第六章光纖傳感器

光纖陀螺傳統方法進行多點監測N個傳感單元N條信號傳輸線,N

次校準分布式光纖傳感器光纖光柵傳感器6.1技術基礎光纖傳感器（OpticalFiberSensor）是利用光纖技術和有關光學原理，將被測量變化轉換成可用輸出信號的傳感器。光纖傳感技術內涵光為信息載體、光纖為傳感或傳輸手段探測光波一種或多種屬性的變化：

強度、波長、相位、偏振等多學科融合的新一代傳感技術光纖傳感的核心技術

新型光敏材料是研發新一代光纖傳感技術的基礎

新型器件加工制備是推動光纖傳感技術發展的關鍵

多種技術集成是實現光纖傳感技術產業化的要求光纖傳感技術特點6.1.1光纖結構和類型1.光纖結構光纖（OpticalFiber）由纖芯、包層和護套三部分組成。單模光纖多模光纖稀土摻雜光纖保偏光纖雙包層光纖雙芯光纖光子晶體光纖光敏光纖塑料光纖。。。。。光纖歷史2.光纖類型⑴突變型多模光纖（Step-IndexFiber，SIF）⑵漸變型多模光纖（Graded-IndexFiber，GIF）⑶單模光纖（Single-ModeFiber，SMF）6.1.2光纖傳輸原理

一、幾何光學方法⑴當θ<θc時⑵當θ=θc時 折射角為90°⑶當θ>θc時數值孔徑NA: 臨界角θc的正弦值。斜射光線的傳播

二、波動光學理論

1.光波表述方程2.波動方程和電磁場表達式將上式在圓柱坐標中展開，得到電場的z分量的波動方程為：

3.模式求解方程的數值計算結果如圖所示橫坐標的V稱為歸一化頻率，圖中每一條曲線表示一個傳輸模式的β隨V的變化。低階模式和相應的V值范圍見表所示。

1）導模導模的結構有三種形式：⑴橫電模電場強度矢量集中在光纖橫截面上，在縱軸方向上無電場強度分量，只有磁場強度分量。⑵橫磁模磁場強度矢量集中在光纖橫截面上，在縱軸方向上無磁場強度分量，只有電場強度分量。⑶混合模2）漏模漏模的場分布特點是：在纖芯內為傳播場的光波，其場功率可透過一定厚度的“隧道”泄漏到包層之中。3）輻射模輻射模在纖芯和包層之中均為傳播場，光纖失去了對光波場功率的限制作用。6.1.3光纖的傳輸特性1.光纖色散模式色散材料色散波導色散2.光纖損耗⑴吸收損耗⑵散射損耗⑶光纖輻射損耗損耗曲線

大曲率半徑彎曲：是曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲（如在敷設時）。大曲率半徑的彎曲光纖比直光纖中傳輸的模數量要少，有一部分模輻射到光纖外引起損耗。微彎曲：光纖微彎曲將使光纖中產生模式耦合，耦合模不能在纖芯中傳播，而將泄漏到包層中去，從而造成能量的輻射損耗。6.1.4光纖傳感器的結構與分類一、光纖傳感器的結構光纖傳感器由光發送器、敏感元件、光接收器、信號處理系統以及光纖構成。光的電矢量E的振動特性：式中：A為電場E的振幅矢量；ω為光波的振動頻率；φ為光波的相位；t為光的傳播時間。二、光纖傳感器的分類1.根據光纖在傳感器中的作用分類⑴功能型（全光纖型）光纖傳感器⑵非功能型(或稱傳光型)光纖傳感器⑶拾光型光纖傳感器2.根據光受被測對象的調制形式分類

傳感器光學現象被測量光纖強度調制光纖傳感器遮光板遮斷光路溫度、振動、壓力、加速度、位移多模半導體透射率的變化溫度多模熒光輻射、黑體輻射溫度多模光纖微彎損耗振動、壓力、加速度、位移多模振動膜或液晶的反射振動、壓力、位移多模氣體分子吸收氣體濃度多模光纖泄漏膜液位多模相位調制光纖傳感器干涉（磁致伸縮）電流、磁場單模、偏振保持干涉（電致伸縮）電場、電壓單模、偏振保持Sagnac效應角速度單模、偏振保持光彈效應振動、壓力、加速度、位移單模、偏振保持干涉溫度單模、偏振保持偏振調制光纖傳感器法拉第效應電流、磁場單模泡克爾斯效應電場、電壓多模雙折射變化溫度單模光彈效應振動、壓力、加速度、位移多模頻率調制光纖傳感器多普勒效應速度、流速、振動、加速度多模受激喇曼散射氣體濃度多模光致發光溫度多模6.2強度調制型光纖傳感器定義：強度調制型光纖傳感器是利用外界因素改變光纖中光的強度，通過測量光強的變化來測量外界物理量。類型：內調制：光膜式外調制：反射式、透射式、折射率和吸收系數內調制型：也稱為光模式強度調制，利用的是光纖的微彎損耗。微彎損耗：當光纖之間的狀態發生變化時，會引起光纖中的模式耦合，其中有些導波模變成了輻射模，從而引起損耗。6.2.1.內調制型光纖傳感器光纖微彎壓力傳感器原理圖

光纖的微彎變型函數：式中：D(t)為為外界信號導致的彎曲幅度；z為變形點到光纖入射端的距離；f為與波紋周期間隔Λ對應的空間頻率。

微彎損耗系數α的一階近似表達式式中：K為比例系數；L為光纖產生微彎變形部位的長度；Δβ為光纖中光波傳播常數差。⑴α與光纖波狀彎曲幅度D(t)的平方成正比，即光纖微彎幅度越大，模式耦合越嚴重，光能輻射越強，損耗越大。⑵α與光纖微彎部位長度L成正比，發生微彎的部位越長，耦合越嚴重，但不如微彎幅度影響顯著。⑶α隨光纖微彎周期(或空間頻率)而變化，當f=Δβ時產生諧振，微彎損耗最大，即調制最靈敏。相位匹配條件為：光纖的最佳微彎周期為：⑴對于階躍折射率分布光纖，g=∞，有

⑵對于漸變折射率分布光纖，g=2，有：6.2.2外調制型光纖傳感器反射式強度調制透射式強度調制折射率強度調制光吸收系數強度調制一、反射式強度調制反射式強度調制型光纖傳感器的特點：⑴結構簡單、應用范圍廣。⑵RIM-FOS光強調制系數不但與光纖到反射面的距離、反射面的斜度有關，而且與光纖的數值孔徑(NA)、芯徑、光纖的數目及端面排列方式等密切相關，其光強調制特性的數學建模比較復雜。⑶抗干擾能力差。環境光干擾、光源的功率波動、光纖的特性變化、被測面的反射率變化等是影響傳感器精度和穩定性的主要因素。雙光路強度檢測系統二、透射式強度調制⑴動光纖式光強度調制結構⑵遮光屏截斷光路法。三、折射率強度調制利用光纖折射率的變化引起傳輸波損耗變化；利用折射率的變化引起漸逝波耦合度變化；利用折射率變化引起光纖光強反射系數改變。

1.光纖折射率變化型2.漸逝場型光在某一界面發生全反射時，在光疏介質中仍存在電磁場，其強度按指數規律迅速衰減，透射深度一般約為幾個波長，這種現象稱為漸逝場。⑴受抑全反射光纖傳感器⑵衰減全反射光纖傳感器⑶功能型漸逝場光纖傳感器3.反射系數型當被測量引起介質折射率發生化時，光纖或其它光學元件(如棱鏡)的反射端面的反射系數隨被測參數而變化，反射光強發生相應變化。四、光吸收系數強度調制1.利用光纖的吸收特性進行強度調制2.利用半導體的吸收特性進行強度調制6.2.3強度調制型光纖傳感器的信號檢測微彎傳感器的系統構成(亮場)微彎傳感器的系統構成(暗場)應用一：微彎光纖高壓傳感器

微彎傳感器陣列(暗場)6.3相位調制型光纖傳感器應力應變效應溫度應變效應Sagnac效應等1.應力應變效應6.3.2光纖相位調制機理1.應力應變效應

式中：對于石英材料制成的，可視為均勻、各向同性的介質。3個基本軸方向的折射率ni

都可近似為n有：

⑴縱向應變引起的相位變化⑵徑向應變引起的相位變化⑶彈光效應引起的相位變化⑷一般形式的相位變化對于單模光纖，m=1；單模石英光纖由泊松效應引起的相位變化約為總量的0.026%

其中：2.溫度效應3.薩古納克（Sagnac）效應

⑴環形光路的情況根據相對論式中：C為真空中的光速；V為介質運動的速度相位調制方法6.3.2基于光纖相位調制的干涉測量光纖邁克爾遜干涉儀馬赫—澤德干涉儀薩古納克干涉儀法布里—泊羅干涉儀應用一（相位調制）、光纖陀螺

應用二：溫度檢測應用：熒光光纖溫度傳感器

應用三、懸臂梁測試裝置

6.4偏振調制型光纖傳感器

⑴法拉第效應原理

直線方向輻射的極化光射入置于磁場中的光敏感器，此磁場的磁場強度H的方向與極化光相并行。當極化光在光敏感器行徑一段距離L后到達光敏感器出口時，會偏轉一角度。此偏轉角的大小與磁場強度H成正比

應用：光纖電流傳感器

利用電磁感應原理測量電流構成：包括高壓側部分，光纖傳輸部分和低壓側部分

利用磁致伸縮效應測量電流原理：利用法拉第效應（FaradayEffect）測量電流ABB公司：光纖電流傳感器測量高達500KA電流，精度為±0.1%⑵基于泡克耳斯效應的偏振調制光纖傳感器

系統圖

6.5光纖傳感器的應用一、分布式光纖傳感技術利用光波在光纖中傳輸的特性，可沿光纖長度方向連續的傳感被測量（如溫度、壓力、應力和應變等）光纖既是傳感介質，又是被測量的傳輸介質。優點：可在很大的空間范圍內連續的進行傳感，是其突出優點。傳感和傳光為同一根光纖，傳感部分結構簡單，使用方便。與點式傳感器相比，單位長度內信息獲取成本大大降低，性價比高。分布式光纖傳感器的特征參量空間分辨率指分布式光纖傳感器對沿光纖長度分布的被測量進行測量時所能分辨的最小空間距離。時間分辨率指分布式光纖傳感器對被測量監測時，達到被測量的分辨率所需的時間。被測量分辨率指分布式光纖傳感器對被測量能正確測量的程度。以上三個分辨率之間有相互制約的關系。102典型的分布式光纖傳感器⑴相位調制型傳感器Mach-Zehnder干涉式傳感器Sagnac干涉式傳感器⑵散射型傳感器布里淵散射型光纖傳感器拉曼散射型光纖傳感器103(1)M-Z干涉型光纖傳感器用作分布式振動傳感隨機干擾干涉臂相位的隨機變化干涉儀輸出功率的隨機變化以M-Z干涉儀作為周界監控系統時，入侵事件出現將導致接收信號功率的變化105M-Z干涉型光纖傳感器的信號處理信號處理的目標——1).對干擾事件進行定性通過解調獲得干擾臂的相位變化，進而根據相位變化情況分析干擾產生原因。107利用3*3耦合器解調原理圖通過順時針和逆時針傳輸的相位受干擾光信號到達A點和B點的時延差可計算出產生干擾的位置。A點和B點分別對應M-Z干涉儀兩個耦合器的位置。P點是干擾發生的位置使用時使干涉儀兩臂中同時存在順時針和逆時針傳輸的光108信號處理的目標——2).對干擾事件進行定位（適用于周界監控及管道監控等應用）耦合器C2和C3構成M-Z干涉儀在計算機中對PD1和PD2接收到的光信號進行互相關計算，就可以獲得干擾出現的時延差，繼而實現干擾定位利用M-Z干涉儀進行分布式傳感的系統結構圖109(2)光纖SAGNAC干涉型分布式傳感器激光器發出的光經耦合器分為兩束分別耦合進由同一光纖構成的光纖環中，沿相反方向傳輸，并于耦合器處再次發生干涉。當傳感光纖沒有受到干擾時，干涉現象趨于穩定；受到外界干擾時，正反向兩光束會產生不同的相移，并于耦合器處發生干涉，干涉信號的光強與干擾發生位置具有一定關系。R1R2

Sagnac干涉儀的另一個典型應用是光纖陀螺，即當環形光路有轉動時，順逆時針的光會有非互易性的光程差，可用于轉動傳感111光纖SAGNAC干涉型分布式傳感器定位原理當干擾源信號是正弦信號（或形如正弦信號）時，接收信號的功率幅值為零點頻率發生在

干擾源位置R1與第N個零頻之間的關系為通過分析接收光信號的零頻點位置即可獲得干擾源的位置（上）有干擾時光強信號的理論計算值（下）實驗值113BOTDR——定位原理對一定頻譜范圍連續不斷的進行循環掃描，獲得各個時間段上的光譜，并將時間與位置相對應，即可獲得沿光纖各位置處的布里淵頻譜圖，并獲得異常的布里淵頻移量和散射光功率。114BOTDR——優缺點優點：1.連續分布式測量溫度和應變

2.高溫度和應變分辨率

4.高空間分辨率

5.超長傳感范圍(超過80公里)

6.同一根光纖既可用于傳感，也可用于通信缺點：需要激光器的輸出穩定、線寬窄，對光源和控制系統的要求很高；由于自發布里淵散射相當微弱（比瑞利散射約小兩個數量級），檢測比較困難，要求信號處理系統具有較高的信噪比;由于在檢測過程中需進行大量的信號加法平均、頻率的掃描等處理,因而實現一次完整的測量需較長的時間,實時性不夠好。115檢測30km光纖沿線的應變，空間分辨力可達1m。應變精度:20μe(0.002%)溫度精度:1°C取樣時間:20s至5min(典型值：2min)116（3）ROTDR——光時域拉曼散射光纖傳感器拉曼散射產生機理：在任何分子介質中，光通過介質時由于入射光與分子運動相互作用會引起的頻率發生變化的散射，此過程為拉曼散射量子力學描述：分子吸收頻率為V0的光子，發射V0-Vi的光子，同時分子從低能態躍遷到高能態（對應斯托克斯光）；分子吸收頻率為V0的光子，發射V0+Vi的光子，同時分子從高能態躍遷到低能態（反斯托克斯光）。118ROTDR——傳感原理拉曼散射由分子熱運動引起，所以拉曼散射光可以攜帶散射點的溫度信息。反斯托克斯光的幅度強烈依賴于溫度，而斯托克斯光則不是。則通過測量斯托克斯光與反斯托克斯光的功率比，可以探測到溫度的變化。由于自發拉曼散射光一般很弱，比自發布里淵散射光還弱10dB，所以必須采用高輸入功率，且需對探測到的后向散射光信號取較長時間內的平均值。此方法上世紀80年代就已被提出，并商用化。119ROTDR——傳感原理基于自發拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器原理光纖中自發拉曼散射的反斯托克斯光與溫度緊密相關。常溫下(T=300K)其溫敏系數為8‰/℃。采用反斯托克斯與斯托克斯比值的分布式光纖溫度測量，其結果消除了光源波動、光纖彎曲等因素的影響，只與沿