，材料色散比波导色散大两个量级。

14、但是，在零色散区，材料色散与波导色散值大致相当，只是零色散区，材料色散与波导色散值大致相当，只是两者符号相反。两者符号相反。(2)(2)多模光纤的色散多模光纤的色散 对于多模光纤，模间色散通常占主导地位。对于多模光纤，模间色散通常占主导地位。如果把模间色散平衡掉，则剩下的是材料色如果把模间色散平衡掉，则剩下的是材料色散和波导色散。此时，情况与单模传输类似，散和波导色散。此时，情况与单模传输类似，不同的是这里的波导色散是多模波导色散。不同的是这里的波导色散是多模波导色散。在多模光纤中，波导色散与材料色散相比，在多模光纤中，波导色散与材料色散相比，常常可以忽略。常常可以忽略。材料色散是材料的折射率

15、随频率变化引起的色散，材料色散是材料的折射率随频率变化引起的色散，因此材料色散引起的脉冲展宽与光源谱宽成正比。因此材料色散引起的脉冲展宽与光源谱宽成正比。对于多模渐变型光纤，如果采用激光器对于多模渐变型光纤，如果采用激光器(LD)(LD)作光源，作光源，其谱宽一般为其谱宽一般为1-2nm1-2nm，故可忽略材料色散。此时，故可忽略材料色散。此时，脉冲展宽主要由模间色散决定。但是，当光源为发脉冲展宽主要由模间色散决定。但是，当光源为发光二级管光二级管(LED)(LED)时，由于其谱宽大约为时，由于其谱宽大约为3050nm3050nm，故增加了材料色散的影响。这时，材料色散和模问故增加了材料色散的

16、影响。这时，材料色散和模问色散相比不可忽略。色散相比不可忽略。3 3）光纤色散与带宽的关系）光纤色散与带宽的关系 光纤色散使输入信号的各波长分量到达终光纤色散使输入信号的各波长分量到达终端的群延时不同因此输出信号或脉冲将发端的群延时不同因此输出信号或脉冲将发生畸变或展宽。脉冲展宽将限制传输容量或生畸变或展宽。脉冲展宽将限制传输容量或决定最大中继距离。展宽程度可以有延迟时决定最大中继距离。展宽程度可以有延迟时间来表示。间来表示。cfk002022001ffdkdkffc反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：意义：无论光源发射功率有多大，只有无论

17、光源发射功率有多大，只有2i张角之张角之内的光功率能被光纤接受传播。内的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。2221sinnnNAi4 4）抗拉强度）抗拉强度5 5）集光能力）集光能力三、光纤传感器的分类及构成三、光纤传感器的分类及构成光纤传感器分为功能型、非功能型及拾光型这类传感器利用光纤这类传感器利用光纤 本身对外界被测对象本身对外界被测对象具有敏感能力和检测具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被传光作用，而且在被测对象作用下

18、，如光强、相位、偏振态等测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后光学特性得到调制，调制后 的信号携带了的信号携带了被测信息。被测信息。传光型光纤传感器的传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调媒介，待测对象的调制功能是由其它光电制功能是由其它光电转换元件实现的，光转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。光纤只起传光作用。拾光型光纤传感器拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对象辐用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒

19、速度计、辐射式光纤子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。温度传感器等。信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象四、光纤传感器光学测量的基本原理四、光纤传感器光学测量的基本原理 光就是一种电磁波，光就是一种电磁波，光的电矢量光的电矢量E E)sin(tBE被测量调制：被测量调制：光的强度、偏振态（矢量光的强度、偏振态（矢量B B的方向）、频率的方向）、频率和相位和相位光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制调制 1 1、强度调制型光纤传感器、强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射

20、率、吸收折射率、吸收或或反射反射等参数的变化，而导致光强等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗微弯损耗；各物质的；各物质的吸收特性吸收特性；振动膜或液晶的；振动膜或液晶的反射光强度反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而机械的激励而发光发光的现象；以及物质的荧光辐射的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易实现，成

21、本低。优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大较大 。2 2、偏振调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息应用：应用：电流、磁场传感器：法拉第效应；电流、磁场传感器：法拉第效应；电场、电压传感器：泡尔效应；电场、电压传感器：泡尔效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；温度、压力、振动传感器：双折射性温度、压力、振动传感器：双折射性优点：优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。高。3

22、、频率调制光纤传感器、频率调制光纤传感器被测对象引起的光频率的变化来进行监测被测对象引起的光频率的变化来进行监测利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；利用光致发光的温度传感器等。利用光致发光的温度传感器等。211coscoscvffis4 4、相位调制传感器、相位调制传感器被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这被

23、测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。种相位变化而得到被测对象的信息。利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器利用电致伸缩的电场、电压传感器 利用利用SagnacSagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）螺）优点：优点：灵敏度很高，灵敏度很高，缺点：缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。特殊光纤及高精度检测系统，成本高。TTnnl 2200 ttEgtEg201 1输出光纤输出光纤 2 2

24、输入光纤输入光纤 3 3输出光纤输出光纤 4 4胶胶 5 5膜片膜片 ApApII1112两束输出光的光强之比两束输出光的光强之比 AA常数；常数；pp待测量压力待测量压力 输出光强比输出光强比I I2 2/I/I1 1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关与膜片的反射率、光源强度等因素均无关 将上式两边取对数，在满足将上式两边取对数，在满足(Ap)(Ap)2 211时，得到时，得到 ApII2ln12表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。若将若将I I1 1、I I2 2检出后分别经对数放大后，再通过减法器检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得

25、到线性的输出。即可得到线性的输出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范测量范围。围。光弹性式光纤压力传感器光弹性式光纤压力传感器 光弹性效应：光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。从而呈现双折射现象。1 1 光源光源 2 2、8 8 起偏器起偏器 3 3、9 1/49 1/4波长板波长板 4 4、10 10 光弹性光弹性元件元件 5 5、11 11 检偏器检偏器 6 6 光纤光纤 7 7 自聚焦透镜自聚焦透镜光弹性式光纤压力传感器 2在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度在光弹

26、性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度 微弯式光纤压力传感微弯式光纤压力传感基于光纤的基于光纤的微弯效应微弯效应，即由压力引起变形器产生，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。位移，使光纤弯曲而调制光强度。1 1 聚碳酸酯薄膜聚碳酸酯薄膜 2 2 可动变形板可动变形板 3 3 固定变形板固定变形板 4 4、5 5 光纤光纤 微弯式光纤水听器探头微弯式光纤水听器探头 光纤多普勒流速计光纤多普勒流速计 下图为利用光纤多普勒计来测量流体流速的原理。当下图为利用光纤多普勒计来测量流体流速的原理。当待测流体为气体时，散射光将非常微弱，此时可采用大待测流体为气体时，散射光将非常微弱，此时可采用大功率的功率的ArAr激光器（出射光功率为激光器（出射光功率为2W2W，=514.5nm=514.5nm）以）以提高信噪比。提高信噪比。特点：非接触测量，不影响待测物体的流动状态。特点：非接触测量，不影响待测物体的流动状态。光纤多谱勒流量计结构光纤多谱勒流量计结构探测器频谱分析仪He-Ne激光器123456781、3 分束器；分束器；2 反射镜；反射镜；4 透镜；透镜；5 流体管道；流体管道；6 窗口；窗口；7、8 光纤光纤小结：1、光纤传感器的原理及NA2、光纤传感器的模式、类型及调制方法3、光纤传感器的应用作业：推导光纤传感器的NA并说明它的意义