第7章光纖傳感檢測技術關于光纖傳感器：從原理上看，以光學技術為基礎，將測量對象的狀態變成光信號的形式取出；從材料上看以石英為主，適于在高電壓、電磁干擾、海水下以及化學腐蝕氣氛等環境條件下使用。2.光纖是優越的低損耗傳輸線，使用時可不必考慮測量設備與被測對象的相對位置，可用于一般電子傳感器難以適應的場合。3.光纖傳感器與光電檢測器件、電子裝置有良好的兼容。光纖有很多的優點，用它制成的光纖傳感器（FOS）與常規傳感器相比也有很多特點：抗電磁干擾能力強、高靈敏度、耐腐蝕、可撓曲、體積小、結構簡單、以及與光纖傳輸線路相容等。光纖傳感器可應用于位移、振動、轉動、壓力、彎曲、應變、速度、加速度、電流、磁場、電壓、濕度、溫度、聲場、流量、濃度、pH值等70多個物理量的測量，且具有十分廣泛的應用潛力和發展前景。7.1光纖傳感器的基礎一、光纖波導原理斯涅爾(Snell)定律臨界角存在的問題：表面污染引起能量損耗解決方案：完整光纖模型：光線由折射率為n0的外界介質(空氣n0=1)射入纖芯時實現全反射的臨界角(始端最大入射角)為NA——定義為“數值孔徑”。它是衡量光纖集光性能的主要參數。光纖運動路徑不同，使得光脈沖沿光纖展寬——色散改善方法：階躍光纖梯度光纖速度補償二、光纖的特性與分類1.階躍光纖梯度光纖2.損耗①吸收損耗：紫外吸收、紅外吸收、雜質吸收②散射損耗：瑞利（Rayleigh）散射、拉曼（Raman）散射瑞利散射菲涅耳反射③其它損耗：菲涅耳（Fresnel）反射3.其它分類方式按纖芯和包層材料性質分類：玻璃光纖塑料光纖按傳輸模式分類：單模光纖多模光纖按用途分類：通信光纖特殊光纖低雙折射光纖高雙折射光纖涂層光纖液芯光纖激光光纖紅外光纖三、光纖傳感器分類光纖傳感器一般可分為兩大類：①功能型傳感器(FunctionFiberOpticSensor)，又稱FF型光纖傳感器利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件，所以又稱傳感型光纖傳感器。②非功能傳感器(Non-FunctionFiberOpticSensor)，又NF型光纖傳感器利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質，用以傳輸來自遠處或難以接近場所的光信號，因此，也稱傳光型光纖傳感器。

光纖傳感器分類四.光纖傳感器的發展趨勢1.當前應以傳統傳感器無法解決的問題作為光纖傳感器的主要研究對象。2.集成化光纖傳感器。3.多功能全光纖控制系統。4.充分發揮光纖的低傳輸損耗特性，發展遠距離監測系統。5.開辟新領域。7.2光纖的光波調制技術光的調制和解調可分為：強度、相位、偏振、頻率和波長等方式。光的調制過程就是將一攜帶信息的信號疊加到載波光波上；完成這一過程的器件叫做調制器。在光纖傳感器中，光的解調過程通常是將載波光攜帶的信號轉換成光的強度變化，然后由光電探測器進行檢測。一、強度調制與解調光纖傳感器中光強度調制是被測對象引起載波光強度變化，從而實現對被測對象進行檢測的方式。光強度變化可以直接用光電探測器進行檢測。強度調制與解調原理圖當垂直于光纖軸線的應力使光纖發生彎曲時，傳輸光有一部分會泄漏到包層中去。1.幾種常用的光強調制技術（1）微彎效應（2）反射式光強度調制光強大小與光纖端面和被測物體間距離有關探頭結構（3）透射式光強度調制利用透射實現的光強度調制途徑：①線性位移、角位移②利用光閘（遮光板）進行強度調制光閘類型：光開關、光劈、可動透鏡、光柵、莫爾條紋

利用折射不同進行光強度調制的原理包括：①利用被測物理量引起傳感材料折射率的變化；②利用漸逝場耦合；③利用折射率不同的介質之間的折射與反射。（4）利用折射率變化的光強度調制（5）光纖的吸收實現光強度調制

在光纖芯中摻入特殊材料，改變光纖的吸收特性。如摻入產生吸收光譜的材料，由于光纖的吸收損耗的增大導致輸出功率的降低；或摻入產生熒光的雜質，利用外來輻射激發光纖，檢測熒光。2.強度調制的解調強度調制型光纖傳感器的關鍵是信號功率與噪聲功率之比要足夠大功率信噪比信號電流光信號噪聲電流光電檢測器噪聲電流前置放大器輸入端等效電阻熱噪聲電流PL

總光功率Ps

信號功率利用外來因素改變光的偏振特性，通過檢測光的偏振面的旋轉（即偏振態的變化）來檢測物理量，稱為偏振調制。二、偏振調制與解調光波是橫波。自然光線偏振光（平面偏振光）圓偏振光橢圓偏振光部分偏振光光纖傳感器中的偏振調制器常利用電光、磁光、光彈等物理效應。當壓電晶體受光照射并在其正交方向上加以高電壓，晶體將呈現雙折射現象——普克耳效應。1.調制原理

（1）普克耳（Pockels）效應兩正交的偏振光的相位變化：普克耳效應的應用平面偏振光通過帶磁性的物體（或磁場）時，其偏振光面發生偏轉，光矢量旋轉角：（2）法拉第磁光效應法拉第磁光旋轉是一種磁感應旋光性費爾德常數，表征法拉第效應的大小H：磁場強度L：作用距離采用YIG的光學式磁場傳感器（3）光彈效應光彈效應又稱應力雙折射：在垂直于光波傳播方向施加應力，材料將產生雙折射現象，其強弱正比于應力。偏振光的相位變化：三、相位調制與解調基本原理：通過被測能量場的作用，使能量場中的一段敏感單模光纖內傳播的光波發生相位變化，利用干涉測量技術把相位變化變換為振幅變化，再通過光電探測器進行檢測。相位調制技術實質上是產生光波相位變化的物理機制和光的干涉技術的綜合應用。☆壓力、張力和溫度等外因能直接改變光纖波導的長度、折射率及其分布以及波導的橫向幾何尺寸等，若這些波導參數發生變化，則必然發生光波的相位變化，從而實現了光纖的相位調制。（1）邁克爾遜干涉儀1.實現干涉測量的儀器特點：沒有或很少有光返回到激光器。

返回到激光器的光會造成激光器的不穩定噪聲，對干涉測量不利。（2）馬赫－澤德爾（Mach-Zehnder）干涉儀兩束光均形成傳播方向相反的閉合光路，并在分束器上會合，送入光探測器。（3）塞格納克（Sagnac）干涉儀

當把這種干涉儀裝在一個可繞垂直于光束平面軸旋轉的平臺上時，若平臺以角速度Ω順時針旋轉，則在順時針方向傳播的光較逆時針方向傳播的光有相位延遲：（4）法布里—帕羅（Fabry-Perot）干涉儀根據多光束干涉原理，探測器探測到干涉光強度的變化：☆多光束干涉2.四種類型光纖干涉儀結構目前主要是利用光學多普勒效應實現頻率調制。四、頻率調制與解調頻率調制時光纖往往只起傳輸光信號的作用，而不作為敏感元件。f1f2解調原理同相位調制的解調。（外差檢測）7.3光纖傳感器實例一、光纖位移傳感器1.反射式光纖位移傳感器利用2個探頭獲得的平均輸出可以提供靈敏度，并可獲得目標移動方向的信息兩探頭置于目標同側兩探頭置于目標兩側光纖液位傳感器

基于全反射原理2.集成光學微位移傳感器半導體的吸收光譜與材料的Eg有關，而Eg卻隨溫度的不同而不同。Eg與溫度t的關系可表示為：t↑Eg

↓即本征吸收波長λg∝t二、光纖溫度傳感器1.半導體光吸收型光纖溫度傳感器相對發光強度透射率LED發光光譜半導體透射率T1<T2<T3T3T1T2波長透射光強度將隨著溫度的升高而減小，通過檢測透射光的強度或透射率，即可檢測溫度變化。2.熱色效應光纖溫度傳感器熱色效應：自然界有很多無機溶液的顏色隨溫度升降而變化，因此溶液的光吸收譜線也隨溫度升降而變化。(CH3)3CHOH+CoCl33.開關型光纖溫度傳感器1234水銀柱式光纖溫度開關1浸液；2自聚焦透鏡；3光纖；4水銀采用各種與溫度有關的遮斷機構和材料（可以是石蠟、鐵氧體及水銀柱）響應時間長，適用于火災報警及溫度設備監視系統熱雙金屬式光纖溫度開關1遮光板；2雙金屬片接收光源12當溫度升高時，雙金屬片的變形量增大，帶動遮光板在垂直方向產生位移從而使輸出光強發生變化。4.遮光式光纖溫度傳感器5.其它類型的溫度傳感器①光纖輻射溫度傳感器②熒光輻射溫度傳感器③光纖液體溫度傳感器④光纖偏振溫度傳感器利用硅的旋光性隨溫度調制的偏振傳感器⑤相位調制型光纖溫度傳感器如馬赫－澤德爾光纖溫度傳感器三、光纖角速度傳感器（光纖陀螺）物理基礎：賽格納克效應傳輸時間：N匝光纖，且A=πR2：則相移：四、光纖壓力（振動）傳感器1.光纖壓力（振動）傳感器優點：體積小，抗電磁和射頻干擾好，精度高，非接觸性測量①透射式（或反射式）光纖壓力（振動）傳感器膜片反射式光纖壓力傳感器光源接收Y形光纖束殼體P彈性膜片Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器如圖。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當膜片受壓變形時，使光纖束與膜片間的距離發生變化，從而使輸出光強受到調制。②微彎式光纖壓力傳感器亮場檢測2.光纖水聽器原理：當光纖上加以周期性的微彎曲引起的擾動時，光纖內的光傳輸損耗將根據所施加的壓力而產生十分靈敏的變化。3.光纖加速度傳感器框架的縱向振動會使重物位移而導致光纖伸縮，這種變化可以以光的傳輸時間變化即相位變化的形式加以觀察五、光纖電流、電壓傳感器由于光纖本身是很好的絕緣體，采用光纖傳感技術檢測電流、電壓不受外界電磁干擾，有利于保護整個系統1.光纖電流傳感器2.光纖電壓傳感器偏振調制型當晶體放在被測電壓（或電場）位置，由于單晶體的折射率系數發生變化，導致單晶體發生附加線性雙折射相位調制型光纖磁場傳感器光纖放射性射線傳感器光纖光譜傳感器光纖圖像傳感器……六、其它類型光纖傳感器7.4分布式光纖傳感器隨著光纖傳感技術的發展和應用的日益廣泛，僅僅依靠單點式測量，已難以滿足需求，并且不能充分發揮光纖傳感器的技術優勢。☆分布式傳感器一般是指：具有一個公共數據通道并能與控制中心實施通信聯絡的傳感器網絡。一、概述☆分布式光纖傳感器測量是運用光纖的一維特性進行測量的技術，可同時獲得被測量的空間分布狀態和隨時間變化的信息。它可以在整個光纖上對沿光纖分布的環境參數進行連續測量。在理論上，它可以把被測量作為光纖位置長度的函數，能得到任意大小的分辨率。1、反射法：利用光纖在外部擾動作用下產生的Reyleigh

、Raman、Brillouin等效應進行測量的方法。二、分布式光纖傳感器主要技術測量沿光纖長度上的基本損耗或散射(1)光時域反射法

OpticalTime-DomainReflectometry（OTDR）基于瑞利散射或拉曼散射的原理(2)偏振光時域反射法(POTDR)利用后向散射光的偏振態信息進行分布式測量的技術2、波長掃描法(WLS)用白光照射保偏光柵，運用快速Fourier算法來確定模式耦合系數的分布。3、干涉法利用各種形式的干涉裝置把被測參量對干涉光路中光波的相位調制進行解調，從而得到被測參量信息的方法。4、連續波調頻法（FMCW）光纖光柵的制作原理：利用光纖材料的光敏性，即外界入射光子和纖芯相互作用而引起后者折射率的永久性變化，用紫外激光直接寫入法在單模光纖（直徑為0.125mm～0.25mm）的纖芯內形成的空間相位光柵，其實質是在纖芯內形成一個窄帶的濾光器或反射鏡。其制作方法如下圖所示：制作完成后的光纖光柵相當于在普通光纖中形成了一段長度為10mm左右的敏感區，可以準確感測溫度、應力的變化。三、光纖光柵傳感器光纖光柵屬于反射型工作器件，當光源發出的連續寬帶光通過傳輸光纖射入時，它與光場發生耦合作用，對該寬帶光有選擇地反射回相應的一個窄帶光，并沿原傳輸光纖返回；其余寬帶光則直接透射過去。光纖光柵的測量原理光纖光柵傳感技術特點全光型高精度組網靈活實時性好兼容性強智能材料－航空、航天領域的應用采用