光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用-8光纖傳感技術(shù)與系統(tǒng)

1、第6章 光纖傳感技術(shù)與系統(tǒng)光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用主講：張廣遠(yuǎn)光纖傳感技術(shù)與系統(tǒng)光纖傳感技術(shù)與系統(tǒng) 光纖光纖是是20世紀(jì)后半葉的世紀(jì)后半葉的重要發(fā)明之一。重要發(fā)明之一。 光纖、激光器、半導(dǎo)體光電探測(cè)器光纖、激光器、半導(dǎo)體光電探測(cè)器構(gòu)成光電子學(xué)新領(lǐng)域。構(gòu)成光電子學(xué)新領(lǐng)域。 世界光纖之父高錕世界光纖之父高錕 英籍、美籍華人，世界著名光纖專(zhuān)家，原香港中文大學(xué)校長(zhǎng)，英籍、美籍華人，世界著名光纖專(zhuān)家，原香港中文大學(xué)校長(zhǎng)，1996年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院外籍院士，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)將一顆年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院外籍院士，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)將一顆小行星命名為小行星命名為“高錕星高錕星”。2009年諾

2、貝爾獎(jiǎng)獲得者，克服疾病參加領(lǐng)年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，克服疾病參加領(lǐng)獎(jiǎng)會(huì)，免除儀式。獎(jiǎng)會(huì)，免除儀式。 中國(guó)光纖之父趙梓森院士，中國(guó)光谷在武漢中國(guó)光纖之父趙梓森院士，中國(guó)光谷在武漢高錕高錕趙梓森趙梓森1 1 概述概述 光纖：光纖： 是是光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱，是用光簡(jiǎn)稱，是用光透射率高透射率高的介質(zhì)構(gòu)成的的介質(zhì)構(gòu)成的光通路光通路。 微細(xì)的光纖封裝在微細(xì)的光纖封裝在塑料護(hù)套塑料護(hù)套中，能夠彎曲不斷裂。通常光纖一端的中，能夠彎曲不斷裂。通常光纖一端的發(fā)發(fā)射射裝置使用裝置使用發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LEDLED）或一束或一束激光激光將光脈沖傳送至光纖，光纖另一將光脈沖傳送至光纖，光纖另一端的端的接收接收裝置為裝

3、置為光敏元件光敏元件。 光波導(dǎo)：光波導(dǎo)： 將以將以光光的形式出現(xiàn)的電磁波能量，利用的形式出現(xiàn)的電磁波能量，利用全反射全反射的原理，的原理，約束并引導(dǎo)約束并引導(dǎo)光光波在光纖波在光纖內(nèi)部或表面內(nèi)部或表面附近沿光光纖的附近沿光光纖的軸線軸線方向傳播。方向傳播。 光纖的制作：光纖的制作： 先在高溫下做成先在高溫下做成預(yù)制棒預(yù)制棒，然后在高溫爐中，然后在高溫爐中加溫軟化加溫軟化，拉成長(zhǎng)絲拉成長(zhǎng)絲，再進(jìn)，再進(jìn)行行涂覆涂覆、套塑套塑，成為光纖芯線。，成為光纖芯線。 光纖的用途：光纖的用途：光纖通信光纖通信光纖光纖傳感傳感光纖光纖照明照明1 1 概述概述光纖傳感器是傳感技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主導(dǎo)方向。光纖傳感器是傳感

4、技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主導(dǎo)方向。 光纖傳感器：光纖傳感器： 當(dāng)光纖受到外界環(huán)境因素的影響，如溫度、壓力、電場(chǎng)、當(dāng)光纖受到外界環(huán)境因素的影響，如溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等條件變化時(shí)，光纖的傳輸特性將隨之改變，且二者之間磁場(chǎng)等條件變化時(shí)，光纖的傳輸特性將隨之改變，且二者之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此研制出光纖傳感器。存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此研制出光纖傳感器。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度和精度極高，安全性好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，靈敏度和精度極高，安全性好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，絕緣強(qiáng)度高，耐高溫、耐腐蝕性好，輕質(zhì)、柔韌、寬頻帶，易絕緣強(qiáng)度高，耐高溫、耐腐蝕性好，輕質(zhì)、柔韌、寬頻帶，易集成為光纖系統(tǒng)。集成為光纖系統(tǒng)。 應(yīng)用：應(yīng)

5、用：可以測(cè)量聲場(chǎng)、磁場(chǎng)、壓力、溫度、加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)可以測(cè)量聲場(chǎng)、磁場(chǎng)、壓力、溫度、加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)( (陀螺陀螺) )、位移、液位、流量、電流、輻射等、位移、液位、流量、電流、輻射等1 1 概述概述2.1 光纖光纖的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)一、光纖的結(jié)構(gòu)一、光纖的結(jié)構(gòu)（纖芯、包層、涂覆層）（纖芯、包層、涂覆層） 纖芯：纖芯：高透明材料；高透明材料； 包層：包層：折射率略小于纖芯折射率略小于纖芯，形成光波導(dǎo)效應(yīng)，使大部分光電磁場(chǎng)被，形成光波導(dǎo)效應(yīng)，使大部分光電磁場(chǎng)被束束縛在纖芯中傳輸縛在纖芯中傳輸； 涂覆層：涂覆層：保護(hù)光纖保護(hù)光纖不受水汽不受水汽侵蝕和侵蝕和機(jī)械機(jī)械擦擦傷，又增加光纖的柔韌。傷，又增加

6、光纖的柔韌。 在涂覆層外，往往加在涂覆層外，往往加油塑料外套油塑料外套。2 光纖光纖的傳輸理論的傳輸理論包層包層 涂覆層涂覆層纖芯纖芯纖芯纖芯包層包層涂覆層涂覆層護(hù)套護(hù)套光纖的導(dǎo)光能力：光纖的導(dǎo)光能力：取決于纖芯和包層的性質(zhì)。取決于纖芯和包層的性質(zhì)。光纖的機(jī)械強(qiáng)度：光纖的機(jī)械強(qiáng)度：取決于塑料保護(hù)外套。取決于塑料保護(hù)外套。包層包層 涂覆層涂覆層纖芯纖芯纖芯纖芯包層包層涂覆層涂覆層護(hù)套護(hù)套二、光纖的分類(lèi)二、光纖的分類(lèi) 按光纖的原材料分為四類(lèi)：按光纖的原材料分為四類(lèi)： 石英系光纖：石英系光纖： 纖芯和包層由纖芯和包層由高純度高純度sio2摻雜制成；摻雜制成； 光耗光耗最低最低、強(qiáng)度和可靠性最高、強(qiáng)度

7、和可靠性最高、應(yīng)用最廣泛、價(jià)格最高應(yīng)用最廣泛、價(jià)格最高。(2) 多組分玻璃纖維：多組分玻璃纖維： 光纖由光纖由鈉玻璃鈉玻璃摻雜制成；摻雜制成； 光損較低，可靠性偏低。光損較低，可靠性偏低。(3) 塑料包層光纖：塑料包層光纖： 纖芯是纖芯是石英石英，包層是，包層是硅樹(shù)脂硅樹(shù)脂；(4) 全塑光纖：全塑光纖： 纖芯和包層由纖芯和包層由塑料塑料制成；價(jià)格低、光損大、可靠性低。制成；價(jià)格低、光損大、可靠性低。 根據(jù)光纖截面上根據(jù)光纖截面上折射率分布折射率分布分為兩類(lèi)：分為兩類(lèi)： 階躍型光纖階躍型光纖（階躍折射率光纖）（階躍折射率光纖） 纖芯的折射率纖芯的折射率分布均勻分布均勻，在纖芯和包層的界面上，在纖

8、芯和包層的界面上折射率發(fā)生突變折射率發(fā)生突變，光，光線行進(jìn)軌跡呈線行進(jìn)軌跡呈鋸齒形鋸齒形。(2) 漸變型光纖漸變型光纖（梯度型光纖）（梯度型光纖） 纖芯的折射率從纖芯的折射率從芯中芯中至至芯邊緣芯邊緣按拋物線按拋物線減小減小，包層的折射率是，包層的折射率是常數(shù)常數(shù)，光線行進(jìn)軌跡呈光線行進(jìn)軌跡呈蛇形蛇形。 根據(jù)光纖中光傳播模式的數(shù)量分為兩類(lèi)：根據(jù)光纖中光傳播模式的數(shù)量分為兩類(lèi)： 多模光纖：多模光纖：芯的直徑芯的直徑15m50m。 工作波長(zhǎng)工作波長(zhǎng)傳播模式為多個(gè)模式傳播模式為多個(gè)模式的光纖。的光纖。(2) 單模光纖：?jiǎn)文９饫w：芯的直徑為芯的直徑為8m10m。 工作波長(zhǎng)，工作波長(zhǎng)，只能傳輸一個(gè)傳播模

9、式只能傳輸一個(gè)傳播模式的光纖，是應(yīng)用的光纖，是應(yīng)用最廣泛最廣泛的光纖。的光纖。2.2 2.2 光纖中光的傳輸及性質(zhì)光纖中光的傳輸及性質(zhì)一、光的傳輸一、光的傳輸全反射現(xiàn)象：全反射現(xiàn)象： 當(dāng)光線由光當(dāng)光線由光密密媒質(zhì)媒質(zhì)( (折射率折射率n1) )射入光射入光疏疏媒質(zhì)媒質(zhì)( (折射率折射率n2，n1n2) )時(shí)，時(shí)，若入射角大于等于臨界角若入射角大于等于臨界角f fsin1( (n2/ /n1) )，在媒質(zhì)界面上會(huì)發(fā)生，在媒質(zhì)界面上會(huì)發(fā)生全反射全反射現(xiàn)現(xiàn)象。象。 ?c cmaxmax 光按直線傳播，在光按直線傳播，在纖芯纖芯和和包層包層的的界面界面上光發(fā)生反射。上光發(fā)生反射。 包層的折射率包層的折

10、射率n n2 2小于小于纖芯的折射率纖芯的折射率n n1 1，存在著，存在著臨界角臨界角?c c。 光線在界面上入射角光線在界面上入射角?大于大于?c c時(shí)，發(fā)生時(shí)，發(fā)生全反射全反射現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 如如?小于小于?c c，入射光有一部分反射，另一部分，入射光有一部分反射，另一部分通過(guò)界面進(jìn)入通過(guò)界面進(jìn)入包層包層，經(jīng)過(guò)，經(jīng)過(guò)多次反射，多次反射，光能量很快衰減光能量很快衰減。 只有滿足全反射條件的光線才能攜帶能量傳向遠(yuǎn)方。只有滿足全反射條件的光線才能攜帶能量傳向遠(yuǎn)方。?c=sin 1（n2/ /n1) 光在光纖中傳播：光在光纖中傳播：2.2 2.2 光纖中光的傳輸及性質(zhì)光纖中光的傳輸及性質(zhì)二、光纖的

11、主要參數(shù)1. .數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑 光從空氣入射到光纖輸入端面時(shí)，處在某一光從空氣入射到光纖輸入端面時(shí)，處在某一角錐角錐內(nèi)的光線進(jìn)入光纖后內(nèi)的光線進(jìn)入光纖后，就被截留在纖芯中，此，就被截留在纖芯中，此光錐半角光錐半角( (q qC) )的正弦稱為數(shù)值孔徑的正弦稱為數(shù)值孔徑。 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NA是光纖的一個(gè)基本參數(shù)，反映了光纖與光源或探測(cè)器等元是光纖的一個(gè)基本參數(shù)，反映了光纖與光源或探測(cè)器等元件耦合時(shí)的件耦合時(shí)的耦合效率耦合效率，只有入射光處于，只有入射光處于2q qC的光錐的光錐內(nèi)內(nèi), 光纖才能導(dǎo)光。光纖才能導(dǎo)光。 一般希望有一般希望有大的數(shù)值孔徑大的數(shù)值孔徑，這有利于耦合效率的提高，但數(shù)值孔

12、徑過(guò)，這有利于耦合效率的提高，但數(shù)值孔徑過(guò)大，會(huì)造成光信號(hào)畸變。大，會(huì)造成光信號(hào)畸變。2.2 2.2 光纖中光的傳輸及性質(zhì)光纖中光的傳輸及性質(zhì) NA與光纖的幾何尺寸無(wú)關(guān)與光纖的幾何尺寸無(wú)關(guān)，僅與纖芯和包層的折射率有僅與纖芯和包層的折射率有關(guān)關(guān)，纖芯和包層的折射率，纖芯和包層的折射率差別越大差別越大，數(shù)值孔徑就越大，光纖，數(shù)值孔徑就越大，光纖的的集光能力就越強(qiáng)集光能力就越強(qiáng)。 石英光纖的石英光纖的NA0.20.4。NAnnn=22210C1sinq數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NA2.2 2.2 光纖中光的傳輸及性質(zhì)光纖中光的傳輸及性質(zhì)2. .光纖的傳輸模式光纖的傳輸模式 光纖中每一個(gè)允許傳播的波稱為一個(gè)模，

13、某種光纖只能傳輸特定模光纖中每一個(gè)允許傳播的波稱為一個(gè)模，某種光纖只能傳輸特定模數(shù)的光。數(shù)的光。光纖傳輸模數(shù)的參數(shù)光纖傳輸模數(shù)的參數(shù)n n： 由纖芯半徑由纖芯半徑r、傳輸光波長(zhǎng)傳輸光波長(zhǎng)l l及光纖的數(shù)值孔徑及光纖的數(shù)值孔徑NA確定。確定。lnNAr2= n n值值小于小于2.41的光纖，纖芯很細(xì)的光纖，纖芯很細(xì)( (5 m mm10 m mm) )，僅能傳輸基模，故稱，僅能傳輸基模，故稱為為單模單模光纖。光纖。 n n值值大大的光纖傳輸?shù)哪?shù)多，稱為的光纖傳輸?shù)哪?shù)多，稱為多模多模光纖，通常纖芯直徑較粗光纖，通常纖芯直徑較粗( (幾十幾十m mm以上以上) )，能傳輸幾百個(gè)以上的模。，能傳輸

14、幾百個(gè)以上的模。2.2 2.2 光纖中光的傳輸及性質(zhì)光纖中光的傳輸及性質(zhì)( (1) )單模光纖單模光纖 光纖傳輸性能好，常用于功能型光纖傳感器，光纖傳輸性能好，常用于功能型光纖傳感器，制成的傳制成的傳感器比多模傳感器有更好的線性、更高的靈敏度和動(dòng)態(tài)測(cè)量感器比多模傳感器有更好的線性、更高的靈敏度和動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍。但由于纖芯太小，范圍。但由于纖芯太小，制造、連接和耦合都很困難。制造、連接和耦合都很困難。( (2) )多模光纖多模光纖 光纖性能較差。但纖芯截面大，容易制造，連接耦合也光纖性能較差。但纖芯截面大，容易制造，連接耦合也比較方便。比較方便。常用于非功能型光纖傳感器常用于非功能型光纖傳感器。2

15、.2 2.2 光纖中光的傳輸及性質(zhì)光纖中光的傳輸及性質(zhì)3. .傳輸損耗傳輸損耗 光波在光纖中傳輸，隨著傳輸光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加距離的增加，光功率逐漸下降光功率逐漸下降，這就，這就是光纖的傳輸損耗。是光纖的傳輸損耗。 形成光纖損耗的原因很多，形成光纖損耗的原因很多，光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗，光纖與光源的耦合損耗，光纖之間的連接損耗等，都會(huì)處的輻射損耗，光纖與光源的耦合損耗，光纖之間的連接損耗等，都會(huì)造成光信號(hào)在光纖中的傳播有一定程度的損耗。造成光信號(hào)在光纖中的傳播有一定程度的損耗。 通常用衰減率通常用衰減率 表示傳播損耗。表

16、示傳播損耗。)dB/km()/lg(1001LII=2.2 2.2 光纖中光的傳輸及性質(zhì)光纖中光的傳輸及性質(zhì) 光纖的損耗對(duì)傳輸系統(tǒng)的光纖的損耗對(duì)傳輸系統(tǒng)的中繼距離中繼距離影響很大。影響很大。 通常采用通常采用加大輸入光強(qiáng)加大輸入光強(qiáng)來(lái)補(bǔ)償光纖損耗。來(lái)補(bǔ)償光纖損耗。 固有損耗：固有損耗：難以消除難以消除 源于源于石英材料石英材料的本征吸收和瑞利散射，這限制了光纖的本征吸收和瑞利散射，這限制了光纖的最小損耗；的最小損耗； 非固有損耗：非固有損耗：可以減小可以減小 源于因材料、工藝引起的雜質(zhì)吸收和光纖彎曲，通過(guò)提源于因材料、工藝引起的雜質(zhì)吸收和光纖彎曲，通過(guò)提純材料、改善工藝和精心設(shè)計(jì)、制作來(lái)減小損

17、耗。純材料、改善工藝和精心設(shè)計(jì)、制作來(lái)減小損耗。 有的光纖傳感器就是利用有的光纖傳感器就是利用被測(cè)量被測(cè)量的變化引起光纖損耗，通的變化引起光纖損耗，通過(guò)光纖光強(qiáng)的變化進(jìn)行精密測(cè)量。過(guò)光纖光強(qiáng)的變化進(jìn)行精密測(cè)量。光纖的損耗機(jī)理分為兩種：光纖的損耗機(jī)理分為兩種：2.2 2.2 光纖中光的傳輸及性質(zhì)光纖中光的傳輸及性質(zhì)4. .色散色散 光纖的色散是由于光信號(hào)中的光纖的色散是由于光信號(hào)中的不同頻率成分或不同的模式不同頻率成分或不同的模式，在光纖中，在光纖中傳輸時(shí)，傳輸時(shí)，由于速度不同而使得傳播時(shí)間不同由于速度不同而使得傳播時(shí)間不同，從而產(chǎn)生，從而產(chǎn)生波形畸變波形畸變的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 當(dāng)輸入光束是當(dāng)輸入

18、光束是光脈沖光脈沖時(shí)，隨著光的傳輸，光脈沖的時(shí)，隨著光的傳輸，光脈沖的寬度寬度可被展寬，如可被展寬，如果光脈沖變得太寬以致發(fā)生重疊或完全吻合，施加在光束上的信息就會(huì)喪果光脈沖變得太寬以致發(fā)生重疊或完全吻合，施加在光束上的信息就會(huì)喪失。失。 光纖中產(chǎn)生的脈沖展寬現(xiàn)象稱為色散。光纖中產(chǎn)生的脈沖展寬現(xiàn)象稱為色散。2.2 2.2 光纖中光的傳輸及性質(zhì)光纖中光的傳輸及性質(zhì)光纖的色散分為三種：光纖的色散分為三種： 材料色散：材料色散： 因光纖的因光纖的折射率隨波長(zhǎng)變化折射率隨波長(zhǎng)變化產(chǎn)生的。產(chǎn)生的。 結(jié)構(gòu)色散：結(jié)構(gòu)色散： 由光纖的由光纖的幾何結(jié)構(gòu)幾何結(jié)構(gòu)決定的色散，它是模式本身的色散。決定的色散，它是模式

19、本身的色散。 模式色散：模式色散： 多模式傳輸下，因多模式傳輸下，因模式不同模式不同引起的色散。引起的色散。2.2 2.2 光纖中光的傳輸及性質(zhì)光纖中光的傳輸及性質(zhì)常用光纖類(lèi)型及參數(shù)常用光纖類(lèi)型及參數(shù)類(lèi)類(lèi) 型型折射率分布折射率分布纖芯直徑纖芯直徑/ /m mm包層直徑包層直徑/ /mm數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑單單 模模28801250.100.15多模階躍光纖多模階躍光纖( (玻璃玻璃) )802001002500.10.3多模階躍光纖多模階躍光纖( (玻璃玻璃/ /塑料塑料) )200100023012500.180.50多模梯度光纖多模梯度光纖501001251500.10.22.2 2.2 光纖

20、中光的傳輸及性質(zhì)光纖中光的傳輸及性質(zhì)一、光纖傳感技術(shù)的分類(lèi)一、光纖傳感技術(shù)的分類(lèi)（1）功能型）功能型（傳感型光纖傳感器）傳感型光纖傳感器） 光纖既感知信息，又傳輸信息。光纖既感知信息，又傳輸信息。 主要使用單模光纖，主要使用單模光纖，改變光纖的幾何尺寸和材料性質(zhì)可以改善改變光纖的幾何尺寸和材料性質(zhì)可以改善靈敏度。靈敏度。 3 光光纖傳感原理纖傳感原理光纖光纖敏感敏感元件元件光源光源光源光源光纖光纖光電元件光電元件光電元件光電元件測(cè)測(cè)量量對(duì)對(duì)象象測(cè)測(cè)量量對(duì)對(duì)象象 功能型光纖是功能型光纖是連續(xù)連續(xù)的，結(jié)構(gòu)比較的，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單，但為了能夠靈敏地感受外界，但為了能夠靈敏地感受外界因素的變化，需要用

21、因素的變化，需要用特種光纖作探頭特種光纖作探頭，使得制造比較困難。，使得制造比較困難。（2） 非功能型：非功能型： 光纖光纖僅起傳輸信息僅起傳輸信息的作用，的作用，利用在兩根光纖中間或光纖端面放置利用在兩根光纖中間或光纖端面放置敏感元件敏感元件，來(lái)感受被測(cè)量的變化。，來(lái)感受被測(cè)量的變化。光纖光纖敏感敏感元件元件光源光源光源光源光纖光纖光電元件光電元件光電元件光電元件測(cè)測(cè)量量對(duì)對(duì)象象測(cè)測(cè)量量對(duì)對(duì)象象光纖光纖光纖光纖敏感元件敏感元件光源光源光電元件光電元件光電元件光電元件測(cè)測(cè)量量對(duì)對(duì)象象測(cè)測(cè)量量對(duì)對(duì)象象 非功能型光纖傳感器可以非功能型光纖傳感器可以充分利用充分利用現(xiàn)有的性能優(yōu)良的現(xiàn)有的性能優(yōu)良的敏

22、感元件敏感元件來(lái)提來(lái)提高靈敏度。為了獲得較大的受光量和傳輸光的功率，這類(lèi)傳感器使用高靈敏度。為了獲得較大的受光量和傳輸光的功率，這類(lèi)傳感器使用的光纖主要是數(shù)值孔徑和芯徑較大的階躍型的光纖主要是數(shù)值孔徑和芯徑較大的階躍型多模光纖多模光纖。探針型光纖傳感器：探針型光纖傳感器： 是非功能型光纖傳感器，不需要外加敏感元件。光纖把測(cè)量對(duì)象輻射是非功能型光纖傳感器，不需要外加敏感元件。光纖把測(cè)量對(duì)象輻射或反射、散射的光信號(hào)傳播到光電元件?；蚍瓷洹⑸⑸涞墓庑盘?hào)傳播到光電元件。 使用單模光纖或多模光纖。典型的例子有光纖激光多普勒速度傳感器使用單模光纖或多模光纖。典型的例子有光纖激光多普勒速度傳感器和光纖輻射溫

23、度傳感器等。和光纖輻射溫度傳感器等。光纖光纖光纖光纖敏感元件敏感元件光源光源光電元件光電元件光電元件光電元件測(cè)測(cè)量量對(duì)對(duì)象象測(cè)測(cè)量量對(duì)對(duì)象象3.2 光光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件1. 非相干光源非相干光源 熱光源：熱光源： 物質(zhì)的熱輻射，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、物質(zhì)的熱輻射，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、連續(xù)光譜連續(xù)光譜。(2) 氣體放電光源：氣體放電光源： 光譜不連續(xù)光譜不連續(xù)、高強(qiáng)度、短波長(zhǎng)。、高強(qiáng)度、短波長(zhǎng)。(3) 發(fā)光二極管：發(fā)光二極管： 可靠性較高、連續(xù)可靠性較高、連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、光功率工作時(shí)間長(zhǎng)、光功率電流線性度好。電流線性度好。一、光纖傳感器的常用光源一、光纖傳感器的常用光源 分

24、為相干光源分為相干光源(各種激光器各種激光器)和非相干光源和非相干光源(白熾光、發(fā)光二極管白熾光、發(fā)光二極管)。實(shí)際。實(shí)際中，一般要求光源的尺寸小、發(fā)光面積大、波長(zhǎng)合適、足夠亮、穩(wěn)定性好、中，一般要求光源的尺寸小、發(fā)光面積大、波長(zhǎng)合適、足夠亮、穩(wěn)定性好、噪聲小、壽命長(zhǎng)、安裝方便等。噪聲小、壽命長(zhǎng)、安裝方便等。2. 相干光源相干光源激光良好的單色性、方向性、相干性及高亮度。激光良好的單色性、方向性、相干性及高亮度。(1) 固體激光器：固體激光器：用于測(cè)量用于測(cè)量吸收光譜吸收光譜。(2) 液體激光器：液體激光器：因使用不方便，在光纖傳感領(lǐng)域很少使用。因使用不方便，在光纖傳感領(lǐng)域很少使用。(3) 氣

25、體激光器：氣體激光器： 氦氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器、氦分子激光器。氦氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器、氦分子激光器。(4) 半導(dǎo)體激光二極管：半導(dǎo)體激光二極管： 應(yīng)用廣泛，發(fā)光原理與發(fā)光二極管相似，應(yīng)用廣泛，發(fā)光原理與發(fā)光二極管相似，輸出光由非相干光變?yōu)榱讼喔奢敵龉庥煞窍喔晒庾優(yōu)榱讼喔晒夤狻?5) 光纖激光器：光纖激光器： 與光纖耦合好，與光纖器件兼容，能進(jìn)行全光纖測(cè)試。與光纖耦合好，與光纖器件兼容，能進(jìn)行全光纖測(cè)試。3.2 光光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件光探測(cè)器光探測(cè)器 包括光敏二極管、光敏三極管、光電倍增管、光電池等。光探測(cè)器包括光敏二極管、光敏三極管、光

26、電倍增管、光電池等。光探測(cè)器在光纖傳感器中有著十分重要的地位，它的靈敏度、帶寬等參數(shù)將直接在光纖傳感器中有著十分重要的地位，它的靈敏度、帶寬等參數(shù)將直接影響傳感器的總體性能。影響傳感器的總體性能。3.2 光光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件二、光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的無(wú)源器件二、光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的無(wú)源器件1. 光纖連接器光纖連接器 是是光纖之間可拆卸（活動(dòng)）連接光纖之間可拆卸（活動(dòng)）連接的器件。的器件。 用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)及無(wú)源器件之間的用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)及無(wú)源器件之間的連接連接。 光纖連接器會(huì)引入光纖連接器會(huì)引入插入損耗插入損耗，影響傳輸性能。，影響傳輸性能。

27、對(duì)光纖連接器的對(duì)光纖連接器的要求要求：插入損耗小、重復(fù)插拔、壽命長(zhǎng)、互換性好、：插入損耗小、重復(fù)插拔、壽命長(zhǎng)、互換性好、拆卸方便等。拆卸方便等。3.2 光光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件2. 光纖耦合器光纖耦合器(1) T型耦合器：型耦合器： 把把一根光一根光纖輸入纖輸入的光信號(hào)按照一定比例的光信號(hào)按照一定比例分配給兩根光纖分配給兩根光纖，或或是把是把兩根光兩根光纖輸入纖輸入的光信號(hào)組合在一起，的光信號(hào)組合在一起，輸入一根光纖輸入一根光纖。(2) 星型耦合器：星型耦合器： 把把n根光纖輸入根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖輸出根光纖輸出

28、。(3) 定向耦合器：定向耦合器： 分別取出光纖中分別取出光纖中不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)，用作分路器，用作分路器。(4) 波分復(fù)用器波分復(fù)用器/解復(fù)用器：解復(fù)用器： 波分復(fù)用器波分復(fù)用器是把是把多個(gè)不同波長(zhǎng)多個(gè)不同波長(zhǎng)的發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)的發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)組合組合在一起，在一起，輸入輸入到一根到一根光纖；解復(fù)用器是把光纖；解復(fù)用器是把一根光纖輸出一根光纖輸出的的多個(gè)不同波長(zhǎng)多個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，的光信號(hào)，分配分配給給不同的接收機(jī)。不同的接收機(jī)。3.2 光光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件3. 光環(huán)形器光環(huán)形器 環(huán)形器能夠把光信號(hào)流按一個(gè)方向，從一個(gè)端口送到另一個(gè)端口，

29、并防環(huán)形器能夠把光信號(hào)流按一個(gè)方向，從一個(gè)端口送到另一個(gè)端口，并防止光信號(hào)沿錯(cuò)誤方向止光信號(hào)沿錯(cuò)誤方向傳播引起不必要的串?dāng)_。傳播引起不必要的串?dāng)_。 環(huán)形器在使用中通常是端口環(huán)形器在使用中通常是端口1輸入的信號(hào)由端口輸入的信號(hào)由端口2輸出，端口輸出，端口2輸入的信輸入的信號(hào)由端口號(hào)由端口3輸出。輸出。光環(huán)形器在光傳輸?shù)碾p向路由中有廣泛的應(yīng)用。光環(huán)形器在光傳輸?shù)碾p向路由中有廣泛的應(yīng)用。光環(huán)形器的損耗小，光環(huán)形器的損耗小，相鄰端口的隔離度很高。相鄰端口的隔離度很高。光環(huán)形器示意圖光環(huán)形器示意圖3.2 光光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件4. 光衰減器光衰減器光衰減器允許用戶光衰減器允許用戶降

30、低光信號(hào)電平降低光信號(hào)電平。衰減器采用衰減器采用金屬蒸發(fā)膜來(lái)吸收光能金屬蒸發(fā)膜來(lái)吸收光能，實(shí)現(xiàn)光的衰減，實(shí)現(xiàn)光的衰減，衰減量的大小與膜衰減量的大小與膜的厚度成正比的厚度成正比。 衰減器分為衰減器分為固定固定衰減器和衰減器和可變可變衰減器。衰減器。（a）固定衰減器）固定衰減器（b）可變衰減器）可變衰減器3.2 光光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件5. 法拉第旋轉(zhuǎn)鏡法拉第旋轉(zhuǎn)鏡通過(guò)通過(guò)反射鏡反射鏡將將輸出光的偏振態(tài)輸出光的偏振態(tài)在在輸入光的偏振態(tài)輸入光的偏振態(tài)基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)90。 基于此，可以在光路的任何一點(diǎn)，基于此，可以在光路的任何一點(diǎn)，使輸入方向上的光的偏振態(tài)與輸出方使輸入方向上

31、的光的偏振態(tài)與輸出方向的光的偏振態(tài)實(shí)現(xiàn)正交向的光的偏振態(tài)實(shí)現(xiàn)正交，從而消除光纖，從而消除光纖的的雙折射雙折射，實(shí)現(xiàn)光纖系統(tǒng)中的偏振，實(shí)現(xiàn)光纖系統(tǒng)中的偏振不敏感性。不敏感性。3.2 光光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件光纖傳感器光纖傳感器強(qiáng)度強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器調(diào)制型光纖傳感器相位相位調(diào)制型光纖傳感器調(diào)制型光纖傳感器頻率頻率調(diào)制光纖傳感器調(diào)制光纖傳感器時(shí)分時(shí)分調(diào)制光纖傳感器調(diào)制光纖傳感器偏振偏振調(diào)制光纖傳感器調(diào)制光纖傳感器 被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸光的振幅、波長(zhǎng)、相位，使傳輸光的振幅、波長(zhǎng)、相位、頻率或偏振態(tài)等發(fā)生變化，再對(duì)被調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)行檢

32、測(cè)，從而得出、頻率或偏振態(tài)等發(fā)生變化，再對(duì)被調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而得出相應(yīng)的被測(cè)量。相應(yīng)的被測(cè)量。 光調(diào)制是將一個(gè)攜帶信息的信號(hào)疊加到載波光波上的過(guò)程光調(diào)制是將一個(gè)攜帶信息的信號(hào)疊加到載波光波上的過(guò)程。3.2 光光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)的器件1 1、強(qiáng)度調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制 被測(cè)物理量被測(cè)物理量改變光纖中傳輸光的強(qiáng)度改變光纖中傳輸光的強(qiáng)度。 強(qiáng)度調(diào)制是光纖傳感器使用最早的調(diào)制方法。強(qiáng)度調(diào)制是光纖傳感器使用最早的調(diào)制方法。 特點(diǎn)是技術(shù)特點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單可靠、價(jià)格低廉簡(jiǎn)單可靠、價(jià)格低廉?？刹捎??？刹捎枚嗄６嗄９饫w，光纖的連接器和光纖，光纖的連接器和耦合器均已商品化。光源可采用耦合器均已商品化

33、。光源可采用LED和白熾燈等非相干光源，探測(cè)器一般和白熾燈等非相干光源，探測(cè)器一般用光敏二極管、光敏三極管和光電池。用光敏二極管、光敏三極管和光電池。三種典型強(qiáng)度調(diào)制示意圖三種典型強(qiáng)度調(diào)制示意圖 光光源源入入射射光光纖纖調(diào)調(diào)制制區(qū)區(qū)出出射射光光纖纖微微彎彎調(diào)調(diào)制制器器可可動(dòng)動(dòng)反反射射調(diào)調(diào)制制器器可可動(dòng)動(dòng)透透射射調(diào)調(diào)制制器器入入射射出出射射入入射射出出 射射被測(cè)量被測(cè)量 利用光纖反射傳感器的光強(qiáng)調(diào)制利用光纖反射傳感器的光強(qiáng)調(diào)制 應(yīng)用于應(yīng)用于表面粗糙度及小位移測(cè)量表面粗糙度及小位移測(cè)量。 微彎損耗光強(qiáng)調(diào)制微彎損耗光強(qiáng)調(diào)制 當(dāng)光纖當(dāng)光纖受力微彎受力微彎時(shí)，時(shí)，一部分纖芯模式能量會(huì)轉(zhuǎn)化為包層模式能量一

34、部分纖芯模式能量會(huì)轉(zhuǎn)化為包層模式能量，通，通過(guò)測(cè)量包層模式能量或纖芯模式能量的變化就能測(cè)出被測(cè)量。過(guò)測(cè)量包層模式能量或纖芯模式能量的變化就能測(cè)出被測(cè)量。 利用折射率的變化進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制利用折射率的變化進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制 當(dāng)某些物理量當(dāng)某些物理量( (如溫度或壓力等如溫度或壓力等) )作用于光纖時(shí)，引起光纖的纖芯和包作用于光纖時(shí)，引起光纖的纖芯和包層的層的折射率發(fā)生變化折射率發(fā)生變化，若包層的折射率變得大于或等于纖芯的折射率，則，若包層的折射率變得大于或等于纖芯的折射率，則光在纖芯和包層界面上的光在纖芯和包層界面上的全反射遭到破壞全反射遭到破壞，輸出光強(qiáng)的變化即實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)，輸出光強(qiáng)的變化即實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制。

35、制。 利用小的線位移和角位移進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制利用小的線位移和角位移進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制 采用端面為平面的采用端面為平面的兩根光纖兩根光纖，一根為入射光纖，一根為出射光纖，光纖，一根為入射光纖，一根為出射光纖，光纖間距間距約約23 mm。出射光纖相對(duì)于入射光纖橫向或縱向微小移動(dòng)或微小轉(zhuǎn)動(dòng)出射光纖相對(duì)于入射光纖橫向或縱向微小移動(dòng)或微小轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)時(shí)，出射光強(qiáng)隨之發(fā)生變化。，出射光強(qiáng)隨之發(fā)生變化。SSDDSSDDDD 利用光纖的吸收特性進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制利用光纖的吸收特性進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制 X射線、射線、g射線等射線等輻射輻射會(huì)使光纖材料的會(huì)使光纖材料的吸收損耗增加吸收損耗增加，光纖的，光纖的輸出功率輸出功率降低降低，從而形成強(qiáng)

36、度調(diào)制。，從而形成強(qiáng)度調(diào)制。 不同材料對(duì)不同的射線敏感，因此不同材料對(duì)不同的射線敏感，因此改變光纖材料的成分可對(duì)不同的射改變光纖材料的成分可對(duì)不同的射線進(jìn)行測(cè)量線進(jìn)行測(cè)量。光源光源光纖光纖輻射計(jì)輻射計(jì)射線射線探測(cè)器探測(cè)器光纖微彎傳感器光纖微彎傳感器位移或壓力位移或壓力變形器變形器光纖微彎曲光纖微彎曲光強(qiáng)變化光強(qiáng)變化用于大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)：用于大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)： 構(gòu)成構(gòu)成陣列陣列系統(tǒng)，對(duì)大型建筑工程如橋梁、水壩、坑道等的結(jié)構(gòu)變系統(tǒng)，對(duì)大型建筑工程如橋梁、水壩、坑道等的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)。形進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)。 埋入結(jié)構(gòu)的光纖直徑小于埋入結(jié)構(gòu)的光纖直徑小于140微米微米時(shí)，不會(huì)降低材料的時(shí)，不會(huì)降低

37、材料的抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度和疲勞壽命和疲勞壽命。二、相位調(diào)制原理二、相位調(diào)制原理 lfLn12= 式中式中 為光波波長(zhǎng)；為光波波長(zhǎng)； 為纖芯折射率；為纖芯折射率； 為光纖長(zhǎng)度。為光纖長(zhǎng)度。 )(211LnLn=lfl1nL相位測(cè)量相位測(cè)量 不能直接測(cè)量：光的頻率很高，不能直接測(cè)量：光的頻率很高，10101414HzHz。 間接測(cè)量：光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)。間接測(cè)量：光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)。 相位調(diào)制是光纖傳感器中最基本的調(diào)制技術(shù)，以靈敏度相位調(diào)制是光纖傳感器中最基本的調(diào)制技術(shù)，以靈敏度高著稱。高著稱。 公式表明，公式表明，纖芯折射率纖芯折射率n變化和光纖長(zhǎng)度變化和光纖長(zhǎng)度L變化導(dǎo)致的光變化導(dǎo)致的光相位變化。相

38、位變化。被測(cè)量改變光波的相位。被測(cè)量改變光波的相位。 縱向縱向( (軸向軸向) )的機(jī)械應(yīng)力對(duì)光波相位影響的機(jī)械應(yīng)力對(duì)光波相位影響 當(dāng)光纖受到當(dāng)光纖受到縱向縱向( (軸向軸向) )的機(jī)械應(yīng)力的機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，由于應(yīng)力應(yīng)作用時(shí)，由于應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)，變效應(yīng)，光纖的長(zhǎng)度光纖的長(zhǎng)度( (應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)) )、光纖的直徑、光纖的直徑( (泊松效應(yīng)泊松效應(yīng)) )、纖芯折射率纖芯折射率( (光彈性效應(yīng)光彈性效應(yīng)) )都將變化都將變化，這些變化將導(dǎo)致光纖中，這些變化將導(dǎo)致光纖中光波相位的變化光波相位的變化。 溫度對(duì)光波相位影響溫度對(duì)光波相位影響 將光纖放在變化的溫度場(chǎng)中，由于將光纖放在變化的溫度場(chǎng)中，由于溫度

39、應(yīng)變效應(yīng)溫度應(yīng)變效應(yīng)，引起，引起光纖的光纖的折射率和幾何長(zhǎng)度的變化折射率和幾何長(zhǎng)度的變化，引起相位變化。，引起相位變化。 光波相位的光波相位的干涉測(cè)量干涉測(cè)量 光探測(cè)器對(duì)光的相位變化都不敏感光探測(cè)器對(duì)光的相位變化都不敏感，須采用，須采用干涉技術(shù)干涉技術(shù)將將相相位變化轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度變化位變化轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度變化，才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物理量的測(cè)量。，才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物理量的測(cè)量。 相位變化將引起相位變化將引起干涉條紋的運(yùn)動(dòng)干涉條紋的運(yùn)動(dòng)，記錄干涉條紋移動(dòng)的數(shù)，記錄干涉條紋移動(dòng)的數(shù)目，就可測(cè)得相位的變化，從而測(cè)得導(dǎo)致相位變化的物理量，目，就可測(cè)得相位的變化，從而測(cè)得導(dǎo)致相位變化的物理量，這就是干涉測(cè)量的原理。這就是干涉測(cè)

40、量的原理。邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀馬赫馬赫曾特爾干涉儀曾特爾干涉儀薩格奈克干涉儀薩格奈克干涉儀法布里法布里珀羅干涉儀珀羅干涉儀v 光經(jīng)光經(jīng)分束器分束器分為二束，分為二束，一束一束相位受被測(cè)試信息調(diào)制，相位受被測(cè)試信息調(diào)制，一束一束作作為參考光；為參考光；v 二束光二束光疊加形成干涉花紋；疊加形成干涉花紋；v 檢測(cè)檢測(cè)干涉條紋的變化，干涉條紋的變化，確定確定兩束光相位的變化，兩束光相位的變化，解算解算出使相出使相位變化的待測(cè)物理量。位變化的待測(cè)物理量。 相位調(diào)制原理示意圖相位調(diào)制原理示意圖 探探測(cè)測(cè)器器激激光光器器信信號(hào)號(hào)臂臂參參考考臂臂三、頻率調(diào)制原理三、頻率調(diào)制原理 單色光照射運(yùn)動(dòng)物體，

41、反射回來(lái)，由于單色光照射運(yùn)動(dòng)物體，反射回來(lái)，由于多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)發(fā)生頻移。發(fā)生頻移。 式中式中f f為單色光頻率；為單色光頻率；c c為光速；為光速；v v為運(yùn)動(dòng)物體的速度。為運(yùn)動(dòng)物體的速度。 此頻率的光此頻率的光與與參考光參考光共同作用于共同作用于光探測(cè)器光探測(cè)器上，產(chǎn)生上，產(chǎn)生差拍差拍，用，用頻譜頻譜分析器求出頻率變化分析器求出頻率變化，推算出被測(cè)速度。，推算出被測(cè)速度。 被測(cè)量改變光纖中光波的頻率。光纖只作為傳光元件，頻率調(diào)制多是被測(cè)量改變光纖中光波的頻率。光纖只作為傳光元件，頻率調(diào)制多是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。利用光學(xué)多普勒效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。)/1 (/100cvfcvff=移后例

42、：例： 設(shè)激光頻率為設(shè)激光頻率為f0，流體流速為，流體流速為u u。根據(jù)多普勒效應(yīng)，光纖接收到的散射根據(jù)多普勒效應(yīng)，光纖接收到的散射光頻率為光頻率為f0 f或或f0 f( (視流向而定視流向而定) )，由檢偏器檢出散射光與光纖端面反，由檢偏器檢出散射光與光纖端面反射光射光( (參考光參考光) )中振動(dòng)方向相同的光，探測(cè)器檢測(cè)出二者的中振動(dòng)方向相同的光，探測(cè)器檢測(cè)出二者的差頻差頻 f，可知，可知流流體的流速體的流速。四、偏振調(diào)制四、偏振調(diào)制 被測(cè)量改變光的被測(cè)量改變光的偏振特性偏振特性，使光的，使光的某一方向振動(dòng)某一方向振動(dòng)比其他方比其他方向占優(yōu)勢(shì)，向占優(yōu)勢(shì)，通過(guò)檢測(cè)光的偏振態(tài)變化通過(guò)檢測(cè)光的偏

43、振態(tài)變化(即偏振面的旋轉(zhuǎn)即偏振面的旋轉(zhuǎn))來(lái)測(cè)量來(lái)測(cè)量被測(cè)量被測(cè)量。 偏振調(diào)制主要基于偏振調(diào)制主要基于人為旋光現(xiàn)象和人為雙折射人為旋光現(xiàn)象和人為雙折射現(xiàn)象，如法現(xiàn)象，如法拉第磁光效應(yīng)、克爾電光效應(yīng)和光彈效應(yīng)等。拉第磁光效應(yīng)、克爾電光效應(yīng)和光彈效應(yīng)等。 書(shū)書(shū)P168，圖，圖7-9，7-10五、時(shí)分調(diào)制五、時(shí)分調(diào)制 利用外界因素調(diào)制返回信號(hào)的利用外界因素調(diào)制返回信號(hào)的基帶頻譜基帶頻譜，檢測(cè)檢測(cè)基基帶的帶的延遲時(shí)間、幅度大小延遲時(shí)間、幅度大小的變化，測(cè)量各種物理量的的變化，測(cè)量各種物理量的大小和空間分布。大小和空間分布。 光纖輻射劑量?jī)x光纖輻射劑量?jī)x 光光電電二二極極管管探探光光源源X X 射射 線線

44、 輻輻 射射光光 強(qiáng)強(qiáng)指指 標(biāo)標(biāo)p pn n放放大大器器光光纖纖結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖光纖傳感器實(shí)例光纖傳感器實(shí)例光纖射線傳感器結(jié)構(gòu)光纖射線傳感器結(jié)構(gòu) 用用x x、射線輻照光纖，使光纖損耗增加，輸出功率射線輻照光纖，使光纖損耗增加，輸出功率P P0 0減少，減少，光強(qiáng)下降。光強(qiáng)下降。 X X、射線的輻射劑量不同，輸出射線的輻射劑量不同，輸出P P0 0下降輻度不同。下降輻度不同。 光纖電流傳感器光纖電流傳感器 v 鎳護(hù)套光纖鎳護(hù)套光纖固定于通電固定于通電螺線管中心螺線管中心；v 螺線管螺線管電流不同電流不同使螺線管中的使螺線管中的磁場(chǎng)不同磁場(chǎng)不同；v 鎳護(hù)套發(fā)生磁致伸縮，使鎳護(hù)套發(fā)生磁致伸縮，使光纖在徑

45、向、軸向受到應(yīng)力光纖在徑向、軸向受到應(yīng)力；v 光纖芯折射率和長(zhǎng)度都發(fā)生變化，引起光纖芯折射率和長(zhǎng)度都發(fā)生變化，引起相位差異相位差異。 探探測(cè)測(cè)器器激激光光電電流流源源光光纖纖鎳鎳護(hù)護(hù)套套參參考考光光纖纖I II I螺螺線線管管lfLn12= 光纖煙氣傳感器光纖煙氣傳感器 leII=0 平行單色光入射到平行單色光入射到被測(cè)煙氣被測(cè)煙氣的顆粒場(chǎng)的顆粒場(chǎng)( (含有微粒和分子含有微粒和分子) )，受到顆，受到顆粒團(tuán)的散射和吸收，粒團(tuán)的散射和吸收，光強(qiáng)衰減。光強(qiáng)衰減。 式中式中為消光系數(shù)，為消光系數(shù)，l l為光程為光程。 電源電源He-NeHe-Ne激光器激光器耦合器耦合器分路器分路器光纖光纖探測(cè)器探測(cè)

46、器濃度場(chǎng)濃度場(chǎng)透鏡組透鏡組記錄儀記錄儀 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器是工業(yè)中應(yīng)用最多的光纖傳感器之一。光纖溫度傳感器是工業(yè)中應(yīng)用最多的光纖傳感器之一。1. .半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器 半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的光吸收和溫度有關(guān)系曲線光吸收和溫度有關(guān)系曲線，半導(dǎo)體材料的吸，半導(dǎo)體材料的吸收邊波長(zhǎng)收邊波長(zhǎng)l lg( (T) )隨溫度增加而向較長(zhǎng)波長(zhǎng)方向位移。隨溫度增加而向較長(zhǎng)波長(zhǎng)方向位移。 適當(dāng)選擇發(fā)光二極管，使其光譜范圍正好落在吸收區(qū)域，適當(dāng)選擇發(fā)光二極管，使其光譜范圍正好落在吸收區(qū)域，即可做成即可做成透射式光纖溫度傳感器透射式光纖溫度傳感器。透過(guò)半導(dǎo)體的光強(qiáng)隨溫度。透過(guò)半導(dǎo)體

47、的光強(qiáng)隨溫度升高而減少。升高而減少。光纖位移傳感器光纖位移傳感器1. .反射強(qiáng)度調(diào)制型位移傳感器反射強(qiáng)度調(diào)制型位移傳感器 通過(guò)改變通過(guò)改變反射面與光纖端面之間的距離反射面與光纖端面之間的距離來(lái)調(diào)制反射光的強(qiáng)度。來(lái)調(diào)制反射光的強(qiáng)度。Y形光形光纖束纖束由幾百根至幾千根直徑為幾十由幾百根至幾千根直徑為幾十m mm的階躍型多模光纖集束而成。它被的階躍型多模光纖集束而成。它被分成纖維數(shù)目大致相等，長(zhǎng)度相同的兩束。分成纖維數(shù)目大致相等，長(zhǎng)度相同的兩束。 用來(lái)用來(lái)測(cè)量小位移測(cè)量小位移，能檢測(cè)，能檢測(cè)零點(diǎn)幾零點(diǎn)幾m mm的位移量。用于鍍層不平度、零件的位移量。用于鍍層不平度、零件橢圓度、錐度、偏斜度等測(cè)量，也

48、用來(lái)測(cè)量微弱振動(dòng)，而且是非接觸測(cè)量橢圓度、錐度、偏斜度等測(cè)量，也用來(lái)測(cè)量微弱振動(dòng)，而且是非接觸測(cè)量。 （書(shū)P175，圖7-21）光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器1. .光纖渦流流量計(jì)光纖渦流流量計(jì) 采用一根采用一根橫貫液流管橫貫液流管的大數(shù)值孔徑的多模的大數(shù)值孔徑的多模光纖作為傳感元件。光纖受到光纖作為傳感元件。光纖受到液體渦流液體渦流的作用的作用而振動(dòng)，這種振動(dòng)與液體的流速有關(guān)。而振動(dòng)，這種振動(dòng)與液體的流速有關(guān)。入 射 光水 管重 物斑 圖dlh 這種流量計(jì)這種流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠，可用于，可用于易燃、易爆及腐蝕性易燃、易爆及腐蝕性的液體測(cè)量。的液體測(cè)量。 光纖

49、直徑光纖直徑很細(xì)很細(xì)，對(duì)流體的，對(duì)流體的流阻小流阻小，對(duì)，對(duì)流場(chǎng)流場(chǎng)幾乎沒(méi)有影響幾乎沒(méi)有影響。 對(duì)低速流體不敏感。對(duì)低速流體不敏感。渦列的形成：渦列的形成： 根據(jù)流體力學(xué)原理，由于根據(jù)流體力學(xué)原理，由于光纖不是流線體光纖不是流線體，在一定條件下，在其下，在一定條件下，在其下游會(huì)產(chǎn)生游會(huì)產(chǎn)生渦流渦流。這種渦流是在光纖下游兩側(cè)產(chǎn)生的有規(guī)律的漩渦，稱為。這種渦流是在光纖下游兩側(cè)產(chǎn)生的有規(guī)律的漩渦，稱為卡門(mén)卡門(mén)“渦街渦街”，由于，由于漩渦列漩渦列之間的相互作用，渦列一般不穩(wěn)定，但是實(shí)之間的相互作用，渦列一般不穩(wěn)定，但是實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)滿足驗(yàn)證明，當(dāng)滿足h/ /l0.281時(shí)，渦列是穩(wěn)定的。時(shí)，渦列是穩(wěn)定的

50、。入 射 光水 管重 物斑 圖dlh光纖振動(dòng)的形成：光纖振動(dòng)的形成： 當(dāng)每個(gè)漩渦產(chǎn)生并瀉下時(shí)，它會(huì)在當(dāng)每個(gè)漩渦產(chǎn)生并瀉下時(shí)，它會(huì)在光纖上產(chǎn)生一種側(cè)向力光纖上產(chǎn)生一種側(cè)向力，這樣就有，這樣就有一個(gè)一個(gè)周期力作用在光纖周期力作用在光纖上，上，使其振動(dòng)使其振動(dòng)。 野外的電線在風(fēng)吹動(dòng)下會(huì)嗡嗡作響，就是這種現(xiàn)象。野外的電線在風(fēng)吹動(dòng)下會(huì)嗡嗡作響，就是這種現(xiàn)象。 光纖振動(dòng)的頻率：光纖振動(dòng)的頻率：dsf/u= 式中式中，u u為流速；為流速；d為光纖直徑；為光纖直徑；s為斯特羅哈數(shù)為斯特羅哈數(shù)( (無(wú)量綱無(wú)量綱) ) 。光纖振動(dòng)的頻率的測(cè)定：光纖振動(dòng)的頻率的測(cè)定： 當(dāng)光通過(guò)當(dāng)光通過(guò)未受擾動(dòng)的光纖未受擾動(dòng)的光纖

51、時(shí)，如果光纖直徑為時(shí)，如果光纖直徑為200 m mm300 m mm，在距離光纖端面約，在距離光纖端面約1520 cm的地方可以的地方可以觀察到觀察到清晰而穩(wěn)定的斑圖清晰而穩(wěn)定的斑圖，它的，它的分布是無(wú)規(guī)則的分布是無(wú)規(guī)則的。 當(dāng)當(dāng)光纖振動(dòng)光纖振動(dòng)時(shí)，這些時(shí)，這些斑圖就會(huì)不斷地振動(dòng)斑圖就會(huì)不斷地振動(dòng)，如用，如用光探測(cè)光探測(cè)器接收斑圖器接收斑圖的一個(gè)小區(qū)域，即可通過(guò)的一個(gè)小區(qū)域，即可通過(guò)頻譜儀讀出光纖振動(dòng)的頻譜儀讀出光纖振動(dòng)的頻率頻率。再算出。再算出流速流速，在管子尺寸一定的條件下，就可得出，在管子尺寸一定的條件下，就可得出流流量量。光纖多普勒血流傳感器光纖多普勒血流傳感器 利用多普勒效應(yīng)可構(gòu)成光

52、纖速度傳感器。由于光纖很細(xì)利用多普勒效應(yīng)可構(gòu)成光纖速度傳感器。由于光纖很細(xì)( (外徑約幾十外徑約幾十m mm) )，能裝在注射器針頭內(nèi)，插入血管中。又由于，能裝在注射器針頭內(nèi)，插入血管中。又由于光纖速度傳感器沒(méi)有觸電的危險(xiǎn)，所以用于測(cè)量心臟內(nèi)的血流光纖速度傳感器沒(méi)有觸電的危險(xiǎn)，所以用于測(cè)量心臟內(nèi)的血流十分安全。十分安全。光纖多普勒血流傳感器：光纖多普勒血流傳感器： 測(cè)量光束通過(guò)測(cè)量光束通過(guò)光纖探針光纖探針進(jìn)到被測(cè)血流中，經(jīng)直徑約進(jìn)到被測(cè)血流中，經(jīng)直徑約7 m mm的的紅血球散射紅血球散射，一部分光按原路返回，得到多普勒頻移信號(hào)，一部分光按原路返回，得到多普勒頻移信號(hào)f f，頻移，頻移 f為為l

53、qucos2nf = 式中，式中，u u為血流速度；為血流速度；n為血液的折射率；為血液的折射率；q q為光纖軸線與血管軸線的為光纖軸線與血管軸線的夾角；夾角；l l為激光波長(zhǎng)。為激光波長(zhǎng)。 另一束進(jìn)入驅(qū)動(dòng)頻率為另一束進(jìn)入驅(qū)動(dòng)頻率為f140 MHz的布喇格盒的布喇格盒( (頻移器頻移器) )，得到頻率為，得到頻率為ff1的參考光信號(hào)。的參考光信號(hào)。f1+fff1 將參考光信號(hào)與多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行混頻，就得到要探測(cè)的信號(hào)。將參考光信號(hào)與多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行混頻，就得到要探測(cè)的信號(hào)。這種方法稱為光學(xué)外差法。這種方法稱為光學(xué)外差法。ff 經(jīng)光電二極管將混頻信號(hào)變換成光電流送入頻譜分析儀，得出對(duì)應(yīng)于經(jīng)光

54、電二極管將混頻信號(hào)變換成光電流送入頻譜分析儀，得出對(duì)應(yīng)于血流速度的多普勒頻移譜血流速度的多普勒頻移譜( (速度譜速度譜) )，如右圖所示。，如右圖所示。光纖磁傳感器光纖磁傳感器1. .利用法拉第磁光效應(yīng)的光纖傳感器利用法拉第磁光效應(yīng)的光纖傳感器 利用法拉第磁光效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的方法很多，如利用法拉第磁光效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的方法很多，如強(qiáng)度強(qiáng)度調(diào)制方式，調(diào)制方式，偏振光偏振光度度測(cè)量方式和測(cè)量方式和外差外差方式等，這里僅介紹偏振光度測(cè)量方式。方式等，這里僅介紹偏振光度測(cè)量方式。按工作原理分為兩種：按工作原理分為兩種： 根據(jù)根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)法拉第磁光效應(yīng)直接實(shí)現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換；直接實(shí)現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換； 根據(jù)根據(jù)磁致伸

55、縮效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)，利用力或其他物理量間接實(shí)現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換。，利用力或其他物理量間接實(shí)現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換。 偏振光經(jīng)保偏光纖、自聚焦透鏡進(jìn)入法拉第磁光盒，經(jīng)多次反射后偏振光經(jīng)保偏光纖、自聚焦透鏡進(jìn)入法拉第磁光盒，經(jīng)多次反射后進(jìn)入渥拉斯登棱鏡，把偏振光變成振動(dòng)方向相互垂直的兩束光。進(jìn)入渥拉斯登棱鏡，把偏振光變成振動(dòng)方向相互垂直的兩束光。光源保偏光纖法拉第盒PHD1D2- -+ +渥拉斯渥拉斯登棱鏡登棱鏡基于法拉第磁光效應(yīng)的偏振光度測(cè)量：基于法拉第磁光效應(yīng)的偏振光度測(cè)量： 設(shè)無(wú)磁場(chǎng)時(shí)出射光的偏振軸與棱鏡的偏振軸夾角為設(shè)無(wú)磁場(chǎng)時(shí)出射光的偏振軸與棱鏡的偏振軸夾角為45 ，這樣，這樣D1和和D2光電管接收的光強(qiáng)為光

56、電管接收的光強(qiáng)為)45(sin)45(cos202201qq=IIII 式中，式中，q q為偏振面的旋轉(zhuǎn)角度；為偏振面的旋轉(zhuǎn)角度；I0為入射光強(qiáng)；為入射光強(qiáng)；I1、I2為兩偏振光的為兩偏振光的強(qiáng)度。強(qiáng)度。 采用圖中的采用圖中的“加加”、“減減”和和“除除”法運(yùn)算后，輸出法運(yùn)算后，輸出q2sin2121=IIIIP通過(guò)測(cè)量通過(guò)測(cè)量P就能確定就能確定q q、確定、確定B。2. .利用磁致伸縮效應(yīng)的光纖傳感器利用磁致伸縮效應(yīng)的光纖傳感器 在磁場(chǎng)作用下，磁性物體的尺寸會(huì)發(fā)生改變，這種現(xiàn)象即為磁在磁場(chǎng)作用下，磁性物體的尺寸會(huì)發(fā)生改變，這種現(xiàn)象即為磁致伸縮效應(yīng)。致伸縮效應(yīng)。 光纖磁致伸縮效應(yīng)傳感器是在光纖

57、磁致伸縮效應(yīng)傳感器是在光纖上涂覆磁致伸縮性能光纖上涂覆磁致伸縮性能良好的良好的材料薄膜材料薄膜，或者將，或者將光纖緊繞在磁致伸縮材料芯棒光纖緊繞在磁致伸縮材料芯棒上。在外磁場(chǎng)作用上。在外磁場(chǎng)作用下，由于磁致伸縮效應(yīng)，纖芯長(zhǎng)度變化及纖芯折射率變化，都會(huì)導(dǎo)下，由于磁致伸縮效應(yīng)，纖芯長(zhǎng)度變化及纖芯折射率變化，都會(huì)導(dǎo)致致光程的相應(yīng)變化光程的相應(yīng)變化。磁場(chǎng)光源磁性膜光纖參考光纖光檢測(cè)器電輸出1. .醫(yī)用內(nèi)窺鏡醫(yī)用內(nèi)窺鏡 由于光纖柔軟、自由度大、傳輸圖像失真小，引入醫(yī)用內(nèi)窺鏡后，可由于光纖柔軟、自由度大、傳輸圖像失真小，引入醫(yī)用內(nèi)窺鏡后，可以方便的檢查人體的許多部位。以方便的檢查人體的許多部位。醫(yī)用光纖傳

58、感器醫(yī)用光纖傳感器 醫(yī)用光纖傳感器體積小、電絕緣和抗電磁性能好，特別適于身體的醫(yī)用光纖傳感器體積小、電絕緣和抗電磁性能好，特別適于身體的內(nèi)部檢測(cè)。內(nèi)部檢測(cè)。2. .光纖體壓計(jì)光纖體壓計(jì) 可用來(lái)檢測(cè)人體各部位的體壓，如膀胱、直腸、顱內(nèi)和心血管等，測(cè)可用來(lái)檢測(cè)人體各部位的體壓，如膀胱、直腸、顱內(nèi)和心血管等，測(cè)量范圍通常為量范圍通常為040 kPa。 圖所為一種醫(yī)用體壓計(jì)探針的結(jié)構(gòu)示意圖，在探針端部的開(kāi)孔上安裝圖所為一種醫(yī)用體壓計(jì)探針的結(jié)構(gòu)示意圖，在探針端部的開(kāi)孔上安裝有對(duì)壓力敏感的防水薄膜。膜片通過(guò)懸臂梁與反射鏡相連。有對(duì)壓力敏感的防水薄膜。膜片通過(guò)懸臂梁與反射鏡相連。 導(dǎo)管光纖束反射鏡防水薄膜懸

59、臂梁Pp防水薄膜防水薄膜分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器 同時(shí)測(cè)量空間多個(gè)點(diǎn)甚至連續(xù)分布的環(huán)境參數(shù)。同時(shí)測(cè)量空間多個(gè)點(diǎn)甚至連續(xù)分布的環(huán)境參數(shù)。 利用光纖本身特征的功能型光纖可構(gòu)成性能優(yōu)良的分布式光纖傳感器利用光纖本身特征的功能型光纖可構(gòu)成性能優(yōu)良的分布式光纖傳感器，特別適于需要同時(shí)監(jiān)測(cè)在光纖通過(guò)的路途上大量位置處連續(xù)變化的物理，特別適于需要同時(shí)監(jiān)測(cè)在光纖通過(guò)的路途上大量位置處連續(xù)變化的物理量，如建筑物、橋梁、水壩、儲(chǔ)油罐等大型結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的檢測(cè)，石油鉆井量，如建筑物、橋梁、水壩、儲(chǔ)油罐等大型結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的檢測(cè)，石油鉆井平臺(tái)、飛機(jī)、航天器、電力變壓器、發(fā)電機(jī)組、反應(yīng)堆等場(chǎng)合應(yīng)力和溫度平臺(tái)、飛機(jī)、航天

60、器、電力變壓器、發(fā)電機(jī)組、反應(yīng)堆等場(chǎng)合應(yīng)力和溫度分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。 分布式光纖傳感系統(tǒng)中的傳感元件僅為光纖；分布式光纖傳感系統(tǒng)中的傳感元件僅為光纖； 一次測(cè)量就可獲取整個(gè)光纖區(qū)域內(nèi)被測(cè)量的一維分布圖，將光纖架一次測(cè)量就可獲取整個(gè)光纖區(qū)域內(nèi)被測(cè)量的一維分布圖，將光纖架設(shè)成光柵狀，就可測(cè)定被測(cè)量的二維和三維分布情況；設(shè)成光柵狀，就可測(cè)定被測(cè)量的二維和三維分布情況； 系統(tǒng)的空間分辨力一般在米的量級(jí)，因而對(duì)被測(cè)量在更窄范圍的變系統(tǒng)的空間分辨力一般在米的量級(jí)，因而對(duì)被測(cè)量在更窄范圍的變化一般只能觀測(cè)其平均值；化一般只能觀測(cè)其平均值；分布式光纖傳感技術(shù)的特征：分布式光纖傳感技術(shù)的特征：