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1、第二讲第二讲 光纤传感器介绍光纤传感器介绍光纤干涉测量技术光纤干涉测量技术l2023/1/18l1光纤传感器的发展光纤传感器的发展l20世纪世纪60年代，年代，激光激光使得利用使得利用光的各种属性（干涉、衍射、偏光的各种属性（干涉、衍射、偏振、反射、吸收和发光等）的光振、反射、吸收和发光等）的光检测技术，作为检测技术，作为非接触非接触、高速度高速度、高精确度高精确度的检测手段获得了飞速的检测手段获得了飞速的发展。的发展。l20世纪世纪70年代，由于年代，由于光纤不但具光纤不但具有良好的传光特性有良好的传光特性，而且其本身而且其本身就可用来进行信息传递，无需任就可用来进行信息传递，无需任何中间媒
2、体就能把测量值与光纤何中间媒体就能把测量值与光纤内的光特性变化联系起来，内的光特性变化联系起来，因此，因此，在在20世纪世纪80年代光纤传感器就已年代光纤传感器就已显示出广阔的应用前景。显示出广阔的应用前景。氙闪光灯聚光器触发电极激光束红宝石棒Al 2O3l2023/1/18l2l但是在当时，光纤传感器真正投入实际应用的却不多，这但是在当时，光纤传感器真正投入实际应用的却不多，这主要是因为与传统的传感技术相比，光纤传感器的优势是主要是因为与传统的传感技术相比，光纤传感器的优势是本身的本身的物性特性物性特性而不是而不是功能特性功能特性。l因此，光纤传感技术的重要应用之一是利用因此，光纤传感技术的
3、重要应用之一是利用光纤质轻、径光纤质轻、径细、强抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小，集信细、强抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小，集信息传感与传输于一体等特点息传感与传输于一体等特点，解决常规检测技术难以完全，解决常规检测技术难以完全胜任的测量问题。胜任的测量问题。光纤传感器的发展光纤传感器的发展l2023/1/18l3l20世纪世纪90年代后期，光通信带动下的光子产业取年代后期，光通信带动下的光子产业取得了巨大的成功，得了巨大的成功，光纤传感器光纤传感器呈产业化发展，在呈产业化发展，在国际上形成了许多国际上形成了许多应用领域应用领域，即，即医学和生物、电医学和生物、电力工业、化学和环
4、境、军事和职能结构、石油行力工业、化学和环境、军事和职能结构、石油行业、汽车行业、船舶、航空航天等领域业、汽车行业、船舶、航空航天等领域。光纤传感器的发展光纤传感器的发展l2023/1/18l4l传感器传感器（Sensor，Transducer）是完成信息获）是完成信息获取（检测）、传输和转换的器件。取（检测）、传输和转换的器件。光纤传感器光纤传感器（Optical Fiber Sensor）则是）则是以光纤作为功能以光纤作为功能材料材料的传感器。的传感器。光纤传感器的发展光纤传感器的发展微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器光纤温度传感器光纤温度传感器光纤温
5、度传感器光纤温度传感器l2023/1/18l5图图a 经典测量系统结构经典测量系统结构图图b 光纤测量系统结构光纤测量系统结构l经典的传感器完成的经典的传感器完成的是是从非电量到电量从非电量到电量的的转换。转换。l光纤传感器完成的是光纤传感器完成的是从从非光量到光量非光量到光量的转的转换。换。l它们的区别是，光纤它们的区别是，光纤传感器以传感器以光作感知信光作感知信息的载体息的载体，而不是电；，而不是电；用光纤传送信息用光纤传送信息，而，而不是导线。不是导线。光纤传感器与经典传感器的区别光纤传感器与经典传感器的区别l2023/1/18l6 光纤传感器光纤传感器(FOS Fiber Optica
6、l Sensor)(FOS Fiber Optical Sensor)是是2020世纪世纪7070年代中期年代中期发展起来的一种基于发展起来的一种基于光导纤维光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器光纤传感器用光作为敏感信息的载体用光作为敏感信息的载体，用光纤作为，用光纤作为传递敏感信传递敏感信息的媒质息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。电绝缘性能好。电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。
7、非侵入性。非侵入性。高灵敏度。高灵敏度。容易实现对被测信号的远距离监控。容易实现对被测信号的远距离监控。光光纤纤传传感感器器可可测测量量位位移移、速速度度、加加速速度度、液液位位、应应变变、压压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量什么是光纤传感器？什么是光纤传感器？l2023/1/18l7光纤传感器的基本原理光纤传感器的基本原理l光纤传感器的基本原理：光导纤维不仅可以作为光波的光纤传感器的基本原理：光导纤维不仅可以作为光波的传播介质，而且光波在光纤中传播时传播介质，而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参表征光波的特征参量量（振幅、相位、偏
8、振态、波长等）（振幅、相位、偏振态、波长等）因因外界因素外界因素（如温如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等度、压力、磁场、电场、位移、转动等）的作用而间接的作用而间接或直接地发生变化或直接地发生变化，从而可，从而可将光纤用作传感元件来探测将光纤用作传感元件来探测各种物理量各种物理量。l2023/1/18l8光纤的基本知识光纤的基本知识l1966年，年，英籍华裔学者高锟英籍华裔学者高锟（Charles K.Kao）发表）发表了关于传输介质新概念的论文了关于传输介质新概念的论文光频率介质纤维表面波光频率介质纤维表面波导导，指出了利用光纤（，指出了利用光纤（Optical Fiber）进行信息传输
9、）进行信息传输的可能性和技术途径，并指明通过的可能性和技术途径，并指明通过“原材料提纯制造出原材料提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向，这一发展方向，他奠定了现代光通信他奠定了现代光通信光纤通信的基础。光纤通信的基础。l2023/1/18l9光纤的基本知识光纤的基本知识l光纤是一种传输光信息的导光纤维，主要由高强度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石英玻璃、常规玻璃常规玻璃和和塑料塑料制成。制成。l 光纤由光纤由纤芯纤芯、包层包层、护套护套组成。组成。l光主要在纤芯中传输，光纤的导光能力光主要在纤芯中传输，光纤的导光能力主要
10、取决于纤芯和包层的折射率，纤芯的主要取决于纤芯和包层的折射率，纤芯的折射率折射率n1稍大于包层的折射率稍大于包层的折射率n2，典型，典型数值是数值是n1=1.461.51，n2=1.441.50.n2n1纤芯纤芯包层包层纤纤 芯芯包包 层层涂敷层涂敷层护护 套套l2023/1/18l10光纤的基本知识光纤的基本知识l850nm窗口，典型的衰减值为窗口，典型的衰减值为2dB/km；l1300nm窗口，典型的衰减值为窗口，典型的衰减值为0.4dB/km；l1550nm窗口，具有最低的衰减，典型值为窗口，具有最低的衰减，典型值为0.2dB/km。l2023/1/18l11光纤传感器的分类光纤传感器的
11、分类按功能分按功能分根据根据光纤在传感器中的作用光纤在传感器中的作用，光纤传感器分为，光纤传感器分为功能型功能型、非功能型非功能型和和拾光型拾光型三大类三大类1 1）功能型（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器 利利用用对对外外界界信信息息具具有有敏敏感感能能力力和和检检测测能能力力的的光光纤纤(或或特特殊殊光光纤纤)作作传传感元件，将感元件，将“传传”和和“感感”合为一体合为一体的传感器。的传感器。光光纤纤不不仅仅起起传传光光作作用用，而而且且还还利利用用光光纤纤在在外外界界因因素素(弯弯曲曲、相相变变)的的作作用用下下，其其光光学学特特性性(光光强强、相相位位、偏偏振振态态等
12、等)的的变变化化来来实实现现“传传”和和“感感”的功能。的功能。因因此此，传传感感器器中中光光纤纤是是连连续续的的。由由于于光光纤纤连连续续，增增加加其其长长度度，可可提提高灵敏度。高灵敏度。信号处理信号处理光受信器光受信器光纤敏感元件光纤敏感元件光发送器光发送器l2023/1/18l12光纤传感器的分类光纤传感器的分类2 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器）非功能型（或称传光型）光纤传感器 光光纤纤仅仅起起导导光光作作用用，只只“传传”不不“感感”，对对外外界界信信息息的的“感感觉觉”功功能能依靠其他物理性质的功能元件完成。依靠其他物理性质的功能元件完成。光光纤纤不不连连续续。此此类类光光
13、纤纤传传感感器器无无需需特特殊殊光光纤纤及及其其他他特特殊殊技技术术，比比较较容容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。信号处理信号处理光受信器光受信器敏感元件敏感元件光发送器光发送器光纤光纤l以多模光导纤维来传输以多模光导纤维来传输光信号，根据光接受强光信号，根据光接受强度不同进行测量，而对度不同进行测量，而对被测参数起检测作用的被测参数起检测作用的是其他敏感元件。是其他敏感元件。l这种传感器多用于工业检测这种传感器多用于工业检测液位、压力、形变、温度、液位、压力、形变、温度、流速、电流、磁场等。流速、电流
14、、磁场等。l它的优点是性能稳定可靠，它的优点是性能稳定可靠，结构简单，造价低廉结构简单，造价低廉.l缺点是灵敏度低。缺点是灵敏度低。3 3）拾光型光纤传感器）拾光型光纤传感器 用用光光纤纤作作为为探探头头，接接收收由由被被测测对对象象辐辐射射的的光光或或被被其其反反射射、散散射射的的光光。其其典典型型例例子子如如光光纤纤激激光光多多普普勒勒速速度度计计、辐射式光纤温度传感器等。辐射式光纤温度传感器等。信号信号处理处理光受光受信器信器光发送器光发送器光纤光纤耦合器耦合器被测对象被测对象 传感型与传光性光纤传感器都可传感型与传光性光纤传感器都可再分成再分成光强调制光强调制、相位调制相位调制、偏振态
15、偏振态调制调制以及以及波长调制波长调制等几种形式。等几种形式。l2023/1/18l13光纤传感技术的分类光纤传感技术的分类按调制方式分按调制方式分强度调制型强度调制型偏振调制型偏振调制型相位调制型相位调制型波长调制型波长调制型l2023/1/18l14光纤传感器的分类光纤传感器的分类强度调制型强度调制型强度调制型光纤传感器：强度调制型光纤传感器：是是一一种种利利用用被被测测对对象象的的变变化化引引起起敏敏感感元元件件的的折折射射率率、吸吸收收或或反反射射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有有利利用用光光纤纤的的微微弯弯
16、损损耗耗；各各物物质质的的吸吸收收特特性性；振振动动膜膜或或液液晶晶的的反反射射光光强强度度的的变变化化；物物质质因因各各种种粒粒子子射射线线或或化化学学、机机械械的的激激励励而而发发光光的的现现象象；以以及及物物质质的的荧荧光光辐辐射射或或光光路路的的遮遮断断等等来来构构成成压压力力、振振动动、温温度度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点优点：结构简单、容易实现，成本低。：结构简单、容易实现，成本低。缺点缺点：受光源强度波动和连接器：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大损耗变化等影响较大l2023/1/18l15类型类型方方 式式主要应用主要
17、应用强度强度调制调制安装斩波器、光开关、调制安装斩波器、光开关、调制辐射式温度传感器辐射式温度传感器安装光楔、光栅、动闸安装光楔、光栅、动闸位移、压力、流量传感器位移、压力、流量传感器发光或受光纤自调制发光或受光纤自调制振动、频率、重量传感器振动、频率、重量传感器反射式强度调制反射式强度调制微位移、液位传感器微位移、液位传感器光纤微弯扰式模式调制光纤微弯扰式模式调制压力传感器压力传感器液体折射率变化进行调制液体折射率变化进行调制浓度、折射率传感器浓度、折射率传感器光纤吸收特性进行调制光纤吸收特性进行调制x、射线传感器射线传感器比较光纤出射模斑的强度调制比较光纤出射模斑的强度调制流量传感器流量传
18、感器利用数字编码技术进行强度调制利用数字编码技术进行强度调制转动、转速传感器转动、转速传感器利用电压式表面声波衍射进行强度调制利用电压式表面声波衍射进行强度调制光开关光开关光纤传感器的分类光纤传感器的分类强度调制型强度调制型l2023/1/18l16光强度调制型光纤传感器光强度调制型光纤传感器光纤压力传感器光纤压力传感器l在压力作用下光纤产生微弯在压力作用下光纤产生微弯变形导致光强度变化，从而变形导致光强度变化，从而引起光纤传输损耗的改变，引起光纤传输损耗的改变，并由吸收、发射或折射率变并由吸收、发射或折射率变化来调制发射光，可制成微化来调制发射光，可制成微弯效应的光纤压力传感器弯效应的光纤压
19、力传感器。l由于齿板的作用，在沿光纤光轴的垂直方向上加有由于齿板的作用，在沿光纤光轴的垂直方向上加有压力时，光纤产生微弯变形，光波导方式改变，传压力时，光纤产生微弯变形，光波导方式改变，传输损耗增加。输损耗增加。l这种传感器具有较高的灵敏度。这种传感器具有较高的灵敏度。l2023/1/18l17光纤传感器的分类光纤传感器的分类偏振调制型偏振调制型偏振调制型光纤传感器：偏振调制型光纤传感器：是一种是一种利用光偏振态变化利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。来传递被测对象信息的传感器。有有利利用用光光在在磁磁场场中中媒媒质质内内传传播播的的法法拉拉第第效效应应做做成成的的电电流流、磁磁场场传
20、传感感器器；利利用用光光在在电电场场中中的的压压电电晶晶体体内内传传播播的的普普克克尔尔效效应应做做成成的的电电场场、电电压压传传感感器器；利利用用物物质质的的光光弹弹效效应应构构成成的的压压力力、振振动动或或声声传传感感器器；以以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。优点优点：这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。：这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。类型类型方方 式式主要应用主要应用偏振态调制偏振态调制Faraday效应（磁光效应）效应（磁光效应）电流、电压、磁场传感器电流、电压、磁场传感器克尔电光
21、效应克尔电光效应光电效应光电效应l2023/1/18l18 在干涉和衍射里，光波的振动是以在干涉和衍射里，光波的振动是以标量标量形式来处理形式来处理的的，即即未考虑振动未考虑振动的方向，只研究光振动的大小和强度分布。而研究光的偏振现象，光波的方向，只研究光振动的大小和强度分布。而研究光的偏振现象，光波必须用必须用矢量矢量来描述。来描述。光除了有干涉和衍射现象外还有偏振现象光除了有干涉和衍射现象外还有偏振现象电电磁磁波波的的振振动动方方式式 Maxwell Maxwell电磁波理论和实验表明，光波是电磁波理论和实验表明，光波是横波横波。光的偏振现象光的偏振现象l2023/1/18l19法拉第效应
22、法拉第效应 许多物质在磁场的作用下可以使穿过它的平面偏振光的偏许多物质在磁场的作用下可以使穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转，这种现象称为振方向旋转，这种现象称为磁致旋光效应磁致旋光效应或或法拉第效应法拉第效应。播播传传方方向向振振动动面面线偏振光线偏振光l2023/1/18l20偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器 光纤电流传感器光纤电流传感器l单模光导纤维的偏振特性极易单模光导纤维的偏振特性极易受到外界各种物理量的影响，受到外界各种物理量的影响，如在高电场下的克尔效应和在如在高电场下的克尔效应和在强磁场下的法拉第效应，利用强磁场下的法拉第效应，利用这一原理可制成大电流、高电这一原理可制成
23、大电流、高电压测试传感器压测试传感器。（1）容易安装，不用断开导线，仅将细长、柔软的绝缘光纤卷绕在导体）容易安装，不用断开导线，仅将细长、柔软的绝缘光纤卷绕在导体上就可检测电流，能实现整个传感装置的小与轻量化；上就可检测电流，能实现整个传感装置的小与轻量化；（2）无电磁噪音的干扰。）无电磁噪音的干扰。（3）计测范围广，没有铁心磁饱和的制约，同时，法拉第效应的响应速）计测范围广，没有铁心磁饱和的制约，同时，法拉第效应的响应速度快，具有从低频到高频、到大电流的广阔测量范闱；度快，具有从低频到高频、到大电流的广阔测量范闱；（4）因为信号通过光纤传输。波形畸变小。传输损耗小，故可实现长距）因为信号通过
24、光纤传输。波形畸变小。传输损耗小，故可实现长距离的信号传输。离的信号传输。l21类型类型方方 式式主要应用主要应用相位调制相位调制Sagnac光纤干涉仪光纤干涉仪微位移、粗糙度测量微位移、粗糙度测量F-P光纤干涉仪光纤干涉仪光洁度、加速度、速度测量光洁度、加速度、速度测量Michelson光纤干涉仪光纤干涉仪角度等传感器角度等传感器光纤传感器的分类光纤传感器的分类相位调制型相位调制型相位调制型光纤传感器：相位调制型光纤传感器：是是利利用用被被测测对对象象对对敏敏感感元元件件的的作作用用，使使敏敏感感元元件件的的折折射射率率或或传传播播常常数数发发生生变变化化，而而导导致致光光的的相相位位变变化
25、化，使使两两束束单单色色光光所所产产生生的的干干涉涉条条纹纹发发生生变变化化，通通过过检检测测干干涉涉条条纹纹的的变变化化量量来来确确定定光光的的相相位位变变化化量量，从从而得到被测对象的信息。而得到被测对象的信息。通通常常有有利利用用光光弹弹效效应应的的声声、压压力力或或振振动动传传感感器器；利利用用磁磁致致伸伸缩缩效效应应的的电电流流、磁磁场场传传感感器器；利利用用电电致致伸伸缩缩的的电电场场、电电压压传传感感器器以以及及利利用用光纤赛格纳克（光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。优优点点：这这类类传传感感器器的的灵灵敏敏度
26、度很很高高。但但由由于于须须用用特特殊殊光光纤纤及及高高精精度度检检测测系统，因此成本高。系统，因此成本高。l2023/1/18l22相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器 光纤温度传感器光纤温度传感器l用单模光导纤维构成干涉仪，用单模光导纤维构成干涉仪，外界各种物理量的影响因素外界各种物理量的影响因素能导致光导纤维中光程的变能导致光导纤维中光程的变化，从而引起干涉条纹的变化，从而引起干涉条纹的变动动。l这种传感器的这种传感器的优点优点是有极高的灵敏是有极高的灵敏度，主要用于光纤陀螺、光纤水听度，主要用于光纤陀螺、光纤水听器、动态压力和应变测量、机械振器、动态压力和应变测量、机械振动测量等方
27、面动测量等方面。l激光器的点光源光束扩散激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界温度一为测量光路。外界温度（或压力、振动等）引起（或压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。可测量温度或压力等。l2023/1/18l23类型类型方方 式式主要应用主要应用波长波长调制调制利用热色物质的颜色变化进行波长调制利用热色物质的颜色变化进行波长调制p
28、H值测量、温度测量值测量、温度测量利用荧光光谱变化进行波长调制利用荧光光谱变化进行波长调制温度测量温度测量利用黑体辐射进行波长调制利用黑体辐射进行波长调制温度测量温度测量利用滤光器参数变化进行波长调制利用滤光器参数变化进行波长调制气体浓度传感器气体浓度传感器利用棱镜光栅进行波长调制利用棱镜光栅进行波长调制位移分色计位移分色计利用被测物自身吸收特性进行波长调制利用被测物自身吸收特性进行波长调制气体成分传感器气体成分传感器光纤传感器的分类光纤传感器的分类波长调制型波长调制型 波长调制光纤传感器波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性随外界物理量主要是利用传感探头的光频谱特性随外界物理量变化
29、的性质来实现的。此类传感器多为非功能型传感器。变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能型传感器。l2023/1/18l24光纤传感技术的分类光纤传感技术的分类按光学现象分按光学现象分干涉型干涉型非干涉型非干涉型分布式传感器分布式传感器Bragg传感器传感器l2023/1/18l25类型类型被测量被测量光学现象光学现象检测对象检测对象光纤类型光纤类型干干涉涉型型Michelson干涉仪干涉仪速度、振动、位移速度、振动、位移多普勒效应多普勒效应频率频率多模梯度光纤多模梯度光纤振动、位移振动、位移多次反射多次反射干涉干涉单模光纤单模光纤温度温度热膨胀热膨胀相位相位Mach-Zehnder干涉仪干涉仪
30、声压声压声光效应声光效应相位相位（干涉）（干涉）单模光纤单模光纤变形、振动、加速度变形、振动、加速度光弹性效应光弹性效应温度温度热膨胀热膨胀电流、磁场电流、磁场磁致伸缩效应磁致伸缩效应电流电流热膨胀热膨胀电压电压电致伸缩效应电致伸缩效应位移、应变位移、应变多次反射多次反射Sagnac干涉仪干涉仪旋转速度旋转速度Sagnac效应效应相位相位（干涉）（干涉）保偏光纤保偏光纤电流、磁场电流、磁场Faraday效应效应光纤传感技术的分类光纤传感技术的分类l2023/1/18l26类型类型被测量被测量光学现象光学现象检测对象检测对象光纤类型光纤类型非干涉型非干涉型电压电压电光效应电光效应偏振偏振单模光纤
31、单模光纤电流、磁场电流、磁场Faraday效应效应磁致伸缩效应磁致伸缩效应压力、变形压力、变形微弯曲损耗微弯曲损耗传输损耗传输损耗多模光纤多模光纤温度温度Plank定律定律辐射量辐射量大芯径光纤大芯径光纤位移位移三角反射三角反射光强光强多模光纤多模光纤浓度浓度折射率调制折射率调制折射率折射率多模光纤多模光纤分布式传感器分布式传感器温度、压力、位移、温度、压力、位移、浓度、含水率浓度、含水率吸收、散射吸收、散射时间时间频率频率单模光纤单模光纤多模光纤多模光纤保偏光纤保偏光纤Bragg传感器传感器温度、应力温度、应力调谐波长反射机理调谐波长反射机理干涉光栅干涉光栅掺杂光纤掺杂光纤光纤传感技术的分类
32、光纤传感技术的分类l2023/1/18l27分布式光纤传感技术的应用分布式光纤传感技术的应用l2023/1/18l28分布式光纤传感技术用于航空领域的多参量监测分布式光纤传感技术用于航空领域的多参量监测太空飞船太空飞船X-38X-38的再入式实验飞行器的再入式实验飞行器（NASANASA图片）图片）传感器布测区域传感器布测区域a.a.分布式温分布式温度传感方案度传感方案b.b.分布式应分布式应力传感方案力传感方案输出信号输出信号沿光纤传输光的沿光纤传输光的背向散射分量背向散射分量光纤温度传光纤温度传感元平面感元平面温度场分布温度场分布输入信号输入信号埋入光纤埋入光纤应力传感应力传感元元输入信输
33、入信号号输出信号输出信号光纤监测网光纤监测网损伤探测损伤探测l2023/1/18l29l灵敏度高灵敏度高原因：原因：光测量以光波长为计量单位光测量以光波长为计量单位。利用长光纤。利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。例如，相位变化于一般的传感器。例如，相位变化10-6rad用用现代手段可以检测到，则它对应的被测量位移现代手段可以检测到，则它对应的被测量位移的大小是（的大小是（10-310-4)nm。光纤传感器的优点光纤传感器的优点l2023/1/18l30l抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀，本质安全抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀，本质安
34、全理由：光纤传感器是利用光波传输信息，光纤的理由：光纤传感器是利用光波传输信息，光纤的主要材质是主要材质是SiO2，是电绝缘、耐腐蚀的传输介是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这使它在大型机电、石磁场，并且安全可靠。这使它在大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感。强腐蚀环境中能方便而有效地传感。光纤传感器的优点光纤传感器的优点l2023/1/18l31l重量轻、体积小，外形可变重量轻、体积小，外形可变原因：光纤除具有重量
35、轻、体积小的特点外，还有可挠的原因：光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可挠的优点，因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种优点，因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器。这有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。光纤传感器。这有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、速目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种物磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量的光纤传感器在现场实用。理量、化学量的光
36、纤传感器在现场实用。l测量对象广泛测量对象广泛光纤传感器的优点光纤传感器的优点l2023/1/18l32l对被测介质影响小对被测介质影响小这对于医药生物领域的应用极为有利。这对于医药生物领域的应用极为有利。有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络。有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络。l便于复用，便于成网便于复用，便于成网l成本低成本低有些种类的光纤传感器的成本将大大低于现有同类传感器。有些种类的光纤传感器的成本将大大低于现有同类传感器。光纤传感器的优点光纤传感器的优点l2023/1/18l33为何选择相位调制的干涉型光纤传感器？为何选择相位调制的干涉型光纤传感器？在这众多的调
37、制方法中，选择介绍在这众多的调制方法中，选择介绍相位调制相位调制，即干涉型的光纤传感器，主，即干涉型的光纤传感器，主要是因为这种测量具有要是因为这种测量具有极高的灵敏度和极高的灵敏度和很高的精度很高的精度。l2023/1/18l34P从历史上看，光干涉仪广泛应用于高分辨的从历史上看，光干涉仪广泛应用于高分辨的实验室测量装置。但是，实验室测量装置。但是，一般的光干涉仪是一般的光干涉仪是以自由空间作光路以自由空间作光路，因此造成以下缺点而限，因此造成以下缺点而限制了它的应用：制了它的应用：干涉仪体积大，易受空气、干涉仪体积大，易受空气、环境、温度、声波与振动的影响，使测量不环境、温度、声波与振动的
38、影响，使测量不稳定，准确度低，调整也较困难。稳定，准确度低，调整也较困难。干涉型光纤传感器的介绍干涉型光纤传感器的介绍一般光干涉仪的缺点一般光干涉仪的缺点l2023/1/18l35干涉型光纤传感器的介绍干涉型光纤传感器的介绍P干涉型光纤传感器干涉型光纤传感器以光纤作光路以光纤作光路，减少了干涉仪，减少了干涉仪器的长臂安装和校准的困难，容易实现小型化，器的长臂安装和校准的困难，容易实现小型化，并且易于用中长光纤的方法使干涉光路对环境参并且易于用中长光纤的方法使干涉光路对环境参数的响应灵敏度增加。数的响应灵敏度增加。P其结果其结果使传统的光学干涉仪从实验室走出来，成使传统的光学干涉仪从实验室走出来
39、，成为有高机械强度和精密灵活的生产现场实用的仪为有高机械强度和精密灵活的生产现场实用的仪表表。P因此因此相位调制相位调制是光纤传感器中是光纤传感器中最基本最基本的传感技术，的传感技术，最灵敏最灵敏，要求也较高要求也较高，可测量的最小相位变化为，可测量的最小相位变化为10-7rad。l2023/1/18l36干涉型光纤传感器的介绍干涉型光纤传感器的介绍l举例举例对于真空中的光波长对于真空中的光波长0=0.83m的光波，的光波，光程差：光程差：l这相当于这相当于一个原子核的大小一个原子核的大小。可见，高精度的长度。可见，高精度的长度检测要用检测要用相位调制相位调制。l2023/1/18l37l有很
40、高的检测灵敏度有很高的检测灵敏度例如：可对温度为例如：可对温度为10-6rad/(mC)、压力为、压力为10rad/(mPa)、应变为、应变为10-7、轴向为、轴向为11.4rad/(m)进行检测。进行检测。如果检测系统可以检测如果检测系统可以检测 rad(一般是这个数量级一般是这个数量级)的相位移，则的相位移，则每米光纤的检测灵敏度每米光纤的检测灵敏度可达到对温度为可达到对温度为10-8 C、对压力为、对压力为10-7Pa、对应变为、对应变为10-7。干涉型光纤传感器的特点干涉型光纤传感器的特点l动态测量范围大，可达动态测量范围大，可达1010。l探头形式多样，适用于不同的测试环境，探头形式
41、多样，适用于不同的测试环境，相应速度也快。相应速度也快。相位调制一般与干涉测量技术并用。相位调制一般与干涉测量技术并用。l2023/1/18l38相位调制干涉型光纤传感器的基本结构相位调制干涉型光纤传感器的基本结构采用极长的传感光纤，用以提高仪器的灵敏度。采用极长的传感光纤，用以提高仪器的灵敏度。l2023/1/18l39l利用利用外界因素引起的光纤中光波相位变化外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测来探测各种物理量的传感器，称为各种物理量的传感器，称为相位调制传感型相位调制传感型光纤光纤传感器。传感器。l相位调制光纤传感器相位调制光纤传感器主要通过被测能量场的作用主要通过被测能量场的作用使光
42、纤内传播的光波相位发生变化，再使光纤内传播的光波相位发生变化，再利用干涉利用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测，从而检测出待测的物理量。出待测的物理量。l光纤中光波的相位由光纤波导的光纤中光波的相位由光纤波导的物理长度物理长度、折射折射率及其分布率及其分布、波导横向几何尺寸波导横向几何尺寸所决定。所决定。相位调制机理相位调制机理l2023/1/18l40l一般在实际应用中，一般在实际应用中，应力应力、应变应变和和温度等温度等外界物外界物理量均能导致光波产生相位变化，实现光纤的相理量均能导致光波产生相位变化，实现光纤的相位调制。位调制。l由于目前所用的
43、由于目前所用的各类光探测器都无法直接测量各类光探测器都无法直接测量光光波的相位变化，而只能探测光的强度变化，因而波的相位变化，而只能探测光的强度变化，因而需要需要通过干涉技术将光波的相位变化转变为光强通过干涉技术将光波的相位变化转变为光强变化变化，实现对外界物理量的检测。，实现对外界物理量的检测。相位调制机理相位调制机理l2023/1/18l41迈克尔逊迈克尔逊(Michlson)(Michlson)干涉仪干涉仪实验室装置实验室装置l2023/1/18l42马赫马赫泽德泽德(Machzehnder)(Machzehnder)光纤干涉仪光纤干涉仪光纤光纤M-Z干涉仪：干涉仪：保证全光纤干涉仪的工
44、作点稳定是比较困难的。在零差检测保证全光纤干涉仪的工作点稳定是比较困难的。在零差检测方式中，需要保证两光纤臂间的正交状态。所以系统要求环境温方式中，需要保证两光纤臂间的正交状态。所以系统要求环境温差不能太大。差不能太大。l2023/1/18l43SagnacSagnac型光纤干涉仪型光纤干涉仪l干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上，且平台以角干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上，且平台以角速度速度转动时，根据赛格纳克效应，两束传播方向相反的光束到达光转动时，根据赛格纳克效应，两束传播方向相反的光束到达光探测器的延迟不同。探测器的延迟不同。l若平台以顺时针方向旋转，则顺时针方
45、向传播的光较逆时针方向传若平台以顺时针方向旋转，则顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光延迟。播的光延迟。l2023/1/18l44全光纤环形谐振腔构成的全光纤环形谐振腔构成的 法布里法布里珀罗光纤水听器珀罗光纤水听器 法布里法布里珀罗珀罗（Fabry-Perot：F-P）型光纤水听器属于）型光纤水听器属于多光束干涉，具有极多光束干涉，具有极高的光学相位灵敏度。高的光学相位灵敏度。干涉式光纤水听器干涉式光纤水听器的研究已经脱离了方案的研究已经脱离了方案论证阶段，正向阻碍其论证阶段，正向阻碍其实用化进程的各个关键实用化进程的各个关键性技术展开突破性技术展开突破 利用声波信号调制光束，进行声/光转换，实现水下声信号检测的器件。光纤水听器能工作于浅海和深海中，不仅可在潜艇和海底检测系统等军事上应用，也可在石油、天然气等资源勘探中应用。l2023/1/18l45光纤干涉式水听器的方案光纤干涉式水听器的方案光纤光栅水听器光纤光栅水听器SagnacSagnac型水听器型水听器MichelsonMichelson型水听器型水听器Mach-ZehnerMach-Zehner型水听器型水听器l2023/1/18l46