1、光纖傳感器光纖傳感器 光纖傳感器的原理結構及種類光纖傳感器的原理結構及種類 光的傳輸原理光的傳輸原理 光導纖維傳感器的類型光導纖維傳感器的類型 功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器 非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器 光纖傳感器的應用光纖傳感器的應用 光纖即光導纖維是光纖即光導纖維是20世紀世紀70年代的重要發明之一，它與激光器、年代的重要發明之一，它與激光器、半導體探測器一起構成新的光學技術，創造了光電子學新領域。半導體探測器一起構成新的光學技術，創造了光電子學新領域。光纖的出現產生了光纖通訊技術，特別是光纖在有線通訊網的光纖的出現產生了光纖通訊技術，特別是光纖在有線通訊網的優勢越來越突出，它

2、為人類優勢越來越突出，它為人類21世紀的通訊基礎世紀的通訊基礎-信息高速公信息高速公路奠定了基礎，為多媒體（符號、數字、語言、圖形和動態圖路奠定了基礎，為多媒體（符號、數字、語言、圖形和動態圖象）通信提供了實現的必須條件。象）通信提供了實現的必須條件。 光纖傳感器始于光纖傳感器始于1977年，經過數十年的研究，光纖傳感器取年，經過數十年的研究，光纖傳感器取得了十分重要的進展，對軍事、航天航空技術和生命科學等的得了十分重要的進展，對軍事、航天航空技術和生命科學等的發展起著十分重要的作用。發展起著十分重要的作用。 光纖傳感器與常規傳感器相比，有如下優點：光纖傳感器與常規傳感器相比，有如下優點：1.

3、具有很高的靈敏度。具有很高的靈敏度。2.頻帶寬動態范圍大。頻帶寬動態范圍大。3.光纖直徑只有幾微米到幾百微米；抗拉強度光纖直徑只有幾微米到幾百微米；抗拉強度為銅的為銅的17倍。而且光纖柔軟性好，可根據實際倍。而且光纖柔軟性好，可根據實際需要作好各種形狀，深入到機器內部或人體彎需要作好各種形狀，深入到機器內部或人體彎曲的內臟等常規傳感器不宜到達的部位進行檢曲的內臟等常規傳感器不宜到達的部位進行檢測。測。4.測量范圍很大，如測量物理量有：聲場、磁測量范圍很大，如測量物理量有：聲場、磁場、壓力、溫度、加速度、轉動、位移、液位、場、壓力、溫度、加速度、轉動、位移、液位、流量、電流、輻射等。流量、電流、

4、輻射等。5.抗電磁干擾能力強。光纖主要由絕緣材料抗電磁干擾能力強。光纖主要由絕緣材料組成，工作時利用光子傳輸信息，不怕電磁組成，工作時利用光子傳輸信息，不怕電磁場干擾；光波易于屏蔽，外界光的干擾也很場干擾；光波易于屏蔽，外界光的干擾也很難進入光纖。難進入光纖。6.光纖集傳感與信號傳輸于一體，利用它很光纖集傳感與信號傳輸于一體，利用它很容易構成分布式傳感測量，便于與計算機和容易構成分布式傳感測量，便于與計算機和光纖傳輸系統相連，易于實現系統的遙測和光纖傳輸系統相連，易于實現系統的遙測和控制。控制。7.可用于高溫、高壓、強電磁干擾、腐蝕等可用于高溫、高壓、強電磁干擾、腐蝕等各種惡劣環境。各種惡劣環

5、境。8.結構簡單、體積小、質量輕、耗能少。結構簡單、體積小、質量輕、耗能少。 光纖傳感器的原理結構及種類光纖傳感器的原理結構及種類 光纖傳感器的原理光纖傳感器的原理 光纖傳感器由光發送器、敏感元件、光接光纖傳感器由光發送器、敏感元件、光接收器、信號處理系統及光導纖維等主要部分組收器、信號處理系統及光導纖維等主要部分組成。成。 光纖傳感系統的基本原理是：光纖中光波光纖傳感系統的基本原理是：光纖中光波參數（如光強、頻率、波長、相位以及偏振態參數（如光強、頻率、波長、相位以及偏振態等）隨外界被測參數的變化而變化，所以，可等）隨外界被測參數的變化而變化，所以，可通過檢測光纖中光波參數的變化以達到檢測外

6、通過檢測光纖中光波參數的變化以達到檢測外界被測物理量的目的。界被測物理量的目的。光纖傳感器構成示意圖光纖傳感器構成示意圖 光纖的結構光纖的結構 光纖是一種傳輸光信息的導光纖維，主要光纖是一種傳輸光信息的導光纖維，主要由高強度石英玻璃、常規玻璃和塑料制成。由高強度石英玻璃、常規玻璃和塑料制成。 光纖由纖芯、包層、護套組成。光纖由纖芯、包層、護套組成。 光主要在纖芯中傳輸，光纖的導光能力主光主要在纖芯中傳輸，光纖的導光能力主要取決于纖芯和包層的折射率，纖芯的折要取決于纖芯和包層的折射率，纖芯的折射率射率n1稍大于包層的折射率稍大于包層的折射率n2，典型數值，典型數值是是n1=1.461.51，n2

7、=1.44-1.50. 光纖的種類光纖的種類 光纖按纖芯和包層材料性質分類，有玻光纖按纖芯和包層材料性質分類，有玻璃光纖和塑料光纖兩大類；按折射率分布璃光纖和塑料光纖兩大類；按折射率分布分類，有階躍折射率型和梯度折射率型；分類，有階躍折射率型和梯度折射率型；按傳播模式的多少分為單模光纖和多模光按傳播模式的多少分為單模光纖和多模光纖；按用途分為通信光纖和非通信光纖。纖；按用途分為通信光纖和非通信光纖。 1、按纖芯和包層材料性質分類，有玻璃光、按纖芯和包層材料性質分類，有玻璃光纖和塑料光纖兩大類纖和塑料光纖兩大類 1）高純度石英（）高純度石英（sio2）玻璃纖維，這種材）玻璃纖維，這種材料的光損耗

8、比較小。料的光損耗比較小。 2）多組分玻璃纖維，用常規玻璃制成，損）多組分玻璃纖維，用常規玻璃制成，損耗較小。耗較小。 3）塑料光纖，用人工合成導光塑料制成，）塑料光纖，用人工合成導光塑料制成，其損耗較大，但質量輕，成本低，柔軟性其損耗較大，但質量輕，成本低，柔軟性好，適用于短距離導光。好，適用于短距離導光。 2、按折射率分布分類，有階躍折射率型和梯度折射率型、按折射率分布分類，有階躍折射率型和梯度折射率型 1）階躍型光纖（折射率固定不變）：指纖芯和包層折）階躍型光纖（折射率固定不變）：指纖芯和包層折射率不連續的光纖。射率不連續的光纖。 2）梯度型光纖（纖芯折射率近似呈平方分布）：在中）梯度型

9、光纖（纖芯折射率近似呈平方分布）：在中心軸上折射率最大，沿徑向逐漸變小，界面處心軸上折射率最大，沿徑向逐漸變小，界面處 n1=n2，n1的分布大多按拋物線規律，其關系式為：的分布大多按拋物線規律，其關系式為： n1=n.(1-A.r2/2) n為纖芯中心折射率，如為纖芯中心折射率，如1.525 A為常數，如為常數，如A=0.5mm-2 r為徑向坐標為徑向坐標 采用梯度折射率光纖時，光射入光纖后會自動從界面向采用梯度折射率光纖時，光射入光纖后會自動從界面向軸心會聚，故也稱為自聚焦光纖。軸心會聚，故也稱為自聚焦光纖。 光纖的種類和光傳播形式光纖的種類和光傳播形式 3、按傳播模式的多少分為單模光纖和

10、多模光纖、按傳播模式的多少分為單模光纖和多模光纖 光波，本質上是一種電磁波，在纖芯內傳播的光波，光波，本質上是一種電磁波，在纖芯內傳播的光波，可以分解為沿軸向和截面傳輸的兩種平面波成分。沿截面可以分解為沿軸向和截面傳輸的兩種平面波成分。沿截面傳輸的平面波將會在纖芯與包層的界面處產生反射。如果傳輸的平面波將會在纖芯與包層的界面處產生反射。如果此波的每一個往復傳輸（入射和反射）的相位變化是此波的每一個往復傳輸（入射和反射）的相位變化是360的整數倍時，就可以在截面內形成駐的整數倍時，就可以在截面內形成駐 波，這樣的駐波，這樣的駐波光線組又稱為模。只有能形成駐波的那些以特定角度射波光線組又稱為模。只

11、有能形成駐波的那些以特定角度射入光纖的光，才能在光纖內傳播，在光纖內只能傳輸一定入光纖的光，才能在光纖內傳播，在光纖內只能傳輸一定數量的模。當光纖直徑很小（一般為數量的模。當光纖直徑很小（一般為5-10微米），只能微米），只能傳播一個模時，這樣的光纖稱為單模光纖；光纖直徑較大傳播一個模時，這樣的光纖稱為單模光纖；光纖直徑較大（通常為幾十微米以上），能傳播幾百個以上的模時，這（通常為幾十微米以上），能傳播幾百個以上的模時，這樣的光纖被稱為多模光纖。樣的光纖被稱為多模光纖。 每一個允許傳播的波稱為模式；只能傳播每一個允許傳播的波稱為模式；只能傳播一個光線模式的光纖稱為單模光纖；能傳一個光線模式的光

12、纖稱為單模光纖；能傳播許多光線模式的光纖稱為多模光纖；傳播許多光線模式的光纖稱為多模光纖；傳播速度最快的模稱為基模。播速度最快的模稱為基模。 單模光纖、多模光纖是當前光纖通信中技單模光纖、多模光纖是當前光纖通信中技術上最常用的光纖類型，統稱為普通光纖術上最常用的光纖類型，統稱為普通光纖維。維。 4、按用途分為通信光纖和非通信光纖、按用途分為通信光纖和非通信光纖 通信光纖：用于光通訊系統。實際使用中通信光纖：用于光通訊系統。實際使用中大多使用光纜，即多根光纖組成的線纜。大多使用光纜，即多根光纖組成的線纜。 非通信光纖：指特殊用途的非通訊光纖，非通信光纖：指特殊用途的非通訊光纖，主要有低雙折射率光

13、纖、高雙折射率光纖、主要有低雙折射率光纖、高雙折射率光纖、涂層光纖、多模梯度光纖、激光光纖、紅涂層光纖、多模梯度光纖、激光光纖、紅外光纖。外光纖。 光的傳輸原理光的傳輸原理 光的全反射定律光的全反射定律 光的全反射現象是研究光纖傳光原理的基礎。光的全反射現象是研究光纖傳光原理的基礎。 折射率：光線在真空中的傳播速度與光線在該介質中的折射率：光線在真空中的傳播速度與光線在該介質中的傳播速度之比。介質的折射率越高，則光線在該介質中傳傳播速度之比。介質的折射率越高，則光線在該介質中傳播得越慢。播得越慢。 當光線以較小的入射角當光線以較小的入射角1（1c，c為臨界角），為臨界角），由光密媒質（折射率由

14、光密媒質（折射率n1）射入光蔬媒質（折射率）射入光蔬媒質（折射率n2）時，）時，一部分光線被反射，另一部分光線折射入光蔬媒質，折射一部分光線被反射，另一部分光線折射入光蔬媒質，折射角角2滿足斯乃爾法則滿足斯乃爾法則 n1 sin1= n2 sin2 當加大入射角當加大入射角1，1c時，光不再產生折射，只有時，光不再產生折射，只有反射，就形成光的全反射現象。反射，就形成光的全反射現象。光線在臨界面上發生的內反射示意圖光線在臨界面上發生的內反射示意圖 光纖的傳光原理光纖的傳光原理 階躍型多模光纖中子午光線的傳播階躍型多模光纖中子午光線的傳播 只有在光纖端面一定入射角范圍內的光線才能在光纖內部只有在

15、光纖端面一定入射角范圍內的光線才能在光纖內部產生全反射而傳播出去。能產生全反射的最大入射角可以產生全反射而傳播出去。能產生全反射的最大入射角可以通過臨界角定義求得。通過臨界角定義求得。 n 0 sin= n1 sin1= n1 cos1= n1 (1-sin21)1/2 當在纖芯與包層產生全反射時當在纖芯與包層產生全反射時 光纖的數值孔徑（光纖的數值孔徑（NA）1-c，-c：sinc= n2/n1 n 0 sinc= n1（1-（n2/n1）2）1/2=（n12- n22）1/2 空氣折射率空氣折射率n 0=1，得數值孔徑，得數值孔徑NA： NA= sinc= =（n12- n22）1/2 數

16、值孔徑是衡量光纖集光性能的一個主要數值孔徑是衡量光纖集光性能的一個主要參數，它決定了能被傳播的光束的半孔徑參數，它決定了能被傳播的光束的半孔徑角的最大值角的最大值c，反映了光纖的集光能力。，反映了光纖的集光能力。無論光源發射功率多大無論光源發射功率多大,只有只有2c張角的光才張角的光才能被光纖接收能被光纖接收.一般石英光纖的一般石英光纖的NA=0.20.4。 光導纖維傳感器的類型光導纖維傳感器的類型 光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類 1按測量對象分類按測量對象分類 ：分為光纖溫度傳感器、光纖濃度：分為光纖溫度傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器。傳感器、光纖電流傳感器、光纖流

17、速傳感器。 2按光纖中光波調制的原理分類按光纖中光波調制的原理分類 ：分為強度調制型光：分為強度調制型光纖傳感器、相位調制型光纖傳感器、偏振調制型光纖傳感纖傳感器、相位調制型光纖傳感器、偏振調制型光纖傳感器、頻率調制型光纖傳感器、波長調制型光纖傳感器。器、頻率調制型光纖傳感器、波長調制型光纖傳感器。 3按光纖在傳感器中的作用分類按光纖在傳感器中的作用分類 ：分為功能型光纖傳：分為功能型光纖傳感器（感器（FF型，型，function fiber）和非功能型光纖傳感器（）和非功能型光纖傳感器（NFF型，型，non function fiber） 功能型和非功能型光纖傳感器功能型和非功能型光纖傳感器

18、 1功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器 功能型光纖傳感器主要使用單模光纖，它功能型光纖傳感器主要使用單模光纖，它是利用對外界信息具有敏感能力和檢測功能的是利用對外界信息具有敏感能力和檢測功能的光纖，構成光纖，構成“傳傳”和和“感感”合為一體的傳感器。它合為一體的傳感器。它是靠被測物理量調制和影響光纖的傳輸特性，是靠被測物理量調制和影響光纖的傳輸特性，把被測物理量的變化轉變為調制的光信號。可把被測物理量的變化轉變為調制的光信號。可以分為光強調制型、相位調制型、偏振態調制以分為光強調制型、相位調制型、偏振態調制型和波長調制型。型和波長調制型。功能型光纖傳感器的原理結構圖功能型光纖傳感器的原理結構圖

19、利用光纖在高電場下的泡克平斯效應的光利用光纖在高電場下的泡克平斯效應的光纖電壓傳感器；纖電壓傳感器； 利用光纖法拉第效應的光纖電流傳感器；利用光纖法拉第效應的光纖電流傳感器； 利用光纖微彎效應的光纖位移（壓力）傳利用光纖微彎效應的光纖位移（壓力）傳感器感器 光纖本身為敏感元件，加長光纖的長度可光纖本身為敏感元件，加長光纖的長度可提高傳感器的靈敏度；光纖的輸出端采用提高傳感器的靈敏度；光纖的輸出端采用光敏元件，它所接受的光信號便是被測量光敏元件，它所接受的光信號便是被測量調制后的信號，并使之轉變為電信號。調制后的信號，并使之轉變為電信號。 2非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器 在非功能型光纖傳

20、感器中，光纖不是敏在非功能型光纖傳感器中，光纖不是敏感元件，它只起到傳遞信號的作用。傳感感元件，它只起到傳遞信號的作用。傳感器信號的感受是利用光纖的端面或在兩根器信號的感受是利用光纖的端面或在兩根光纖中間放置光學材料、機械式或光學式光纖中間放置光學材料、機械式或光學式的敏感元件，感受被測物理量的變化。的敏感元件，感受被測物理量的變化。 非功能型分兩種：非功能型分兩種： 一種是把敏感元件置于發送、接受的光纖中間，在被測對一種是把敏感元件置于發送、接受的光纖中間，在被測對象參數作用下或使敏感元件遮斷光路，或使敏感元件的光象參數作用下或使敏感元件遮斷光路，或使敏感元件的光穿透率發生某種變化，受光的光

21、敏元件所接受的光量，便穿透率發生某種變化，受光的光敏元件所接受的光量，便成為被測對象參數調制后的信號。成為被測對象參數調制后的信號。 另一種是在光纖終端設置另一種是在光纖終端設置“敏感元件敏感元件+發光元件發光元件”組合體，組合體，敏感元件感知被測對象參數的變化，并將其轉變為電信號，敏感元件感知被測對象參數的變化，并將其轉變為電信號，輸出給發光元件（如輸出給發光元件（如LED），最后光敏元件以發光二極管），最后光敏元件以發光二極管LED的發光強度作為測量所得的信息。的發光強度作為測量所得的信息。h P143圖圖9.7 非功能型光纖傳感器敏感元件在中間原理結構非功能型光纖傳感器敏感元件在中間原理

22、結構圖圖 P143圖圖9.8 非功能型光纖非功能型光纖“敏感元件敏感元件+ 發光元件發光元件”組合體原組合體原理結構圖理結構圖 9.3.3 光纖傳感器的主要部件光纖傳感器的主要部件 1光源：一般采用半導體光源或半導體激光器，如砷光源：一般采用半導體光源或半導體激光器，如砷化鎵發光二極管和激光器。化鎵發光二極管和激光器。 2耦合器：其作用是使光源發出的光通量盡可能進入耦合器：其作用是使光源發出的光通量盡可能進入光纖，若不用耦合器，光的損耗會很大。光纖，若不用耦合器，光的損耗會很大。 3探測器探測器 ：它通過耦合器接收光信號并將其轉換為電：它通過耦合器接收光信號并將其轉換為電信號，再使電信號經信號

23、處理而輸出。但要注意光源、傳信號，再使電信號經信號處理而輸出。但要注意光源、傳輸光纖和光電探測器三者之間的光譜匹配。輸光纖和光電探測器三者之間的光譜匹配。 4連接器：用于光纖間對接的專門部件，通常是一個連接器：用于光纖間對接的專門部件，通常是一個三維可調的精密機械機構，目的是在盡可能減少光損失的三維可調的精密機械機構，目的是在盡可能減少光損失的條件下實現光纖間的連接。條件下實現光纖間的連接。 9.4 9.4 功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器 9.4.1 相位調制型光纖傳感器相位調制型光纖傳感器 1 1相位調制相位調制的原理的原理 由普通物理學知道，在一段長為由普通物理學知道，在一段長為L的單模

24、光纖（纖芯折射率的單模光纖（纖芯折射率n1）中，波長為中，波長為l l的輸出光相對于輸入端來說，其相位角的輸出光相對于輸入端來說，其相位角f f為為 當光纖受到外界物理量的作用時，則光波的相位角變化為當光纖受到外界物理量的作用時，則光波的相位角變化為 這樣，就可以應用光的相位檢測技術測量出溫度、壓力、加速度、這樣，就可以應用光的相位檢測技術測量出溫度、壓力、加速度、電流等物理量。電流等物理量。 干涉測量儀的基本原理干涉測量儀的基本原理：光源的輸出光都被分束器（棱鏡或：光源的輸出光都被分束器（棱鏡或低損耗光纖耦合器）分成光功率相等的兩束光（也有的分成幾束低損耗光纖耦合器）分成光功率相等的兩束光（

25、也有的分成幾束光），并分別耦合到兩根或幾根光纖中去。在光纖的輸出端再將這光），并分別耦合到兩根或幾根光纖中去。在光纖的輸出端再將這些分離光束匯合起來，輸到一個光電探測器，這樣在干涉儀中就可些分離光束匯合起來，輸到一個光電探測器，這樣在干涉儀中就可以檢測出相位調制信號。因此，相位調制型光纖傳感器實際上為一以檢測出相位調制信號。因此，相位調制型光纖傳感器實際上為一光纖干涉儀，故又稱為干涉型光纖傳感器。光纖干涉儀，故又稱為干涉型光纖傳感器。12 n Lfl111L122 LnLL nnnfll ()() 2 2應用舉例應用舉例 若傳感光纖受物理量的作若傳感光纖受物理量的作用，則光纖的長度、直徑和折用

26、，則光纖的長度、直徑和折射率將會發生變化，將會引起射率將會發生變化，將會引起傳播光的相位角也發生變化。傳播光的相位角也發生變化。 如果在傳感光纖和參考光如果在傳感光纖和參考光纖的匯合端放置一個光電探測纖的匯合端放置一個光電探測器，就可以將合成光強的強弱器，就可以將合成光強的強弱變化轉換成電信號大小的變化，變化轉換成電信號大小的變化，如圖如圖9.10所示。所示。 圖9.9 測量壓力或溫度的相位調制型光纖傳感器原理圖 圖9.10 輸出光電流與光相位變化的關系 9.4.2 光強調制型光纖傳感器光強調制型光纖傳感器 光強調制型光纖傳感器的工作原理是利用外界因素改變光纖中光的光強調制型光纖傳感器的工作原

27、理是利用外界因素改變光纖中光的強度，通過檢測光纖中光強的變化來測量外界的被測參數，即強度調制。強度，通過檢測光纖中光強的變化來測量外界的被測參數，即強度調制。 1 1微彎損耗光強調制微彎損耗光強調制 圖9.11 微彎損耗光強調制器及其傳感器 2 2臨界角光纖壓力傳感器臨界角光纖壓力傳感器 臨界角光纖傳感器也是一種光強調制型傳感器。臨界角臨界角光纖傳感器也是一種光強調制型傳感器。臨界角j jc由由纖芯折射率纖芯折射率n1和光纖端部介質的折射率和光纖端部介質的折射率n3決定，決定， 當被測介質壓力（或溫度）變化時，將使纖芯的折射率當被測介質壓力（或溫度）變化時，將使纖芯的折射率n1和和介質的折射率

28、介質的折射率n3發生不同程度的變化，引起臨界角發生改變，返發生不同程度的變化，引起臨界角發生改變，返回纖芯的反射光強度也隨之發生變化。基于這一原理，有可能設回纖芯的反射光強度也隨之發生變化。基于這一原理，有可能設計出一種微小探針型壓力傳感器。計出一種微小探針型壓力傳感器。 2c1arcsinnnnj圖9.13 臨界角光強調制型光纖傳感器9.5 9.5 非功能型光纖傳非功能型光纖傳感器感器 非功能型光纖傳感器主要是光強調制型。按照敏感元件對光強調非功能型光纖傳感器主要是光強調制型。按照敏感元件對光強調制的原理，又可以分為傳輸光強調制型和反射光強調制型。制的原理，又可以分為傳輸光強調制型和反射光強

29、調制型。 9.5.1 遮斷光路的光強調制型光纖傳感器遮斷光路的光強調制型光纖傳感器 圖9.14 用于油庫的雙金屬片光纖溫度傳感器 9.5.2 改變光纖相對位置的光強調制型光纖傳感器改變光纖相對位置的光強調制型光纖傳感器 受抑全內反射光纖壓力傳感器是利用改變光纖軸向相對位置對光強進行調制受抑全內反射光纖壓力傳感器是利用改變光纖軸向相對位置對光強進行調制的一個典型例子。的一個典型例子。 圖9.18 受抑全內反射光纖壓力傳感器 圖9.17 透射光強與光纖間隙距離的關系 圖9.16 受抑全內反射光纖壓力傳感器原理圖 9.6 9.6 光纖傳感器的應用光纖傳感器的應用 9.6.1 光纖微位移測量傳感光纖微位移測量傳感器器 圖圖9.19所示為測量微位移的所示為測量微位移的Y形光纖傳形光纖傳感器的原理示意圖，其中一根光纖表示傳感器的原理示意圖，其中一根光纖表示傳輸入射光線，另一根表示傳輸反射光線。輸入射光線，另一根表示傳輸反射光線。傳感器與被測物的反射面的距離在傳感器與被測物的反射面的距離在04.0mm之間變化時，可以通過測量顯示電之間變化時，可以通過測量顯示電路將距離顯示出來，測量顯示電路如圖路將距離顯示出來，測量顯示電路如圖9.20所示。所示。 圖9.1