光纖傳感器的應(yīng)用舉例

1、光纖光纖式傳感器應(yīng)用舉例式傳感器應(yīng)用舉例1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器4 光纖磁傳感器光纖磁傳感器5 醫(yī)用光纖傳感器醫(yī)用光纖傳感器6 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器光纖光纖式傳感器應(yīng)用舉例式傳感器應(yīng)用舉例7 工業(yè)用內(nèi)窺鏡工業(yè)用內(nèi)窺鏡8 光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器9 光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器10 光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用11 光纖納米生物傳感器光纖納米生物傳感器12 光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 光纖測溫技術(shù)是一種新技術(shù)，光纖溫度傳感器光纖

2、測溫技術(shù)是一種新技術(shù)，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。按調(diào)制原理是工業(yè)中應(yīng)用最多的光纖傳感器之一。按調(diào)制原理分為相干型和非相干型兩類。在相干型中有偏振干分為相干型和非相干型兩類。在相干型中有偏振干涉、相位干涉以及分布式溫度傳感器等；在非相干涉、相位干涉以及分布式溫度傳感器等；在非相干型中有輻射溫度計、半導(dǎo)體吸收式溫度計、熒光溫型中有輻射溫度計、半導(dǎo)體吸收式溫度計、熒光溫度計等。度計等。1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 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)體材料的光吸收和溫度的關(guān)系曲線如圖所半導(dǎo)體材料的光吸收和溫度的關(guān)系曲線如圖所示。半導(dǎo)體材料的吸收邊波長示

3、。半導(dǎo)體材料的吸收邊波長l lg( (T) )隨溫度增加而向隨溫度增加而向較長波長方向位移。較長波長方向位移。1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 若能適當(dāng)選擇發(fā)光二極管，使其光譜范圍正好若能適當(dāng)選擇發(fā)光二極管，使其光譜范圍正好落在吸收邊的區(qū)域，即可做成透射式光纖溫度傳感落在吸收邊的區(qū)域，即可做成透射式光纖溫度傳感器。透過半導(dǎo)體的光強隨溫度升高而減少。器。透過半導(dǎo)體的光強隨溫度升高而減少。1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 圖示為雙光纖參圖示為雙光纖參考基準通道法半導(dǎo)體考基準通道法半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感吸收式光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。器的結(jié)構(gòu)框圖。 光源為光源為GaAlAs發(fā)光二極管，測溫介質(zhì)為測

4、量光纖發(fā)光二極管，測溫介質(zhì)為測量光纖上的半導(dǎo)體材料上的半導(dǎo)體材料CdTe。參考光纖上面沒有敏感材料。參考光纖上面沒有敏感材料。采用除法器消除外界干擾，提高測量精度。測溫范圍采用除法器消除外界干擾，提高測量精度。測溫范圍在在40 120 之間，精度為之間，精度為1 。1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 2. .干涉型光纖溫度傳感器干涉型光纖溫度傳感器 溫度變化能引起光纖中溫度變化能引起光纖中傳輸光傳輸光的相位變化，利用的相位變化，利用光纖干涉儀檢測相位變化即可測得溫度。圖示是利用光纖干涉儀檢測相位變化即可測得溫度。圖示是利用馬赫馬赫曾特爾曾特爾干涉儀測溫的原理圖。光通過信號臂產(chǎn)干涉儀測溫的原理圖。

5、光通過信號臂產(chǎn)生的相位變化為生的相位變化為)20. 8(2nLl式中，式中，L為感受溫度變化的光為感受溫度變化的光纖段的長度，纖段的長度，l l為光源波長。為光源波長。氦氖激光器擴束器分束器顯微物鏡單模光纖被測溫度場光探測器1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 例例8.1 若已知光源波長若已知光源波長l l0.6328 m mm，對，對n1.456的單模石英玻璃光纖，有的單模石英玻璃光纖，有C/1010ddC/105dd67TnTLL,試計算在試計算在1 m的光纖上，溫度每變化的光纖上，溫度每變化1 時，將有時，將有幾根條紋移動。幾根條紋移動。1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器解解 根據(jù)式根據(jù)式(

6、(8.20) )，對溫度求導(dǎo)得，對溫度求導(dǎo)得)20. 8(2nLlTLnTnLTdddd2ddlTLLnTnTLdddd2ddl代入已知條件得代入已知條件得m)Crad/( 107ddTL則條紋移動數(shù)則條紋移動數(shù) 。)mC/(17)2/(ddTLm2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器 1. .反射強度調(diào)制型位移傳感器反射強度調(diào)制型位移傳感器 通過改變反射面與光纖端面之間的距離來調(diào)制通過改變反射面與光纖端面之間的距離來調(diào)制反射光的強度。反射光的強度。Y形光纖束由幾百根至幾千根直徑形光纖束由幾百根至幾千根直徑為幾十為幾十m mm的階躍型多模光纖集束而成。它被分成纖的階躍型多模光纖集束而成。它被分成纖維

7、數(shù)目大致相等，長度相同的兩束。維數(shù)目大致相等，長度相同的兩束。2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器 發(fā)送光纖束和接收光纖束在匯集處端面的分布發(fā)送光纖束和接收光纖束在匯集處端面的分布有多種，如隨機分布、對半分布、同軸分布有多種，如隨機分布、對半分布、同軸分布( (分為接分為接收光纖在外層和接收光纖在內(nèi)層兩類收光纖在外層和接收光纖在內(nèi)層兩類) )，如圖所示。，如圖所示。位移MABCD1234XM1隨機分布2對半分布3同軸分布4同軸分布發(fā)送光纖接收光纖反射光強2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器 反射光強與位移的關(guān)反射光強與位移的關(guān)系如圖所示。系如圖所示?？梢钥闯觯梢钥闯?，隨機分布時傳感器的靈敏隨機分布時

8、傳感器的靈敏度和線性都較好。還可以度和線性都較好。還可以看出，看出，AB段的靈敏度和段的靈敏度和線性好，但測量范圍小，線性好，但測量范圍小，CD段的斜率小即靈敏度段的斜率小即靈敏度低，但線性范圍寬。低，但線性范圍寬。1隨機分布；隨機分布；2對半分布；對半分布；3同軸分布；同軸分布；4同軸分布同軸分布位移MABCD1234XM1隨機分布2對半分布3同軸分布4同軸分布發(fā)送光纖接收光纖反射光強AMB CDM2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器 假設(shè)傳感器工作在假設(shè)傳感器工作在AB段，偏置工作點在段，偏置工作點在M，被，被測物體的反射面與光纖端測物體的反射面與光纖端面之間的初始距離是面之間的初始距離是M點

9、點所對應(yīng)的距離所對應(yīng)的距離XM。由曲線。由曲線可知，隨位移增加光強增可知，隨位移增加光強增加，反之則光強減少，故加，反之則光強減少，故由此可確定位移方向。由此可確定位移方向。1隨機分布；隨機分布；2對半分布；對半分布；3同軸分布；同軸分布；4同軸分布同軸分布位移MABCD1234XM1隨機分布2對半分布3同軸分布4同軸分布發(fā)送光纖接收光纖反射光強AMB CDM2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器 光纖位移傳感器一般用來測量小位移。最光纖位移傳感器一般用來測量小位移。最小能檢測零點幾小能檢測零點幾m mm的位移量。這種傳感器已的位移量。這種傳感器已在鍍層不平度、零件橢圓度、錐度、偏斜度等在鍍層不平度

10、、零件橢圓度、錐度、偏斜度等測量中得到應(yīng)用，它還可用來測量微弱振動，測量中得到應(yīng)用，它還可用來測量微弱振動，而且是非接觸測量。而且是非接觸測量。2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器 2. .干涉型光纖位移傳感器干涉型光纖位移傳感器 干涉型光纖位移傳感器和反射光強調(diào)制型位移干涉型光纖位移傳感器和反射光強調(diào)制型位移傳感器相比，測量范圍大，測量精度高。傳感器相比，測量范圍大，測量精度高。 測量位移的測量位移的邁克爾遜干涉儀如圖所示。邁克爾遜干涉儀如圖所示。1234567889101氦氖激光器；氦氖激光器；2分束分束器；器；3擴束鏡；擴束鏡；4反射反射鏡；鏡；5可移動四面體棱鏡；可移動四面體棱鏡；6全息照

11、片；全息照片；7光纖參光纖參考臂；考臂；8光探測器；光探測器；9可逆計數(shù)器；可逆計數(shù)器；10光闌光闌 物光和參考光干涉，在全息干板上形成干涉物光和參考光干涉，在全息干板上形成干涉條紋。四面體棱鏡移動時，由于光程差變化而使條紋。四面體棱鏡移動時，由于光程差變化而使干涉條紋移動，從干涉條紋的移動量可以確定位干涉條紋移動，從干涉條紋的移動量可以確定位移的大小。移的大小。兩個光探測器用來確定移動方向。兩個光探測器用來確定移動方向。1234567889101氦氖激光器；氦氖激光器；2分束分束器；器；3擴束鏡；擴束鏡；4反射反射鏡；鏡；5可移動四面體棱鏡；可移動四面體棱鏡；6全息照片；全息照片；7光纖參光

12、纖參考臂；考臂；8光探測器；光探測器；9可逆計數(shù)器；可逆計數(shù)器；10光闌光闌2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 1. .光纖渦流流量計光纖渦流流量計 原理如圖所示。采用一根原理如圖所示。采用一根橫貫液流管的大數(shù)值孔徑的多橫貫液流管的大數(shù)值孔徑的多模光纖作為傳感元件。光纖受模光纖作為傳感元件。光纖受到液體渦流的作用而振動，這到液體渦流的作用而振動，這種振動與液體的流速有關(guān)。種振動與液體的流速有關(guān)。入射光水管重物斑圖dlh3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 根據(jù)流體力學(xué)原理，由于光纖不是流線體，在根據(jù)流體力學(xué)原理，由于光纖不是流線體，在一定條件下

13、，在其下游會產(chǎn)生渦流。這種渦流是在一定條件下，在其下游會產(chǎn)生渦流。這種渦流是在光纖下游兩側(cè)產(chǎn)生的有規(guī)律的漩渦，稱為卡門光纖下游兩側(cè)產(chǎn)生的有規(guī)律的漩渦，稱為卡門“渦渦街街”，由于漩渦列之間的相互作用，渦列一般不穩(wěn)，由于漩渦列之間的相互作用，渦列一般不穩(wěn)定，但是實驗證明，當(dāng)滿足定，但是實驗證明，當(dāng)滿足h/ /l0.281時，渦列是時，渦列是穩(wěn)定的。穩(wěn)定的。入射光水管重物斑圖dlh3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 當(dāng)每個漩渦產(chǎn)生并瀉下時，它會在光纖上產(chǎn)生一當(dāng)每個漩渦產(chǎn)生并瀉下時，它會在光纖上產(chǎn)生一種側(cè)向力，這樣就有一個周期力作用在光纖上，使其種側(cè)向力，這樣就有一個周期力作用在光纖上，使其

14、振動。野外的電線等在風(fēng)吹動下會嗡嗡作響，就是這振動。野外的電線等在風(fēng)吹動下會嗡嗡作響，就是這種現(xiàn)象。實驗證明，光纖振動的頻率由下式得出種現(xiàn)象。實驗證明，光纖振動的頻率由下式得出)23. 8(/dsf式中式中， 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)( (無量無量綱綱) )，當(dāng)雷諾數(shù)當(dāng)雷諾數(shù)Re在在500150000范圍內(nèi)時，對圓柱體范圍內(nèi)時，對圓柱體s0.2。3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 當(dāng)光通過未受擾動的光纖時，如果光纖直徑為當(dāng)光通過未受擾動的光纖時，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

15、的的地方可以觀察到清晰而穩(wěn)定的斑圖，但它的分布是地方可以觀察到清晰而穩(wěn)定的斑圖，但它的分布是無規(guī)則的。當(dāng)光纖振動時，這些斑圖就會不斷地振無規(guī)則的。當(dāng)光纖振動時，這些斑圖就會不斷地振動，如用光探測器接收斑圖的一個小區(qū)域，即可通動，如用光探測器接收斑圖的一個小區(qū)域，即可通過頻譜儀讀出光纖振動的頻率。由式過頻譜儀讀出光纖振動的頻率。由式( (8.23) )算出流算出流速，在管子尺寸一定的條件下，就可得出流量。速，在管子尺寸一定的條件下，就可得出流量。3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 這種流量計結(jié)構(gòu)簡單而且安全可靠，可用于易這種流量計結(jié)構(gòu)簡單而且安全可靠，可用于易燃、易爆及有腐蝕性的液體測

16、量。因為光纖直徑很燃、易爆及有腐蝕性的液體測量。因為光纖直徑很細，對流體的流阻小，對流場幾乎沒有影響。不足細，對流體的流阻小，對流場幾乎沒有影響。不足之處是對低速流體不敏感。之處是對低速流體不敏感。3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 2. .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)成光纖速度傳感器。由于光利用多普勒效應(yīng)可構(gòu)成光纖速度傳感器。由于光纖很細纖很細( (外徑約幾十外徑約幾十m mm) )，能裝在注射器針頭內(nèi)，插，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有觸電的危險，入血管中。又由于光纖速度傳感器沒有觸電的危險，所以用于測量心臟內(nèi)的血流十分安

17、全。所以用于測量心臟內(nèi)的血流十分安全。3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 圖示為光纖多普勒血流傳感器的原理圖。測量圖示為光纖多普勒血流傳感器的原理圖。測量光束通過光纖探針進到被測血流中，經(jīng)直徑約光束通過光纖探針進到被測血流中，經(jīng)直徑約7 m mm的紅血球散射，一部分光按原路返回，得到多普勒的紅血球散射，一部分光按原路返回，得到多普勒頻移信號頻移信號f D Df，頻移，頻移D Df為為)24. 8(cos2lnf D式中，式中， 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； 為為光纖軸線與血管軸線的光纖軸線與血管軸線的夾角；夾角；l l為激光波長。為激光波長。fDDf3

18、光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 另一束進入驅(qū)動頻率為另一束進入驅(qū)動頻率為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。的參考光信號。f1+D Dff f1 將參考光信號與將參考光信號與多普勒頻移信號進行多普勒頻移信號進行混頻，就得到要探測混頻，就得到要探測的信號。這種方法稱的信號。這種方法稱為為光學(xué)外差法光學(xué)外差法。fDDf3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 經(jīng)光電二極管將混頻信號變換成光電流送入頻經(jīng)光電二極管將混頻信號變換成光電流送入頻譜分析儀，得出對應(yīng)于血流速度的多普勒頻移譜譜分析儀，得出對應(yīng)于血流速度的多普勒頻

19、移譜( (速速度譜度譜) )，如右圖所示。，如右圖所示。f1+Dfff1fDf3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 典型的光纖血流傳感器可在典型的光纖血流傳感器可在01000 cm/ /s速度速度范圍內(nèi)使用，空間分辨率為范圍內(nèi)使用，空間分辨率為100 m mm，時間分辨率為，時間分辨率為8 ms。光纖血流傳感器的缺點是光纖插入血管中會。光纖血流傳感器的缺點是光纖插入血管中會干擾血液流動，另外背向散射光非常微弱，在設(shè)計干擾血液流動，另外背向散射光非常微弱，在設(shè)計信號檢測電路時必須考慮。信號檢測電路時必須考慮。4 光纖磁傳感器光纖磁傳感器 按工作原理可分為：根據(jù)按工作原理可分為：根據(jù)法拉第

20、磁光效應(yīng)法拉第磁光效應(yīng)直直接實現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換，根據(jù)接實現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換，根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)，利用力或，利用力或其他物理量間接實現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換。其他物理量間接實現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換。 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)測量磁場的方法很多，如利用法拉第磁光效應(yīng)測量磁場的方法很多，如強度調(diào)制方式強度調(diào)制方式，偏振光度測量方式偏振光度測量方式和和外差方式外差方式等，等，這里僅介紹偏振光度測量方式。這里僅介紹偏振光度測量方式。4 光纖磁傳感器光纖磁傳感器 偏振光經(jīng)保偏光偏振光經(jīng)保偏光纖、自聚焦透鏡進入纖、自聚焦透鏡進入法拉第磁光盒，經(jīng)多法拉第磁光盒，經(jīng)多次反射后進

21、入渥拉斯次反射后進入渥拉斯登棱鏡，把偏振光變登棱鏡，把偏振光變成振動方向相互垂直成振動方向相互垂直的兩束光。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 設(shè)無磁場時出射光的偏振軸與棱鏡的偏振軸夾設(shè)無磁場時出射光的偏振軸與棱鏡的偏振軸夾角為角為45 ，這樣，這樣D1和和D2光電管接收的光強為光電管接收的光強為)26. 8()45(sin)25. 8()45(cos202201IIII式中，式中， 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；為入射光強；I1、I2為兩偏振光的強度。為兩偏振光的強度。4 光纖磁傳感器光纖磁傳感器4 光纖磁傳感器光纖磁傳感

22、器 采用圖中的采用圖中的“加加”、“減減”和和“除除”法運算后，法運算后，其輸出其輸出)27. 8(2sin2121IIIIP通過測量通過測量P就能確定就能確定 ，利用式，利用式( (8.17) )即可確定即可確定B。4 光纖磁傳感器光纖磁傳感器 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 在磁場作用下，磁性物體的尺寸會發(fā)生改變，這在磁場作用下，磁性物體的尺寸會發(fā)生改變，這種現(xiàn)象即為種現(xiàn)象即為磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)。光纖磁致伸縮效應(yīng)傳感器。光纖磁致伸縮效應(yīng)傳感器是在光纖上涂覆磁致伸縮性能良好的材料薄膜，或者是在光纖上涂覆磁致伸縮性能良好的材料薄膜，或者將光纖緊繞在磁致伸

23、縮材料芯棒上。在外磁場作用下，將光纖緊繞在磁致伸縮材料芯棒上。在外磁場作用下，由于磁致伸縮效應(yīng)，纖芯長度變化及纖芯折射率變化，由于磁致伸縮效應(yīng)，纖芯長度變化及纖芯折射率變化，都會導(dǎo)致光程的相應(yīng)變化。都會導(dǎo)致光程的相應(yīng)變化。4 光纖磁傳感器光纖磁傳感器 圖示為結(jié)構(gòu)原理圖。其靈敏度與磁性體磁致伸圖示為結(jié)構(gòu)原理圖。其靈敏度與磁性體磁致伸縮效應(yīng)的強弱、膜厚度和膜長度有關(guān)，主要取決于縮效應(yīng)的強弱、膜厚度和膜長度有關(guān)，主要取決于材料的磁致伸縮常數(shù)。材料的磁致伸縮常數(shù)。磁場光源磁性膜光纖參考光纖光檢測器電輸出5 醫(yī)用光纖傳感器醫(yī)用光纖傳感器 醫(yī)用光纖傳感器體積小、電絕緣和抗電磁干擾醫(yī)用光纖傳感器體積小、電絕

24、緣和抗電磁干擾性能好，特別適于身體的內(nèi)部檢測。可以用來測量性能好，特別適于身體的內(nèi)部檢測?？梢杂脕頊y量體溫、體壓、血流量、體溫、體壓、血流量、pH值等醫(yī)學(xué)參量。光纖多值等醫(yī)學(xué)參量。光纖多普勒血流傳感器已用于薄壁血管、小直徑血管、蛙普勒血流傳感器已用于薄壁血管、小直徑血管、蛙的蛛網(wǎng)狀組織，老鼠的視網(wǎng)膜皮層的血流測量等。的蛛網(wǎng)狀組織，老鼠的視網(wǎng)膜皮層的血流測量等。5 醫(yī)用光纖傳感器醫(yī)用光纖傳感器 1. .醫(yī)用內(nèi)窺鏡醫(yī)用內(nèi)窺鏡 由于光纖柔軟、自由由于光纖柔軟、自由度大、傳輸圖像失真小，度大、傳輸圖像失真小，引入醫(yī)用內(nèi)窺鏡后，可以引入醫(yī)用內(nèi)窺鏡后，可以方便的檢查人體的許多部方便的檢查人體的許多部位。上

25、圖為腹腔鏡的剖視位。上圖為腹腔鏡的剖視圖。圖像導(dǎo)管直徑約圖。圖像導(dǎo)管直徑約3.4 mm。下圖為觀察部位的。下圖為觀察部位的照片。照片。5 醫(yī)用光纖傳感器醫(yī)用光纖傳感器 2. .光纖體壓計光纖體壓計 可用來檢測人體各部位的體壓，如膀胱、直腸、可用來檢測人體各部位的體壓，如膀胱、直腸、顱內(nèi)和心血管等，測量范圍通常為顱內(nèi)和心血管等，測量范圍通常為040 kPa。圖所為一種醫(yī)用體壓計探針的結(jié)構(gòu)示意圖，在探圖所為一種醫(yī)用體壓計探針的結(jié)構(gòu)示意圖，在探針端部的開孔上安裝有對壓力敏感的防水薄膜。膜片針端部的開孔上安裝有對壓力敏感的防水薄膜。膜片通過懸臂梁與反射鏡相連。通過懸臂梁與反射鏡相連。 導(dǎo)管光纖束反射鏡

26、防水薄膜懸臂梁Pp防水薄膜6 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器 分布式傳感器是指能同時測量空間多個點甚至空分布式傳感器是指能同時測量空間多個點甚至空間連續(xù)分布的環(huán)境參數(shù)的傳感器間連續(xù)分布的環(huán)境參數(shù)的傳感器。 利用光纖本身特征的利用光纖本身特征的功能型功能型光纖可構(gòu)成性能優(yōu)良光纖可構(gòu)成性能優(yōu)良的分布式光纖傳感器的分布式光纖傳感器，特別適于需要同時監(jiān)測在光纖特別適于需要同時監(jiān)測在光纖通過的路途上大量位置處連續(xù)變化的物理量，如建筑通過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、儲油罐等大型結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的檢測，物、橋梁、水壩、儲油罐等大型結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的檢測，石油鉆井平臺、飛機、航天器、電力變

27、壓器、發(fā)電機石油鉆井平臺、飛機、航天器、電力變壓器、發(fā)電機組、反應(yīng)堆等場合應(yīng)力和溫度分布的實時監(jiān)測等。組、反應(yīng)堆等場合應(yīng)力和溫度分布的實時監(jiān)測等。6 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器 根據(jù)不同的原理，根據(jù)不同的原理，可構(gòu)成不同的可構(gòu)成不同的分布式光纖傳分布式光纖傳感器，如感器，如利用利用后向瑞利散射后向瑞利散射的的、利用利用喇曼效應(yīng)喇曼效應(yīng)的的、利用利用布里淵效應(yīng)布里淵效應(yīng)的的和和利用利用前向傳輸模耦合前向傳輸模耦合的的分布式分布式光纖光纖傳感技術(shù)等。傳感技術(shù)等。6 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器 瑞利散射瑞利散射是入射光與介質(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈是入射光與介質(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈性碰撞所引起的

28、，散射光的頻率與入射光的頻率相性碰撞所引起的，散射光的頻率與入射光的頻率相同。光脈沖在光纖中傳播時，由于瑞利散射而發(fā)生同。光脈沖在光纖中傳播時，由于瑞利散射而發(fā)生能量損耗，通過檢測后向散射光的強度，就可獲得能量損耗，通過檢測后向散射光的強度，就可獲得衰減程度沿光纖的分布狀況，這是一種最簡單的分衰減程度沿光纖的分布狀況，這是一種最簡單的分布式傳感器，也是光纖通信中查找光纜故障和缺陷布式傳感器，也是光纖通信中查找光纜故障和缺陷定位的一種診斷技術(shù)。定位的一種診斷技術(shù)。6 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器 在利用后向瑞利散射的光纖傳感技術(shù)中，一般在利用后向瑞利散射的光纖傳感技術(shù)中，一般采用采用光時域反

29、射光時域反射( (OTDR) )結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)被測量的空間結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)被測量的空間定位。依據(jù)瑞利散射光在光纖中受到的調(diào)制作用，定位。依據(jù)瑞利散射光在光纖中受到的調(diào)制作用，該傳感技術(shù)可分為該傳感技術(shù)可分為強度調(diào)制型強度調(diào)制型和和偏振態(tài)調(diào)制型偏振態(tài)調(diào)制型。6 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器 OTDR原理如原理如圖所示。圖所示。根據(jù)后向根據(jù)后向散射功率的散射功率的對數(shù)斜對數(shù)斜率率a ai是否變化，可是否變化，可知道光纖內(nèi)是否存知道光纖內(nèi)是否存在故障點。觀測后在故障點。觀測后向散射脈沖的到達向散射脈沖的到達時間時間t，便可測得，便可測得故障點的位置故障點的位置z。脈沖激光器電子處理系統(tǒng)輸入脈沖耦合器探測器

30、輸出局部微擾（損耗）連續(xù)傳感光纖zl n(Ps)斜率i斜率i光纖端面反射t= 2nz/ci6 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器 式中式中，c為真空中光速；為真空中光速；n為纖芯折射率。為纖芯折射率。 OTDR的空間分辨率，即可分辨的兩個故障點的空間分辨率，即可分辨的兩個故障點的最小距離，是由脈沖寬度的最小距離，是由脈沖寬度t t決定的，可表示為決定的，可表示為)28. 8(22ncttz)29. 8(2minnczt 一般情況下，一般情況下，OTDR反射信號很弱，要獲得高反射信號很弱，要獲得高信噪比，常常需要對多個探測脈沖求平均。信噪比，常常需要對多個探測脈沖求平均。6 分布式光纖傳感器分布式

31、光纖傳感器 利用適當(dāng)?shù)墓饫w結(jié)構(gòu)，使損耗系數(shù)利用適當(dāng)?shù)墓饫w結(jié)構(gòu)，使損耗系數(shù)a ai與環(huán)境的某與環(huán)境的某個物理量有關(guān)，則可對其進行分布式測量。例如：個物理量有關(guān)，則可對其進行分布式測量。例如：外界壓力或變形使光纖產(chǎn)生的微彎損耗；在光纖中外界壓力或變形使光纖產(chǎn)生的微彎損耗；在光纖中摻雜稀土離子后，衰減與環(huán)境溫度有關(guān)；利用保偏摻雜稀土離子后，衰減與環(huán)境溫度有關(guān)；利用保偏光纖，若環(huán)境使光纖產(chǎn)生應(yīng)力，將導(dǎo)致光信號的偏振光纖，若環(huán)境使光纖產(chǎn)生應(yīng)力，將導(dǎo)致光信號的偏振狀態(tài)發(fā)生變化；利用克爾效應(yīng)或法拉第磁光效應(yīng)，狀態(tài)發(fā)生變化；利用克爾效應(yīng)或法拉第磁光效應(yīng)，通過監(jiān)測偏振狀態(tài)來測量電場和磁場的分布。通過監(jiān)測偏振狀態(tài)

32、來測量電場和磁場的分布。7 工業(yè)用內(nèi)窺鏡工業(yè)用內(nèi)窺鏡 在工業(yè)生產(chǎn)的某些過程中，經(jīng)常需要檢查某些系在工業(yè)生產(chǎn)的某些過程中，經(jīng)常需要檢查某些系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況，而這些系統(tǒng)由于種種原因不能打開統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況，而這些系統(tǒng)由于種種原因不能打開或靠近觀察，采用光纖圖像傳感器可解決這一難題?；蚩拷^察，采用光纖圖像傳感器可解決這一難題。8 光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器如圖所示。光纖加速度傳感器如圖所示。9 光纖光纖光柵傳感器光柵傳感器 1978年首次觀察到摻鍺光纖中因光誘導(dǎo)產(chǎn)生的光年首次觀察到摻鍺光纖中因光誘導(dǎo)產(chǎn)生的光柵效應(yīng)，其后又發(fā)展了紫外光側(cè)面寫入光敏光纖光柵柵效應(yīng)，其后又發(fā)展了紫外光

33、側(cè)面寫入光敏光纖光柵技術(shù)。所謂光纖的技術(shù)。所謂光纖的光敏性光敏性是指，摻雜光纖中通過激光是指，摻雜光纖中通過激光時，光纖的折射率將隨光強的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變時，光纖的折射率將隨光強的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化。如用激光干涉條紋側(cè)面輻照摻鍺光纖，就會使其化。如用激光干涉條紋側(cè)面輻照摻鍺光纖，就會使其成為光纖光柵，并且在成為光纖光柵，并且在500 以下穩(wěn)定不變，用以下穩(wěn)定不變，用500 以上的高溫可擦除。這種光柵制作簡單，在光纖通以上的高溫可擦除。這種光柵制作簡單，在光纖通信和光纖傳感中都有相當(dāng)重要的應(yīng)用。信和光纖傳感中都有相當(dāng)重要的應(yīng)用。9 光纖光纖光柵傳感器光柵傳感器 光纖光柵是利用光纖的光敏性

34、光纖光柵是利用光纖的光敏性( (也稱為也稱為光致折光致折射率變化效應(yīng)射率變化效應(yīng)) )制成的。制成的。光纖光柵實質(zhì)上是一種波光纖光柵實質(zhì)上是一種波長選擇反射器長選擇反射器，它的反射信號的波長會受施于其上，它的反射信號的波長會受施于其上的溫度和應(yīng)變的影響而發(fā)生變化。利用光纖光柵的的溫度和應(yīng)變的影響而發(fā)生變化。利用光纖光柵的溫度和應(yīng)變兩種效應(yīng)，可以檢測許多物理量，在傳溫度和應(yīng)變兩種效應(yīng)，可以檢測許多物理量，在傳感技術(shù)中應(yīng)用前景十分廣闊。感技術(shù)中應(yīng)用前景十分廣闊。10 光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用 光纖層析成像分析技術(shù)源于光纖層析成像分析技術(shù)源于X射線層析成像分析射線層析成像

35、分析( (CT) )，其基本原理是，當(dāng)光線經(jīng)過被測樣品時，不，其基本原理是，當(dāng)光線經(jīng)過被測樣品時，不同樣品材料的吸收特性不同，因此對經(jīng)過樣品的光線同樣品材料的吸收特性不同，因此對經(jīng)過樣品的光線進行測量、分析，并根據(jù)預(yù)定的拓撲結(jié)構(gòu)和設(shè)計進行進行測量、分析，并根據(jù)預(yù)定的拓撲結(jié)構(gòu)和設(shè)計進行解算就可得到所需要的樣品參數(shù)。根據(jù)原理和應(yīng)用場解算就可得到所需要的樣品參數(shù)。根據(jù)原理和應(yīng)用場合的不同，可分為合的不同，可分為光相干層析成像分析技術(shù)光相干層析成像分析技術(shù)( (OCT) )和和光過程層析成像分析技術(shù)光過程層析成像分析技術(shù)( (OPT) )。10 光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用 O

36、CT的基本原理如圖所示，一個光脈沖在樣的基本原理如圖所示，一個光脈沖在樣品的不同深度處反射回來的時間是不同的，通過測品的不同深度處反射回來的時間是不同的，通過測量光脈沖從樣品中反射回來的時間延時，可得到樣量光脈沖從樣品中反射回來的時間延時，可得到樣品深度方向的結(jié)構(gòu)圖像。品深度方向的結(jié)構(gòu)圖像。10 光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用 若想反映若想反映m mm量級的深度差別，則時間延遲將短量級的深度差別，則時間延遲將短至至1015 s，電子設(shè)備難以直接測量，故利用邁克爾，電子設(shè)備難以直接測量，故利用邁克爾遜干涉儀進行測量。遜干涉儀進行測量。10 光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用 OCT主要應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域，主要應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域，例如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內(nèi)視和用于實現(xiàn)彩色多普勒例如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內(nèi)視和用于實