第七章 光纖傳感檢測技術

1、 1、光纖的結構、光纖的結構 光導纖維（光導纖維（optical fiber 簡稱光纖）又纖芯、簡稱光纖）又纖芯、 包層及外套組成。纖芯折射率大于包層折射包層及外套組成。纖芯折射率大于包層折射 率。率。 光纖具有使光封閉在纖芯里面?zhèn)鬏數墓δ?。光纖具有使光封閉在纖芯里面?zhèn)鬏數墓δ堋?外套起保護作用。外套起保護作用。 2、光纖的種類、光纖的種類 1）按制作材料）按制作材料 l高純度石英玻璃纖維高純度石英玻璃纖維 l多組分玻璃光纖多組分玻璃光纖 l塑料光纖塑料光纖 2）按傳輸模式分）按傳輸模式分 l單模光纖單模光纖 l多模光纖多模光纖 3）按折射率分布特點分）按折射率分布特點分 l階躍光纖階躍光纖

2、l梯度光纖梯度光纖 階躍光纖階躍光纖梯度光纖梯度光纖 4）按用途分）按用途分 l通信光纖通信光纖 l特殊光纖特殊光纖 5）按制作方法分）按制作方法分 化學氣相沉積法、雙坩堝化學氣相沉積法、雙坩堝/三坩堝法。三坩堝法。 3、光纖的傳輸原理、光纖的傳輸原理 1）光線傳播解釋）光線傳播解釋 將光看作光線。光由光密介質向光疏介質傳將光看作光線。光由光密介質向光疏介質傳 播，在滿足一定條件時發(fā)生全反射。播，在滿足一定條件時發(fā)生全反射。 1 2 sin n n c 1 n 2 n 全反入射角：全反入射角： 2 1 1 2 1100 )sin1 (sinsinnnn 可得：可得： nannn 2 2 2 1

3、00 sin na稱為數值孔徑稱為數值孔徑(numerical aperture)。 na是光纖受光能力的標度。是光纖受光能力的標度。 標準多模光纖的標準多模光纖的na公稱值一般為公稱值一般為0.2，孔，孔 徑角為徑角為11.5o； 標準單模光纖的標準單模光纖的na公稱值一般為公稱值一般為0.10.15， 孔徑角約孔徑角約5.7o8.6o 在梯度光纖中：在梯度光纖中： 在梯度光纖中的折射在梯度光纖中的折射 在梯度光纖中的傳播在梯度光纖中的傳播 自聚焦效應自聚焦效應 2）波導傳播解釋）波導傳播解釋 將光看作電磁波。用麥克斯韋方程解表將光看作電磁波。用麥克斯韋方程解表 示光波。示光波。 滿足麥克斯

4、韋方程的任一特解稱為一種模式，滿足麥克斯韋方程的任一特解稱為一種模式， 簡稱模。任意電磁波可以看作多個模式的線簡稱模。任意電磁波可以看作多個模式的線 性組合，同樣滿足麥克斯韋方程。電磁波主性組合，同樣滿足麥克斯韋方程。電磁波主 要有橫模和縱模。要有橫模和縱模。 光波在光纖中傳播存在三類模式：光波在光纖中傳播存在三類模式： 傳輸模（導模）、泄漏模（漏模）、輻射傳輸模（導模）、泄漏模（漏模）、輻射 模模 導模：光功率限制在纖芯內傳播的光波場，導模：光功率限制在纖芯內傳播的光波場， 又稱為芯模。包括橫電模、橫磁模和又稱為芯模。包括橫電模、橫磁模和 混合模。混合模。 漏模：在纖芯內及距纖壁一定距離的包

5、層漏模：在纖芯內及距纖壁一定距離的包層 中傳播的光波場，又稱為包層模。中傳播的光波場，又稱為包層模。 輻射模：在纖芯和包層中均為傳輸場，不輻射模：在纖芯和包層中均為傳輸場，不 滿足全反射條件，模場能量向包層外滿足全反射條件，模場能量向包層外 溢出，光纖失去對光波場功率的限制溢出，光纖失去對光波場功率的限制 作用。作用。 三種模式：三種模式： a）temn模。在軸向只有磁場分量模。在軸向只有磁場分量h，而橫截，而橫截 面上只有電場分量面上只有電場分量e。稱為橫電模。稱為橫電模。 b）tmmn模。在軸向只有電場分量模。在軸向只有電場分量e，而橫截，而橫截 面上只有磁場分量面上只有磁場分量h。稱為橫

6、磁模。稱為橫磁模。 c）hemn模（模（ ehmn模）模） 。軸向同時存在電。軸向同時存在電 場分量和磁場分量。稱為混合模。場分量和磁場分量。稱為混合模。m,n表示表示 貝塞爾函數的階及相應的根數。代表不同的貝塞爾函數的階及相應的根數。代表不同的 模式。模式。 不同模式的傳輸特性不同。不同模式的傳輸特性不同。 若光纖中僅傳播若光纖中僅傳播he11基模，則因該模在芯心基模，則因該模在芯心 處最強，所以光纖輸出的光斑是一個外圍光處最強，所以光纖輸出的光斑是一個外圍光 強較弱的圓光斑。強較弱的圓光斑。te01模則因芯心處電場最模則因芯心處電場最 弱，所以光纖輸出光斑將在芯心處出現暗區(qū)。弱，所以光纖輸

7、出光斑將在芯心處出現暗區(qū)。 電磁波可表示為：電磁波可表示為： )( ),(),( ztj eetze 為傳播常數為傳播常數。 cos 2 cos 1 0 1 nkn 決定了在傳播過程中等效在決定了在傳播過程中等效在z z方向上引入的方向上引入的 相位變化值。光纖軸向相速度由相位變化值。光纖軸向相速度由/決定。決定。 歸一化頻率為：歸一化頻率為： 2 2 2 1 0 0 2 /2nnrrna 歸一化頻率是表征光纖中模式傳播特性的歸一化頻率是表征光纖中模式傳播特性的 重要參數。在一個給定結構參數的光纖中，重要參數。在一個給定結構參數的光纖中， 允許存在的導模數目取決于允許存在的導模數目取決于v v

8、，v v越大，允越大，允 許存在的導模越多，反之亦然。許存在的導模越多，反之亦然。 當當 時，只允許一個模式（時，只允許一個模式（he11）。）。 平方分布率梯度光纖）階躍光纖）或(401. 3(2048. 2vv 梯度型梯度型 )2(2/ 2 ggvm 階躍型階躍型2/ 2 vm 4/ 2 vm 歸一化頻率與傳輸模式之間的關系歸一化頻率與傳輸模式之間的關系 4、光纖的特性、光纖的特性 損耗和色散損耗和色散 1）損耗）損耗 定義為：光波在光纖中傳輸定義為：光波在光纖中傳輸1km產生的功率產生的功率 衰減分貝數。衰減分貝數。 )db/km(lg 10 o i p p l 式中式中 pi光纖輸入端

9、光功率；光纖輸入端光功率； po光纖輸出端光功率；光纖輸出端光功率； l光纖長度；光纖長度； 損耗隨波長的損耗隨波長的 增大而減小。增大而減小。 光纖損耗主要有：光纖損耗主要有： l吸收損耗吸收損耗 由于光纖材料的量子躍遷致使一部分光功率由于光纖材料的量子躍遷致使一部分光功率 轉換為熱量造成的傳輸損耗。轉換為熱量造成的傳輸損耗。 本征吸收、雜質吸收和原子缺陷吸收。本征吸收、雜質吸收和原子缺陷吸收。 本征吸收本征吸收是物質固有的，主要是由紫外和紅是物質固有的，主要是由紫外和紅 外波段電子躍遷和振動躍遷引起的吸收。外波段電子躍遷和振動躍遷引起的吸收。 本征損耗一般很小，約本征損耗一般很小，約0.0

10、10.05db/km。 雜質吸收雜質吸收是由于光纖材料中的正過渡金屬離是由于光纖材料中的正過渡金屬離 子的電子躍遷和氫陽根負離子的分子振動躍子的電子躍遷和氫陽根負離子的分子振動躍 遷引起的吸收。遷引起的吸收。 原子缺陷吸收原子缺陷吸收是由于強烈的熱、光或射線輻射是由于強烈的熱、光或射線輻射 使光纖材料受激出現原子缺陷產生的損耗。使光纖材料受激出現原子缺陷產生的損耗。 l散射損耗散射損耗 瑞利散射、布里淵散射瑞利散射、布里淵散射 、拉曼散射等、拉曼散射等 瑞利散射瑞利散射是由于光纖中遠小于光波長的物質密是由于光纖中遠小于光波長的物質密 度不均勻性和摻雜濃度不均勻引起的散射。度不均勻性和摻雜濃度不

11、均勻引起的散射。 分為斯托克斯散射（波長向長波方向偏移）和分為斯托克斯散射（波長向長波方向偏移）和 反反斯托克斯散射（向短波方向偏移）斯托克斯散射（向短波方向偏移） 散射光正比于散射光正比于1/4。 用長波可減小瑞利散射。用長波可減小瑞利散射。 l彎曲損耗彎曲損耗 曲率半徑遠大于光纖直徑的彎曲所產生的附曲率半徑遠大于光纖直徑的彎曲所產生的附 加損耗。加損耗。 產生彎曲損耗的效應主要有：空間濾波、模產生彎曲損耗的效應主要有：空間濾波、模 式泄漏、模式耦合式泄漏、模式耦合 空間濾波空間濾波：光纖彎曲部分高階模因全反射條：光纖彎曲部分高階模因全反射條 件破壞而折射到包層中，將所攜帶的能量輻件破壞而折

12、射到包層中，將所攜帶的能量輻 射到光纖之外的一中物理效應。射到光纖之外的一中物理效應。 彎曲半徑越小，損耗越大。是彎曲損耗中的彎曲半徑越小，損耗越大。是彎曲損耗中的 主要損耗。主要損耗。 模式泄漏模式泄漏：光場遠離纖芯的部分因彎曲不再：光場遠離纖芯的部分因彎曲不再 滿足模式傳輸要求而輻射出光纖。滿足模式傳輸要求而輻射出光纖。 模式耦合模式耦合：纖芯中的導模和包層中的輻射模發(fā)：纖芯中的導模和包層中的輻射模發(fā) 生模式耦合，使導模能量減小。生模式耦合，使導模能量減小。 2）色散）色散 光波的群速度不同而出現的脈沖展寬現象。光波的群速度不同而出現的脈沖展寬現象。 不同波長、不同模式下的不同波長、不同模

13、式下的值不同。值不同。 光纖色散主要有：材料色散、模式色散、波導光纖色散主要有：材料色散、模式色散、波導 色散。色散。 幾種色散：幾種色散： a）材料色散）材料色散 又稱折射率色散。不同波長的折射率不同又稱折射率色散。不同波長的折射率不同 引起。發(fā)射光譜寬度越窄，材料色散越小。引起。發(fā)射光譜寬度越窄，材料色散越小。 是單模光纖的主要色散。是單模光纖的主要色散。 b）模式色散）模式色散 梯度光纖中模式間傳播速度不同引起。是梯度光纖中模式間傳播速度不同引起。是 梯度型多模光纖的主要色散。單模光纖中梯度型多模光纖的主要色散。單模光纖中 不存在模式色散。不存在模式色散。 自聚焦光纖中理論上也不存在模式

14、色散。自聚焦光纖中理論上也不存在模式色散。 c）波導色散）波導色散 又稱結構色散。光纖結構不同，同一模又稱結構色散。光纖結構不同，同一模 式的傳播常數隨頻率變化引起。式的傳播常數隨頻率變化引起。 5、光纖傳感器分類、光纖傳感器分類 1）功能型傳感器（）功能型傳感器（function fiber optical sensor ff） 光纖作為傳感元件光纖作為傳感元件 2）非功能型傳感器（）非功能型傳感器（non function fiber optical sensor nf） 光纖作為傳光元件光纖作為傳光元件 6、光纖傳感器的特點、光纖傳感器的特點 l檢測精度和靈敏度高。檢測精度和靈敏度高。

15、l響應速度快，頻響寬，可實現非接觸高響應速度快，頻響寬，可實現非接觸高 速檢測。速檢測。 l環(huán)境適應性強。環(huán)境適應性強。 l體積小、重量輕、具有可集成的潛力。體積小、重量輕、具有可集成的潛力。 外界信號可能引起光的強度、波長（顏色）、外界信號可能引起光的強度、波長（顏色）、 頻率、相位、偏振態(tài)等性質發(fā)生變化，從而構頻率、相位、偏振態(tài)等性質發(fā)生變化，從而構 成強度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)的調制原成強度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)的調制原 理。理。 調制方式：強度調制、相位調制、偏振調制、調制方式：強度調制、相位調制、偏振調制、 頻率調制、光譜調制等。頻率調制、光譜調制等。 1、強度調制、強度調制

16、 1）微彎損耗強度調制）微彎損耗強度調制 多模光纖（或單模光纖）微彎時，一部分芯模多模光纖（或單模光纖）微彎時，一部分芯模 能量會轉化為包層模式能量，通過測量包層模能量會轉化為包層模式能量，通過測量包層模 式的能量或芯模能量的變化就能測量外界物理式的能量或芯模能量的變化就能測量外界物理 量。量。 以模式耦合造成的損耗為主。以模式耦合造成的損耗為主。 梯度型光纖中：梯度型光纖中： r 2 階躍型光纖中：階躍型光纖中： r 2 )0(2/)()0( 222 nrnn 2）折射率變化強度調制）折射率變化強度調制 溫度變化可引起光纖折射率變化，外界溫度變化可引起光纖折射率變化，外界 環(huán)境折射率變化，都

17、可以實現強度調制。環(huán)境折射率變化，都可以實現強度調制。 3）線位移或角位移強度調制）線位移或角位移強度調制 光強分布光強分布 4）光閘強度調制）光閘強度調制 5）反射式強度調制）反射式強度調制 2、偏振調制、偏振調制 振動方向對于傳播方向的不對稱性叫做振動方向對于傳播方向的不對稱性叫做 偏振。偏振。 光按偏振態(tài)可分為：自然光、偏振光、光按偏振態(tài)可分為：自然光、偏振光、 部分偏振光。部分偏振光。 自然光：自然光： 偏振光：線偏振光、橢圓偏振光、圓偏偏振光：線偏振光、橢圓偏振光、圓偏 振光振光 （a）線偏振光）線偏振光 光矢量端點的軌跡為直線，即光矢量只沿光矢量端點的軌跡為直線，即光矢量只沿 著一

18、個確定的方向振動，其大小、方向不著一個確定的方向振動，其大小、方向不 變，稱為線偏振光。變，稱為線偏振光。 （b）橢圓偏振光）橢圓偏振光 光矢量端點的軌跡為一橢圓，即光矢量不光矢量端點的軌跡為一橢圓，即光矢量不 斷旋轉，其大小、方向隨時間有規(guī)律的變斷旋轉，其大小、方向隨時間有規(guī)律的變 化?；?。 （c）圓偏振光）圓偏振光 光矢量端點的軌跡為一圓，即光矢量不斷光矢量端點的軌跡為一圓，即光矢量不斷 旋轉，其大小不變，但方向隨時間有規(guī)律旋轉，其大小不變，但方向隨時間有規(guī)律 地變化。地變化。 部分偏振光：部分偏振光： 雙折射：雙折射： 一束自然光入射于單軸晶體時，會變成兩束一束自然光入射于單軸晶體時，會

19、變成兩束 折射光，其中一束遵守折射定律稱為折射光，其中一束遵守折射定律稱為o光，另光，另 一束不遵守折射定律，稱為一束不遵守折射定律，稱為e光。光。o光、光、e光光 都是線偏振光，都是線偏振光，o光的振動方向垂直于光的振動方向垂直于o光的光的 主平面，主平面，e光的振動方向在光的振動方向在e光的主平面內。光的主平面內。 偏振調制就是利用電光、磁光和光彈等物偏振調制就是利用電光、磁光和光彈等物 理效應，改變光的偏振態(tài)，實現調制。理效應，改變光的偏振態(tài)，實現調制。 1）調制原理）調制原理 a）泡克爾斯（）泡克爾斯（pockels）效應（感應雙折射）效應（感應雙折射） 壓電晶體在電場作用下表現出雙折

20、射現象。壓電晶體在電場作用下表現出雙折射現象。 兩正交偏振光的相位變化為：兩正交偏振光的相位變化為： d lurn e 0 3 0 b）法拉第磁光效應）法拉第磁光效應 光通過帶磁性的物體時，偏振方向發(fā)生旋轉。光通過帶磁性的物體時，偏振方向發(fā)生旋轉。 l hdlv 光傳播方向與磁場一致時，光傳播方向與磁場一致時，v0，迎著光傳，迎著光傳 播方向看，偏振面順時針方向偏轉播方向看，偏振面順時針方向偏轉 光傳播方向與磁場一致時，光傳播方向與磁場一致時，v0，迎著光傳，迎著光傳 播方向看，偏振面逆時針方向偏轉播方向看，偏振面逆時針方向偏轉 d）光彈效應（壓力雙折射）光彈效應（壓力雙折射） 晶體在壓力作用

21、下表現出雙折射性質。晶體在壓力作用下表現出雙折射性質。 n 相位變化可表示為：相位變化可表示為： 折射率變化為：折射率變化為： 物質常數物質常數 施加的應力施加的應力 ll光程差：光程差： /2l c）其他方式（非功能型）其他方式（非功能型） 透射式透射式 反射式反射式 d）光偏振態(tài)的檢測）光偏振態(tài)的檢測 偏振態(tài)偏振態(tài)光強光強 單光路法單光路法 2 0 sinii 輸出光強：輸出光強： 雙光路法雙光路法 wp：沃拉斯登棱鏡：沃拉斯登棱鏡 d1，d2的輸出：的輸出： )4/(cos )4/(sin 2 02 2 01 ii ii 偏轉角為：偏轉角為： 21 21 1 sin 2 1 ii ii

22、3、相位調制、相位調制 利用外界因素改變光纖中光波的相位通過利用外界因素改變光纖中光波的相位通過 檢測相位變化來測量物理量的原理稱為相檢測相位變化來測量物理量的原理稱為相 位調制。位調制。 相位調制的靈敏度極高。相位調制的靈敏度極高。 1）應力應變效應）應力應變效應 當光纖受到縱向（橫向）的機械應力時，當光纖受到縱向（橫向）的機械應力時， 光纖的長度（應變效應）、光纖芯的直徑光纖的長度（應變效應）、光纖芯的直徑 （泊松效應）、纖芯折射率（光彈效應）（泊松效應）、纖芯折射率（光彈效應） 都將變化，從而引起光波相位變化。都將變化，從而引起光波相位變化。 a a ln n l l l l 2）塞格納

23、克效應）塞格納克效應 順時針一周的實際光程：順時針一周的實際光程：trrlcw2 逆時針一周的實際光程：逆時針一周的實際光程：trrlccw2 光程差：光程差： c r trl 2 4 2 相位差：相位差： 3）溫度應變效應）溫度應變效應 溫度應變效應與應力應變相似。同時引溫度應變效應與應力應變相似。同時引 起長度和折射率的變化。相位改變值與起長度和折射率的變化。相位改變值與 待測場中光纖長度待測場中光纖長度l成正比，具有很高的成正比，具有很高的 靈敏度。靈敏度。 4）相位解調）相位解調 相位表現在復振幅的復數部分，只有通相位表現在復振幅的復數部分，只有通 過干涉將其轉換為光強才能被探測器接過

24、干涉將其轉換為光強才能被探測器接 收到。收到。 5）幾種光纖干涉儀）幾種光纖干涉儀 a）雙光束光纖干涉儀）雙光束光纖干涉儀 邁克爾遜光纖干涉儀、馬赫邁克爾遜光纖干涉儀、馬赫-澤德爾光纖干涉澤德爾光纖干涉 儀、斐索光纖干涉儀儀、斐索光纖干涉儀 邁克爾遜光纖干涉儀邁克爾遜光纖干涉儀 馬赫馬赫-澤德爾光纖干涉儀澤德爾光纖干涉儀 優(yōu)點：不帶纖端反射鏡，克服了回波干擾優(yōu)點：不帶纖端反射鏡，克服了回波干擾 的問題。的問題。 斐索光纖干涉儀斐索光纖干涉儀 p1、p2:偏振片偏振片 m1、m2:反射鏡，構成斐索干涉腔反射鏡，構成斐索干涉腔 b）三光束光纖干涉儀）三光束光纖干涉儀 優(yōu)點：形成多光束干涉，清晰度、

25、銳度比雙優(yōu)點：形成多光束干涉，清晰度、銳度比雙 光束干涉好，可提高測量精度。光束干涉好，可提高測量精度。 c）塞格納克光纖干涉儀）塞格納克光纖干涉儀 多饒可提高精度多饒可提高精度 d）法布里）法布里-泊羅光纖干涉儀泊羅光纖干涉儀 本征本征f-p腔和非本征腔和非本征f-p腔腔 非本征非本征f-p干涉儀（干涉儀（efpi） 透射式透射式 反射式反射式 輸出的光強：輸出的光強： 優(yōu)點是靈敏度高優(yōu)點是靈敏度高 本征本征f-p干涉儀（干涉儀（ffpi） e）光強探測）光強探測 常采用光電二極管（常采用光電二極管（pin）、光電三極）、光電三極 管和雪崩二極管（管和雪崩二極管（apd）作為光電探測）作為光

26、電探測 器。器。 輸出的電流為：輸出的電流為： 可采用單探測器法、雙探測器法和三探可采用單探測器法、雙探測器法和三探 測器法測器法 三探測器法三探測器法 可采用單探測器法可采用單探測器法 雙探測器法雙探測器法 4、頻率調制、頻率調制 利用外界因素改變光的頻率，通過檢測利用外界因素改變光的頻率，通過檢測 光的頻率變化來測量外界物理量的原理，光的頻率變化來測量外界物理量的原理， 稱為頻率調制。稱為頻率調制。 頻率調制基于多普勒效應。頻率調制基于多普勒效應。 s q p 2 1 )cos(cos1 211 c v ff s 多普勒光纖測速儀多普勒光纖測速儀 1、光纖位移傳感器、光纖位移傳感器 反射式

27、光纖位移傳感器反射式光纖位移傳感器 液面測量液面測量 2、光纖溫度傳感器、光纖溫度傳感器 1）輻射溫度傳感器）輻射溫度傳感器 輻射曲線輻射曲線 2）半導體吸收式溫度傳感器）半導體吸收式溫度傳感器 半導體材料吸收的波長隨溫度增加向長波移半導體材料吸收的波長隨溫度增加向長波移 動。透過率隨溫度增加而減小。動。透過率隨溫度增加而減小。 a）雙光纖參考基準通道法）雙光纖參考基準通道法 b）雙光源參考基準通道法）雙光源參考基準通道法 3）熱色效應光纖溫度傳感器）熱色效應光纖溫度傳感器 4）光纖角速度傳感器）光纖角速度傳感器 5）光纖壓力傳感）光纖壓力傳感 a）快門式）快門式 b） 動柵式動柵式 光柵常數

28、越小，靈敏度越高。光柵常數越小，靈敏度越高。 c） 光彈壓力傳感光彈壓力傳感 d）微彎式壓力傳感）微彎式壓力傳感 e）膜調制光纖壓力傳感）膜調制光纖壓力傳感 6）光纖電流傳感器）光纖電流傳感器 兩類：兩類： 單模光纖：利用法拉第效應，用于測量高壓單模光纖：利用法拉第效應，用于測量高壓 大電流；大電流； 金屬被覆多模光纖：利用微彎效應，用于測金屬被覆多模光纖：利用微彎效應，用于測 量小電流。量小電流。 金屬被覆光纖電流傳感器金屬被覆光纖電流傳感器 傳感元件傳感元件 被測量呈空間分布時，將傳感光纖沿場排布，被測量呈空間分布時，將傳感光纖沿場排布， 對場的空間分布和隨時間變化的信息進行測對場的空間分布和隨時間變化的信息進行測 量或監(jiān)控。量或監(jiān)控。 分布式光纖傳感可獲得多點信息，性價比高，分布式光纖傳感可獲得多點信息，