光纤传感技术全

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★ 光纤传感器的分类
一般分为两大类： ◎功能性传感器
利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件 又称传感型光纤传感器，采用单模光纤
◎非功能性传感器 光纤仅作为传光介质，需借助其它敏感元件 又称传光型光纤传感器，常用多模光纤
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根据光调制手段的不同，光纤传感器 又可分为：
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§8.2 强度调制型光纤传感器
●原理和实现手段 ●光强度的外调制技术 ●光强度的内调制技术 ●补偿技术
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1、原理和实现手段 ◎原理
以被测对象所引起的光强度变化，来 实现被测对象的监测和控制 ◎实现手段
◇利用发送、接受光纤的相对运动 ◇利用光纤对光波的吸收特性 ◇利用折射率的改变 ◇利用在两相位光纤间的倏逝场耦合 2020/5/11 ◇利用光纤微弯效应
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◇对象广泛，可用于所有影响光程的物理量 传感
◇采用单模光纤，获得较好的干涉效应
●几种光纤干涉仪的讨论 根据传统的光学干涉原理，目前已研制成
迈克尔逊式、马赫-泽德式、法布里-珀罗式全 光纤干涉仪以及光纤环形腔干涉仪等，并且都 已用于光纤传感。下面分别予以介绍。
◎强度调制型 ◎相位调制型 ◎偏振态调制型 ◎频率调制型 ◎波长调制型
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★ 光纤传感器的应用
光纤传感器可以探测的物理量很多，可以探 测位移、压力、温度、流量、速度、加速度、 振动、转动、弯曲、应变、磁场、电压、电流 以及化学量、生物医学量等等，其中有的传感 器已形成商品，可供实际应用。
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★ 光纤传感器的原理
表征光波的特
征参量因外界
因素的作用而
间接或直接地
发生变化，从
而可将光纤用
作传感元件来
探测各种物理
量。
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图1 光纤传感原理示意图
★ 光纤传感器的特点
与传统的传感器相比，光纤传感器的主要 特点：
◎抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全 ◎重量轻、体积小、外形可变 ◎对被测介质影响较小,灵敏度高 ◎便于复用，便于成网 ◎测量对象广泛,成本低
图 基于折射率改变的湿度传感 器的感应主部
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图 感应主部在两种不同的环境中的传光情况
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◎倏逝波耦合调制 如图11所示，d,L或n稍变化，光探测器的接受光 强就有明显的变化。据此，可制成水听器。
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图11 倏逝场光纤传感器
图12所时是透射式光纤受抑全内反射传感器，当 一根光纤固定，另一光纤随外界因素而移动，耦 合效率会随两光纤端面间距而改变，测出光强， 即可求得 光纤端面 位移量的 大小。
图10 反射系数式强度型光纤传感器
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某种特选的膨化材料在潮湿的空气中会发生膨胀 并由于附加了水分子而表现出折射率的减小。利用这 种效应，可以制成简单、快速响应和高灵敏度的光纤 湿度传感器。
该种传感器的感 应主部的包层由 PVA, Starch, PVDF三种材料 以3:3:2制成。
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图12 透射式光纤受抑全内反射传感器见图
◎微弯效应光强度调制
微弯作用导致光纤内发生模式间的耦合，这些耦合 模变成辐射模，泄漏到包层中去。
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图15 光纤微弯传感器示意图
波纹周期
图16光纤微弯调制器
△β是导模和辐射模的传输常数差。当波纹周期满足 (8.4)时， 相位失配为零，模间耦和达最佳。因此，波纹 的最佳周期决定于光纤的模式性能。
基本上不受粗糙度
的影响。
图6 表面粗糙度与受光量的关系
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◎遮光式光强调制 图7a为移动式光纤光调制模型 。 图7b为动光闸式光强度调制器。
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图7 遮光式 光强度调制
实际应用中可采用光纤束结构：光纤的粗细 不同，排列方式也不同，如图3所示。这种传感 器一般均用大数值孔径的粗光纤，以提高光强
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T是光纤传输系数,x是板的位移,p是压力,上式即是调 制系数的表达式。
光纤性能确定，是个精确的 光学常数。
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微弯传感器的机械设计确定。
聚合物光纤的直径较大，对其采用横向切 槽技术后，可得到光线在光纤弯曲时的传输情 况如图所示，以此制成传感器可测量应变。
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图4平面反射镜耦合情况
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如果反射面是由 不同曲率半径的 凸面，实验测得 的返回光强与测 量距离的关系曲 线如图5所示。
Baidu Nhomakorabea
图5 返回光强与测距的关系
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图6所示是反射体
表面粗糙度R max
与受光量的关系。
可知，表面粗糙度
大时，受光量小，
但当表面粗糙度小
于1µm时，受光量
的耦合效率。
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图3 光纤排列方式
3、光强度的内调制技术
——光纤本身特性的发生改变
◎折射率调制 一般纤芯和包层 具有不同的折射 率温度系数，导 致对温度的响应 不同。
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图9 温度变化引起的传输损耗
图10是反射系数式 强度型光纤传感器 原理图，其工作原 理是用光纤光强反 射系数的改变(介质 由于压力或温度的 变化 折射率 反 射系数)来实现对透 射光强的调制。
第八章
光纤传感技术
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内容提要
●8.1前言 ●8.2强度调制型光纤传感器 ●8.3相位调制型光纤传感器 ●8.4频率调制型光纤传感器 ●8.5波长调制型光纤传感器 ●8.6偏振态调制 ●8.7特种光纤简介 ●8.8光纤传感器的发展趋势
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§8.1前言
●光纤传感器的原理 ●光纤传感器的特点 ●光纤传感器的分类 ●光纤传感器的应用
2、光强度的外调制技术
光纤本身只起传光作用,分反射式和折射式两
种方式来讨论。
◎反射式光强调制
图2所示， 接受
的光强将随物体
距光纤探头端面
的距离而变化。
图2 天线型光纤传感器
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通过测出反射强度， 可知物距的变
化。
如果反光物体 相当于平面 镜，如图4所 示，反射耦合 到光纤的光能 与光纤输出光 能比为：
§8.2 相位调制型光纤传感器
●传感机理： 通过被测能量场的作用，使能量场中的一段
敏感的单模光纤内传播的光波发生相位的改变， 在用干涉测量技术把相位转换为振幅的变化，从 而还原所监测的物理量。
●主要特点： ◇灵敏度高，可以检测出小至10-7 rad的相位 变化 ◇灵活多样，探头的几何形状可按需要设计