第七章-光纖傳感器

第7章

光纖式傳感器光(導)纖(維)是20世紀70年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導體探測器一起構成了新的光學技術，創(chuàng)造了光電子學的新天地。光纖的出現(xiàn)產(chǎn)生了光纖通信技術，特別是光纖在有線通信方面的優(yōu)勢越來越突出，它為人類21世紀的通信基礎——信息高速公路奠定了基礎，為多媒體通信提供了實現(xiàn)的必需條件。由于光纖具有許多新的特性，所以不僅在通信方面，在傳感器等方面也獲得了應用。第7章

光纖式傳感器

當光纖受到外界環(huán)境因素的影響，如溫度、壓力、電場、磁場等條件變化時，光纖的傳輸特性將隨之改變，且二者之間存在一定的對應關系，由此便研制出光纖傳感器。20世紀70年代初研制出第一根實用光纖后，20世紀80年代已發(fā)展了60多種不同的光纖傳感器。目前，已研發(fā)出測量位移、速度、加速度、壓力、溫度、流量、電場、磁場等各種物理量的數(shù)百種光纖傳感器。第7章

光纖式傳感器

光纖傳感器的優(yōu)點如下(1)具有很高的靈敏度。(2)頻帶寬、動態(tài)范圍大。(3)可根據(jù)實際需要做成各種形狀。(4)可以用很相近的技術基礎構成傳感不同物理量的傳感器，這些物理量包括聲場、磁場、壓力、溫度、加速度、轉(zhuǎn)動(陀螺)、位移、液位、流量、電流、輻射等。第7章

光纖式傳感器(5)便于與計算機和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的遙測和控制。(6)可用于高溫、高壓、強電磁干擾、腐蝕等各種惡劣環(huán)境。(7)結構簡單、體積小、重量輕、耗能少。第7章

光纖式傳感器7.1

光纖傳感器的組成及分類7.2

光調(diào)制方式7.3

光纖式傳感器應用舉例7.1

光纖傳感器的組成及分類7.1.1

光纖傳感器的基本組成7.1.2

光纖傳感器的分類7.1.1

光纖傳感器的基本組成

光纖傳感器主要包括光導纖維、光源、光探測器三個重要部件。

①光源

分為相干光源(各種激光器)和非相干光源(白熾光、發(fā)光二極管)。實際中，一般要求光源的尺寸小、發(fā)光面積大、波長合適、足夠亮、穩(wěn)定性好、噪聲小、壽命長、安裝方便等。7.1.1

光纖傳感器的基本組成

②光探測器

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)將直接影響傳感器的總體性能。7.1.2

光纖傳感器的分類

光纖傳感器一般可分為功能型和非功能型兩大類。1.功能型光纖傳感器

功能型光纖傳感器又稱傳感型光纖傳感器，主要使用單模光纖，基本結構原理如圖所示。光纖在這類傳感器中不僅是傳光元件，而且利用光纖本身的某些特性來感知外界因素的變化，所以它又是敏感元件。

在功能型光纖傳感器中，由于光纖本身是敏感元件，因此改變幾何尺寸和材料性質(zhì)可以改善靈敏度。功能型光纖傳感器中光纖是連續(xù)的，結構比較簡單，但為了能夠靈敏地感受外界因素的變化，往往需要用特種光纖作探頭，使得制造比較困難。

2.非功能型光纖傳感器

非功能型光纖傳感器又稱傳光型光纖傳感器。它是利用在兩根光纖中間或光纖端面放置敏感元件，來感受被測量的變化，光纖僅起傳光作用，如圖所示。

這類光纖傳感器可以充分利用現(xiàn)有的性能優(yōu)良的敏感元件來提高靈敏度。為了獲得較大的受光量和傳輸光的功率，這類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多模光纖。

在非功能型光纖傳感器中，也有并不需要外加敏感元件的情況。比如，光纖把測量對象輻射或反射、散射的光信號傳播到光電元件。這種光纖傳感器也稱為探針型光纖傳感器，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度傳感器等。第7章

光纖式傳感器7.1

光纖傳感器的組成及分類7.2

光調(diào)制方式7.3

光纖式傳感器應用舉例√7.2

光調(diào)制方式

光纖傳感器的工作原理是，通過被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制，使傳輸光的振幅、波長、相位、頻率或偏振態(tài)等發(fā)生變化，再對被調(diào)制的光信號進行檢測，從而得出相應的被測量。所謂光調(diào)制可歸結為將一個攜帶信息的信號疊加到載波光波上的過程。這個過程稱為光波的調(diào)制，簡稱光調(diào)制。

光調(diào)制技術是光纖傳感器的基礎和關鍵技術。按調(diào)制方式可分為：強度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制和波長調(diào)制等。而且，同一種光調(diào)制方式可以實現(xiàn)多種物理量的檢測，同一物理量也可利用多種光調(diào)制方式來實現(xiàn)測量。7.2

光調(diào)制方式7.2.1

強度調(diào)制7.2.2

波長調(diào)制7.2.3

偏振調(diào)制7.2.4

相位調(diào)制及干涉測量7.2.5

頻率調(diào)制7.2.1

強度調(diào)制

利用被測量直接或間接地改變光纖中傳輸光的強度，再通過測量光強的變化檢測出被測量的方法，稱為強度調(diào)制，如圖所示。Is為外力場強。

同理，可利用其他各種對光強的調(diào)制方式，如光纖位移、光柵、反射式、微彎、模斑、斑圖、輻射等來調(diào)制入射光，從而形成相應的調(diào)制器。強度調(diào)制是光纖傳感器使用最早的調(diào)制方法，其特點是技術簡單可靠、價格低廉?？刹捎枚嗄９饫w，光纖的連接器和耦合器均已商品化。光源可采用LED和白熾燈等非相干光源，探測器一般用光敏二極管、光敏三極管和光電池。7.2.1

強度調(diào)制

1.微彎損耗光強調(diào)制

根據(jù)模態(tài)理論，當光纖受力微彎時，一部分纖芯模式能量會轉(zhuǎn)化為包層模式能量，通過測量包層模式能量或纖芯模式能量的變化就能測出被測量。

當把多模光纖夾在一個空間周期為L的梳狀結構變形器中時，只要適當選擇空間周期L和光纖傳輸模式間的傳輸常數(shù)差，使其相匹配，則變形器位移產(chǎn)生的光纖微彎就會引起各傳輸模式間的耦合，光能在光纖纖芯中的模式就會轉(zhuǎn)變成耦合模被送進包層中，形成模輻射。

模態(tài)理論表明，當纖芯傳輸模b1和包層傳輸模b2的傳輸常數(shù)之差為時，纖芯傳輸模與包層傳輸模之間的耦合最強。在梯度光纖中在階躍光纖中n(0)、n(r)為距離光纖軸為0和r處的折射率；r為纖芯半徑。上面兩式中

2.利用小的線位移和角位移進行光強調(diào)制

采用端面為平面的兩根光纖，一根為入射光纖，一根為出射光纖，光纖間距約2～3mm。出射光纖相對于入射光纖橫向或縱向微小移動或微小轉(zhuǎn)動時，出射光強隨之發(fā)生變化。

3.利用折射率的變化進行光強調(diào)制

當某些物理量(如溫度或壓力等)作用于光纖時，引起光纖的纖芯和包層的折射率發(fā)生變化，若包層的折射率變得大于或等于纖芯的折射率，則光在纖芯和包層界面上的全反射遭到破壞，產(chǎn)生輸出光強的變化即實現(xiàn)強度調(diào)制。

4.利用光纖的吸收特性進行光強調(diào)制

X射線、g射線等輻射會使光纖材料的吸收損耗增加，光纖的輸出功率降低，從而形成強度調(diào)制。由于不同材料對不同的射線敏感，因此改變光纖材料的成分可對不同的射線進行測量。圖示是根據(jù)這種原理制成的測量輻射量的傳感器。7.2.2

波長調(diào)制

利用外界因素改變光纖中光的波長，通過檢測波長的變化來檢測各種物理量，稱為波長調(diào)制。波長調(diào)制的解調(diào)技術比較復雜，與強度調(diào)制技術相比應用較少。常用的波長調(diào)制方法有：利用熱色物質(zhì)的顏色變化、利用磷光和熒光光譜的變化、利用黑體輻射、利用濾光器參數(shù)的變化和利用位移進行波長調(diào)制。7.2.3

偏振調(diào)制

利用外界因素改變光的偏振特性，通過檢測光的偏振態(tài)變化(即偏振面的旋轉(zhuǎn))來測量被測量的方法，稱為偏振調(diào)制。在光纖傳感器中，偏振調(diào)制主要基于人為旋光現(xiàn)象和人為雙折射現(xiàn)象，如法拉第磁光效應、克爾電光效應和光彈效應等。

根據(jù)電磁場理論，光波是一種橫波；光振動的電場矢量和磁場矢量始終與傳播方向垂直。若光波電場矢量的方向在傳播過程中保持不變，稱為線偏振光。線偏振光電場矢量方向與傳播方向組成的面稱為線偏振光的振動面。若電場矢量的大小不變，振動方向繞傳播軸轉(zhuǎn)動，矢量端點軌跡為圓，稱為圓偏振光；如果矢量軌跡為一個橢圓，稱為橢圓偏振光。

若自然光在傳播過程中受到外界的作用而使各個振動方向上強度不等，使某一方向的振動比其他方向占優(yōu)勢，稱為部分偏振光。若外界作用使自然光的振動方向只有一個，稱為起偏。利用光波的偏振性質(zhì)，可以制成偏振調(diào)制傳感器。注意，關于光的振動方向通常是指電場矢量的方向。

1.法拉第磁光效應

法拉第磁光效應表明，在磁場作用下，偏振光的振動面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度q與光在物質(zhì)中通過的距離L及磁場強度H成正比，即式中，Vd為物質(zhì)的費爾德常數(shù)。

應用法拉第磁光效應可測量高壓大電流。通過高壓輸電線的電流為I，在高壓輸電線上繞有N圈光纖。光纖中傳輸?shù)木€偏振光在高壓輸電線形成的磁場作用下，偏振面旋轉(zhuǎn)的角度為q。利用q＝VdLH可得

光纖材料的Vd非常小(0～0.0161/A)，用此法測量的電流值可達幾十到幾十萬安。

2.克爾電光效應

在與入射光垂直的方向上加高電壓，各向同性體便可呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象即為克爾電光效應。一束入射光變成兩束出射光，兩束出射光的相位差為式中，K為克爾常數(shù)。L為光程，d為電極間距。

3.光彈效應

在垂直于光波傳播方向上施加應力，材料將會使光產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其折射率的變化與應力有關，這種現(xiàn)象稱為光彈效應。利用物質(zhì)的光彈效應可以構成壓力、振動、位移等光纖傳感器。偏振調(diào)制的解調(diào)原理渥拉斯頓棱鏡解調(diào)原理解偏過程：如圖為偏振光分束器，方解石組成。兩棱鏡光軸垂直，光線垂直入射到No.1，光束不分開，但o光1和e光1速度不同。到達No.2時，光軸垂直，o光1和e光1的角色互換，o光2對應的折射率從n0到ne，e光2對應的折射率從ne到n0，ne<n0，所以兩光束分開。偏振角為θ。光束傳播示意圖eooe45o偏振角與光分量的關系：偏振角θ與光源強度和通道能量衰減無關，只與兩分光束的光強有關系。由偏振角θ值可推知需要傳感的物理量兩光分量對應的振幅分別為：7.2.4

相位調(diào)制及干涉測量

1.相位調(diào)制

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被測量的方法，稱為相位調(diào)制。這是光纖傳感器中最基本的調(diào)制技術，以靈敏度高著稱。例如，若信號監(jiān)測系統(tǒng)可以檢測1mrad的相移，則每米光纖的檢測靈敏度對溫度為10－8℃、對壓力為10－7Pa、對應變?yōu)?0－7(即0.1me)，動態(tài)范圍可達1010。理論表明，當真空中波長為l0的光入射到長度為L的光纖時，若以其入射端面為基準，則出射光的相位為式中，K0為光在真空中的傳播常數(shù)，n為折射率。由此，纖芯折射率n變化和光纖長度L變化導致的光相位變化為

當光纖受到縱向(軸向)的機械應力作用時，由于應力應變效應，光纖的長度(應變效應)、光纖的直徑(泊松效應)、纖芯折射率(光彈性效應)都將變化，這些變化將導致光纖中光波相位的變化。若將光纖放在變化的溫度場中，由于溫度應變效應，引起光纖的折射率和幾何長度的變化也會引起相位變化。干涉測量

目前光探測器對光的相位變化都不敏感，須采用干涉技術將相位變化轉(zhuǎn)化為強度變化，才能夠?qū)崿F(xiàn)對物理量的測量。相位變化將引起干涉條紋的運動，記錄干涉條紋移動的數(shù)目，就可測得相位的變化，從而測得導致相位變化的物理量，這就是干涉測量的原理。光纖干涉儀的一般系統(tǒng)結構如圖所示。L—激光器；P1—分束器；P2—耦合器；D—檢測器(1)邁克爾遜干涉儀

基本原理如左圖所示。激光波長為632.8nm時，可檢測平面鏡6.3×10－14m的位移。下圖為實際應用。(2)馬赫—曾特爾干涉儀

結構如右圖所示。與邁克爾遜干涉儀相比，優(yōu)點是只有少量或者沒有光直接返回激光器，避免了反饋光使激光器不穩(wěn)定和產(chǎn)生噪聲。下圖為實際應用。(3)薩格奈克干涉儀

結構如右圖所示。平面鏡移動時，兩束光的光程不會出現(xiàn)差別。但如果使固定該干涉儀的臺子繞著垂直于光束平面的軸旋轉(zhuǎn)，則出現(xiàn)差別。下圖為實際應用。可以求得順、反時針兩光束之間的光程差為式中，A為光路系統(tǒng)圍成的面積，c為光速，w為光路系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的角速度。

由此可測干涉儀的臺子相對于慣性空間的轉(zhuǎn)動角速度。從原理上講，它是目前許多慣性導航系統(tǒng)所用的環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺的設計基礎。

(4)法布里—珀羅干涉儀

原理如右圖所示。兩平行平面鏡的反射率通常非常大，一般大于或等于95%。下圖為實際應用。

光檢測器接收到的電場有一系列電場矢量，在原理上它們的數(shù)量是無限的，每一個后續(xù)電場矢量都按系數(shù)R2遞減，這里R是反射系數(shù)。設相鄰兩出射光束間的相位差為q，可得

當q＝0,2p,4p,…時，干涉光強有最大值。當q＝p,3p,5p,…時干涉光強有最小值。注意到反射率越大，干涉光強變化越明顯，分辨率越高。它是能用于現(xiàn)代科學的最靈敏的位移測量裝置之一。7.2.5

頻率調(diào)制

利用外界因素改變光纖中光波的頻率，通過檢測光頻率的變化來測量被測量，這種方法稱為頻率調(diào)制。這里光纖本身只作為傳光元件，而頻率調(diào)制多是利用光學多普勒效應來實現(xiàn)的。

如圖所示，S為單色光源，P為運動物體，Q是觀察者所處的位置。設物體P的運動速度為u，運動方向與PS和PQ的夾角分別為q1和q2。根據(jù)多普勒效應，對于從光源S發(fā)出的頻率為f的光，在P點觀察到的頻率f1可表示為SPQuq1q2第7章

光纖式傳感器7.1

光纖傳感器的組成及分類7.2

光調(diào)制方式7.3

光纖式傳感器應用舉例√√7.3

光纖式傳感器應用舉例7.3.1

光纖位移傳感器7.3.2

光纖溫度傳感器7.3.3

光纖流速傳感器7.3.4

光纖壓力傳感器7.3.5

光纖磁傳感器7.3.6

醫(yī)用光纖傳感器7.3

光纖式傳感器應用舉例7.3.7

工業(yè)用內(nèi)窺鏡7.3.8

光纖加速度傳感器7.3.9

光纖光柵傳感器7.3.10

光纖層析成像分析技術及應用7.3.11

光纖納米生物傳感器7.3.12

分布式光纖傳感器7.3.13

光纖傳感領域的發(fā)展7.3.2

光纖位移傳感器

1.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)制反射光的強度。Y形光纖束由幾百根至幾千根直徑為幾十mm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，長度相同的兩束。

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(分為接收光纖在外層和接收光纖在內(nèi)層兩類)，如圖所示。典型位移－輸出曲線如圖所示。在輸出曲線的前坡區(qū)I,輸出信號強度增加得很快,這一區(qū)域可以用于微米級的位移測量。在后坡區(qū)II,信號的減弱約與探頭和被測表面之間的距離平方成反比,可用于距離較遠而靈敏度、線性度和精度要求不高的測量。反射式光纖位移傳感器的原理如右圖。1、探頭緊貼被測件時，無光接收沒有電信號。2、被測表面逐漸遠離探頭時，有一個線性增長的輸出信號。有一最大輸出值—“光峰點”。3、繼續(xù)遠離時，輸出信號越來越弱，與距離平方成反比。反射光強與位移的關系如圖所示?？梢钥闯觯S機分布時傳感器的靈敏度和線性都較好。還可以看出，AB段的靈敏度和線性好，但測量范圍小，CD段的斜率小即靈敏度低，但線性范圍寬。1—隨機分布；2—對半分布；3—同軸分布；4—同軸分布AMBCDM

假設傳感器工作在AB段，偏置工作點在M，被測物體的反射面與光纖端面之間的初始距離是M點所對應的距離XM。由曲線可知，隨位移增加光強增加，反之則光強減少，故由此可確定位移方向。光纖位移傳感器一般用來測量小位移。最小能檢測零點幾mm的位移量。這種傳感器已在鍍層不平度、零件橢圓度、錐度、偏斜度等測量中得到應用，它還可以用來測量微弱振動，而且是非接觸測量。內(nèi)調(diào)制式位移傳感器

利用微彎效應制作的位移傳感器是一種典型的內(nèi)調(diào)制式光纖傳感器。微彎效應即待測物理量變化引起微彎器位移，從而使光纖發(fā)生微彎變形，改變模式耦合，纖芯中的光部分透人包層，造成傳輸損耗。微彎程度不同，泄漏光波的強度也不同、從而實現(xiàn)了光強度的調(diào)制。由于光強與位移之間有一定的函數(shù)關系，所以利用微彎效應可以制成光纖位移傳感器.理論和實驗都已證明，使光纖沿軸向產(chǎn)生周期性微彎時，傳播常數(shù)為和的模之間就會產(chǎn)生光功率的耦合。波紋板周期的長度Λ與傳播常數(shù)間滿足下式：He—Ne激光器發(fā)射出來的光聚焦到階躍型多模光纖的一端。此光纖沒有涂覆層，數(shù)值孔徑等于0.22。在變形器前5cm長的光纖上涂上黑色涂料，以便消除包層模中的光。變形器由兩塊有機玻璃波紋板組成，每塊波紋板共有5個波紋，每個波紋的長度為3mm。變形器的一塊波紋板可通過千分表用手動調(diào)節(jié)的方法使它相對另一塊產(chǎn)生位移。另一塊板可用壓電式變換器產(chǎn)生動態(tài)位移。2光纖液面位移傳感器光纖液面位移傳感器可用于易燃、易爆場合，但不能檢測污濁液體及會粘附在測頭表面的粘稠性物質(zhì)。光纖液位傳感器類型結構特點：光纖測頭端有一個圓錐體反射器。當測頭置于空氣中沒接觸液面時，光線在圓錐體內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射而回到光電二極管。當測頭接觸液面時，由于液體折射率與空氣不同，全內(nèi)反射被破壞，有部分光線透入液體內(nèi)，使返回到光電二極管的光強變?nèi)?；返回光強是液體折射率的線性函數(shù)。返回光強發(fā)生突變時，表明測頭已接觸到液位。光電接收器的要求不高。由于同種溶液在不同濃度時的折射率不同，經(jīng)標定，這種液位傳感器也可作濃度計。7.3.2

光纖溫度傳感器

光纖測溫技術是一種新技術，光纖溫度傳感器是工業(yè)中應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、半導體吸收式溫度計、熒光溫度計等。

1.半導體吸收式溫度傳感器

半導體材料的光吸收和溫度有關。半導體材料的吸收端波長lg(T)隨溫度增加而向較長波長方向位移。光纖環(huán)氧膠半導體反射膜一種光纖溫度單端式探頭

若能適當選擇發(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器。透過半導體的光強隨溫度升高而減少。

圖示為雙光纖參考基準通道法半導體吸收式光纖溫度傳感器的結構框圖。

光源為GaAlAs發(fā)光二極管，測溫介質(zhì)為測量光纖上的半導體材料CdTe。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。測溫范圍在40℃～120℃之間，精度為±1℃。2熱色效應光纖溫度傳感器2.干涉型光纖溫度傳感器

溫度變化能引起光纖中傳輸?shù)墓獾南辔蛔兓霉饫w干涉儀檢測相位變化即可測得溫度。圖示是利用馬赫—曾特爾干涉儀測溫的原理圖。光通過信號臂產(chǎn)生的相位變化為式中，L為感受溫度變化的光纖段的長度。7.3.3

光纖流速傳感器光纖多普勒血流傳感器

利用多普勒效應可構成光纖速度傳感器。由于光纖很細(外徑約幾十mm)，能裝在注射器針頭內(nèi)，插入血管中。

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7mm的紅血球散射，一部分光按原路返回，得到多普勒頻移信號f＋Df。

另一束進入驅(qū)動頻率為f1＝40MHz的布喇格盒(頻移器)，得到頻率為f－f1的參考光信號。f1+Dff-f1

將參考光信號與多普勒頻移信號進行混頻，就得到要探測的信號。這種方法稱為光學外差法。f+Df

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，得出對應于血流速度的多普勒頻移譜(速度譜)，如右圖所示。f1+Dff-f1f+Df

典型的光纖血流傳感器可在0～1000cm/s速度范圍內(nèi)使用，空間分辨率為100mm，時間分辨率為8ms。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，在設計信號檢測電路時必須考慮。7.3.4

光纖壓力傳感器DSFF變形器光纖A1微彎光纖壓力傳感器光纖被夾在一對鋸齒板中間，當光纖不受力時，光線從光纖中穿過，沒有能量損失。當鋸齒板受外力作用而產(chǎn)生位移時，光纖則發(fā)生許多微彎，這時在纖芯中傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁糠稚⑸涞桨鼘又?θ1θn0n2n1θ2θ3光纖微彎增大，散射掉的光隨之增加，纖芯輸出光強度相應減小。因此，通過檢測纖芯或包層的光功率，就能測得引起微彎的壓力、聲壓，或檢測由壓力引起的位移等物理量。線偏振光光源起偏器λ/4波片Pyrex玻璃檢偏器p圓偏振光橢圓偏振光p光纖G-lens起偏器波片晶體檢偏器2光彈式光纖壓力傳感器3快門式4動柵式光柵常數(shù)越小，靈敏度越高。7.3.5

光纖磁傳感器

按工作原理可分為：①根據(jù)法拉第磁光效應直接實現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換，②根據(jù)磁致伸縮效應，利用力或其他物理量間接實現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換。

偏振光經(jīng)保偏光纖、自聚焦透鏡進入法拉第磁光盒，經(jīng)多次反射后進入渥拉斯登棱鏡，把偏振光變成振動方向相互垂直的兩束光。渥拉斯登棱鏡

1.利用法拉第磁光效應的光纖傳感器

設無磁場時出射光的偏振軸與棱鏡的偏振軸夾角為45，這樣D1和D2光電管接收的光強為式中，q為偏振面的旋轉(zhuǎn)角度；I0為入射光強；I1、I2為兩偏振光的強度。

采用圖中的“加”、“減”和“除”法運算后，其輸出通過測量P就能確定q偏振調(diào)制型光纖電流傳感器，其基本原理是前述介紹的法拉第效應（磁光效應）。如果這個磁場是由長直載流導線產(chǎn)生的，根據(jù)安培環(huán)路定律：偏振調(diào)制型光纖電流傳感器式中：I-載流導線中的電流強度；R-光纖纏繞半徑。根據(jù)法拉第旋光效應，引起光纖中線偏振光的偏轉(zhuǎn)角為：由檢測及信號處理后得輸出信號為：V為費爾德常數(shù)；l為受磁場作用光纖長度，N為光纖圈數(shù)。

測量范圍：0-1000A

2.利用磁致伸縮效應的光纖傳感器

在磁場作用下，磁性物體的尺寸會發(fā)生改變，這種現(xiàn)象即為磁致伸縮效應。光纖磁致伸縮效應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，纖芯長度變化及纖芯折射率變化，都會導致光程的相應變化。

圖示為結構原理圖。其靈敏度與磁性體磁致伸縮效應的強弱、膜厚度和膜長度有關，主要取決于材料的磁致伸縮常數(shù)。7.3.6

醫(yī)用光纖傳感器

在醫(yī)用領域，用來測量人體和生物體內(nèi)部醫(yī)學參量的光纖傳感器越來越引起有關方面的關注和興趣。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?？梢杂脕頊y量體溫、體壓、血流量、pH值等醫(yī)學參量。光纖多普勒血流傳感器已用于薄壁血管、小直徑血管、蛙的蛛網(wǎng)狀組織，老鼠的視網(wǎng)膜皮層的血流測量等。

1.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，可以方便的檢查人體的許多部位。上圖為腹腔鏡的剖視圖。圖像導管直徑約3.4mm。下圖為觀察部位的照片。

2.光纖體壓計

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0～40kPa。

圖所為一種醫(yī)用體壓計探針的結構示意圖，在探針端部的開孔上安裝有對壓力敏感的防水薄膜。膜片通過懸臂梁與反射鏡相連。

p防水薄膜7.3.7

工業(yè)用內(nèi)窺鏡在工業(yè)生產(chǎn)的某些過程中，經(jīng)常需要檢查某些系統(tǒng)內(nèi)部結構狀況，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。7.3.8

光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器如圖所示。7.3.9

光纖光柵傳感器

1978年首次觀察到摻鍺光纖中因光誘導產(chǎn)生的光柵效應，其后又發(fā)展了紫外光側面寫入光敏光纖光柵技術。所謂光纖的光敏性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)生相應的變化。如用激光干涉條紋側面輻照摻鍺光纖，就會使其成為光纖光柵，并且在500℃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，在光纖通信和光纖傳感中都有相當重要的應用。

光纖光柵是利用光纖的光敏性(也稱為光致折射率變化效應)制成的。光纖光柵實質(zhì)上是一種波長選擇反射器，它的反射信號的波長會受施于其上的溫度和應變的影響而發(fā)生變化。利用光纖光柵的溫度和應變兩種效應，可以檢測許多物理量，在傳感技術中應用前景十分廣闊。光纖光柵工作原理λ1λ2…λn芯層包層Λ包層折射率n2芯層折射率n1感光折射率nλ1λ2…λn芯層包層+1級-1級紫外掩模寫入法相位掩模板由于周期的折射率擾動僅會對很窄的一小段光譜產(chǎn)生影響。因此，如果寬帶光波在光柵中傳播時，入射光能在相應的頻率上被反射回來，其余的透射光譜則不受影響，光纖光柵就起到反射鏡的作用。這類調(diào)諧波長反射現(xiàn)象首先是由威廉?布喇格爵士給出解釋的，因而這種光纖光柵被稱為布喇格光纖光柵，其反射條件被稱為布喇格條件。光纖布喇格光柵傳感原理光纖光柵的柵距可通過改變寫入光柵的兩相干紫外光束的相對角度得到調(diào)整，從而可以制作出不同反射波長的Bragg光柵。7.3.10

光纖層析成像分析技術及應用

光纖層析成像分析技術源于X射線層析成像分析(CT)，其基本原理是，當光線經(jīng)過被測樣品時，不同的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)預定的拓撲結構和設計進行解算就可得到所需要的樣品參數(shù)。根據(jù)不同的原理和應用場合，可分為光相干層析成像分析技術(OCT)和光過程層析成像分析技術(OPT)。

光相干層析成像分析技術(OCT)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構圖像。

若想反映mm量級的深度差別，則時間延遲要短至10－15s，電子設備難以直接測量，故利用邁克爾遜干涉儀進行測量。

光纖相干層析成像技術(OCT)主要應用于生物、醫(yī)學、化學分析等領域，如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內(nèi)視和用于實現(xiàn)彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。OCT為生物細胞和機體的活性檢測提供了一種有效的方式，已有實例應用于對生長中的細胞進行觀察和監(jiān)測。

圖示為清華大學建立的我國第一臺OCT裝置得到的蔥表皮的光學相干CT圖象。該圖像實際尺寸為10mm×4mm，圖中橫向分辨率約為20mm，縱向分辨率約為25mm。圖中表皮層、導管和篩管的細胞結構，不需做切片便可看清。

圖示為兔子眼球的OCT圖像，其中角膜、晶狀體、睫狀體等結構都十分清晰。

OPT則面向工業(yè)工程——油井、管線等場所，高精度地解決流體的過程測量問題。由于OPT具有適用于狹小的或不規(guī)則的空間、安全性高、測量區(qū)域不受電磁干擾以及可組成測量網(wǎng)絡的多項長處，為工業(yè)過程的安全測量提供了一種優(yōu)良的手段。7.3.11

光纖納米生物傳感器

目前最新的生物檢測技術多采用納米傳感器。其中一類是運用納米纖維技術的光學生物傳感器。納米尺度的光纖尖端的制作是光纖納米傳感器的基礎，左圖為熔接—熔拉腐蝕法實驗結果。右圖為納米光纖用于細胞檢測。光纖傳感器的分類根據(jù)光纖在傳感器中的作用可分為功能型、非功能型三大類根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式可分為：強度調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振調(diào)制型、頻率調(diào)制型四大類根據(jù)光是否發(fā)生干涉可分為干涉型和非干涉型根據(jù)是否能夠隨距離的增加連續(xù)地監(jiān)測被測量可分為分布式和點式7.3.12

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功能型光纖可構成性能優(yōu)良的分布式光纖傳感器，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，如建筑物、橋梁、水壩、儲油罐等大型結構中應力的檢測，石油鉆井平臺、飛機、航天器、電力變壓器、發(fā)電機組、反應堆等場合應力和溫度分布的實時監(jiān)測等。根據(jù)不同的原理，可構成不同的分布式光纖傳感器，如相位調(diào)制型傳感器和散射型傳感器。分布式光纖傳感技術具有同時獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時間和空間變化的被測量分布信息的能力，其基本特征為：

①分布式光纖傳感系統(tǒng)中的傳感元件僅為光纖；

②一次測量就可獲取整個光纖區(qū)域內(nèi)被測量的一維分布圖，將光纖架設成光柵狀，就可測定被測量的二維和三維分布情況；

③系統(tǒng)的空間分辨力一般在米的量級，因而對被測量在更窄范圍的變化一般只能觀測其平均值；

④系統(tǒng)的測量精度與空間分辨力一般存在相互制約關系；

⑤檢測信號一般較微弱，因而要求信號處理系統(tǒng)具有較高的信噪比；

⑥由于在檢測過程中需要進行大量的信號加法平均、頻率的掃描、相位的跟蹤等處理，因而實現(xiàn)一次完整的測量需較長的時間。典型的分布式光纖傳感器相位調(diào)制型傳感器Mach-Zehnder干涉式傳感器Sagnac干涉式傳感器散射型傳感器瑞利散射型光纖傳感器布里淵散射型光纖傳感器拉曼散射型光纖傳感器相位調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制

當光纖受到機械應力作用或環(huán)境溫度變化時，光纖的長度、芯徑、纖芯折射率將發(fā)生變化，這些變化將導致光波的相位變化.由于相位變化很難直接檢測，所以實際中通常使光發(fā)生干涉，將相位的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴姷淖兓M行檢測，之后再解調(diào)獲得相位變化(1)M-Z干涉型光纖傳感器用作分布式振動傳感隨機干擾干涉臂相位的隨機變化干涉儀輸出功率的隨機變化以M-Z干涉儀作為周界監(jiān)控系統(tǒng)時，入侵事件出現(xiàn)將導致接收信號功率的變化M-Z干涉型光纖傳感器的信號處理通過順時針和逆時針傳輸?shù)南辔皇芨蓴_光信號到達A點和B點的時延差可計算出產(chǎn)生干擾的位置。A點和B點分別對應M-Z干涉儀兩個耦合器的位置。P點是干擾發(fā)生的位置使用時使干涉儀兩臂中同時存在順時針和逆時針傳輸?shù)墓庑盘柼幚淼哪繕恕獙Ω蓴_事件進行定位（適用于周界監(jiān)控及管道監(jiān)控等應用）耦合器C2和C3構成M-Z干涉儀在計算機中對PD1和PD2接收到的光信號進行互相關計算，就可以獲得干擾出現(xiàn)的時延差，繼而實現(xiàn)干擾定位利用M-Z干涉儀進行分布式傳感的系統(tǒng)結構圖121(2)光纖SAGNAC干涉型分布式傳感器激光器發(fā)出的光經(jīng)耦合器分為兩束分別耦合進由同一光纖構成的光纖環(huán)中，沿相反方向傳輸，并于耦合器處發(fā)生干涉。當傳感光纖受到外界干擾時，正反向兩光束會產(chǎn)生不同的相移，并于耦合器處發(fā)生干涉，干涉信號的光強與干擾發(fā)生位置具有一定關系。R1R2

Sagnac干涉儀的另一個典型應用是光纖陀螺，即當環(huán)形光路有轉(zhuǎn)動時，順逆時針的光會有非互易性的光程差，可用于轉(zhuǎn)動傳感122光纖中光散射瑞利散射布里淵散射拉曼散射

散射型光纖傳感器Part瑞利散射LordJohnWilliamRayleigh，英國物理學家，

在聲學、波的理論、光學、光的散射、電力學、電磁學、水力學、液體流動理論方面都做出了不可磨滅的貢獻，1904年，他因發(fā)現(xiàn)了惰性元素氬（Ar）而榮獲了該年度的諾貝爾物理學獎。瑞利(1842-1919)瑞利散射：尺度遠小于入射光波長的粒子所產(chǎn)生的散射現(xiàn)象，是光與介質(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈性碰撞所引起的。該散射的散射光波長等于入射光波長,無頻率變化（無能量變化，波長相同），是一種彈性光散射。光纖中的瑞利散射：是一種基本損耗機制，是由于在制造過程中光纖密度的隨機漲落引起折射率的局部起伏，使得光向各個方向散射。圖1光纖中光散射示意圖瑞利散射的物理機制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定位的一種診斷技術。

在利用后向瑞利散射的光纖傳感技術中，一般采用光時域反射(OTDR)結構來實現(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，該傳感技術可分為強度調(diào)制型和偏振態(tài)調(diào)制型。

OTDR原理如圖所示。根據(jù)后向散射功率的對數(shù)斜率ai是否變化，可知道光纖內(nèi)是否存在故障點。觀測后向散射脈沖的到達時間t，便可測得故障點的位置z。

式中，c為真空中光速；n為纖芯折射率。

OTDR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t決定的，可表示為

一般情況下，OTDR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。

利用適當?shù)墓饫w結構，使損耗系數(shù)ai與環(huán)境的某個物理量有關，則可對其進行分布式測量。例如：①外界壓力或變形使光纖產(chǎn)生的微彎損耗；②在光纖中摻雜稀土離子后，衰減與環(huán)境溫度有關；③利用保偏光纖，當環(huán)境使光纖產(chǎn)生應力，將導致光信號的偏振狀態(tài)發(fā)生變化；④利用克爾效應或法拉第磁光效應，通過監(jiān)測偏振狀態(tài)來測量電場和磁場的分布。布里淵散射路易.馬賽爾.布里淵(MarcelBrillouin，1854-1948)，法國物理學家和數(shù)學家，布里淵散射是布里淵于1922年提出，可以研究氣體，液體和固體中的聲學振動。布里淵(1854-1948)布里淵散射：布里淵散射的本質(zhì)是入射光與聲學聲子相互作用的非彈性散射。分為自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射。多普勒效應使散射光頻率不同于入射光。自發(fā)布里淵散射：在常溫狀態(tài)下光纖中的原子、分子或離子因自發(fā)熱運動作連續(xù)彈性力學振動，形成了光纖中的自發(fā)聲波場。沿光纖方向的聲振動使得光纖的密度隨時間和空間周期性變化，從而使得光纖上的折射率被周期調(diào)制。這種自發(fā)聲波被看作是沿光纖運動著的光柵。當泵浦光射入光纖中時，將會受到“光柵”的“衍射”作用，產(chǎn)生自發(fā)布里淵散射光。向前向后都有散射(應用于BOTDR)受激布里淵散射：當進入光纖的入射光泵浦功率超過某一閾值時，光纖內(nèi)產(chǎn)生的電致伸縮效應，使得沿光纖產(chǎn)生周期性形變或彈性振動，即光纖中產(chǎn)生了相干聲波，該聲波沿其傳播方向使光纖折射率被周期性調(diào)制，從而形成了一個以該聲速運動的折射率光柵，使入射光產(chǎn)生散射，散射光頻率下移，當滿足波場相位匹配時，聲波場得到極大增強，從而使光纖內(nèi)的電致伸縮聲波場和相應的散射光波場的增強大于它們各自的損耗，將出現(xiàn)聲波場和散射光場的相干放大，從而導致大部分傳輸光功率被轉(zhuǎn)化為后向散射光，產(chǎn)生受激布里淵散射(SBS)過程。

只有向后散射（應用于BOTDA）BOTDR——傳感原理布里淵散射光頻移會隨著溫度和光纖應變的上升而線性增加：fB=fB0+fTT(℃)+fεε(με)

布里淵散射光功率會隨溫度的上升而線性增加,隨應變增加而線性下降：通過測量布里淵散射光頻移和光功率，就可以求得被測量點的溫度和應力的大小。

134BOTDR與BOTDA(BRILLOUINOPTICALTIMEDOMAINANALYSIS)BOTDR系統(tǒng)從一端輸入泵浦脈沖，在同一端檢測返回信號的中心波長和功率。使用方便，但自發(fā)布里淵散射信號很微弱，檢測困難。在BOTDA中，處于光纖兩端的可調(diào)諧激光器分別將一脈沖光（泵浦光）與一連續(xù)光（探測光）注入傳感光纖。利用受激布里淵散射效應，散射光強度更強135拉曼散射拉曼散射（Ramanscattering），光通過介質(zhì)時由于入射光與分子運動相互作用而引起的頻率發(fā)生變化的散射。又稱拉曼效應。1923年A.G.S.斯梅卡爾從理論上預言了頻率發(fā)生改變的散射。1928年，印度物理學家C.V.拉曼在氣體和液體中觀察到散射光頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象,因光散射方面的研究工作和喇曼效應的發(fā)現(xiàn)，獲得了1930年度的諾