传感器原理与检测技术第2版教学课件作者钱显毅第9章节光纤传感器

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1、第九章光纤传感器光纤传感器是近年来随着光导纤维技术的发展而出现的新型传感器，它具有抗电磁干扰能力强、安全性能高、灵巧轻便、使用方便等特点。随着光纤传感器研究工作的不断开展，光纤传感器可以测量的物理量越来越多，各种形式的光纤传感器层出不穷。目前已有力、热、声、电、磁、核物理等各个领域的光纤传感器几十种，可以检测位移、速度、加速度、压力、波面、流量、振动、水产．温度、电流、电场、磁场、核辐射等物理量的光纤传感器。光纤维做为信息传抱媒介的光纤通信，得到广泛应用。最近几年来，光纤在传感技术领域中的应用，发展迅速，吸引

2、了大量的科学工作者，成为目前国外传感技术领域中研究的一个热门课题。9.1光纤传感原理按工作原理可以将光纤传感器分为功能型（FF）及非功能型（NFF）两大类。这两类光纤传感器的基本组成十分相似，都由光源、入射光纤、解调器、出射光纤和光敏器件组成，但两者的光纤所起的作用是不同的（也就是调制器不同）。传光型光纤传感器又称作非功能型光纤传感器（NoneFunctionFilter-NFF），光纤仅作为传播光的介质，在传感器中仅起传光的作用，见图9-1a。对外界信息的“感觉”功能是依靠对光的性质加以调制的调制器来完成的

3、。传光型光纤传感器利用已有的其他传感技术，它的敏感元件（调制器）用的是别的材料，这样可以充分利用现存的优质敏感元件来提高传感器的灵敏度。在已经使用得光纤传感器中，传光型光纤传感器占大多数。传感性光纤传感器又称作功能型光纤传感器（FunctionFilter-FF），它利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤作为传感元件，是将“传光”和“感知”合为一体的的传感器。在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，而且还利用光纤在外界物理量作用下，能够引起在光纤内传输的光的某些性质如光强、相位、偏振态等发生变化来实现传和感

4、的功能。因此，光纤本身就是调制器，充当着对外界信息进行采集的单元，如图9-1b。图9-1光纤传感器结构（a）传光型光纤传感器（b）传感型光纤传感器传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单，因为光纤是连续的，可以少一些光耦合器件，但为了实现对外界物理量变化的感知，往往需要采用特殊光纤来作探头，这样就增加了传感器制造的难度。光纤传感器的组成部分包括光源、入射光纤、调制器、出射光纤和光敏器件，其中调制器是最重要的组成部分。实际上，研究光纤传感器原理就是定性或定量研究光在调制器内与外界被测物理量的相互作用，也就

5、是光线中的光束被外界物理量调制的原理。在电子传感器中，经过传感器的电信号的某些特征如电压、电流或间接导致电压、电流变化的传感器的电阻、电容、电感的等会受到外界物理量的调制，通过对这些电量的测量而达到测量外界物理量的目的。同样，在光纤传感器中，通过光纤调制器的光的某些特性也受到外界物理量的调制。沿某一方向（如x方向）传播的光波可以用平面波德波动方程表示，即E=Asin(kx–wt+)(9-1)其中，空间频率k=2π/λ。由式（9-1）可见，光具有以下基本特性参量：①幅值A：光的振幅A决定了光的强度，光强度的极大

6、值就是A。②振动方向：由于振幅A是一个矢量，所以存在振动方向，通常称作偏振方向。③频率：为光的角频率。在环境因素保持不变的条件下，光不论在什么介质中传播，其频率总是不变的。光波频率的外部特征就是光的颜色。④波长λ：同样的光波，在不同折射率的介质中光的波长是不相等的。⑤初始相位：初始相位反映了光波的光程。光波的上述特征参数，主要是以光强度与光的颜色两个最直观的特征表现出来的，或者说，目前的光电传感器只能测量光的强度与颜色，对其他特征的测量是通过测量光的强度或颜色而间接测量的。就如对电子传感器的电阻、电容、电感的

7、测量，总是以测量电压或电流进行间接测量一样。光波作为光纤传感器中的传输信号，受外界物理量的调制，从而反映出外界物理量的变化。外界物理量可能引起光的强度、波长（颜色）、频率、相位、偏振态等特性发生变化，从而构成强度、波长、频率、相位或偏振态调制原理。光纤传感器的调制器可以是功能光纤传感器（FF）中的光纤本身（内部调制），也可以是非功能光纤传感器（NFF）中用某种材料制成的敏感元件（外部调制）。不过，就调制原理本身而言，不论是内部调制还是外部调制，我们所关心的都是外界物理量的大小与其所引起的光的特性变化两者之间的

8、关系。另外，必须指出的是，在实用的光纤传感器中，外部物理量对光的特性的调制作用所引起变化的光参数，可能是一个也有可能同时是几个。此外，几乎所有的用于光纤传感器中的光敏器件只能探测光的强度，而光的其他性能如偏振态、频率、相位等的改变，必须通过适当的手段变换成光强度的变化之后才可以被光敏器件所探测。光纤是用石英玻璃做为主要原料的一种透明度很高的介质材料，用作通信和传感器的光纤，直径一般只有100多微米粗