光纤传感技术(全).ppt

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第八章光纤传感技术光纤传感技术11/10/2022内容提要内容提要8.1前言8.2强度调制型光纤传感器8.3相位调制型光纤传感器8.4频率调制型光纤传感器8.5波长调制型光纤传感器8.6偏振态调制8.7特种光纤简介8.8光纤传感器的发展趋势11/10/2022光纤传感器的原理光纤传感器的特点光纤传感器的分类光纤传感器的应用8.18.1前言前言11/10/2022表征光波的特征参量因外界因素的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。

图图11光纤传感原理示意图光纤传感原理示意图光纤传感器的原理光纤传感器的原理11/10/2022光纤传感器的特点光纤传感器的特点与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点：

抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全重量轻、体积小、外形可变对被测介质影响较小,灵敏度高便于复用，便于成网测量对象广泛,成本低11/10/2022光纤传感器的分类光纤传感器的分类一般分为两大类：

功能性传感器利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件又称传感型光纤传感器，采用单模光纤非功能性传感器光纤仅作为传光介质，需借助其它敏感元件又称传光型光纤传感器，常用多模光纤11/10/2022根据光调制手段的不同，光纤传感器又可分为：

强度调制型相位调制型偏振态调制型频率调制型波长调制型11/10/2022光纤传感器光纤传感器的应用的应用光纤传感器可以探测的物理量很多，可以探测位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动、转动、弯曲、应变、磁场、电压、电流以及化学量、生物医学量等等，其中有的传感器已形成商品，可供实际应用。

11/10/20228.2强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器原理和实现手段光强度的外调制技术光强度的内调制技术补偿技术11/10/20221、原理和实现手段、原理和实现手段原理以被测对象所引起的光强度变化，来实现被测对象的监测和控制实现手段利用发送、接受光纤的相对运动利用光纤对光波的吸收特性利用折射率的改变利用在两相位光纤间的倏逝场耦合利用光纤微弯效应11/10/20222、光强度的光强度的外调制外调制技术技术光纤本身只起传光作用,分反射式和折射式两种方式来讨论。

反射式光强调制图2所示，接受的光强将随物体距光纤探头端面的距离而变化。

通过测出反射强度，可知物距的变化。

图图2天线型光纤传感器天线型光纤传感器11/10/2022如果反光物体相当于平面镜，如图4所示，反射耦合到光纤的光能与光纤输出光能比为：

图图4平面反射镜平面反射镜耦耦合情况合情况11/10/2022如果反射面是由不同曲率半径的凸面，实验测得的返回光强与测量距离的关系曲线如图5所示。

图图5返回光强与测距的关系返回光强与测距的关系11/10/2022图6所示是反射体表面粗糙度Rmax与受光量的关系。

可知，表面粗糙度大时，受光量小，但当表面粗糙度小于1m时，受光量基本上不受粗糙度的影响。

图图6表面粗糙度与受光量的关系表面粗糙度与受光量的关系11/10/2022遮光式光强调制图7a为移动式光纤光调制模型。

图7b为动光闸式光强度调制器。

图图7遮光式遮光式光强度调制光强度调制11/10/2022实际应用中可采用光纤束结构：

光纤的粗细不同，排列方式也不同，如图3所示。

这种传感器一般均用大数值孔径的粗光纤，以提高光强的耦合效率。

图图3光纤排列方式光纤排列方式11/10/20223、光强度的、光强度的内调制内调制技术技术光纤本身特性的发生改变折射率折射率调制调制一般纤芯和包层具有不同的折射率温度系数，导致对温度的响应不同。

图图9温度变化引起的传输损耗温度变化引起的传输损耗11/10/2022图10是反射系数式强度型光纤传感器原理图，其工作原理是用光纤光强反射系数的改变（介质由于压力或温度的变化折射率反射系数）来实现对透射光强的调制。

图图10反射系数式强度型光纤传感器反射系数式强度型光纤传感器11/10/2022某种特选的某种特选的膨化材料膨化材料在潮湿的空气在潮湿的空气中会发生膨胀中会发生膨胀并由于附加了水分子而表现出并由于附加了水分子而表现出折射率的减小折射率的减小。

利用这。

利用这种效应，可以制成简单、快速响应和高灵敏度的光纤种效应，可以制成简单、快速响应和高灵敏度的光纤湿度传感器湿度传感器。

该种传感器的感该种传感器的感应主部的包层由应主部的包层由PVA,Starch,PVA,Starch,PVDFPVDF三种材料三种材料以以3:

3:

23:

3:

2制成。

制成。

图图基于折射率改变的湿度传感基于折射率改变的湿度传感器的感应主部器的感应主部11/10/2022图图感应主部在两种不同的环境中的传光情况感应主部在两种不同的环境中的传光情况11/10/2022倏逝波耦合倏逝波耦合调制调制如图11所示，d,L或n稍变化，光探测器的接受光强就有明显的变化。

据此，可制成水听器。

图图11倏逝场光纤传感器倏逝场光纤传感器11/10/2022图12所时是透射式光纤受抑全内反射传感器，当一根光纤固定，另一光纤随外界因素而移动，耦合效率会随两光纤端面间距而改变，测出光强，即可求得光纤端面位移量的大小。

图图12透射式光纤透射式光纤受抑全内反射传感器见图受抑全内反射传感器见图11/10/2022微弯效应微弯效应光强度调制光强度调制微弯作用导致光纤内发生模式间的耦合，这些耦合微弯作用导致光纤内发生模式间的耦合，这些耦合模变成辐射模，泄漏到包层中去。

模变成辐射模，泄漏到包层中去。

图图15光纤微弯传感器示意图光纤微弯传感器示意图11/10/2022是导模和辐射模的是导模和辐射模的传输常数差传输常数差。

当波纹周期满足。

当波纹周期满足（8.4）（8.4）时，时，相位失配为零，模间耦和达最佳。

因此，波纹相位失配为零，模间耦和达最佳。

因此，波纹的最佳周期决定于光纤的模式性能。

的最佳周期决定于光纤的模式性能。

图图16光纤微弯调制器光纤微弯调制器波纹周期波纹周期11/10/2022TT是光纤传输系数是光纤传输系数,x,x是板的位移是板的位移,p,p是压力是压力,上式即是调上式即是调制系数的表达式。

制系数的表达式。

光纤性能确定，是个精确的光纤性能确定，是个精确的光学常数。

光学常数。

微弯传感器的机械设计确定。

微弯传感器的机械设计确定。

11/10/2022聚合物光纤的直径较大，对其采用横向切槽技术后，可得到光线在光纤弯曲时的传输情况如图所示，以此制成传感器可测量应变。

11/10/20228.2相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器传感机理：

通过被测能量场的作用，使能量场中的一段敏感的单模光纤内传播的光波发生相位的改变，在用干涉测量技术把相位转换为振幅的变化，从而还原所监测的物理量。

主要特点：

灵敏度高，可以检测出小至10-7rad的相位变化灵活多样，探头的几何形状可按需要设计11/10/2022对象广泛，可用于所有影响光程的物理量传感采用单模光纤，获得较好的干涉效应几种光纤干涉仪的讨论根据传统的光学干涉原理，目前已研制成迈克尔逊式、马赫-泽德式、法布里-珀罗式全光纤干涉仪以及光纤环形腔干涉仪等，并且都已用于光纤传感。

下面分别予以介绍。

11/10/202211、迈克尔逊光纤干涉仪迈克尔逊光纤干涉仪迈克尔逊光纤干涉仪是一种双光束干涉仪。

如图21所示，该种干涉仪用了一个定向耦合器，其中一根光纤作为参考臂，另一根作为传感臂。

图图21迈氏光纤干涉仪原理图迈氏光纤干涉仪原理图11/10/202222、马赫马赫-泽德光纤干涉仪泽德光纤干涉仪马赫-泽德光纤干涉仪（简称M-Z干涉仪）也是种双光束干涉仪。

如图22所示，实用的M-Z光纤干涉仪的分光和合光是由两个光纤定向耦合器构成，是为全光纤化的干涉仪，以提高其抗干扰的能力。

图图22M-Z22M-Z光纤干涉仪原理图光纤干涉仪原理图11/10/20223、法布里法布里-珀罗光纤干涉仪珀罗光纤干涉仪法布里-珀罗光纤干涉仪是由两端面具有高反射膜的一段光纤构成，此感反射膜可以直接镀在光纤端面上，也可以把镀在基片上的高反射膜粘贴在光纤的端面上。

图图2323法布里法布里-珀罗光纤干涉仪示意图珀罗光纤干涉仪示意图11/10/2022相位型光纤温度温度传感器相位型光纤温度温度传感器11/10/202211/10/202211/10/2022图图34马赫马赫-泽德温度泽德温度传感器结构传感器结构图图35F-P光纤温度光纤温度传感器结构传感器结构说明：

说明：

11、护套层的杨式模量和膨胀系数对光、护套层的杨式模量和膨胀系数对光纤的温度灵敏度有重要影响。

纤的温度灵敏度有重要影响。

22、F-PF-P光纤传感器的温度灵敏度比马光纤传感器的温度灵敏度比马赫赫-泽德光纤传感器的高。

泽德光纤传感器的高。

11/10/20224、光纤环形腔干涉仪、光纤环形腔干涉仪利用光纤定向耦合器将单模光纤连接成闭合回路，如图24所示，激光光束从环形腔1端输入时，部分光能耦合到4端，部分直通入3端进入光纤环内。

图图24光纤环形腔干涉仪光纤环形腔干涉仪11/10/2022不谐振条件时，大部分光从4端输出。

谐振条件时，腔内光场因谐振而加强，2到4的光场与1到4端的光场相消干涉，环形腔的输出光强减小，多次循环形成多光束干涉。

4端输出光强在谐振条件附近为一细锐的谐振负峰（图25）图图25环形腔输出相对光强随与相位关系环形腔输出相对光强随与相位关系11/10/202211/10/202211/10/202211/10/202211/10/202211/10/20225、光纤陀螺、光纤陀螺-测量转动速度的光纤转动传感器。

工作原理：

塞格纳克效应与一般陀螺仪相比，光纤陀螺仪有以下优点：

灵敏度高灵敏度高无转动部分无转动部分体积小体积小11/10/2022塞格纳克效应塞格纳克效应塞格纳克效应塞格纳克效应环形光路相对于惯性空间有以转动时，顺时及环形光路相对于惯性空间有以转动时，顺时及逆时针方向的光路将产逆时针方向的光路将产生一生一非对易的光程差非对易的光程差，它和环形光路的旋转率它和环形光路的旋转率有一定的关系。

有一定的关系。

图图2727中圆形中圆形半径半径为为RR，旋旋转率转率为为。

图图27塞格纳克效应塞格纳克效应11/10/2022如图如图2828所示，在所示，在tt时间里，入射到闭合环路中的光将移时间里，入射到闭合环路中的光将移动动RtRt的距离的距离,在折射率为在折射率为nn的介质中的介质中图图28塞格纳克效应中光纤环塞格纳克效应中光纤环N是光纤环的匝数，A是光路包围的面积11/10/2022典型的实验性光纤陀螺仪所用的光纤，直径大约为10m，环路光纤长度为500m，可获得10-5rad的塞格纳克相移。

11/10/2022光纤陀螺中的相位检测光纤陀螺中的相位检测根据塞格纳克相移和旋转率的关系，采用干涉测量方法可获得相移值，进而求得旋转率。

假设光纤环中两反向传输的相干光波为A1sin（t）和A2sin（t+），其中是光波的角频率，是两束光波间的相位，A1、A2分别为两束光波的振幅。

11/10/202211/10/2022图29是带有法拉第旋转其的光纤陀螺仪，BS1BS2是两个分束器，法拉第旋转器放置在光纤环路的一端，使它只对顺时针方向的光波有延迟作用，因此就改变了绕光纤环路传播的两束光波间的相对相位。

图图29带有法拉第带有法拉第旋转器的光纤陀螺旋转器的光纤陀螺11/10/2022光纤陀螺在常规的零光程差状态灵敏度随旋转率趋于零而光纤陀螺在常规的零光程差状态灵敏度随旋转率趋于零而趋于零，因为光腔正比于趋于零，因为光腔正比于，要在低旋转率下获得高灵敏度，要在低旋转率下获得高灵敏度，应在相位正交工作点应在相位正交工作点BB上上.如如3030所示，利用一个交替的偏置，引入所示，利用一个交替的偏置，