§4.4 光纤传感器

1. §4.4 光纤传感器 §4.4 光纤传感器 §4.4.1元件型光纤传感器 §4.4.2 传输型光纤传感器 第四章 光电信息技术

2. 变形器 多模光纤 光输入 光输出 Λ L §4.4.1元件型光纤传感器 §4.4.1 元件型光纤传感器 一、微弯损耗光纤传感器 基于微弯损耗机理的强度调制型传感器的结构如图4.4.1-1所示 。由光纤中光功率的数值可得到诸如压力、位移等被测量的大小。 图4.4.1-1 微弯损耗光纤传感器原理 第四章 光电信息技术

3. 设光纤的微弯变形函数为正弦型 4.4.1-1 根据光纤模式理论，可得到微弯损耗系数 式中D(t) ——外界信号导致的弯曲幅度； q ——空间频率； z ——变形点到光纤入射端的距离； 设光纤微弯变形函数的微弯周期为，则有 的近似表达式: §4.4.1元件型光纤传感器 4.4.1-2 第四章 光电信息技术

4. 式中 ——比例系数； ——光纤中光波传播常数差； ——光纤中产生微弯变形的长度； 式4.4.1-2表明，a与光纤弯曲幅度D(t)的平方成正比，弯曲幅度越大，模式耦合越严重，损耗就越高。a还与光纤弯曲变形的长度成正比，作用长度越长，损耗也越大。a与光纤微弯周期有关，当 时产生谐振，微弯损耗最大。因此，从获得最高灵敏度的角度考虑，需要选择合适的微弯周期。 §4.4.1元件型光纤传感器 第四章 光电信息技术

5. 二、干涉式光纤传感器 光波通过长度为的光纤，其相位延迟为 4.4.1-3 对式4.4.1-3微分得： 4.4.1-4 式中第一项表示光纤长度变化引起的相位差（应变效应或热胀效应），第二项为光纤折射率变化引起的相位差（光弹效应或热光效应），第三项为光纤芯径变化引起的相位差（泊松效应）。 §4.4.1元件型光纤传感器 第四章 光电信息技术

6. 信号臂 3dB 光源 探测器 参考臂 信号臂 3dB 3dB 光源 探测器 参考臂 M1 M2 传输光纤 3dB 光源 自聚焦透镜 探测器 §4.4.1元件型光纤传感器 对调制在相位中的信号需要进行解调，用于光相位解调的干涉结构有多种，如双光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法及环形干涉法等，此处主要介绍双光束干涉法。 双光束光纤干涉仪有迈克尔逊(Michlson)干涉仪、马赫-陈德尔(Mach-Zehnder)干涉仪及斐索(Fizeau)干涉仪，基本结构如图4.4.1-2所示。 (a) 迈克尔逊干涉仪 (b) 马赫-陈德尔干涉仪 (c) 斐索干涉仪 图4.4.1-2 双光束光纤干涉仪 第四章 光电信息技术

7. 现以双光束干涉仪为例来分析干涉场。设信号光与参考光的场强分别为： 两光束相干产生的干涉场分布为 4.4.1-5 相应的光强分布为 4.4.1-6 §4.4.1元件型光纤传感器 这样，可将相位变化转换为强度变化，可以获得被测信号的大小。 第四章 光电信息技术

8. I 输入谱 I FBG反射谱 I FBG透射谱 λB λ λB λ λ 三、光纤光栅传感器 光纤光栅是利用光纤的光折变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。 光纤Bragg光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）是一种反射型滤波器件，其机理是后向传播的LP01模与前向传播的LP01模之间发生耦合，根据相位匹配条件，要求光栅周期很小，一般小于1μm。FBG的传输特性如图4.4.1-3所示。 §4.4.1元件型光纤传感器 第四章 光电信息技术

9. FBG的反射光波中心波长为 4.4.1-7 反射率为 4.4.1-9 反射光带宽（半峰值全宽）为 4.4.1-8 §4.4.1元件型光纤传感器 第四章 光电信息技术

10. 由于光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界信号如温度、压力的作用下，光纤将产生轴向应变与折射率变化，栅距也随之变化，导致反射波长变化：由于光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界信号如温度、压力的作用下，光纤将产生轴向应变与折射率变化，栅距也随之变化，导致反射波长变化： 4.4.1-10 光纤光栅的反射波长受到被测量的调制产生偏移，解调出波长变化就可以得到被测量。解调方法有光谱法，用光谱仪直接测量反射谱或透射谱，是最简单的方法，但光谱仪的价格较高，而且不适合在线实时测量。此外还有波长扫描法、光学滤波法及干涉法。在此介绍干涉解调法。 §4.4.1元件型光纤传感器 第四章 光电信息技术

11. 由光纤光栅反射回来的光波进入不等臂马赫-陈德尔干涉仪，设干涉仪参考臂与测量臂几何长度差为 ，则干涉信号相位为： 4.4.1-11 由相位变化量可以得到波长偏移量，进而获得温度或压力信息。 当反射波长变化 ，则干涉信号相位亦随之改变，变化量为： 4.4.1-12 §4.4.1元件型光纤传感器 第四章 光电信息技术

12. 四、法拉第电流传感器 法拉第电流传感器是利用光纤的磁光效应实现电流测量的，按调制参数分类，则属于偏振调制型。磁光效应，又称法拉第（Faradag）效应，是指某些物质在外磁场的作用下，使通过它的线偏振光的偏振方向发生偏转。设法拉第材料的长度为l，沿长度方向施加的外磁场强度为H，则线偏振光通过它后偏振方向旋转的角度为 4.4.1-13 §4.4.1元件型光纤传感器 第四章 光电信息技术

13. I P1 光源 P2 WP I1 I2 光纤 探测器1 探测器2 光纤的磁光效应最典型的应用就是高压传输线用的电流传感器，其结构如图4.4.1-4所示。 图4.4.1-4 基于光纤磁光效应的电流传感器 将光纤绕在被测导线上，设圈数为N，导线中通过的电流为I，由安培环路定律，距导线轴心为R处的磁场为 4.4.1-14 §4.4.1元件型光纤传感器 第四章 光电信息技术

14. 由以上两式可得偏转角 4.4.1-15 绕在导线上的光纤长度为： ，代入上式得 4.4.1-16 通过光纤的光偏振面偏转角与被测电流及光纤的匝数成正比，与光纤圈半径大小无关。 由于探测器不能直接检测光的偏振态，需要将光偏振态的变化转换为光强度信号。一种检测方法采用Wollaston棱镜WP，由光源发射的激光经起偏器P1变为线偏振光进入传感光纤，在输出端将检偏器P2输出的 §4.4.1元件型光纤传感器 第四章 光电信息技术

15. 正交偏振分量在空间上分成两路输出，分别被探测器1与探测器2接收。探测器1与探测器2接收的光强信号分别为正交偏振分量在空间上分成两路输出，分别被探测器1与探测器2接收。探测器1与探测器2接收的光强信号分别为 经信号处理可得到偏振面的偏转角 4.4.1-17 该解调方法的特点是可以有效消除光源强度波动对测量结果的不利影响。 §4.4.1元件型光纤传感器 第四章 光电信息技术

16. 五、分布式光纤传感器 分布式光纤传感器是一种本征型的光纤传感器，所有敏感点均分布于一根传感光纤上。目前有两种方式发展比较快，一种是以光纤的后向散射光或前向散射光损耗时域检测技术为基础的光时域分布式，另一种是以光波长检测为基础的波长域分布式。 时域分布式光纤传感器的物理基础是光学时域反射技术（Optical Time-domain Reflectometry），简称OTDR。其基本原理是利用分析光纤中后向散射光或前向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，当 §4.4.1元件型光纤传感器 第四章 光电信息技术

17. 3dB 脉冲激光光源 后向散射回波 传感光纤 光电检测与 信号处理系统 光纤某一点受温度或应力作用时，该点的散射特性将发生变化，因此通过显示损耗与光纤长度的对应关系来检测外界信号分布于传感光纤上的扰动信息。图4.4.1-5给出了一种基于后向散射光检测的OTDR原理图。 图4.4.1-5基于后向散射光检测的OTDR原理图 §4.4.1元件型光纤传感器 第四章 光电信息技术

18. 设光纤上距离始端Z处、长度为dZ的一段光纤产生的后向散射光传播至光纤始端的功率为设光纤上距离始端Z处、长度为dZ的一段光纤产生的后向散射光传播至光纤始端的功率为 4.4.1-18 上式可变换为 4.4.1-19 4.4.1-20 §4.4.1元件型光纤传感器 第四章 光电信息技术

19. 初始脉冲 相对回波光功率 作用点 终端费涅尔回波 长度Z 由于外界因素引起的沿光纤长度上的某一点散射信号的变化，可以通过OTDR方法独立地探测出来，而不受其他点散射信号改变的影响，因此可以采用OTDR方法实现对光纤的分布式测量。 图4.4.1-6后向散射光检测波形示意图 §4.4.1元件型光纤传感器 第四章 光电信息技术

20. OTDR的空间分辨力由W注入光脉冲的宽度决定，为 ，为提高空间分辨力，应使用窄的光脉冲。 当波长为 的低功率光脉冲注入到传感光纤时， §4.4.1元件型光纤传感器 将产生自发后向喇曼散射，包括两条谱线，一条波长为 ，称为斯托克斯线。另一条波长为 ，称为反斯托克斯线。反斯托克斯线光强与斯托克斯 线光强之比为 4.4.1-21 由上式可见，自发后向喇曼散射中反斯托克斯线光强与斯托克斯线光强之比仅是光介质所处温度的函数，随着环境温度的升高比值呈指数规律增加。 第四章 光电信息技术

21. 接收光纤 传输光纤 探测器 光源 被测面 §4.4.2 传输型光纤传感器 §4.4.2 传输型光纤传感器 一、反射式位移传感器 反射式位移传感器 ，其基本原理如图4.4.2-1所示。 图4.4.2-1反射式位移传感器 第四章 光电信息技术

22. 被测面 传输光纤像 传输光纤 a 2r 接收光纤 d §4.4.2 传输型光纤传感器 光源发出的光通过光纤射向被测物体，其反射光由接收光纤收集，送到探测器，通过信号处理得到光纤端面与被测面之间距离的变化（位移）。 下面分析接收光强变化与位移之间的关系，参考图4.4.2-2。 图4.4.2-2光耦合示意图 第四章 光电信息技术

23. §4.4.2 传输型光纤传感器 假设两根光纤均为阶跃折射率光纤，芯径为2r，数值孔径为NA，两光纤间隔为a，并定义 当距离 时，两光纤的光耦合为零，即没有 反射光进入接受光纤； 当 时，两光纤的耦合最强，接收光。 强达到最大值。此时输入光纤的像发出的光锥完全覆盖接收光纤端面. 在线性近似条件下，可得到交叠面积与光纤芯面积之比为 4.4.2-1 第四章 光电信息技术

24. F/% d=320μm F=7.2% 10 5 0 400 600 200 d/μm §4.4.2 传输型光纤传感器 假设反射面无光吸收，两光纤的光功率耦合效率F即为交叠面积与光锥底面积之比 4.4.2-2 上述关系式提供了反射式传感器的设计依据。 图4.4.2-3给出了一个设计实例，主要参数为：2r=200μm，NA=0.5，a=100μm。 图4.4.2-3耦合效率与距离关系的理论曲线 第四章 光电信息技术

25. §4.4.2 传输型光纤传感器 二、半导体吸收温度传感器 设入射光强为 出射光强为 4.4.2-3 ，在经过长度为的半导体材料后， 只有能量大于半导体材料的禁带宽度Eg的光子才能被吸收 本征吸收时电子从导带跃迁到价带的形式有两种，即间接跃迁与直接跃迁，这由半导体材料的能带结构所决定。GaAs半导体是典型的直接跃迁材料，当光子能量hv大于材料的禁带宽度Eg时，吸收系数可以写成： 4.4.2-4 第四章 光电信息技术

26. 1.0 光源辐射谱 透过率T T(λ,t) 0.5 t1<t2 t1 t2 0 λg λ/nm §4.4.2 传输型光纤传感器 另一方面，对于GaAs材料，其禁带宽度Eg与温度具有如下关系： 4.4.2-5 上式表明GaAs材料的禁带宽度Eg 随温度的升高而降低，产生本征吸收要求的最低光频Vg减小了，即是说温度升高时，吸收曲线向短波长方向移动，相应的，透射曲线向长波长方向移动，意味着有更多的光子被吸收，如图4.4.2-4所示。 图4.4.2-4半导体材料的透过率特性 第四章 光电信息技术

27. §4.4.2 传输型光纤传感器 图4.4.2-5为透射式传感器的结构示意图。 图4.4.2-5 半导体吸收温度传感器示意图 三、光纤多普勒速度传感器 如图4.4.2-6所示，当频率为f的激光经光纤照射到以速率v为运动的散射物体O上时，一部分散射光又进入到光纤中，其光频为 4.4.2-6 GaAs 光源 探测器 传输光纤 第四章 光电信息技术

28. O 入射光波f 3dB 激光光源 反射光波fd θ v 光电检测与 信号处理系统 §4.4.2 传输型光纤传感器 图4.4.2-6光纤多普勒速度传感器原理示意图 第四章 光电信息技术