傳感器原理與應(yīng)用傳感器技術(shù)教學(xué)團(tuán)隊(duì)第九章光纖傳感器CONTENTS光纖傳感器基本知識光纖傳感器的工作原理和應(yīng)用分布式光纖傳感器光纖傳感器工程應(yīng)用實(shí)例光纖傳感器基本知識一、光纖結(jié)構(gòu)及傳光原理光導(dǎo)纖維，簡稱光纖，是利用全反射原理約束并引導(dǎo)光波在其內(nèi)部沿軸線方向傳播的傳輸介質(zhì)。由光纖或非光纖的敏感元件、光發(fā)送器、光接收器和信號處理系統(tǒng)組成的系統(tǒng)稱為光纖傳感器。光纖是一種多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的同心圓柱體，包括纖芯、包層、涂敷層及護(hù)套。核心部分是纖芯和包層，對光的傳輸特性起決定性作用。光纖傳感器基本知識纖芯直徑一般為5~75μm，材料主體是SiO2，并摻入微量的GeO2、P2O5以提高材料的光學(xué)折射率；包層可以是一層、二層或多層結(jié)構(gòu)，總直徑一般為100-200μm，材料一般也是SiO2，摻入微量的B2O3、SiF4以降低包層的折射率。包層的折射率略低于纖芯。涂覆層采用硅酮或丙烯酸鹽，增強(qiáng)柔韌性。護(hù)套一般為尼龍或其它有機(jī)材料，提高機(jī)械強(qiáng)度。光纖的分類方法很多。根據(jù)纖芯折射率徑向分布的不同，光纖可分為階躍光纖和漸變折射率光纖。光纖傳感器基本知識如圖所示，當(dāng)光線以與光纖軸線成的角度θi入射到階躍光纖端面上，在光纖—空氣界面發(fā)生折射，折射光線與光纖軸線的夾角θr由斯涅爾定律決定（n0、n1分別為空氣和纖芯折射率）：折射光線到達(dá)纖芯—包層界面時(shí)，若入射角φ大于臨界角φc時(shí)，將發(fā)生全反射，光線將被限制在纖芯中。臨界角定義為（n2包層折射率）：二、光纖的基本特性1、數(shù)值孔徑光纖傳感器基本知識為實(shí)現(xiàn)全反射，對入射角θi有一個(gè)最大值θc限制，當(dāng)θi=θc時(shí)，

φ=φc，則：數(shù)值孔徑能反映光纖的集光能力。光纖的數(shù)值孔徑（NumericalAperture，NA）定義為光纖傳感器基本知識2、傳輸損耗由于光纖材料對光波的吸收、散射、光纖結(jié)構(gòu)的缺陷、彎曲以及光纖間的不完全耦合等原因，導(dǎo)致光功率隨傳輸距離呈指數(shù)規(guī)律衰減，這種現(xiàn)象稱為光纖的傳輸損耗，簡稱損耗。光纖損耗的大小可用光在光纖中傳輸1km產(chǎn)生的功率衰減分貝數(shù)，即損耗系數(shù)為：式中

Po——光纖輸出端光功率；

Pi——光纖輸入端光功率；

L——光纖長度（km）。光纖傳感器基本知識3、色散當(dāng)光脈沖通過光纖傳輸時(shí)，由于多種因素，光纖中產(chǎn)生的脈沖展寬現(xiàn)象稱為色散。色散可用光脈沖在光纖中每傳輸1km時(shí)脈沖寬度增加的納秒數(shù)（ns/km）來表示。光纖色散一般可分為模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散三類。模式色散：在多模光纖中，不同模式按不同群速度傳播，到達(dá)終點(diǎn)產(chǎn)生的延遲不同，使窄脈沖彌散而導(dǎo)致脈沖展寬。材料色散：由于光纖中傳輸?shù)墓饷}沖具有一定的頻率寬度，材料折射率因入射頻率而變化，不同頻率的光按不同速度傳播，從而引起光脈沖展寬。波導(dǎo)色散：由于光纖的幾何結(jié)構(gòu)決定了同一模式、不同頻率的光具有不同速度，導(dǎo)致光脈沖在傳輸過程中展寬。三、光纖傳感器1、光纖傳感器的組成光纖傳感器基本知識光纖傳感器由光源、光纖、光探測器以及一些光無源器件組成。為保證光纖傳感器的性能，一般需要光源體積盡量小、波長要匹配、亮度要高、穩(wěn)定性要好等等。光探測器的作用是把傳送到接收端的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，以便做進(jìn)一步的處理。光無源器件是一種不必借助外部的任何光或電的能量，由自身能夠完成某種光學(xué)功能的元器件。圖9.4光纖傳感器2、光纖傳感器的分類光纖傳感器基本知識按光纖在傳感器中的功能不同，可將光纖傳感器分為功能型（傳感型）光纖傳感器和非功能型（傳光型）光纖傳感器。功能型光纖傳感器中的光纖不僅起傳光作用，而且還是敏感元件；非功能型光纖傳感器利用其它敏感元件來感受被測量的變化，而光纖只作為光的傳輸介質(zhì)。光纖的傳輸特性受被測物理量的作用會發(fā)生變化，使光纖光波的特征參量（強(qiáng)度、相位、波長、偏振態(tài)等）被調(diào)制，按調(diào)制的光波參數(shù)又可將光纖傳感器分為強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器、相位調(diào)制型光纖傳感器、波長調(diào)制型光纖傳感器和偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器。光纖傳感器的工作原理和應(yīng)用利用外界因素引起光纖中光強(qiáng)的變化來探測外界物理量的光纖傳感器，稱為強(qiáng)度調(diào)制器光纖傳感器。被測物理量作用于光纖（接觸或非接觸），使光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕膹?qiáng)度發(fā)生變化，檢測出光信號強(qiáng)度的變化量即可實(shí)現(xiàn)對被測物理量的測量。一、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器當(dāng)光纖受到外界環(huán)境因素（如溫度、壓力、振動、電場、磁場、化學(xué)量等）的影響時(shí)，傳輸光的光強(qiáng)、相位、波長、偏振態(tài)等將隨之發(fā)生變化，如果能檢測出這些光波特征參量的變化就能實(shí)現(xiàn)對外界物理量的測量，這就是光纖傳感器的基本工作原理。光纖傳感器的工作原理和應(yīng)用1、光纖微彎傳感器當(dāng)光纖受到外界環(huán)境因素（光纖微彎傳感器是利用光纖中的微彎損耗來探測外界物理量的變化。如圖9所示，激光器發(fā)出的激光進(jìn)入多模光纖中傳輸，當(dāng)變形器發(fā)生不同位移時(shí)，光纖產(chǎn)生微彎的程度也不同，從而產(chǎn)生對光纖中傳輸光強(qiáng)的調(diào)制。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，主要可用于位移、應(yīng)變、壓力、水聲等量的測量。光纖傳感器的工作原理和應(yīng)用2、光纖輻射傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示，X射線、γ射線等的輻射會使光纖材料的吸收損耗增加，從而使光纖的輸出功率下降。利用這一特性可構(gòu)成光纖輻射傳感器。改變光纖成分，可對不同的輻射敏感。光纖傳感器的工作原理和應(yīng)用利用外界因素引起的光波相位變化來探測各種物理量的傳感器，稱為相位調(diào)制型光纖傳感器。干涉型光纖傳感器利用光纖作為相位調(diào)制元件，構(gòu)成干涉儀，當(dāng)被測物理量與光纖發(fā)生相互作用時(shí)，會引起光纖中傳輸光的相位變化。目前干涉儀類型有馬赫-曾德爾光纖干涉儀、Sagnac光纖干涉儀、法布里-珀羅光纖干涉儀以及邁克爾遜光纖干涉儀等，且都已用于光纖傳感。例如：馬赫-曾德爾光纖干涉儀，如圖所示，是一種雙光束干涉儀，由激光器發(fā)出的相干光，經(jīng)光纖耦合器被分成兩束，分別送入兩根長度基本相同的單模光纖（即M-Z干涉儀的兩臂，探測臂和參考臂）。圖9.7全光纖M-Z干涉儀的原理圖二、相位調(diào)制型光纖傳感器光纖傳感器的工作原理和應(yīng)用從兩臂輸出的兩激光束經(jīng)耦合器疊加后發(fā)生干涉，干涉光強(qiáng)為：當(dāng)干涉儀兩臂光程差所對應(yīng)的相位差

時(shí)，對應(yīng)著干涉場的最大值，m為干涉級次，且有：當(dāng)外界因素引起發(fā)生相對光程差ΔL、相對光程時(shí)延Δt、光頻率f、光波長λ發(fā)生變化時(shí)，就引起干涉條紋移動，由此可感測相應(yīng)的物理量。如圖所示，當(dāng)被測電流通過線圈后，將產(chǎn)生磁場并作用在鎳管上，引起磁致伸縮效應(yīng)，使光纖發(fā)生形變，干涉儀兩臂的相位差將出現(xiàn)變化，從而引起干涉條紋的移動。通過測量條紋的移動量，即可測量出被測電流的大小。圖9.8磁致伸縮效應(yīng)光纖電流傳感器光纖傳感器的工作原理和應(yīng)用利用被測參量引起光纖中傳輸光的波長變化來測量各種物理量的傳感器，稱為波長調(diào)制型光纖傳感器。光纖光柵傳感器通過外界參量對光纖光柵布拉格中心波長的調(diào)制來獲取傳感信息，是目前研究和應(yīng)用最為普及的波長調(diào)制型光纖傳感器。它具有抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、重復(fù)性好、易于組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但是對波長變化的檢測需要用較復(fù)雜的技術(shù)和較昂貴的儀器或光纖器件，需要大功率的寬帶光源或可調(diào)諧光源，分辨率和動態(tài)范圍也受到一定限制。三、波長調(diào)制型光纖傳感器光纖傳感器的工作原理和應(yīng)用光纖布拉格光柵（fiberBragggrating，F(xiàn)BG），屬于反射型帶通濾波器，其反射譜如圖9.9所示。FBG的布拉格方程為：，式中Λ為光柵周期；nco為纖芯有效折射率；λB為布拉格波長。

圖9.9光纖布拉格光柵的反射譜圖9.10光纖光柵應(yīng)力/應(yīng)變傳感器典型結(jié)構(gòu)光纖光柵的布拉格波長取決于光柵周期和纖芯有效折射率，任何使這兩個(gè)參量發(fā)生改變的物理過程都將引起光柵布拉格波長的漂移。在所有引起光柵布拉格波長漂移的外界因素中，最直接的是應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等參量。如圖9.10所示為光纖光柵應(yīng)力/應(yīng)變傳感器的典型結(jié)構(gòu)。光纖傳感器的工作原理和應(yīng)用四、偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器利用外界因素引起的光纖中光波偏振態(tài)的變化來探測有關(guān)參量的光纖傳感器，稱為偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器。偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器通常基于電光、磁光和彈光效應(yīng)。光纖測電流的基本原理是利用光纖材料的Faraday效應(yīng)（磁光效應(yīng)），即處于磁場中的光纖會使在光纖中傳播的線偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度為：其中，H為磁場強(qiáng)度，L為磁場中光纖的長度，V為維爾德常數(shù)。光纖傳感器的工作原理和應(yīng)用由于載流導(dǎo)線在周圍空間產(chǎn)生的磁場滿足安培環(huán)路定律，對于長直導(dǎo)線有：其中，導(dǎo)線半徑為R，導(dǎo)線中的電流為I則：N為繞在導(dǎo)線上的光纖總匝數(shù)，偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示，因此根據(jù)測量到的Ω、L、R等參數(shù)，即可求出導(dǎo)線中的電流I。分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器是利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦裕毓饫w長度方向，連續(xù)地傳感被測物理量（溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變等）。此時(shí)，光纖既是傳感介質(zhì)，又是傳輸介質(zhì)。一、分布式光纖傳感器的特點(diǎn)和分類分布式光纖傳感器是利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦?，沿光纖長度方向，連續(xù)地傳感被測物理量（溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變等）。此時(shí)，光纖既是傳感介質(zhì)，又是傳輸介質(zhì)。除具有一般光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)外，它還具有傳感空間范圍大、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、性價(jià)比高等無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。分類分布式光纖傳感器可按不同方式分類。按用途分有分布式光纖溫度傳感器、分布式光纖壓力傳感器和分布式光纖應(yīng)力/應(yīng)變傳感器等。按傳感機(jī)理分有散射型、干涉型、偏振型、微彎型和熒光型等分布式光纖傳感器。分布式光纖傳感器二、散射型分布式光纖傳感器光在光纖中傳輸會發(fā)生散射，包括瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射。瑞利散射為光波在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖纖芯折射率在微觀上隨機(jī)起伏而引起的線性散射，是光纖的一種固有特性；布里淵散射是入射光與聲波或傳播的壓力波相互作用的結(jié)果，可看作是入射光在移動的光柵上的散射，多普勒效應(yīng)會使散射光的頻率不同于入射光；拉曼散射是入射光波的一個(gè)光子被一個(gè)聲子散射成為另一個(gè)低頻光子，同時(shí)聲子完成其兩個(gè)振動態(tài)之間的躍遷。瑞利散射屬于彈性散射，散射前后光的波長不發(fā)生變化，而拉曼散射和布里淵散射則屬于非彈性散射，散射波長相對于入射波長均發(fā)生偏移。分布式光纖傳感器利用光纖中的散射光強(qiáng)隨溫度等參量的變化關(guān)系以及光時(shí)域反射（OTDR）技術(shù)，就能構(gòu)成散射型分布式光纖傳感器。1、OTDR技術(shù)OTDR系統(tǒng)的工作原理是通過將光脈沖注入光纖中，當(dāng)光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時(shí)，會由于光纖本身的性質(zhì)、連接器、接頭、彎曲或其它類似的事件而產(chǎn)生散射、反射，其中一部分散射光和反射光將經(jīng)過同樣的路徑延時(shí)返回到輸入端。根據(jù)入射信號與其返回信號的時(shí)間差（或時(shí)延）τ，即可計(jì)算出上述事件位置與入射端的距離為：（其中，n為纖芯的有效折射率）分布式光纖傳感器1、瑞利散射分布式光纖傳感器這種傳感器基于瑞利散射原理進(jìn)行傳感，利用光干涉技術(shù)定位，當(dāng)傳感光纖受力時(shí)，瑞利散射光強(qiáng)會隨之變化，利用該效應(yīng)即可構(gòu)成分布式壓力傳感器，或分布式光纖應(yīng)力/應(yīng)變傳感器。結(jié)構(gòu)如圖所示。分布式光纖傳感器3、拉曼散射分布式光纖傳感器利用拉曼散射和散射介質(zhì)溫度等參量之間的關(guān)系進(jìn)行傳感，利用OTDR技術(shù)定位，以構(gòu)成拉曼散射分布式光纖傳感器，簡稱ROTDR（Ramanopticaltimedomainreflectometer）。拉曼分布式光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，拉曼散射光含有斯托克斯光和反斯托克斯光，斯托克斯光的光強(qiáng)與溫度無關(guān)，而反斯托克斯光的光強(qiáng)隨溫度變化。通過測量反斯托克斯光光強(qiáng)與斯托克斯光光強(qiáng)之比，即可計(jì)算出溫度。分布式光纖傳感器4、布里淵散射分布式光纖傳感器利用布里淵散射和散射介質(zhì)溫度等參量之間的關(guān)系進(jìn)行傳感，利用OTDR技術(shù)定位，以構(gòu)成布里淵散射分布式光纖傳感器，簡稱BOTDR（Brillouinopticaltimedomainreflectometer）。如圖所示為基于BOTDR的分布式應(yīng)變傳感器，探測器接收的是布里淵后向散射光，它相對于入射光中心頻率會發(fā)生偏移，通過檢測布里淵頻移的變化量就可獲知溫度和應(yīng)變的變化量。同時(shí)，通過測定該散射光的回波時(shí)間就可確定散射點(diǎn)的位置。光纖傳感器工程應(yīng)用實(shí)例一、在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用近年來，應(yīng)用于電力系統(tǒng)的光纖傳感器有電壓傳感器、電流傳感器、電功率傳感器、溫度（報(bào)警）傳感器等。光纖電壓傳感器（OVT）是利用某些功能材料中的物理效應(yīng)來工作的，如線性電光效應(yīng)（Pockels效應(yīng)）、克爾效應(yīng)（Kerr效應(yīng)）和逆壓電效應(yīng)等。ABB公司的420kV光纖電壓傳感器，是基于石英晶體反壓電效應(yīng)工作，其結(jié)構(gòu)如圖9.15所示。圖9.15420kV電壓傳感器結(jié)構(gòu)圖光纖傳感器工程應(yīng)用實(shí)例二、在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用如圖所示為薄膜型光纖血壓計(jì)的結(jié)構(gòu)圖。血壓的壓力使光纖端面的薄膜變