第12章   光纤传感器 光导纤维(光纤)受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等环境条件变化，将引起其传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。 光纤传感技术就是将温度、压力、电场、磁场的变化转化为光波量的变化的技术。光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。 光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术，光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。与其它传感器相比较， 光纤传感器有如下特点： 不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火； 可根据需要做成各种形状，可以弯曲； 可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。

玻璃光纤 塑料光纤 石英光纤 第12章 光纤传感器 （1）光纤的结构和传输原理 ①光纤结构： 基本采用石英玻璃， 有不同掺杂，主要 第12章   光纤传感器 （1）光纤的结构和传输原理 ①光纤结构： 保护套 基本采用石英玻璃， 有不同掺杂，主要 由三部分组成 中心——纤芯； 外层——包层； 护套——尼龙料。 性质 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质， 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2（N1＞N2）。 纤芯 包层

（1）光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 第12章   光纤传感器 （1）光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角 度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光线全部反射。 只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。

第12章   光纤传感器 为保证全反射，必须满足全反射条件（即θ＜θc）实现全反射的临界入射角为： 空气中 可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（N1、N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。

（2）光纤的性能（几个重要参数） ①数值孔径（NA） 第12章   光纤传感器 （2）光纤的性能（几个重要参数） ①数值孔径（NA） 临界入射角θc的正弦函数定义为光纤的数值孔径. 空气中：

第12章   光纤传感器 NA意义讨论： NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2θc张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。 一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。 产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA，石英光纤的数值孔径一般为：

（2）光纤的性能（几个重要参数） ②光纤模式（V） 第12章   光纤传感器 （2）光纤的性能（几个重要参数） ②光纤模式（V） 光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同。 模式值定义为： 式中： α为纤芯半径； 为入射波长。

第12章   光纤传感器 ②光纤模式

第12章   光纤传感器 模式讨论： 模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号，导致合成信号畸变。 模式值V小，就是α值小，即纤芯直径小，只能传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。 除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。

（2）光纤的性能（几个重要参数） ③传播损耗（A） 第12章   光纤传感器 （2）光纤的性能（几个重要参数） ③传播损耗（A） 光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲 处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗。 用衰减率A表示： I1、I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传输1Km后，光强下降到入射时的1/10。

第12章 光纤传感器 (3) 光纤传感器的基本测量原理 第12章   光纤传感器 (3) 光纤传感器的基本测量原理  (1) 物性型光纤传感器原理       物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。       

 (1) 物性型光纤传感器原理 激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数（温度、压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。

(2) 结构型光纤传感器原理 结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。 图2 结构型光纤传感器工作原理示意图

用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。 (3) 拾光型光纤传感器原理 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。 图3 拾光型光纤传感器工作原理示意图

第12章   光纤传感器 (4) 光纤传感器组成 光源：要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定 相干光：半导体激光器等 非相干光：发光二极管、白织灯等 探测器（光电探测器是光电检测中不可缺少的器件，把光信号转变为电信号）：灵敏度好、响应快、线性好 光电二极管、光电倍增管 光敏电阻、光电池 光纤

(4) 光纤传感器分类 功能型光纤传感器（Function Fiber Optic Sensor)，又称FF型光纤传感器） 光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件 更高的灵敏度 调整困难 非功能型光纤传感器（Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器） 光纤仅起传光作用 灵敏度、测量精度较低 有一种传感探针型光纤传感器

最小检测磁场强度8×10-5A/m-2(1～10kHz) 电压1～1000V电场强度0.1～1kV/cm(精度1%) 被 测 物 理 量 测量 方式 光的 调制 光 学 现 象 材      料 特 性 性 能 电   流 磁   场 FF 偏振 法拉第效应 石英系玻璃 铅系玻璃 电流50～1200A (精度0.24%) 磁场强度0.8～4800A/m(精度2%) 相位 磁致伸缩效应 镍 68碳莫合金 最小检测磁场强度8×10-5A/m-2(1～10kHz) NF YIG系强磁体FR-5铅玻璃 磁场强度0.08～160A/m (精度0.5%) 电   压 电   场 Pockels效应 亚硝基苯胺 - 电致伸缩效应 陶瓷振子 压电元件 LiNbO3,LiTaO3Bi12SiO20 电压1～1000V电场强度0.1～1kV/cm(精度1%) 温   度 干涉现象 温度变化量17条/(℃·m) 光强 红外线透过 SiO2,CaF2,ZrF2 温度250～12℃ (精度1%) 双折射变化 温度30～1200℃ 开口数 折射率变化 断路 双金属片弯曲 双金属片 温度10～50℃(精度0.5℃) 磁性变化 铁氧体 开(57℃)～关(53℃) 水银的上升 水  银 40℃时精度0.5℃ 透射率 禁带宽度变化 GaAs、CdTe半导体 温度0～80℃ 透射率变化 石  蜡 开(63℃)～关(52℃) 荧光辐射 (Gd0.99Eu0.01)2O2S -50～300℃(精度0.1℃)

被 测 物 理 量 测量 方式 光的 调制 光 学 现 象 材      料 特 性 性 能 速   度 FF 频率 多普勒效应 石英系玻璃 流速10-4～103m/s NF 断路 风标的旋转 旋转圆盘 风速60m/s 振   动 压   力 音   响 最小振辐0.4μm/(120Hz) 相位 干涉现象 压力154kPa·m/条 光强 微小弯曲损失 薄膜+膜条 压力0.9×10-2Pa以上 散射损失 C45H78O2+VL2255N 压力0～40kPa 双波长透射率变化 振  子 振幅0.05～500μm(精度1%) 反射角变化 薄   膜 血压测量误差2.6×103Pa 射   线 生成着色中心 石英系玻璃铅系玻璃 辐照量0.01～1Mrad 图   像 光纤束成像 长数米 多波长传输 非线性光学 非线性光学元件 光的聚焦 多成分玻璃

（5）光纤传感器的基本结构 被 测 对 象 敏感元件 被 测 对 象 被 测 对 象 被 测 对 象 敏感元件

（6）光纤传感器的应用

第12章   光纤传感器 光纤温度传感器 利用半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。 敏感元件是一个半导体光吸收器，光纤用来传输信 号。当光源的光强度经光纤达到半导体薄片时，透 过薄片的光强受温度的调制温度T升高，材料吸收光 波长向长波移动，半导体薄片透过的光强度变化。

第12章   光纤传感器 反射式光纤位移传感器 利用光纤实现无接触位移测量。光源经一束多 股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体 上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤 传送到光敏元件上。 被测物体与光纤间 距离变化，反射到 接受光纤上，光通 量发生变化。再通 过光电传感器检测 出距离的变化。

温度（压力）光纤传感器 外界参数（温度、压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。