二 . 光纤传感器原理

二.光纤传感器原理

外界参量 信号调制光探测器光源信号处理光纤光纤

本讲提要 • 外界参数对光纤内传输光的作用方式，即各种调制的原理与方法。

光纤对许多外界参数有一定的效应，研究光纤传感原理就是研究如何应用光纤的这些效应，实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能，这是光纤传感器的核心，也是光纤传感器系统和光纤通信系统的主要区别。

光纤传感器的调制区可能是光纤本身（内部调制），也可能是其他材料制成的敏感元件（外部调制），单就调制原理而言，仅研究外界因素引起光的性质的变化，不论是内部调制还是外部调制都是一样的。光纤传感器的调制区可能是光纤本身（内部调制），也可能是其他材料制成的敏感元件（外部调制），单就调制原理而言，仅研究外界因素引起光的性质的变化，不论是内部调制还是外部调制都是一样的。

一.强度调制----光纤传感器最早使用的调制方法一.强度调制----光纤传感器最早使用的调制方法 • 概念利用外界因素改变光纤中光的强度，通过测量光强的变化来测量外界物理量。

光纤强度调制传感器的原理图

特点 • 技术简单，可靠，成本低。 • 可以采用多模光纤。 • 光纤的连接与耦合容易，所使用的光纤连接器与耦合器已经商品化。 • 光源可以采用非相干光源，如输出稳定的LED等。

构成传感器探头的物理机理 • （一）利用线性位移或角位移进行调制原理图

若输入输出为同一种单模光纤，S0为光纤中的光斑尺寸，则径向位移d与功率耦合系数T的关系为高斯型曲线，存在下列关系：若输入输出为同一种单模光纤，S0为光纤中的光斑尺寸，则径向位移d与功率耦合系数T的关系为高斯型曲线，存在下列关系： T 最佳传感区域 A d

特点 • 光纤间距离很小，约2-3µm。 • 入射光纤保持不动（除去差动法）。 • 出射光纤进行位移或转动。

（二）光闸调制 原理图

特点 • 入射光纤与出射光纤均保持不动，依靠遮光屏随外界因素影响而引起的运动来对出射光纤的输出光强进行调制。 • 遮光屏本身材料不限，可以是固体，也可以是液体。 • 入射光纤与出射光纤的端面要设置准直透镜。

（三）反射式强度调制 传光束双光纤单光纤原理图

特点 • 入射光纤与出射光纤可以是单根光纤、两根光纤也可以是光纤束。 • 非接触式，探头小，频响高，线性度好。 • 测量位移~100m。

（四）利用光纤微弯产生的损耗进行调制 原理图

特点 • 当光纤受到微弯时，一部分芯模能量会转化为包层模能量，通过测量包层模式的能量或芯模能量的变化，就可以测出外界物理量的大小。 • 主要应用于对应变等物理场的检测。分辨率可达0.1nm。

空间周期 • 选取适当的空间周期，使得它与光纤中适当选择的两个模式的传播常数差相匹配。则光纤中光功率的分布随着这个空间感应耦合而变，原来在纤芯中传播的某些光转移到包层中。 • 相位匹配条件  和’ 为引起耦合的两个模式的传输常数。

模式标号 相对折射率差表征光纤折射率分布的参数 • 相邻的两个模式，其传输常数差为纤芯半径总模式

梯度折射率光纤 α=2 变形器的最佳周期阶跃折射率光纤 △为光纤芯子与包层之间的相对折射率差；a为纤芯半径；M是总模式；m是模式标号；

特点 • 可以采用多模光纤。 • 要达到引起耦合损耗的两模式间的耦合为最佳值，需要根据具体情况设计适当的调制周期。

（五）利用折射率的变化进行调制 • 特点：在光纤的纤芯折射率不变的情况下，通过外界因素的改变引起光纤包层折射率的大小发生变化，从而使得其中传输光的强度发生变化。

典型图

（六）利用光纤的吸收特性进行调制 利用射线的辐射使光纤的吸收损耗增加，光纤的输出功率降低，从而构成强度调制的测量辐射量的传感器。原理图

特点 • 测量各种辐射，例如x射线的大小。 • 灵敏度高、线性范围大。 • 实时性强。 • 典型应用：卫星外层空间剂量的监测；核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监测。

其它强度调制方法 利用光纤模斑斑图的强度随外界参数影响的变化，来测量待测物理量。 ........

二. 波长调制---颜色调制 • 概念利用外界因素改变光纤中光的波长，通过测量光波长的变化来测量外界物理量。

特点 • 对引起光纤或连接器损耗增加的某些器件的稳定性不敏感。 • 解调技术复杂，常常需要分光仪。 • 通常采用比值测量（两个波长的测量值为基准），要求校准以建立比值测量所需要的参考点。 • 探测的波长范围有限。

典型应用 • 外界因素对传输光的光谱成分中，不同波长的光吸收特性不同。如：溶液浓度的化学分析等。 • 外界因素引起光的波长发生漂移。如：光纤光栅应力传感器，光纤光栅温度传感器等。

三．频率调制 • 概念利用外界因素改变光纤中光的频率，通过测量光频率的变化来测量外界物理量。

特点 • 外界因素以多普勒效应的形式影响光的频率。 • 适用于对运动目标的探测。 • 空间分辨率高，光束不干扰流动状态。

多普勒效应 研究光源与观测者之间的相对运动对接收到的光的频率产生的影响。 • 如果频率为f的光入射到相对于探测器速度为v的运动物体上，则从物体上反射到探测器的光频率为： c为真空中的光速

f1 f0 f0-f1 激光器 f0 混频 f1±Δf f0 以速度v运动的被测物体 f0±Δf Δf v 光纤多普勒系统

典型应用 • 血液流动速度监测传感器 • 运动物体速度监测传感器

四．相位调制 • 概念利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过测量光相位的变化来测量外界物理量。

特点 • 灵敏度高，几何形状灵活多样。 • 工作对象广泛。 • 需要特殊光纤。目前市场上各类光探测器均不能够感知光波相位的变化，必须采用光的干涉技术将光的相位变化改变为光的强度变化，才可以测量外界物理量。光纤传感器中的相位调制技术包括两部分： • 产生光相位变化的物理机理。 • 光的干涉技术。

相位调制器是基于干涉测量原理 • 设两束相干光的振幅分别为A1和A2，当其中一束光的相位受到某种因素影响时，两束光在干涉域中产生干涉，各点光强为： : 外界因素所引起的两束相干光之间的相位差。由A的变化可以获得的变化，进一步可以得出待测物理量的变化。：

构成相位调制传感器传感探头的几种物理机理 • 应力应变效应当光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，光纤的长度（应变效应）、光纤的纤芯直径（泊松效应）、光纤的纤芯折射率（光弹效应）都将发生变化，这些变化将导致光纤中的光波相位发生变化。

当光波通过长度为L的光纤后，引起的光波相位延迟为当光波通过长度为L的光纤后，引起的光波相位延迟为光波在光纤中的传播常数。 • 当光纤长度或传播速度发生变化时，引起的光波相位变化为 a为光纤的纤芯半径 • 第一项：光纤的长度变化引起的相位延迟（应变效应） • 第二项：光纤的感应折射率变化引起的相位延迟（光弹效应） • 第三项：光纤的纤芯直径变化引起的相位延迟（泊松效应）

纵向应变的相位调制----应变效应 径向应变的相位调制----泊松效应光弹效应的相位调制其中，为光纤的纤芯折射率。a为光纤的纤芯半径，L为光纤长度，为光纤的光弹系数。为光纤的径向应变。为光纤的纵向应变。

温度应变效应 将光纤放置在变化的温度场中，设温度场的变化等效为作用力F时，则力的存在将影响光纤的长度以及光纤的纤芯折射率将发生变化，从而产生光波相位的变化。 • 由作用力F所引起的光纤中的相位延迟为：温度变化引起相位延迟光纤的长度变化引起相位延迟光纤的纤芯折射率变化引起相位延迟

几种典型的光纤干涉仪 • 1.M-Z光纤干涉仪结构：

原理： 根据双光束相干原理，两个光探测器接收到的光强分别为：其中，为光源的光强，为耦合系数，为外界参量引起的相移由两个光探测器接收到的光强变化，可检测出的变化，进一步得出外界参量。

2.萨格纳克光纤干涉仪 结构：

原理： 当闭合光路相对惯性空间以转速Ω转动时，顺、逆时针传播的光将产生一个非互易性的光程差，由于光程差又引入了两相反传播的光波之间的时间差，进一步引入相位延迟。其中，A为光纤圈的面积，N为光纤的圈数，Ω为角速度。

3.F-P光纤干涉仪 结构：

光程分别为：d, 3d, 5d…… 由于光程差引入了光波之间的时间差，进一步引入相位延迟。各光束相干叠加，由光强的变化可以得出外界参量的变化。 • 典型应用：应力传感器，位移传感器等。

S(t) • 4.迈克尔逊干涉仪结构： • 光束被3dB耦合器分成两路入射到光纤，然后，光从末端反射回来并经过耦合器输出到探测器。 • S(t)为外界信号，它引起两臂的光程差，通过探测器对信号光强的检测，可以获得外界参量的大小。

干涉仪的分类 • 第一类：M-Z光纤干涉仪、萨格纳克光纤干涉仪、迈克尔逊干涉仪检测光强大小主要与两束光的相差相关 • 第二类：F-P光纤干涉仪检测光强大小主要与腔长有关,由多光束产生干涉。

五．偏振态调制 • 概念：利用外界因素改变光纤中光的偏振特性，通过测量光的偏振态的变化来测量外界物理量。 • 特点：光纤具有低的固有双折射。因为光纤自身双折射，对偏振态调制的影响很大，严重时甚至完全淹没人为偏振态调制作用。

二 . 光纤传感器原理

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