光纤传感器光纤传感优点：灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可桡性、可实现不带电的全光型探头；频带宽动态(dngti)范围大；可构成传感不同物理量的传感器；便于与计算机和光纤传输系统相连,易于实现系统的遥测和控制可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境；结构简单、体积小、重量轻、耗能少应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。上一页下一页返 回 光纤传感器始于1977年，经过几十年，目前已进入研究与应用(yngyng)并重阶段。第1页/共68页第一页，共69页。第6章光纤传感器6.1 光纤的传光原理与特性6.2 传输(chun sh)光的调制技术6.3 强度调制光纤传感器6.4 相位调制光纤传感器上一页下一页返 回第2页/共68页第二页，共69页。6.1光纤的传光原理(yunl)与特性6.1.1 光纤的结构6.1.2 光纤的分类(fn li)6.1.3 光纤的传光原理6.1.4 光纤的传光特性上一页下一页返 回第3页/共68页第三页，共69页。6.1.1光纤的结构(jigu)上一页下一页返 回光导纤维简称光纤，它是用直径为微米级的石英(shyng)级的石英(shyng)玻璃制成的。每根光纤由一个圆柱形的内芯和包层组成，内芯的折射率略大于包层的折射率。第4页/共68页第四页，共69页。上一页下一页返 回多层介质结构：1.纤芯： 石英玻璃，直径575um，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素2.包层： 直径100200um，折射率略低于纤芯3.涂敷层： 硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光4.护套： 尼龙或其他有机材料，提高机械强度(qingd)，保护光纤第5页/共68页第五页，共69页。6.1.2光纤的分类(fnli)上一页下一页返 回1.按折射率变化类型(lixng)分类按纤芯到包层折射率变化(binhu)：阶跃折射率光纤：纤芯与包层之间的折射率是突变的，纤芯折射率保持不变。渐变折射率光纤：在横截面中心处折射率最大，由中心向外折射率逐渐变小，到内芯边界处变为包层折射率。通常折射率变化为抛物线形式，又称为梯度型。第6页/共68页第六页，共69页。上一页下一页返 回2.按传播模式(msh)种类来分单模光纤多模光纤纤芯直径小只能传送一种模式传输性能好制造(zhzo)、连接、耦合困难纤芯直径较大传播模式较多性能(xngnng)较差，带宽较窄制造容易，耦合容易传播模式也叫传输模式，即光沿着光纤传播的途径和方式。第7页/共68页第七页，共69页。上一页下一页返 回3.按材料(cilio)分类高纯度石英玻璃纤维：光损耗比较小多组分玻璃光纤：用常规玻璃制成，损耗也很低塑料(slio)光纤：用人工合成导光塑料(slio)制成，其损耗较大，但重量轻，成本低，柔软性好第8页/共68页第八页，共69页。上一页下一页返 回结论(jiln)：传导模：在纤芯中传输的光辐射模：进入包层的光要求：进入光纤中的光要能在纤芯中传输， 而不要溢出纤芯。即：传导模尽可能大，辐射模尽可能小，从而获得最小的传输损耗。 利用石英玻璃等高透射率电介质材料制作(zhzu)的光纤，是可见光至近红外光最理想 的传输媒体。 第9页/共68页第九页，共69页。6.1.3光纤的传光原理(yunl)1. 光的折射光的折射(zhsh)与反射与反射 上一页下一页返 回 光由光密介质入射到光疏介质时发生折射(zhsh)，如图(a)，其折射(zhsh)角大于入射角，即n1n2时， ri。n1、n2、r、i间的数学关系为： 根据光学原理我们知道，光在空间是直线传播的。而在光纤中，光的传输却能限制在光纤之中，并随着光纤的弯曲而走弯曲的路线，能够传递到很远的距离，如同导线中电流能在导线上传输一样的性能。第10页/共68页第十页，共69页。上一页下一页返 回 当r=90时，i仍90，此时，出射光线沿界面(jimin)传播如图（b），称为临界状态。临界角i0为：第11页/共68页第十一页，共69页。上一页下一页返 回当ii0并继续增大时，r90，这时便发生全反射(fnsh)现象，如图 (c) ，其出射光不再折射而全部反射(fnsh)回来。第12页/共68页第十二页，共69页。2.光在光纤中的传输(chunsh)上一页下一页返 回能在光纤中传输的光线满足全反射条件的光线，大于其临界(ln ji)入射角m时，进入纤芯的光就可以全反射的方式沿纤芯的釉向传的。i c ，为确保 m，必须i im。这种以全反射方式在纤芯中传输的光线主要有子午光线和斜光线，子午光线是指与纤芯轴线相交的反射线，包含子午光线的平面叫子午面，圆柱体光纤中包含纤芯轴线的平 面都是子午面。 第13页/共68页第十三页，共69页。斜光线(gungxin)上一页下一页返 回在阶跃光纤中传输的光线，能满足全反射条件的除了子午光线之外，还有一 种斜光线。斜光线在纤芯中传的时并不保持在同一平面内，且不与纤芯轴线相 交。光线由x点入射至纤芯后，在纤芯内是以同折射角的斜线XYYZ传输的，斜光线XYZ在纤芯横截面上的投影折线 XMN组成一个内接正多边形。斜光线传输到界面处都要产生(chnshng)全反射，每次 反射后形成的轴向角相等，相应地投影折线角保持不变。 第14页/共68页第十四页，共69页。梯度(td)光纤的光传输上一页下一页返 回 梯度光纤中满足全反射的光线也有子午光线和斜光线。所有满足全反射的子午光线，都按相同空间周期的正弦曲线传输。不同入射角i的光线，其正弦曲线的振幅(zhnf)Rm不同；但各种入射角的子午光线都能定期地自动会聚到一点，因而梯度光纤又称之为自聚焦光纤。Rm随i减小，在纤芯轴线处入射且入射角为0的光线将沿纤芯轴线传输，其振幅(zhnf)为0。 第15页/共68页第十五页，共69页。6.1.4光纤的传光特性(txng)1. 数值孔径（NA）2. 传播(chunb)损耗 3. 色散 上一页下一页返 回上一页下一页返 回第16页/共68页第十六页，共69页。1.数值孔径（NA）反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2i张角之内的光功率能被光纤接受传播。 如入射角过大， 光线便从包层逸出而产生漏光。光纤的NA越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率； 但数值孔径过大，会造成光信号(xnho)畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.20.4。 上一页下一页返 回数值孔径（NA）定义(dngy)为 第17页/共68页第十七页，共69页。2.传播(chunb)损耗上一页下一页返 回为损耗率，表示光由光纤的一端传递到另一端时产生损耗的速率(sl)，通常用每km引起光功率损耗的分贝数表示：(dB/km)式中光线损耗 L光纤长度 Pi、Po分别(fnbi)为光纤输入输出功率 由于光纤纤芯材料吸收、散射、以及光纤弯曲处的辐射损耗影响，光信号在光纤中的传输不可避免的要发生损耗（如同电流在导线中传输）。如图所示，假设从纤芯左端输入一个光脉冲，峰值强度为Po，通过光纤时，其强度通常按指数下降，即光纤中任一点处光强P为：第18页/共68页第十八页，共69页。光纤传播损耗(snho)分类上一页下一页返 回吸收损耗： 与组成光纤的材料的电子受激跃迁和分子共振有关。散射损耗：由于材料密度的微观变化，成分起伏，以及在制造光纤过程(guchng)中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起的。辐射损耗： 当光纤受到具有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射损耗。大部分光纤传感器所用光纤一般不足4m，短者只有数毫米，因此传感器用光纤，尤其是敏感元件用特殊(tsh)光纤可放宽传输损耗要求，一般传输损耗10dB/Km的光纤均可采用，可降低成本。第19页/共68页第十九页，共69页。3.色散(ssn)上一页下一页返 回复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。 材料色散： 材料的折射率随光波长度的变化而变化，使光信号中各波长分量的光的传播速度不同而引起的色散。波导色散： 由于波导结构(jigu)不同，某一波导模式的传播常数随着信号角频率变化而引起色散。多模色散： 在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同、群速度不同而产生的色散。第20页/共68页第二十页，共69页。6.2传输(chunsh)光的调制技术传输光的调制是指将被测量(cling)加载于光波之上，对传输光的某些性能参数产生影响，这一技术是光纤传感器的物理基础和关键技术。上一页下一页返 回上一页下一页返 回第21页/共68页第二十一页，共69页。根据光受被测对象的调制(tiozh)形式(a) 强度调制(tiozh) (b) 偏振调制(tiozh)(c) 相位调制(tiozh)(d) 频率调制(tiozh)上一页下一页返 回第22页/共68页第二十二页，共69页。6.2传输(chunsh)光的调制技术6.2.1光纤传感器结构( jigu)原理6.2.2光强度调制6.2.3光相位调制6.2.4偏振调制6.2.5频率调制上一页下一页返 回上一页下一页返 回第23页/共68页第二十三页，共69页。6.2.1光纤传感器结构(jigu)原理把被测量(cling)的状态转变为可测的光信号的装置 上一页下一页返 回光受到被测量光受到被测量(cling)的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量(cling)。 光发送器：光源，一般为发光二极管或钨丝灯泡等。敏感元件：可以是光纤，也可以是非光纤。光受信器：某种光电器件。第24页/共68页第二十四页，共69页。光纤传感器光学(gungxu)测量的基本原理 光就是(jish)一种电磁波 光的电矢量光的电矢量(shling)E被测量调制：被测量调制：光的强度、偏振态（矢量光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位的方向）、频率和相位解调：解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制上一页下一页返 回 电磁波的物理作用及生物化学作用主要是由其中电场而引起，讨论光的敏感测量时，考虑光的电矢量E的振动。B：电场E的振幅； ：光波的振动频率：光相位； t：光的传播时间第25页/共68页第二十五页，共69页。光纤在传感器中的作用(zuyng)功能型非功能型拾光型上一页下一页返 回第26页/共68页第二十六页，共69页。(a)功能型（全光纤型）光纤传感器光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。即利用(lyng)外界物理因素改变光纤中的光强度、相位、振幅和波长（频率），从而对外界物理量进行检测和数据传输。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。 上一页下一页返 回第27页/共68页第二十七页，共69页。(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器 光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。即利用其它敏感元件感受被测物理量，而后用光纤进行信息传输。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术(jsh)， 比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。上一页下一页返 回第28页/共68页第二十八页，共69页。(c)拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。 典型(dinxng)例子：光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器上一页下一页返 回第29页/共68页第二十九页，共69页。6.2.2.光强度(qingd)调制上一页下一页返 回内调制：发生在光纤内部，是通过光纤本身特性改变来实现(shxin)光强度的调制；即光纤既是光的传导媒质，又是光的敏感元件，内调制光纤传感器称之为功能型光纤传感器外调制：调制过程发生在光纤之外的环节，此时光纤只作传光媒质，外调制光纤传感器又称为非功能型光纤传感器或传光型光纤传感器。调制方式：微弯调制反射调制透射调制利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数(cnsh)的变化，导致光强度变化来实现检测的传感器。第30页/共68页第三十页，共69页。1.微弯调制(tiozh)上一页下一页返 回 当光纤发生弯曲时，将引起界面入射角发生变化，若当 m时，入射到界面的光将发生折射而形成辐射模，引起纤芯中传导模强度减小。 当光纤受微弯板作用产生弯曲时，使原沿纤芯轴线传输(chun sh)的传导模中的一部分泄漏到包层中，成为辐射棋，使纤芯中的传导模减 少。作用力越大，光纤微弯程度增加，纤芯的传导模损耗越大，从而实现对传导光波强度的调制。 第31页/共68页第三十一页，共69页。2.透射(tush)调制上一页下一页返 回 在发射光纤和接受光纤之间插入被测对象，当发射光强度一定时，被测对象的变化将引起接收光强度的变化，因而被测对象起到了光强度透射调制的作用。 被测对象一般为光吸收物质(wzh)，被测对象的规律变化，将引起接收光强度的规律变化。 通过遮光盘的上下移动来调制透射到接收光纤中的光强度。 第32页/共68页第三十二页，共69页。3.反射(fnsh)调制上一页下一页返 回 接收光纤接收到的光强度，将直接受被测物端面对光的反射 特性调制。 通常被测物表面(biomin)涂有反光物而形成反光面，当发射光强度一定时，接收光强度的大小将由反光面到光纤端面的距离x来调制。第33页/共68页第三十三页，共69页。强度调制(tiozh)总结 利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。应用：压力、振动、位移优点(yudin): 结构简单、容易实现、成本低。缺点: 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响上一页下一页返 回第34页/共68页第三十四页，共69页。6.2.3.光相位(xingwi)调制上一页下一页返 回 光波的相位调制可以获得很高的灵敏度，因而在光纤传感器中应用(yngyng)十分广泛。 这种传感器是利用被测对于光纤中传输光的相位产生影响而实现测量的传感器。被测物对敏感元件作用，使其折射率或传播常数发生变化，导致光的相位变化。 但光电探测器不能直接测量光波的相位变化，目前采用干涉技术将相位变化转换为强度变化，通过对强度的检测实现对光波相位的测量。第35页/共68页第三十五页，共69页。 光波的相位 由光波长o(真空)、介质折射率n及介质长度L决定。 当光纤受到被测对象的作用而引起结构尺才的变化和内应力的变化时，将导致纤芯的折射率n或光纤的长度L发生变化，从而(cng r)实现光波的相位调制。 1.相位调制(tiozh)机理上一页下一页返 回第36页/共68页第三十六页，共69页。 干涉测量是把光波相位变化转换为光波强度变化的测量方法。 两相干(xinggn)光束干涉后的光强度为 式中 A干涉光强度； A1、A 2两相干(xinggn)光强度； 两相干(xinggn)光的相位差。 在干涉测量时，通常取一相干(xinggn)光为参考，另一相干(xinggn)光感受被测对象的调制，调制后光相位的变化引起两相干(xinggn)光相位差 发生变化，导致干涉光强度A的变化。通过对干涉光强度的测量，实现对两相干(xinggn)光相位差的测量，达到对被测对象的检测。 2.干涉(gnsh)测量方法上一页下一页返 回第37页/共68页第三十七页，共69页。相位(xingwi)调制总结 被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。利用光弹效应的声、压力(yl)或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器 利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺） 优点：灵敏度很高， 缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。上一页下一页返 回第38页/共68页第三十八页，共69页。6.2.4.偏振(pinzhn)调制上一页下一页返 回 偏振调制采用单模光纤。理想单模光纤中的模是光波的基模，基模是线偏振光，偏振方向是光纤的径向。 偏振调制是利用外界因素改变单模光纤中偏振光的偏振状态，偏振调制的机理有电光(dingung)效应、磁光效应和弹光效应。 第39页/共68页第三十九页，共69页。1.法拉第效应(xioyng)（磁光效应(xioyng)）上一页下一页返 回 某些物质在磁场作用下，线偏振光通过使其振动面会发生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量E旋转角与光在物质中通过的距离L和磁场强度H成正比，即式中V 物质的弗尔德常数。利用法拉第效应可以(ky)测量电流或者磁场。其测量原理如右图所示。第40页/共68页第四十页，共69页。2.普克尔效应(xioyng)（电光效应(xioyng)）上一页下一页返 回 当压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电场时，晶体将呈现双折射现象，这种现象被称为Pockels效应，如下图所示。并且，这种双折射正比于所加电场的一次方。在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为其中：n0 正常折射率；de 电光(dingung)系数；U 加在晶体片上的电压； 光波长；L 晶体长度；d 场方向晶体厚度。主要(zhyo)用于电场、电压的测量。第41页/共68页第四十一页，共69页。3.光弹效应(xioyng)上一页下一页返 回 在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力的材料(cilio)将会使光产生双折射现象，其折射率的变化与应力相关，这被称为光弹效应。由光弹效应产生的偏振光的相位变化为：K 物质光弹性常数；P 施加在物体上的压强；L 光波通过材料(cilio)的长度。此时出射光强为：主要用于压力、振动(zhndng)、声音的测量。第42页/共68页第四十二页，共69页。偏振调制(tiozh)总结利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息应用： 电流、磁场传感器：法拉第效应； 电场、电压传感器：电光效应； 压力、振动(zhndng)或声传感器：光弹效应； 温度、压力、振动(zhndng)传感器：双折射性优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。上一页下一页返 回第43页/共68页第四十三页，共69页。6.2.5.频率(pnl)调制上一页下一页返 回 一种利用由被测对象引起的光频率的变化来进行检测的传感器。 光波频率调制是通过光学多普勒效应实现的。此时光纤只起传光作用， 属非功能型。 光学多普勒效应：当光源和光探测器都不动时，光源发出的频率为fo的光波，经过运动体散射(snsh)或反射后，由探测器接收到的光波频率fs发生 变化。 多普勒频移：多普勒效应引起的光波频率变化量f第44页/共68页第四十四页，共69页。上一页下一页返 回 运动(yndng)速度V、运动(yndng)方向与光源光波发射方向间夹角为1、运动(yndng)方向与探测器方向间夹角为2时，探测器接收运动(yndng)体反射的光波频率为 由于光源发出的光波长很短，即使运动(yndng)体的速度v很低，仍可以获得较明显的多普勒频移f。典型应用：医学上对血液流动的探测。 第45页/共68页第四十五页，共69页。6.3强度(qingd)调制光纤传感器6.3.1光纤水深探测器6.3.2透射(tush)式光纤温度传感器6.3.3反射式光纤位移传感器上一页下一页返 回上一页下一页返 回第46页/共68页第四十六页，共69页。6.3.1.光纤水深探测器上一页下一页返 回 利用光纤微弯调制(tiozh)原理，可以组成光纤位移传感器、光纤压力传感器等。 图为根据微弯原理组成的光纤水深探测器。当光纤随铝管沉入水底时、光纤承受水底处的水压力P。显然水越深，水压力P越大，纵向开口槽处的光纤微弯程度越大，传导模Io越小，辐射模Ir越大，通过对传导模Io或辐射模Ir的检测，实现对水深度的探测。第47页/共68页第四十七页，共69页。上一页下一页返 回亮场微弯传感器：以纤芯中的传导模Io相对变化量为检测对象的传感器。脱模：吸收(xshu)辐射模，减小辐射模对光探测器的影响。 亮场检测方式需在光纤发生微弯之前和微弯之后 加设脱模器，在微弯前的脱模器作用是将光纤微弯变形之前射入包层的辐射模都吸收(xshu)掉，光纤微弯后的脱模器是吸收(xshu)微弯引起的辐射模，以减小辐射模对光探测器的干扰。 最简单的脱模方法：在几厘米长的光纤外面涂上黑漆，即可有效地吸收(xshu)辐射模。 亮场检测的传导光强很大，其相对变化量很小，因而检测灵敏度较低，需要采用高灵敏度的光探测器。 第48页/共68页第四十八页，共69页。上一页下一页返 回暗场微弯传感器：以光纤包层中的辐射模Ir相对变化量为检测对象的传感器。 暗场检测可以获得较高的灵敏度，此时背景光经脱模器吸收后变得很小，包层中的辐射模基本上都是因微弯效应引起的，固微弯调制引起辐射模变化量显著，因而检测灵敏度高。 光探测器应是一个密封(mfng)的盒子，盒子的内壁四周都装上光电他，吸收包层中的辐射模并转换为相应的电信号。 第49页/共68页第四十九页，共69页。6.3.2.透射(tush)式光纤温度传感器上一页下一页返 回 有些半导体材料光吸收能力随温度的升高而增强，其原因是这种半导体材料的禁带宽度随温度升高几乎线性地变窄，光激发功能加强(jiqing)。此时光波经过半导体材料时，被吸收的光功率增加，相应透过半导体的光功率将减少，其透射的光强随温度升高而近乎线性地减小。 在发射光纤与接收光纤之间夹有一片厚度约零点几毫米的半导体温度敏感材料，例如碲化镉和砷化镓，它们的光 吸收功能对波长为900nm左右的光波最为敏感，即是说这个波长的光波是很难透过，而远离900nm波长的光是很容易透过的。 第50页/共68页第五十页，共69页。6.3.3.反射式光纤位移(wiy)传感器上一页下一页返 回基本原理：当激光源发出定量光强经发射光纤向反光面发射时，反光面反射光有一部分进入接收光纤。待测距离X越小，进入接收光纤的反射光越多，从而根据光探测器的测量值就知道X的大小，实现位移量的测量。特点(tdin)：动态测量范围大，灵敏度低。 第51页/共68页第五十一页，共69页。受抑全反射光纤位移(wiy)传感器上一页下一页返 回调制机理：当端面磨成特定角度的两根光纤相距较远时，从发射光纤发出的所有模式的光都产生全反射，不能传到接收光纤中去。只有当两根光纤抛光面充分靠近时，全反射受到抑制，大部分发射光耦合到接收光纤。距离较远时：光波长量级距离内是空气，反射后回到发射光纤；距离较近时：光波长量级距离内是接收光纤，光波进入接收光纤。特点(tdin)：具有很高的位移灵敏度 第52页/共68页第五十二页，共69页。受抑全反射光纤位移(wiy)传感器上一页下一页返 回 发射光纤位置(wi zhi)固定不变，接收光纤的位置(wi zhi)借助于弹簧片可作上下移动（纳米级），当压力P作用于膜片时，接收光纤的抛光面下移，当两抛光面靠近时，发射光纤发出的光被接收光纤接收，通过检测接收光纤中的光波强度，实现对膜片位移量的测量。第53页/共68页第五十三页，共69页。6.4相位(xingwi)调制光纤传感器6.4.1马赫(mh)泽德光纤温度传感器6.4.2光纤弱磁场传感器6.4.3法布里珀罗温度传感器6.4.4光纤陀螺仪上一页下一页返 回上一页下一页返 回第54页/共68页第五十四页，共69页。6.4.1.马赫(mh)泽德光纤温度传感器上一页下一页返 回原理：分束器把激光器的输出光束分成两束。它们经上、下光路的传输原理：分束器把激光器的输出光束分成两束。它们经上、下光路的传输之后又重新耦合之后又重新耦合,使它们在光检测器处互相发生干涉。使它们在光检测器处互相发生干涉。优点优点(yudin)：只有少量的或者没有光直接返回激光器：只有少量的或者没有光直接返回激光器,这就避免了反这就避免了反馈光使激光器不稳定和产生噪声。馈光使激光器不稳定和产生噪声。具体应用：光纤压力传感器具体应用：光纤压力传感器 光纤力传感器光纤力传感器 光纤加速度传感器光纤加速度传感器 光纤磁传感器光纤磁传感器第55页/共68页第五十五页，共69页。马赫(mh)泽德光纤温度传感器上一页下一页返 回相干光源:激光源 特点：输出光单色性好、亮度高、方向性 强，有利于提高干涉测量(cling)精度和相干长度。原理：由激光器发出的单色光波，经分束器后分成两束单模光，分别送入两根长度基本相同的单模光纤。一根单模光纤作信号光纤，感受温度场的影响；另一根作为参考。一根单模光纤作信号光纤，感受温度场的影响；另一根作为参考光纤，应屏蔽外来影响。在输出端，两束单模光重新耦合，在相干光纤，应屏蔽外来影响。在输出端，两束单模光重新耦合，在相干长度内，由于两束光波具有相同的光程长，耦合后形成长度内，由于两束光波具有相同的光程长，耦合后形成(xngchng)一系列明暗相间的干涉条纹。一系列明暗相间的干涉条纹。第56页/共68页第五十六页，共69页。上一页下一页返 回 测温时，将信号光纤置于待测温度场中，温度变化将改变信号光纤折射率， 引起信号光波的相位变化，其结果输出端两相干(xinggn)光波出现相位差、相干(xinggn)后的干涉条纹产生移动。相位变化2弧度，干涉条纹移动一根条纹距离，在光探测器上观察到的移动条纹数，即表示待测温度的变化量。 利用这一原理，马赫泽德干涉仪还常用于压力场、电场、磁场的测量，都可以获得很高的灵敏度。 第57页/共68页第五十七页，共69页。6.4.2光纤弱磁场(cchng)传感器上一页下一页返 回 在进行弱磁场测量时，信号光纤粘合或环绕在磁致伸缩材料在进行弱磁场测量时，信号光纤粘合或环绕在磁致伸缩材料(cilio)上，构成磁上，构成磁敏感臂，以增强磁灵敏度。敏感臂，以增强磁灵敏度。 磁棒(c bn)式：将信号光纤缠绕在磁性圆柱棒上磁套式：将信号光纤嵌入壁厚均匀的磁性套管中磁带式：将信号光纤粘贴在磁性金属玻璃带上 常用的磁性材料有铁、锦 镍，以及这三种元素的金属化合物，其中镍的磁致仲缩效应最大。第58页/共68页第五十八页，共69页。马赫(mh)泽德光纤弱磁场传感器上一页下一页返 回 由马赫泽德干涉仪组成的光纤弱磁场传感器 置于待测磁场中的磁敏感臂受磁场影响而产生伸缩效应，导致信号光纤长度发生变化，引 起信号光波相位改变。借助(jizh)干涉仪的相位移的测量，可实现对弱磁场强度的检测。 第59页/共68页第五十九页，共69页。马赫(mh)泽德光纤电流传感器上一页下一页返 回 由马赫(mh)泽德干涉仪组成的光纤电流传感器 将磁敏感臂换为电流敏感臂： 也是应用磁致伸缩效应原理，信号光纤上粘套镍管、镍管外套着一个待测电流的线圈，组成电流敏感臂。 当待测电流通过电流线圈时，电流磁场引起镍管伸缩效应，使信号光纤变形，产生相位调制，实现微安级小电流的检测。 第60页/共68页第六十页，共69页。马赫(mh)泽德光纤电压传感器上一页下一页返 回 由马赫泽德干涉仪组成的光纤电流传感器 将磁敏感臂换为电压敏感臂： 也是应用压电陶瓷（PZT）或聚偏二氟乙烯（PVF2）的电致伸缩效应原理，将信号光纤缠绕在PZT圆筒上，圆通上下两电极接待测电压，组成电压敏感臂。 进行电压测量时，将待测电压加到PZT电极上，引起PZT圆筒伸缩效应，信号光纤产生变形，信号光波(gungb)相位发生变化，从而实现电压的检测。第61页/共68页第六十一页，共69页。结论(jiln)：上一页下一页返 回 马赫泽德干秽仪法是相位调制中应用(yngyng)最 广泛的干涉测量方法，信号光纤中设置敏感臂的目的都是为了提高相位调制的灵敏度，因为相位的变化通常都是很小的，而且信号光纤还可能受到周围其他因素的影响，因而提高待测信号对相位调制的强度，这是马赫泽德干涉测量中的一项关键技术。 第62页/共68页第六十二页，共69页。6.4.3法布里珀罗温度传感器上一页下一页返 回法布里珀罗干涉仪法布里珀罗干涉仪原理：它是由两块平行的部分透射平面镜组成的。这两块平面镜的反射率原理：它是由两块平行的部分透射平面镜组成的。这两块平面镜的反射率( (反反射系数射系数) )通常是非常通常是非常(fichng)(fichng)大的大的, ,一般大于或等于一般大于或等于95%95%。假定反射率为。假定反射率为95%,95%,那么在任何情况下那么在任何情况下, ,激光器输出光的激光器输出光的95%95%将朝着激光器反射回来将朝着激光器反射回来, ,余下的余下的5%5%的光将透过平面镜而进入干涉仪的谐振腔内。的光将透过平面镜而进入干涉仪的谐振腔内。主要特点：精细度高；光谱分辨率高；调整精度要求低。主要特点：精细度高；光谱分辨率高；调整精度要求低。第63页/共68页第六十三页，共69页。上一页下一页返 回 法布里法布里珀罗干涉仪亦可以用于压力、温度、电场和磁场的测量。珀罗干涉仪亦可以用于压力、温度、电场和磁场的测量。 与马赫与马赫泽德光纤温度传感器比较，法布里泽德光纤温度传感器比较，法布里珀罗干涉测量只用一根珀罗干涉测量只用一根单模光纤，避免了参考光纤引入的测量误差。马赫泽德是采用单模光纤，避免了参考光纤引入的测量误差。马赫泽德是采用(ciyng)(ciyng)双光束干涉，法布里双光束干涉，法布里珀罗是珀罗是 采用采用(ciyng)(ciyng)多光束干涉，单模光纤中传输多光束干涉，单模光纤中传输的光波在贴有高反射率薄膜的两透镜间多次反射，形成多束相干光波，可的光波在贴有高反射率薄膜的两透镜间多次反射，形成多束相干光波，可以增强相位调制的灵敏度。以增强相位调制的灵敏度。 第64页/共68页第六十四页，共69页。法布里珀罗温度传感器上一页下一页返 回 测温时，相位调制器选用温度敏感器件，置于待测温度场中，感温器件测温时，相位调制器选用温度敏感器件，置于待测温度场中，感温器件的几何尺才随温度变化，从而引起缠绕在其上的单模光纤长度的几何尺才随温度变化，从而引起缠绕在其上的单模光纤长度(chngd)(chngd)发发生改变，导致单模光纤中的光波相位被调制。受温度调制光波透射到光探测生改变，导致单模光纤中的光波相位被调制。受温度调制光波透射到光探测器上、并转换为周期性连续变化的电脉冲，脉冲峰值的位移量反映被测温度器上、并转换为周期性连续变化的电脉冲，脉冲峰值的位移量反映被测温度的变化量。的变化量。 第65页/共68页第六十五页，共69页。6.4.4光纤陀螺仪上一页下一页返 回定义：用来测量转动量的装置，即角速度传感器。特点：具有特别高的灵敏度和测量精度。应用：常用于飞机、导弹、航天飞行器、海轮惯性导航系统、大地勘测中地球经度(jngd)和纬度的精确测量。 例如，飞机导航角速度精度要求约1.410-6rads，地球经、纬度的精确测量中精度要求高达7.510-11rads。在光纤陀螺 仪之前，这些高精度转动量的测量先后是用机械陀螺仪和环形激光陀螺仪。光纤陀螺仪克服了激光陀螺仪成本高的弱点；同时与机械陀螺仪相比，无机械活动部件，不需要预热时间；且体积小，重量轻，灵敏度高，安全可靠，价格低廉，因而获得迅速发展和应用。 陀螺仪第66页/共68页第六十六页，共69页。光纤陀螺仪上一页下一页返 回 光纤陀螺仪是基于萨格纳克(Sagnac)效应的转动角速度测量装置。原理：激光器输出光波经分束器分成1：1的两束光同时进入单模光纤陀螺，光束1在陀螺中沿反时针方向传播，光束2在陀螺中沿顺时针方向传播。陀螺静止时(角速度0)：两束光传播相同的距离，即无光程差，经过光纤陀螺后 射出的两束光在光探测器上产生的干涉(gnsh)条纹不动。陀螺以角速度转动时： 两束光在陀螺中出现光程差。可以证明与角速度沿相同方向传播的光程长。角速度越大，两束光的光程差越大。根据Sagnac这一效应，两束光在光探测器上的干涉(gnsh)条纹产生移动，且条纹的移动量正比于光程差，从而实现对转动角速度的测量。同时可以证明，陀螺上缠绕的光纤环数越多，可形成的光程差越大， 从而可以提高角速度测量的灵敏度。 第67页/共68页第六十七页，共69页。谢谢大家(dji)观赏！第68页/共68页第六十八页，共69页。内容(nirng)总结光纤传感器。制造容易，耦合容易。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.20.4。由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数随着信号角频率变化而引起色散。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，。多普勒频移：多普勒效应引起的光波(gungb)频率变化量f。距离较远时：光波(gungb)长量级距离内是空气，反射后回到发射光纤。它们经上、下光路的传输之后又重新耦合,使它们在光检测器处互相发生干涉。谢谢大家观赏第六十九页，共69页。