光纖傳感器課件

第12章

光纖傳感器光導(dǎo)纖維(光纖)受到外界環(huán)境因素的影響，如溫度、壓力、電場、磁場等環(huán)境條件變化，將引起其傳輸?shù)墓獠浚绻鈴?qiáng)、相位、頻率、偏振態(tài)等變化。光纖傳感技術(shù)就是將溫度、壓力、電場、磁場的變化轉(zhuǎn)化為光波量的變化的技術(shù)。光纖傳感器通過光導(dǎo)纖維把輸入變量轉(zhuǎn)換成調(diào)制的光信號。光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一門新技術(shù)，光纖最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器得到進(jìn)一步發(fā)展。與其它傳感器相比較，光纖傳感器有如下特點(diǎn)：不受電磁干擾，防爆性能好，不會漏電打火；可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲；可以用于高溫、高壓、絕緣性能好，耐腐蝕。第12章

光纖傳感器光導(dǎo)纖維(光纖)受到外界環(huán)境因素的影第12章

光纖傳感器

（1）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理

①光纖結(jié)構(gòu)：基本采用石英玻璃，有不同摻雜，主要由三部分組成中心——纖芯；外層——包層；護(hù)套——尼龍料。性質(zhì)光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，纖芯折射率N1略大于包層折射率N2（N1＞N2）。纖芯保護(hù)套包層玻璃光纖塑料光纖石英光纖第12章

光纖傳感器

（1）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理

第12章

光纖傳感器光纖的傳播基于光的全反射。當(dāng)光線以不同角度入射到光纖端面時，在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖；光線在光纖端面入射角θ減小到某一角度θc時，光線全部反射。只要θ＜θc，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。

（1）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理

②光纖的傳光原理：第12章

光纖傳感器光纖的傳播基于光的全反射。當(dāng)光線以不第12章

光纖傳感器為保證全反射，必須滿足全反射條件（即θ＜θc）實(shí)現(xiàn)全反射的臨界入射角為：

空氣中

可見，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)（N1、N2）決定的，與光纖的幾何尺寸無關(guān)。第12章

光纖傳感器為保證全反射，必須滿足全反射條件第12章

光纖傳感器

（2）光纖的性能（幾個重要參數(shù)）

①數(shù)值孔徑（NA）臨界入射角θc的正弦函數(shù)定義為光纖的數(shù)值孔徑.

空氣中：

第12章

光纖傳感器

（2）光纖的性能（幾個重要參數(shù)）第12章

光纖傳感器NA意義討論：NA表示光纖的集光能力，無論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2θc張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會進(jìn)入包層漏光。一般NA越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會更容易。但NA越大光信號畸變越大，要選擇適當(dāng)。產(chǎn)品光纖不給出折射率N，只給數(shù)值孔徑NA，石英光纖的數(shù)值孔徑一般為：第12章

光纖傳感器NA意義討論：第12章

光纖傳感器光纖模式是指光波沿光纖傳播的途徑和方式，不同入射角度光線在界面上反射的次數(shù)不同。光波之間的干涉產(chǎn)生的強(qiáng)度分布也不同。模式值定義為：

式中：α為纖芯半徑；為入射波長。

（2）光纖的性能（幾個重要參數(shù)）

②光纖模式（V）第12章

光纖傳感器光纖模式是指光波沿光纖傳播的途徑和方第12章

光纖傳感器②光纖模式第12章

光纖傳感器②光纖模式第12章

光纖傳感器模式討論：模式值越大，允許傳播的模式值越多。在信息傳播中，希望模式數(shù)越少越好，若同一光信號采用多種模式會使光信號分不同時間到達(dá)多個信號，導(dǎo)致合成信號畸變。模式值V小，就是α值小，即纖芯直徑小，只能傳播一種模式，稱單模光纖。單模光纖性能最好，畸變小、容量大、線性好、靈敏度高，但制造、連接困難。除單模光纖外，還有多模光纖（階躍多模、梯度多模），單模和多模光纖是當(dāng)前光纖通訊技術(shù)最常用的普通光纖。第12章

光纖傳感器模式討論：第12章

光纖傳感器光纖在傳播時，由于材料的吸收、散射和彎曲處的輻射損耗影響，不可避免的要有損耗。用衰減率A表示：

I1、I2：兩接收光纖的光強(qiáng)在一根衰減率為10dB/Km的光纖中，表示當(dāng)光纖傳輸1Km后，光強(qiáng)下降到入射時的1/10。

（2）光纖的性能（幾個重要參數(shù)）

③傳播損耗（A）第12章

光纖傳感器光纖在傳播時，由于材料的吸收、散射和第12章

光纖傳感器

(3)光纖傳感器的基本測量原理

(1)物性型光纖傳感器原理

物性型光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。其工作原理基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)，即光纖在外界環(huán)境因素，如溫度、壓力、電場、磁場等等改變時，其傳光特性，如相位與光強(qiáng)，會發(fā)生變化的現(xiàn)象。因此，如果能測出通過光纖的光相位、光強(qiáng)變化，就可以知道被測物理量的變化。這類傳感器又被稱為敏感元件型或功能型光纖傳感器。

第12章

光纖傳感器

(3)光纖傳感器的基本測量原

(1)物性型光纖傳感器原理激光器的點(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。外界參數(shù)（溫度、壓力、振動等）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，對它的模向移動進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可測量溫度或壓力等。

(1)物性型光纖傳感器原理激光器的點(diǎn)光源光束擴(kuò)散為

(2)結(jié)構(gòu)型光纖傳感器原理結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測元件（敏感元件）與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。

圖2結(jié)構(gòu)型光纖傳感器工作原理示意圖(2)結(jié)構(gòu)型光纖傳感器原理圖2結(jié)構(gòu)型光纖傳感器工作原理

(3)拾光型光纖傳感器原理用光纖作為探頭，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。

圖3拾光型光纖傳感器工作原理示意圖(3)拾光型光纖傳感器原理圖3拾光型光纖傳感器工作原理第12章

光纖傳感器(4)光纖傳感器組成光源：要求體積小、功率大、波長合適、工作穩(wěn)定相干光：半導(dǎo)體激光器等非相干光：發(fā)光二極管、白織燈等探測器（光電探測器是光電檢測中不可缺少的器件，把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺红`敏度好、響應(yīng)快、線性好光電二極管、光電倍增管光敏電阻、光電池光纖第12章

光纖傳感器(4)光纖傳感器組成光源：要求體積功能型光纖傳感器（FunctionFiberOpticSensor)，又稱FF型光纖傳感器）光纖不僅起傳光作用，而且是敏感元件更高的靈敏度調(diào)整困難非功能型光纖傳感器（Non-FunctionFiberOpticSensor)，又NF型光纖傳感器）光纖僅起傳光作用靈敏度、測量精度較低有一種傳感探針型光纖傳感器(4)光纖傳感器分類功能型光纖傳感器（FunctionFiberOptic被測物理量測量方式光的調(diào)制光學(xué)現(xiàn)象材

料特性性能電

流磁

場FF偏振法拉第效應(yīng)石英系玻璃鉛系玻璃電流50～1200A(精度0.24%)磁場強(qiáng)度0.8～4800A/m(精度2%)相位磁致伸縮效應(yīng)鎳68碳莫合金最小檢測磁場強(qiáng)度8×10-5A/m-2(1～10kHz)NF偏振法拉第效應(yīng)YIG系強(qiáng)磁體FR-5鉛玻璃磁場強(qiáng)度0.08～160A/m(精度0.5%)電

壓電

場FF偏振Pockels效應(yīng)亞硝基苯胺-相位電致伸縮效應(yīng)陶瓷振子壓電元件-NF偏振Pockels效應(yīng)LiNbO3,LiTaO3Bi12SiO20電壓1～1000V電場強(qiáng)度0.1～1kV/cm(精度1%)溫

度FF相位干涉現(xiàn)象石英系玻璃溫度變化量17條/(℃·m)光強(qiáng)紅外線透過SiO2,CaF2,ZrF2溫度250～12℃(精度1%)FF偏振雙折射變化石英系玻璃溫度30～1200℃開口數(shù)折射率變化石英系玻璃-NF斷路雙金屬片彎曲雙金屬片溫度10～50℃(精度0.5℃)斷路磁性變化鐵氧體開(57℃)～關(guān)(53℃)水銀的上升水

銀40℃時精度0.5℃透射率禁帶寬度變化GaAs、CdTe半導(dǎo)體溫度0～80℃透射率變化石

蠟開(63℃)～關(guān)(52℃)光強(qiáng)熒光輻射(Gd0.99Eu0.01)2O2S-50～300℃(精度0.1℃)被測物測量光的光學(xué)現(xiàn)象材

料特性性被測物理量測量方式光的調(diào)制光學(xué)現(xiàn)象材

料特性性能速

度FF頻率多普勒效應(yīng)石英系玻璃流速10-4～103m/sNF斷路風(fēng)標(biāo)的旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)圓盤風(fēng)速60m/s振

動壓

力音

響FF頻率多普勒效應(yīng)石英系玻璃最小振輻0.4μm/(120Hz)相位干涉現(xiàn)象石英系玻璃壓力154kPa·m/條光強(qiáng)微小彎曲損失薄膜+膜條壓力0.9×10-2Pa以上NF光強(qiáng)散射損失C45H78O2+VL2255N壓力0～40kPa斷路雙波長透射率變化振

子振幅0.05～500μm(精度1%)光強(qiáng)反射角變化薄

膜血壓測量誤差2.6×103Pa射

線FF光強(qiáng)生成著色中心石英系玻璃鉛系玻璃輻照量0.01～1Mrad圖

像FF光強(qiáng)光纖束成像石英系玻璃長數(shù)米多波長傳輸石英系玻璃長數(shù)米非線性光學(xué)非線性光學(xué)元件長數(shù)米光的聚焦多成分玻璃長數(shù)米被測物測量光的光學(xué)現(xiàn)象材

料特性性（5）光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)被測對象被測對象敏感元件被測對象敏感元件被測對象（5）光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)被被敏感元件被敏感元件被（6）光纖傳感器的應(yīng)用（6）光纖傳感器的應(yīng)用第12章

光纖傳感器利用半導(dǎo)體材料的能量隙隨溫度幾乎成線性變化。敏感元件是一個半導(dǎo)體光吸收器，光纖用來傳輸信號。當(dāng)光源的光強(qiáng)度經(jīng)光纖達(dá)到半導(dǎo)體薄片時，透過薄片的光強(qiáng)受溫度的調(diào)制溫度T升高，材料吸收光波長向長波移動，半導(dǎo)體薄片透過的光強(qiáng)度變化。光纖溫度傳感器第12章

光纖傳感器利用半導(dǎo)體材料的能量隙隨溫度幾乎成線第12章

光纖傳感器利用光纖實(shí)現(xiàn)無接觸位移測量。光源經(jīng)一束多股光纖將光信號傳送至端部，并照射到被測物體上。另一束光纖接受反射的光信號，并通過光纖傳送到光敏元件上。被測物體與光纖間距離變化，反射到接受光纖上，光通量發(fā)生變化。再通過光電傳感器檢測出距離的變化。反射式光纖位移傳感器第12章

光纖傳感器利用光纖實(shí)現(xiàn)無接觸位移測量。光源經(jīng)一溫度（壓力）光纖傳感器外界參數(shù)（溫度、壓力、振動等）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，對它的模向移動進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可測量溫度或壓力等。溫度（壓力）光纖傳感器外界參數(shù)（溫度、壓力、振動等）引起光纖第12章

光纖傳感器光導(dǎo)纖維(光纖)受到外界環(huán)境因素的影響，如溫度、壓力、電場、磁場等環(huán)境條件變化，將引起其傳輸?shù)墓獠?，如光?qiáng)、相位、頻率、偏振態(tài)等變化。光纖傳感技術(shù)就是將溫度、壓力、電場、磁場的變化轉(zhuǎn)化為光波量的變化的技術(shù)。光纖傳感器通過光導(dǎo)纖維把輸入變量轉(zhuǎn)換成調(diào)制的光信號。光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一門新技術(shù)，光纖最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器得到進(jìn)一步發(fā)展。與其它傳感器相比較，光纖傳感器有如下特點(diǎn)：不受電磁干擾，防爆性能好，不會漏電打火；可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲；可以用于高溫、高壓、絕緣性能好，耐腐蝕。第12章

光纖傳感器光導(dǎo)纖維(光纖)受到外界環(huán)境因素的影第12章

光纖傳感器

（1）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理

①光纖結(jié)構(gòu)：基本采用石英玻璃，有不同摻雜，主要由三部分組成中心——纖芯；外層——包層；護(hù)套——尼龍料。性質(zhì)光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，纖芯折射率N1略大于包層折射率N2（N1＞N2）。纖芯保護(hù)套包層玻璃光纖塑料光纖石英光纖第12章

光纖傳感器

（1）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理

第12章

光纖傳感器光纖的傳播基于光的全反射。當(dāng)光線以不同角度入射到光纖端面時，在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖；光線在光纖端面入射角θ減小到某一角度θc時，光線全部反射。只要θ＜θc，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。

（1）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理

②光纖的傳光原理：第12章

光纖傳感器光纖的傳播基于光的全反射。當(dāng)光線以不第12章

光纖傳感器為保證全反射，必須滿足全反射條件（即θ＜θc）實(shí)現(xiàn)全反射的臨界入射角為：

空氣中

可見，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)（N1、N2）決定的，與光纖的幾何尺寸無關(guān)。第12章

光纖傳感器為保證全反射，必須滿足全反射條件第12章

光纖傳感器

（2）光纖的性能（幾個重要參數(shù)）

①數(shù)值孔徑（NA）臨界入射角θc的正弦函數(shù)定義為光纖的數(shù)值孔徑.

空氣中：

第12章

光纖傳感器

（2）光纖的性能（幾個重要參數(shù)）第12章

光纖傳感器NA意義討論：NA表示光纖的集光能力，無論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2θc張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會進(jìn)入包層漏光。一般NA越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會更容易。但NA越大光信號畸變越大，要選擇適當(dāng)。產(chǎn)品光纖不給出折射率N，只給數(shù)值孔徑NA，石英光纖的數(shù)值孔徑一般為：第12章

光纖傳感器NA意義討論：第12章

光纖傳感器光纖模式是指光波沿光纖傳播的途徑和方式，不同入射角度光線在界面上反射的次數(shù)不同。光波之間的干涉產(chǎn)生的強(qiáng)度分布也不同。模式值定義為：

式中：α為纖芯半徑；為入射波長。

（2）光纖的性能（幾個重要參數(shù)）

②光纖模式（V）第12章

光纖傳感器光纖模式是指光波沿光纖傳播的途徑和方第12章

光纖傳感器②光纖模式第12章

光纖傳感器②光纖模式第12章

光纖傳感器模式討論：模式值越大，允許傳播的模式值越多。在信息傳播中，希望模式數(shù)越少越好，若同一光信號采用多種模式會使光信號分不同時間到達(dá)多個信號，導(dǎo)致合成信號畸變。模式值V小，就是α值小，即纖芯直徑小，只能傳播一種模式，稱單模光纖。單模光纖性能最好，畸變小、容量大、線性好、靈敏度高，但制造、連接困難。除單模光纖外，還有多模光纖（階躍多模、梯度多模），單模和多模光纖是當(dāng)前光纖通訊技術(shù)最常用的普通光纖。第12章

光纖傳感器模式討論：第12章

光纖傳感器光纖在傳播時，由于材料的吸收、散射和彎曲處的輻射損耗影響，不可避免的要有損耗。用衰減率A表示：

I1、I2：兩接收光纖的光強(qiáng)在一根衰減率為10dB/Km的光纖中，表示當(dāng)光纖傳輸1Km后，光強(qiáng)下降到入射時的1/10。

（2）光纖的性能（幾個重要參數(shù)）

③傳播損耗（A）第12章

光纖傳感器光纖在傳播時，由于材料的吸收、散射和第12章

光纖傳感器

(3)光纖傳感器的基本測量原理

(1)物性型光纖傳感器原理

物性型光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。其工作原理基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)，即光纖在外界環(huán)境因素，如溫度、壓力、電場、磁場等等改變時，其傳光特性，如相位與光強(qiáng)，會發(fā)生變化的現(xiàn)象。因此，如果能測出通過光纖的光相位、光強(qiáng)變化，就可以知道被測物理量的變化。這類傳感器又被稱為敏感元件型或功能型光纖傳感器。

第12章

光纖傳感器

(3)光纖傳感器的基本測量原

(1)物性型光纖傳感器原理激光器的點(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。外界參數(shù)（溫度、壓力、振動等）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，對它的模向移動進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可測量溫度或壓力等。

(1)物性型光纖傳感器原理激光器的點(diǎn)光源光束擴(kuò)散為

(2)結(jié)構(gòu)型光纖傳感器原理結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測元件（敏感元件）與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。

圖2結(jié)構(gòu)型光纖傳感器工作原理示意圖(2)結(jié)構(gòu)型光纖傳感器原理圖2結(jié)構(gòu)型光纖傳感器工作原理

(3)拾光型光纖傳感器原理用光纖作為探頭，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。

圖3拾光型光纖傳感器工作原理示意圖(3)拾光型光纖傳感器原理圖3拾光型光纖傳感器工作原理第12章

光纖傳感器(4)光纖傳感器組成光源：要求體積小、功率大、波長合適、工作穩(wěn)定相干光：半導(dǎo)體激光器等非相干光：發(fā)光二極管、白織燈等探測器（光電探測器是光電檢測中不可缺少的器件，把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺红`敏度好、響應(yīng)快、線性好光電二極管、光電倍增管光敏電阻、光電池光纖第12章

光纖傳感器(4)光纖傳感器組成光源：要求體積功能型光纖傳感器（FunctionFiberOpticSensor)，又稱FF型光纖傳感器）光纖不僅起傳光作用，而且是敏感元件更高的靈敏度調(diào)整困難非功能型光纖傳感器（Non-FunctionFiberOpticSensor)，又NF型光纖傳感器）光纖僅起傳光作用靈敏度、測量精度較低有一種傳感探針型光纖傳感器(4)光纖傳感器分類功能型光纖傳感器（FunctionFiberOptic被測物理量測量方式光的調(diào)制光學(xué)現(xiàn)象材

料特性性能電

流磁

場FF偏振法拉第效應(yīng)石英系玻璃鉛系玻璃電流50～1200A(精度0.24%)磁場強(qiáng)度0.8～4800A/m(精度2%)相位磁致伸縮效應(yīng)鎳68碳莫合金最小檢測磁場強(qiáng)度8×10-5A/m-2(1～10kHz)NF偏振法拉第效應(yīng)YIG系強(qiáng)磁體FR-5鉛玻璃磁場強(qiáng)度0.08～160A/m(精度0.5%)電

壓電

場FF偏振Pockels效應(yīng)亞硝基苯胺-相位電致伸縮效應(yīng)陶瓷振子壓電元件-NF偏振Pockels效應(yīng)LiNbO3,LiTaO3Bi12SiO20電壓1～1000V電場強(qiáng)度0.1～1kV/cm(精度1%)溫

度FF相位干涉現(xiàn)象石英系玻璃溫度變化量17條/(℃·m)光強(qiáng)紅外線透過SiO2,CaF2,ZrF2溫度250～12℃(精度1%)FF偏振雙折射變化石英系玻璃溫度30～1200℃開口數(shù)折射率變化石英系玻璃-NF斷路雙金屬片彎曲雙金屬片溫度10～50℃(精度0.5℃)斷路磁性變化鐵氧體開(57℃)～關(guān)(53℃)水銀的上升水

銀40℃時精度0.5℃透射率禁帶寬度變化GaAs、CdTe半導(dǎo)體溫度0～80℃透射率變化石

蠟開(63℃)～關(guān)(52℃)光強(qiáng)熒光輻射(Gd0.99Eu0.01)2O2S-50～300℃(精度0.1℃)被測物測量光的光學(xué)現(xiàn)象材

料特性性被測物理量測量方式光的調(diào)制光學(xué)現(xiàn)象材

料特性性能速

度FF頻率多普勒效應(yīng)石英系玻璃流速10-4～103m/sNF斷路風(fēng)標(biāo)的旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)圓盤風(fēng)速60m/s振