第9章 光纤传感器

9.1 光纤传感器的原理结构及种类 9.1.1 光纤传感器的原理 9.1.2 光纤的结构 9.1.1 光纤传感器的原理 光纤传感系统的基本原理是：光纤中光波参数（如光强、频率、波长、相位以及偏振态等）随外界被测参数的变化而变化，所以，可通过检测光纤中光波参数的变化以达到检测外界被测物理量的目的。 9.1.2 光纤的结构 图9.1 光纤传感器构成示意图 光纤是一种传输光信息的导光纤维，主要由高强度石英玻璃、常规玻璃和塑料制成。 图9.2 光纤的基本结构 第9章 光纤传感器

9.1.3 光纤的种类 光纤按纤芯和包层材料性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两大类；按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型两种。 9.1.3 光纤的种类 光纤按纤芯和包层材料性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两大类；按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型两种。 1．阶跃型光纤（折射率固定不变） 2．梯度型光纤（纤芯折射率近似呈平方分布） 图9.3 光纤的种类和光传播形式 第9章 光纤传感器

9.2 光的传输原理 9.2.1 光的全反射定律 光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。 图9.4 光线在临界面上发生的内反射示意图 9.2.1 光的全反射定律 光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。 图9.4 光线在临界面上发生的内反射示意图 第9章 光纤传感器

9.2.2 光纤的传光原理 只有在光纤端面一定入射角范围内的光线才能在光纤内部产生全反射而传播出去。能产生全反射的最大入射角可以通过临界角定义求得。 光纤的数值孔径（NA） 数值孔径是衡量光纤集光性能的一个主要参数，它决定了能被传播的光束的半孔径角的最大值qc，反映了光纤的集光能力。石英光纤的NA=0.2～0.4。 图9.5 阶跃型多模光纤中子午光线的传播 第9章 光纤传感器

9.3 光导纤维传感器的类型 9.3.1 光纤传感器的分类 9.3.2 功能型和非功能型光纤传感器 1．按测量对象分类 9.3.1 光纤传感器的分类 1．按测量对象分类 2．按光纤中光波调制的原理分类 3．按光纤在传感器中的作用分类 9.3.2 功能型和非功能型光纤传感器 1．功能型光纤传感器 功能型光纤传感器主要使用单模光纤，它是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤，构成“传”和“感”合为一体的传感器。 图9.6 功能型光纤传感器的原理结构图 第9章 光纤传感器

图9.8 非功能型光纤“敏感元件+ 发光元件”组合体原理结构图 2．非功能型光纤传感器 在非功能型光纤传感器中，光纤不是敏感元件，它只起到传递信号的作用。传感器信号的感受是利用光纤的端面或在两根光纤中间放置光学材料、机械式或光学式的敏感元件，感受被测物理量的变化。 9.3.3 光纤传感器的主要部件 1．光源 2．耦合器 3．探测器 4．连接器 图9.7 非功能型光纤传感器敏 感元件在中间原理结构图 图9.8 非功能型光纤“敏感元件+ 发光元件”组合体原理结构图 第9章 光纤传感器

9.4 功能型光纤传感器 9.4.1 相位调制型光纤传感器 1．相位调制的原理 9.4.1 相位调制型光纤传感器 1．相位调制的原理 由普通物理学知道，在一段长为L的单模光纤（纤芯折射率n1）中，波长为l的输出光相对于输入端来说，其相位角f为 当光纤受到外界物理量的作用时，则光波的相位角变化为 这样，就可以应用光的相位检测技术测量出温度、压力、加速度、电流等物理量。 干涉测量仪的基本原理：光源的输出光都被分束器（棱镜或低损耗光纤耦合器）分成光功率相等的两束光（也有的分成几束光），并分别耦合到两根或几根光纤中去。在光纤的输出端再将这些分离光束汇合起来，输到一个光电探测器，这样在干涉仪中就可以检测出相位调制信号。因此，相位调制型光纤传感器实际上为一光纤干涉仪，故又称为干涉型光纤传感器。 第9章 光纤传感器

若传感光纤受物理量的作用，则光纤的长度、直径和折射率将会发生变化，将会引起传播光的相位角也发生变化。 2．应用举例 若传感光纤受物理量的作用，则光纤的长度、直径和折射率将会发生变化，将会引起传播光的相位角也发生变化。 如果在传感光纤和参考光纤的汇合端放置一个光电探测器，就可以将合成光强的强弱变化转换成电信号大小的变化，如图9.10所示。 图9.9 测量压力或温度的相位调制型光纤传感器原理图 图9.10 输出光电流与光相位变化的关系 第9章 光纤传感器

9.4.2 光强调制型光纤传感器 光强调制型光纤传感器的工作原理是利用外界因素改变光纤中光的强度，通过检测光纤中光强的变化来测量外界的被测参数，即强度调制。 1．微弯损耗光强调制 图9.11 微弯损耗光强调制器及其传感器 第9章 光纤传感器

临界角光纤传感器也是一种光强调制型传感器。临界角jc由纤芯折射率n1和光纤端部介质的折射率n3决定， 2．临界角光纤压力传感器 临界角光纤传感器也是一种光强调制型传感器。临界角jc由纤芯折射率n1和光纤端部介质的折射率n3决定， 当被测介质压力（或温度）变化时，将使纤芯的折射率n1和介质的折射率n3发生不同程度的变化，引起临界角发生改变，返回纤芯的反射光强度也随之发生变化。基于这一原理，有可能设计出一种微小探针型压力传感器。 图9.13 临界角光强调制型光纤传感器 第9章 光纤传感器

9.5 非功能型光纤传感器 9.5.1 遮断光路的光强调制型光纤传感器 非功能型光纤传感器主要是光强调制型。按照敏感元件对光强调制的原理，又可以分为传输光强调制型和反射光强调制型。 9.5.1 遮断光路的光强调制型光纤传感器 图9.14 用于油库的双金属片光纤温度传感器 第9章 光纤传感器

9.5.2 改变光纤相对位置的光强调制型光纤传感器 受抑全内反射光纤压力传感器是利用改变光纤轴向相对位置对光强进行调制的一个典型例子。 9.5.2 改变光纤相对位置的光强调制型光纤传感器 受抑全内反射光纤压力传感器是利用改变光纤轴向相对位置对光强进行调制的一个典型例子。 图9.16 受抑全内反射光纤压力传感器原理图 图9.17 透射光强与光纤间隙距离的关系 图9.18 受抑全内反射光纤压力传感器 第9章 光纤传感器

9.6 光纤传感器的应用 9.6.1 光纤微位移测量传感器 图9.19所示为测量微位移的Y形光纤传感器的原理示意图，其中一根光纤表示传输入射光线，另一根表示传输反射光线。传感器与被测物的反射面的距离在0～4.0mm之间变化时，可以通过测量显示电路将距离显示出来，测量显示电路如图9.20所示。 图9.19 Y形光纤微位移传感器原理示意图 第9章 光纤传感器

图9.20 光纤微位移传感器测量位移 第9章 光纤传感器

9.6.2 光纤流量传感器 用一个小型光电探测器接收斑图中的亮区，便可接收到光纤振动的信号，经过频谱仪分析便可检测出振动频率，由此可计算出液体的流速及流量。 图9.21 光纤流量传感器原理图 第9章 光纤传感器

9.6.3 光纤图像传感器 1．工业用内窥镜 图9.22 工业用内窥镜原理图 图9.23 微机控制的工业内窥镜 第9章 光纤传感器

2．医用内窥镜 医用内窥镜由末端的物镜、光纤图像导管、顶端的目镜和控制手柄组成。照明光经照明导光管，再穿过图像导管外层光纤照射到被观察物体上，反射光由物镜成像后，通过光纤图像导管，把被观察物的像素送到目镜后输出。 图9.24 医用内窥镜示意图 第9章 光纤传感器

小 结 光纤传感器是将光源入射的光束经由光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化而成为被调制的信号光，再经光纤送入光敏器件、解调器而获得被测参数。光纤传感器分为两类：一类是利用光纤本身具有的某种敏感功能的FF型，简称功能型传感器；另一类是光纤仅起传输光的作用，必须在光纤端面加装其他敏感元件才能构成传感器的NFF型，简称非功能型传感器。 功能型光纤传感器主要使用单模光纤，此时光纤不仅起传光作用，而且还是敏感元件。功能型光纤传感器分为相位调制型、光强调制型和偏振态调制型三种类型。 非功能型光纤传感器中光纤不是敏感元件，它是利用在光纤的端面或在两根光纤中间放置光学材料、机械式或光学式的敏感元件，感受被测物理量的变化，使透射光或反射光强度随之发生变化。非功能型光纤传感器分为传输光强调制型和反射光强调制型两类。 返回目录 第9章 光纤传感器