光纖傳感器及其應(yīng)用

1、光纖傳感器及其應(yīng)用光纖傳感器及其應(yīng)用姓名：姓名：光纖傳感器光纖傳感器 光纖基礎(chǔ)知識(shí)光纖基礎(chǔ)知識(shí) 光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類 光纖傳感器電類傳感器的比較光纖傳感器電類傳感器的比較 光纖制作工藝光纖制作工藝 光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器光纖傳感器 光纖光纖光導(dǎo)纖維，是由光導(dǎo)纖維，是由石英、石英、玻璃、塑料玻璃、塑料等光折射率高的介質(zhì)材料等光折射率高的介質(zhì)材料制成的極細(xì)的纖維，是一種理想的光制成的極細(xì)的纖維，是一種理想的光傳輸線路。傳輸線路。光纖傳感器光纖傳感器（Fiber Optic Sensor，F(xiàn)OS）興起于）興起于20世紀(jì)世紀(jì)70年代，是一類年代，是一類較新的光敏器件，它

2、是利用被測(cè)量對(duì)較新的光敏器件，它是利用被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄟM(jìn)行調(diào)制，使光波光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄟM(jìn)行調(diào)制，使光波的一些參數(shù)，如的一些參數(shù)，如強(qiáng)度、頻率、波長(zhǎng)、強(qiáng)度、頻率、波長(zhǎng)、相位、偏振態(tài)相位、偏振態(tài)等特性產(chǎn)生變化來(lái)工作。等特性產(chǎn)生變化來(lái)工作?？梢詼y(cè)量可以測(cè)量位移、加速度、壓力、溫度、位移、加速度、壓力、溫度、磁、聲、電磁、聲、電等物理量。等物理量。光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu) 光纖光纖通常由通常由纖芯、包層、保護(hù)套纖芯、包層、保護(hù)套及組成。及組成。 纖芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圓柱體，直徑纖芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圓柱體，直徑約為約為5150m。 包層的材料也是玻璃或塑料等，直徑為包層的

3、材料也是玻璃或塑料等，直徑為100100200um200um。但但纖芯的折射率纖芯的折射率n1稍大于包層的折射率稍大于包層的折射率n2。 保護(hù)套起保護(hù)光纖的作用。較長(zhǎng)的光纖又稱為光纜。保護(hù)套起保護(hù)光纖的作用。較長(zhǎng)的光纖又稱為光纜。 纖芯包層涂覆層保護(hù)套光纖的傳光原理光纖的傳光原理 斯斯奈奈爾定爾定理：理：1122sinsinnn（a a）折射角大于入射角：）折射角大于入射角：（b b）臨界狀態(tài)：）臨界狀態(tài)： （c c）全反射）全反射 ：12022190arcsin(/)cnn1c 在光纖中在光纖中, , 光的傳光的傳輸限制在光纖中輸限制在光纖中, , 并隨光纖能傳送到并隨光纖能傳送到很遠(yuǎn)的距離

4、很遠(yuǎn)的距離, , 光纖光纖的傳輸是基于光的的傳輸是基于光的全內(nèi)反射全內(nèi)反射。包層 n2纖芯 n1cc 入射角的最大值為：入射角的最大值為：光纖的傳光原理光纖的傳光原理 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NA2201201sinnnn2201201NAsinnnn1 1、按折射率變化類、按折射率變化類 型分類型分類（1 1）階躍型階躍型：纖芯與包：纖芯與包層之間的折射率是突變層之間的折射率是突變的；的；（2 2）漸變型漸變型：纖芯在橫：纖芯在橫截面中心處折射率最大，截面中心處折射率最大，并由中心向外逐漸變小，并由中心向外逐漸變小，到纖芯邊界時(shí)減小為包到纖芯邊界時(shí)減小為包層折射率。這類光纖有層折射率。這類光纖有自聚

5、焦作用，也稱自聚自聚焦作用，也稱自聚焦光纖。焦光纖。光纖的分類光纖的分類2 2、按照傳輸模式分類、按照傳輸模式分類（1）單模光纖：?jiǎn)文９饫w：纖芯直徑很小，接受角小，傳輸模式很少。纖芯直徑很小，接受角小，傳輸模式很少。這類光纖傳輸性能好，頻帶寬，具有很好的線性和靈敏度，這類光纖傳輸性能好，頻帶寬，具有很好的線性和靈敏度，但制造困難。但制造困難。單模光纖原則上只能傳送一種模數(shù)的光單模光纖原則上只能傳送一種模數(shù)的光。（2）多模光纖：多模光纖：纖芯尺寸較大，傳輸模式多，容易制造，纖芯尺寸較大，傳輸模式多，容易制造，但性能較差，帶寬較窄。但性能較差，帶寬較窄。多模光纖允許多個(gè)模數(shù)的光在光纖多模光纖允許多

6、個(gè)模數(shù)的光在光纖中同時(shí)傳播中同時(shí)傳播。光纖的分類光纖的分類 光波可分解為光波可分解為沿軸向沿軸向和和沿截面徑向沿截面徑向傳播的兩種平面波成分。沿傳播的兩種平面波成分。沿截面徑向傳播的光波在纖芯與包層的界面上產(chǎn)生全反射，因此當(dāng)截面徑向傳播的光波在纖芯與包層的界面上產(chǎn)生全反射，因此當(dāng)它在徑向每一次往返傳輸?shù)南辔蛔兓撬趶较蛎恳淮瓮祩鬏數(shù)南辔蛔兓?2的整數(shù)倍時(shí)，就在截面的整數(shù)倍時(shí)，就在截面內(nèi)形成駐波。這種駐波光線組又稱為內(nèi)形成駐波。這種駐波光線組又稱為“模?！?。某一種光纖只能形。某一種光纖只能形成特定數(shù)目的成特定數(shù)目的“模模”式來(lái)傳輸光波，傳播速度最快的模式稱為式來(lái)傳輸光波，傳播速度最快的模式

7、稱為基基?；蛑髂Ｄ；蛑髂！＠w芯直徑越大，傳播模式越多。纖芯直徑越大，傳播模式越多。 傳播模式對(duì)信號(hào)的影響傳播模式對(duì)信號(hào)的影響nr多模多模梯度光纖梯度光纖n2n1多模多模階躍光纖階躍光纖n2n1單模單模梯度光纖梯度光纖 本征本征：是光纖的固有損耗，包括散射，固有吸收等。是光纖的固有損耗，包括散射，固有吸收等。 擠壓擠壓：光纖受到擠壓產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗。：光纖受到擠壓產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗。 雜質(zhì)雜質(zhì)：光纖內(nèi)雜質(zhì)吸收和散射在光纖中傳播的光，造成：光纖內(nèi)雜質(zhì)吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。的損失。 不均勻不均勻：光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。：光纖材料的折射率不均勻造成的損耗

8、。 對(duì)接對(duì)接：光纖對(duì)接時(shí)產(chǎn)生的損耗，如：不同軸：光纖對(duì)接時(shí)產(chǎn)生的損耗，如：不同軸( (單模光纖同單模光纖同軸度要求小于軸度要求小于0.8m)0.8m)，端面與軸心不垂直，端面不平，對(duì)，端面與軸心不垂直，端面不平，對(duì)接心徑不匹配和熔接質(zhì)量差等。接心徑不匹配和熔接質(zhì)量差等。 光纖的傳輸損耗光纖的傳輸損耗 傳輸損耗：傳輸損耗： 光信號(hào)通過(guò)光纖傳播時(shí)，因某種原因造成的光能量衰減，光信號(hào)通過(guò)光纖傳播時(shí)，因某種原因造成的光能量衰減，單位單位dB/km 。造成光纖衰減的主要因素有：。造成光纖衰減的主要因素有： 光纖傳感器是基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。光纖傳感器除光纖傳感器是基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。光纖傳感器

9、除光纖外還應(yīng)包括光纖外還應(yīng)包括光源光源、傳感頭傳感頭、光探測(cè)器光探測(cè)器和和信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路等幾部分。等幾部分。光纖傳感器的基本組成光纖傳感器的基本組成 按照光纖在傳感器中的作用，通常將光纖傳感器分為兩種按照光纖在傳感器中的作用，通常將光纖傳感器分為兩種類型：類型：非功能型（或稱傳光型、結(jié)構(gòu)型）非功能型（或稱傳光型、結(jié)構(gòu)型）和和功能型（或稱功能型（或稱傳感型、探測(cè)型）傳感型、探測(cè)型） 。光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類 非功能型非功能型光纖傳感器：利用其光纖傳感器：利用其它敏感元件感受被測(cè)量，光纖它敏感元件感受被測(cè)量，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，僅作為傳輸介質(zhì)，依靠光傳輸依靠光傳輸或光反射引起的

10、強(qiáng)度調(diào)制來(lái)工或光反射引起的強(qiáng)度調(diào)制來(lái)工作；作；光纖是不連續(xù)的光纖是不連續(xù)的, 中斷處中斷處要接上其他介質(zhì)的敏感元件；要接上其他介質(zhì)的敏感元件；多使用多模光纖。多使用多模光纖。 功能型功能型光纖傳感器：把光纖作光纖傳感器：把光纖作為敏感元件，被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)為敏感元件，被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸光的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)傳輸光的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)等進(jìn)行調(diào)制，再通過(guò)解調(diào)得到等進(jìn)行調(diào)制，再通過(guò)解調(diào)得到被測(cè)信號(hào)；常使用單模光纖。被測(cè)信號(hào)；常使用單模光纖。 光纖傳感器的核心就是光被外界輸入?yún)?shù)的調(diào)制。光纖傳感器的核心就是光被外界輸入?yún)?shù)的調(diào)制。外界信號(hào)可能引起光的某些特性外界信號(hào)可能引起光的某些特性( (如強(qiáng)度、波長(zhǎng)

11、、如強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等頻率、相位、偏振態(tài)等) )變化，從而構(gòu)成強(qiáng)度、變化，從而構(gòu)成強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位和偏振態(tài)等調(diào)制器。根據(jù)波長(zhǎng)、頻率、相位和偏振態(tài)等調(diào)制器。根據(jù)光被光被調(diào)制的原理調(diào)制的原理，光纖傳感器分為：，光纖傳感器分為：強(qiáng)度調(diào)制型強(qiáng)度調(diào)制型、頻頻率調(diào)制型率調(diào)制型、波長(zhǎng)調(diào)制型波長(zhǎng)調(diào)制型、相位調(diào)制型相位調(diào)制型及及偏振態(tài)調(diào)偏振態(tài)調(diào)制型制型。光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類 待測(cè)物理量引起光纖中的待測(cè)物理量引起光纖中的傳輸光強(qiáng)變化傳輸光強(qiáng)變化，通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)的，通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)量的測(cè)量變化實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)量的測(cè)量 。1 1、光、光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器 光源強(qiáng)度

12、為光源強(qiáng)度為Ii傳感頭傳感頭被測(cè)信號(hào)的作用使強(qiáng)度發(fā)生變化被測(cè)信號(hào)的作用使強(qiáng)度發(fā)生變化(受到了外場(chǎng)的調(diào)制受到了外場(chǎng)的調(diào)制) 輸出光強(qiáng)輸出光強(qiáng)I0的包絡(luò)線與被測(cè)信號(hào)的的包絡(luò)線與被測(cè)信號(hào)的形狀一樣形狀一樣信號(hào)處理電路再檢測(cè)出調(diào)制信號(hào)，就得到了被信號(hào)處理電路再檢測(cè)出調(diào)制信號(hào)，就得到了被測(cè)信號(hào)。測(cè)信號(hào)。 在頻率調(diào)制型光纖傳感器中，光纖只起著傳輸光的作用，在頻率調(diào)制型光纖傳感器中，光纖只起著傳輸光的作用，它的工作原理是它的工作原理是光學(xué)多普勒效應(yīng)光學(xué)多普勒效應(yīng)，即由于觀察者和目標(biāo)的，即由于觀察者和目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，觀察者接收到的光波頻率將發(fā)生變化。采用光相對(duì)運(yùn)動(dòng)，觀察者接收到的光波頻率將發(fā)生變化。采用光學(xué)多

13、普勒測(cè)量系統(tǒng)，可以方便的實(shí)現(xiàn)在非接觸條件下對(duì)液學(xué)多普勒測(cè)量系統(tǒng)，可以方便的實(shí)現(xiàn)在非接觸條件下對(duì)液體流速流量的測(cè)量，如血液、氣流及其他液體。（體流速流量的測(cè)量，如血液、氣流及其他液體。（非功能非功能型）型）2 2、頻率、頻率調(diào)制型光纖傳感器調(diào)制型光纖傳感器光源光源觀測(cè)者觀測(cè)者被測(cè)量移動(dòng)速被測(cè)量移動(dòng)速度度v被測(cè)量被測(cè)量2118021coscosDvfff 當(dāng)一束波長(zhǎng)為當(dāng)一束波長(zhǎng)為的相干光在光纖中傳播時(shí)，光波的相位角的相干光在光纖中傳播時(shí)，光波的相位角與光纖的長(zhǎng)度與光纖的長(zhǎng)度L、纖芯折射率、纖芯折射率n1及纖芯直徑及纖芯直徑d有關(guān)。光纖受有關(guān)。光纖受到溫度等物理量的作用時(shí)，這三個(gè)參數(shù)會(huì)發(fā)生不同程度的

14、到溫度等物理量的作用時(shí)，這三個(gè)參數(shù)會(huì)發(fā)生不同程度的變化，從而引起光相移。變化，從而引起光相移。3 3、相位、相位調(diào)制型光纖傳感器調(diào)制型光纖傳感器 折射率改變折射率改變：某些光纖的纖芯線和外包封材料在溫度下降時(shí)折：某些光纖的纖芯線和外包封材料在溫度下降時(shí)折射率相互接近，使發(fā)生全反射的可能變小，傳輸損耗增大，用射率相互接近，使發(fā)生全反射的可能變小，傳輸損耗增大，用于低溫探測(cè)。于低溫探測(cè)。 由于光的頻率很高，光電探測(cè)器不能檢測(cè)相位的變化，因由于光的頻率很高，光電探測(cè)器不能檢測(cè)相位的變化，因此需要用光學(xué)干涉技術(shù)將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為振幅調(diào)制。在光此需要用光學(xué)干涉技術(shù)將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為振幅調(diào)制。在光纖傳感器中常

15、采用馬赫澤德（纖傳感器中常采用馬赫澤德（Mach-Zehader）干涉儀）干涉儀等儀器完成這一過(guò)程。等儀器完成這一過(guò)程。3 3、相位、相位調(diào)制型光纖傳感器調(diào)制型光纖傳感器單膜光纖激光器單膜光纖激光器 參考光纖參考光纖被調(diào)制光纖被調(diào)制光纖被測(cè)量被測(cè)量激光器激光器比較二者輸出相位的不同，最比較二者輸出相位的不同，最小可測(cè)得小可測(cè)得0.025微米的位移。微米的位移。 根據(jù)光波的干涉測(cè)量基本知識(shí)，兩束相干光根據(jù)光波的干涉測(cè)量基本知識(shí)，兩束相干光(信號(hào)光束和信號(hào)光束和參考光束參考光束)同時(shí)照射在一光電探測(cè)器上，若光振幅分別為同時(shí)照射在一光電探測(cè)器上，若光振幅分別為E1和和E2，如果其中一光束的相位由于某

16、種因素影響或調(diào)，如果其中一光束的相位由于某種因素影響或調(diào)制，在干涉場(chǎng)中就會(huì)引起干涉條紋強(qiáng)度的變化。干涉場(chǎng)中制，在干涉場(chǎng)中就會(huì)引起干涉條紋強(qiáng)度的變化。干涉場(chǎng)中各點(diǎn)的光強(qiáng)數(shù)學(xué)表達(dá)式為各點(diǎn)的光強(qiáng)數(shù)學(xué)表達(dá)式為：22212122cosAAAA A 光的光的偏振態(tài)偏振態(tài)就是光波中電矢量震動(dòng)的軌跡的規(guī)律。就是光波中電矢量震動(dòng)的軌跡的規(guī)律。 偏振態(tài)調(diào)制偏振態(tài)調(diào)制是指外界信號(hào)（被測(cè)量）通過(guò)一定的方式使光是指外界信號(hào)（被測(cè)量）通過(guò)一定的方式使光波的偏振態(tài)發(fā)生規(guī)律性偏轉(zhuǎn)，或產(chǎn)生雙折射，通過(guò)檢測(cè)光波的偏振態(tài)發(fā)生規(guī)律性偏轉(zhuǎn)，或產(chǎn)生雙折射，通過(guò)檢測(cè)光偏振態(tài)的變化即可測(cè)出外界被測(cè)量。偏振態(tài)的變化即可測(cè)出外界被測(cè)量。 偏振態(tài)

17、調(diào)制主要利用偏振態(tài)調(diào)制主要利用磁致旋光效應(yīng)、彈光效應(yīng)磁致旋光效應(yīng)、彈光效應(yīng)等物理效應(yīng)。等物理效應(yīng)。 磁致旋光效應(yīng)磁致旋光效應(yīng)也稱也稱法拉第旋光效應(yīng)法拉第旋光效應(yīng)，是指某些物質(zhì)在外磁，是指某些物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，能使通過(guò)它的平面偏轉(zhuǎn)光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。場(chǎng)作用下，能使通過(guò)它的平面偏轉(zhuǎn)光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角度與通過(guò)法拉第材料的長(zhǎng)度和外加磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。旋轉(zhuǎn)角度與通過(guò)法拉第材料的長(zhǎng)度和外加磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。可以用來(lái)檢測(cè)電流強(qiáng)度。可以用來(lái)檢測(cè)電流強(qiáng)度。4 4、偏振態(tài)、偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器調(diào)制型光纖傳感器 彈光效應(yīng)彈光效應(yīng)是一種由是一種由應(yīng)力應(yīng)變引起的雙折射效應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變引起的雙折射效應(yīng)。雙折射會(huì)使

18、光波的偏振態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化。雙折射會(huì)使光波的偏振態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化。 由應(yīng)力引起的感應(yīng)雙折射正比于所施加的力，因此可以通由應(yīng)力引起的感應(yīng)雙折射正比于所施加的力，因此可以通過(guò)檢測(cè)偏振光的強(qiáng)度檢測(cè)應(yīng)力。過(guò)檢測(cè)偏振光的強(qiáng)度檢測(cè)應(yīng)力。光纖傳感器與電類傳感器的比較光纖傳感器與電類傳感器的比較電電類類傳傳感感器器被被測(cè)測(cè)參參量量光光纖纖傳傳感感器器被被測(cè)測(cè)參參量量電 源電 源電量檢測(cè)電量檢測(cè)光 源光 源光量檢測(cè)光量檢測(cè)電類傳感器電類傳感器光纖傳感器光纖傳感器電纜電纜光纜光纜光纖傳感器與電類傳感器的比較光纖傳感器與電類傳感器的比較分類分類 內(nèi)容內(nèi)容 光纖傳感器光纖傳感器電類傳感器電類傳感器調(diào)制參量調(diào)制參量振幅

19、：吸收、反射等振幅：吸收、反射等相位：偏振相位：偏振電阻、電容、電感等電阻、電容、電感等敏感材料敏感材料溫溫-光敏、力光敏、力-光敏、光敏、磁磁-光敏光敏 溫溫-電敏、力電敏、力-電敏、電敏、磁磁-電敏電敏 傳輸信號(hào)傳輸信號(hào)光光電電傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)光纖、光纜光纖、光纜電線、電纜電線、電纜 光纖傳感器是與電類傳感器并行互補(bǔ)的一類新型傳感器。光纖傳感器是與電類傳感器并行互補(bǔ)的一類新型傳感器。 本質(zhì)防爆本質(zhì)防爆適合于易燃、易爆等危險(xiǎn)物品檢測(cè)適合于易燃、易爆等危險(xiǎn)物品檢測(cè) 對(duì)電絕緣對(duì)電絕緣適合于高電壓場(chǎng)合檢測(cè)適合于高電壓場(chǎng)合檢測(cè) 無(wú)感應(yīng)性無(wú)感應(yīng)性適合于強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾環(huán)境下檢測(cè)適合于強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾環(huán)境下檢測(cè)

20、 化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性適合于環(huán)保、醫(yī)藥、食品工業(yè)檢測(cè)適合于環(huán)保、醫(yī)藥、食品工業(yè)檢測(cè) 時(shí)域變換性時(shí)域變換性適合于多點(diǎn)分布測(cè)量適合于多點(diǎn)分布測(cè)量 低損耗低損耗 、高精度高精度 、幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)、尺寸小尺寸小 、重重量輕量輕 、頻帶寬、非接觸式頻帶寬、非接觸式等等 在機(jī)械、電子、航空航天、化工、生物醫(yī)學(xué)、電力、在機(jī)械、電子、航空航天、化工、生物醫(yī)學(xué)、電力、交通、食品等領(lǐng)域的自動(dòng)控制、在線檢測(cè)、故障診斷、交通、食品等領(lǐng)域的自動(dòng)控制、在線檢測(cè)、故障診斷、安全報(bào)警以及軍事等方面都有廣泛應(yīng)用。安全報(bào)警以及軍事等方面都有廣泛應(yīng)用。 光纖傳感器的特點(diǎn)光纖傳感器的特點(diǎn) 光纖制造基本過(guò)程光纖制造基本過(guò)程光纖制作工藝光纖制作工藝制制 棒棒 拉拉 絲絲 性能測(cè)試性能測(cè)試 玻璃加工玻璃加工 清清 洗洗 包裝入庫(kù)包裝入庫(kù) 預(yù)制棒尺寸：預(yù)制棒尺寸： 直徑：直徑：60mm60mm，80mm80mm，150mm150mm 長(zhǎng)度：長(zhǎng)度： 1m1m2m2m光纖預(yù)制棒光纖預(yù)制棒預(yù)制棒要求：預(yù)制棒要求： 高