第 7 章光纤传感技术

第7章光纤传感技术 本章按光纤传感技术的调制方式分类，分别讲述强度调制、相位调制、波长调制、偏振调制和频率调制光纤传感技术的工作原理，并介绍一些相应的实用光纤传感器；

光纤的基础知识 • 光纤传感器工作的实质是通过光调制器，将一个携带着待测信息（被测对象）的信号叠加到载波光波上，经光纤传输后由光探测系统解调、经信号处理系统处理后检测出所需要的待测信号。 • 而光调制器能使光纤的传输参数或载波光波参数随待测信号的变化而改变。这些参数包括：光纤的折射率、传播常数、光波的强度（振幅）、位相、频率、偏振以及波长等。

1. 光纤波导的原理 当光线从较高折射率介质向较低折射率介质传播时，在界面处存在折射和反射. 如上图所示,光在折射率分别为n1和n2的分层介质中传播时,光束从介质1以较小的θ1角入射到介质界面上时,部分光进入介质2并产生折射,部分光被反射. 则由菲涅耳定律可知, n1>n2时,若逐渐增大θ1,进入介质2的折射光束逐渐趋向界面,直到θ2趋于90o 此时,进入介质2的光强显著减小并趋于零,而反射光强接近入射光强. 当θ2=90o极限值时,相应的θ1定义为临界角θc=arcsin(n2/n1). 当θ1> θc时,入射光线将产生全反射. 注意: 只有n1>n2时,在界面才能产生全反射. 全反射现象是光纤传输的基础.

上图是光纤中发生全反射的情况.其中,纤芯折射率n1大于包层上图是光纤中发生全反射的情况.其中,纤芯折射率n1大于包层折射率n2, n0为空气折射率. 为方便分析,在此先讨论光线为子午光线的情况.子午光线是指在子午平面上传播的光线, 而子午平面是指与纤轴相交且与纤壁垂直的所有平面. 在光纤内传播的子午光线,简称内光线. 纤芯与包层的分界面的入射角大于θc时,才能保证内光线在纤芯内产生多次全反射.使光线沿光纤传输. 然而,内光线的入射角的大小又取决于从空气中入射的光束进入纤芯所产生的折射角θr.

与内光线入射角的临界角θ c相对应,光纤入射光的入射角θi有一个最大值θmax. 当θi≤ θmax时,入射光在光纤内将以大于或等于θc的入射角在纤芯和包层界面上产生多次的全反射. n0sinθmax定义为数值孔径,是光纤端面集光能力的量度.在空气中 n0=1,因此,由菲涅耳定律,对于内光线,光纤的数值孔径可简化为: 数值孔径NA是表示光纤波导特性的重要参数,它反映光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率.

光纤的基础知识 • 光波在光纤中传播存在模式问题. • 模式是指传输线横截面和纵截面的电磁场结构图形,即电磁波的分布情况. • 一般来说，不同的模式具有不同的场结构,且每一种传输线都有一个与其对应的基模或主模. • 基摸是截止波长最长的模式. • 除基模外,截止波长较短的其他模式称为高次模.

2. 光纤的分类 • 根据光纤能传输的模式数目分类: • 单模光纤:只能传输一种模式,但这种模式可以按两种相互正交的偏振状态出现. • 多模光纤:能传输多种模式,甚至几百到几千个模式 • 根据纤芯径向折射率分布分类: • 阶跃折射率光纤:纤心的折射率固定不变. • 渐变折射率光纤:纤心折射率沿径向逐渐减小.

3. 光纤的特性 • 传输特性 • 衰减 • 衰减是描述光纤使光能在传输过程中沿着波导逐渐减小或消失的特性。 • 在给定信号和工作条件下，光纤的衰减决定信号无失真传输通路的最大距离。 • 色散 • 色散限制了光纤传输频响的上限。 • 色散引起的脉冲展宽限制了脉冲调制或数据传输系统中给定长度光纤的最高脉冲或数据传输速度。

3. 光纤的物理特性 • （1）弯曲性光纤的弯曲性与光纤的机械强度有关。 • （2）抗拉强度 • （3）硬度 • 石英玻璃的硬度通常用Knoop硬度来表示. • Knoop硬度的测试方法是采用Knoop金刚石四方锤在研磨过的 • 光纤表面压出印痕,根据加压值与四方印痕的对角线长度可得到 • 光纤材料的knoop硬度HK,即 • HK=14229p/L2 • （4）耐热性 :不同光纤波导介质材料的熔化温度不同,一般光纤 • 可在500oC以下的温度环境中使用,而纯石英光纤的耐热温度可 • 高达1000oC. （5）热膨胀系数 • （6）电绝缘性能石英玻璃的电阻率为1×106Ώ•cm-1,一般玻璃材料的电阻率1×108 - 1×103Ώ•cm-1.

光纤的化学特性 • 1）耐水性 • 2）耐酸性 • 3)几何特性 • 标准规定光纤为圆对称结构，因此表征光纤几何特性的参数是: • 纤芯直径 • 包层直径 • 纤芯的圆度 • 包层的圆度 • 纤芯与包层的同心度误差

强度调制型光纤传感器 • 强度调制型光纤传感器的基本原理可以概括为：通过检测被测对象所引起的光强变化，来实现对被测对象的监测和控制。 • 其基本结构主要由光源、调制区、光探测器三大部分组成。 • 强度调制型光纤传感器的特点是：技术上比较容易实现，所采用光纤多为光通信用多模光纤，而相关的光纤接头和耦合器等部件，国内已有产品供应。 • 强度调制分为 • 非功能型光强调制 • 功能型光强调制

非功能型光强调制 • 非功能型光强调制的基本原理是根据光束位移、遮挡、耦合及其他物理效应，通过一定的方式使进入接收光纤的光强随外界信号变化而改变。 • 基本调制方式大致可分为4种类型： • 光束切割型 • 光闸型 • 松耦合型 • 物理效应型

光束切割型光强调制 • 基本原理: 外界信号按一定规律控制接受光纤的入射端或发射光纤的出射端,或特定的反射或透射光学元件,使其产生相应的线位移或角位移,导致进入接收光纤的光束减少或增加,从而对光纤传输的光强进行调制. 图光束切割型光纤位移传感器简图

遮光型光强调制 • 基本原理:在发射光纤与接收光纤之间加置一定形式的光闸或遮光板,对进入接收光纤的光束产生一定程度的遮挡,外界信号可通过控制光闸或遮光板的位移来调整遮光程度,实现对接收光纤的光强进行调制. 图移动光栅式光纤压力传感器

松耦合型光强调制 • 松耦合型光强调制:当两根光纤的全反射面靠近时,将产生模式耦合,光能从一根光纤耦合到另一根光纤中去,这种耦合称为松耦合. 外界信号通过控制松耦合区的长度或两光纤的距离以控制光波耦合程度,从而对接收光纤中的光强进行调制. 图松耦合型光强调制原理示意图

物理效应型光强调制 基本原理:利用热色效应,荧光效应,透明度效应和热辐射效应等物理效应对发射光纤出射进入入射光纤的光强进行调制,从而通过光强变化对相应的物理量进行测量. 半导体光吸收型光纤温度传感器示意图

功能型光强调制 • 功能型光强调制是指光纤本身作为传感元件，被测量通过改变传感光纤的外形、纤芯与包层折射率比、吸收特性及模耦合特性等方法对光纤传输的光波强度进行调制。 • 微弯损耗与光纤微弯光强调制 • 变折射率型光强调制

微弯损耗与光纤微弯光强调制 基本原理:微弯损耗是当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时,由于微弯作用导致了光纤内模式间的耦合. 模式耦合即纤芯中传输的导模耦合到辐射模中随之泄露到包层中去,从而产生微弯损耗. 微弯损耗强度调制传感器原理图

变折射率型光强调制 基本原理:在纤芯的折射率n1不变的情况下,如果光纤某部位的包层折射率n2随外界信号而变化,或者光纤某部位的纤芯与包层的折射率均发生变化,则该敏感部位的相对折射率随外界信号而变化,从而导致传感光纤的敏感部位渐逝波损耗,即对光纤中的光纤进行调制. 利用一种透明液体作为纤芯或包层构成的温度传感器称为光纤液体温度传感器. 液体芯光纤传感器探头示意图

液体光纤温度传感器结构示意图

相位调制型光纤传感器 相位调制是光纤传感中最重要的传感技术，其基本的传感机理是，外界信号（被测量）按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生相应的变化，光相位的变化量即反映被测的外界量。

光相位调制大体有三种类型 ①功能型调制:外界信号通过光纤的力应变效应,热应变效应,弹光效应及热光效应使传感光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化,从而导致光纤中光相位变化,以实现对光相位的调制. ②.萨格奈克（Sagnac）效应调制 :外界信号不改变光纤本身的参数,而是通过旋转惯性声场中的环形光纤,使其中相向传播的两光束产生相应的光程差,以实现对光的调制. ③.非功能型调制:即在传感光纤之外通过改变进入光纤的光波程差实现对光纤中光相位的调制.

功能型相位调制是指调制区发生在传感光纤内,这类相位调制型传感器主要应用了光纤材料的晶体特性和物理效应.如:功能型相位调制是指调制区发生在传感光纤内,这类相位调制型传感器主要应用了光纤材料的晶体特性和物理效应.如: • ①.晶体的电光效应 • ②.晶体的弹光效应 • ③.晶体的热光效应 • ④.晶体的磁光效应

晶体的电光效应 • 晶体在外加电场E作用下，除了固有的自然双折射外，还会产生附加的双折射，使立方晶体具有单轴晶体的性质，变成了光学各向异性。这样，有些单轴晶体则变为具有双轴晶体的性质，这种现象称为电光效应。 • 电光效应实际上是一种在外加电场作用下产生的非线性极化过程。 • 电光效应主要有: • 线性电光效应（Pockels效应）:介质在外电场作用下产生的与电场强度成正比的电光效应. • 二次电光效应(Kerr效应):与电场的二次方有关的电光效应.

晶体的弹（声）光效应 • 各向同性材料或立方晶体，在机械应力作用下，其性质可以变为光学各向异性的现象称为弹光效应。 • 弹光效应可以有两种写法 ΔB=Π•T 和 ΔB=P•S 其中P和P分别为压光系数张量和弹光系数张量，它们都是4阶张量，T 和S 分别为应力和应变。

晶体的热光效应 • 当温度变化时，晶体的折射率发生变化的现象称为热光效应。 • 由于晶体的各向异性，热光效应的表现是多种多样，假定晶体温度变化为T，则 B=b•ΔT 其中b为热光系数。

晶体的磁光效应 • 在磁场作用下，一些非旋光晶体可以变成具有旋光特性，这种现象称为磁光效应，其中最主要的是法拉第效应。 • 当光在晶体中传播距离为L时，出射光的偏振态由两个新的左右旋圆偏振模合成，由此引起的线偏振方向旋转角度为 • θF=VBL 其中V为范尔德（Verdet）常数 . • 利用磁光效应可以实现磁光调制器、磁光传感器、光隔离器以及光环形器等。 • 前两者是利用磁光晶体调制特性的线性区域，而后两者是利用该特性的饱和区域。

相位调制型光纤传感器的特点 • （1）灵敏度高 • 光学中的干涉法是目前最灵敏的探测技术之一.在光纤干涉仪中,由于以光纤代替空气光程，光纤的长度可达数米且不受机械限制,比普通的光学干涉仪更加灵敏。 • （2）几何形状灵活多样 • 由于传感器的敏感部分由光纤本身构成,而光纤又十分柔软,可绕性能好,所以敏感部分的几何形状可根据使用要求设计成不同形式的传感元件,如平面式、线列阵式、梯度式等。 • （3）工作对象广泛 • 任何物理量，只要对干涉仪中的光程产生影响，即可用相位调制型光纤传感器探侧。 • （4）需要特殊类型的光纤 • 在光纤干涉仪中,为获得最佳干涉效应,应使同一模式的光叠加,且两相干光的振动方向必须一致，因此希望采用高双折射的单模光纤。

波长调制型光纤传感器 • 外界信号通过选频、滤波等方式改变光纤中传输光的波长，测量波长变化即可检测到被测量，这类调制方式称为光波长调制。 • 目前用于波长调制的方法主要是光学选频和滤波。传统的波长调制方法主要有: • F-P干涉式滤光 • 里奥特偏振双折射滤光 • 各种位移式光谱选择等外调制技术 • 光纤光栅滤光技术

光纤光栅滤光技术 • 光纤光栅调制原理 • 光纤光栅的分类 • 光纤光栅传感器 • 布拉格光纤光栅 • 长周期光纤光栅 • LPFG传感器

光纤光栅调制原理 • 光纤光栅是利用掺杂（如锗、磷等）光纤材料的光敏性。 • 光纤的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性，它是光纤光栅周期性折射率变化的根本原因。 • 外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化。 • 在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。

光纤光栅的分类 • 1.依据光栅周期分类 • 短周期光纤光栅: 周期小于1µm的光纤光栅,又称光纤布拉格光栅或反射光栅. 特点是传播方向相反的模式之间发生耦合,属于反射型带通滤波器. • 长周期光纤光栅: 周期为几十至几百微米的光纤光栅,又称透射光栅. 特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合,无后向反射,属于透射型带阻滤波器.

光纤光栅的分类 • 2.依据波导结构分类 • ①.均匀光纤光栅: 特点是光栅的周期和折射率调制的大小均为常数,这是最常见的一种光纤光栅. • ②.啁啾(zhoujiu)光纤光栅:特点是光栅的周期沿轴向逐渐变化,其在光纤通讯中最突出的应用是作为大容量密度波分复用系统中的色散补偿器件. • ③.高斯变迹光纤光栅:特点是光致折变大小沿光纤轴向为高斯函数,在长波边缘光谱平滑,在短波边缘存在边模振荡结构,并且光栅长度越长,振荡间隔越密,光栅越强,折射率调制越大,振荡幅度也越大. • ④.升余弦变迹光纤光栅:特点是光致折变大小沿光纤轴向为升余弦函数,其反射谱的变模振荡具有很强的抑制作用,在光纤通讯的波分复用中有很重要的作用.

光纤光栅的分类 • ⑤.相移光纤光栅:特点是光栅在某些位置的相位跳变,相移的大小 • 决定了缺口在反射谱中的位置,而相移在光栅波导中出现的位置决 • 定了缺口的深度,当相移恰好出现在光栅中央时缺口深度最大. • ⑥.超结构光纤光栅:特点是光栅由许多小段光栅构成,折变区域不 • 连续,如果这些不连续区域的出现存在一定周期性又称取样光栅. • ⑦.倾斜光纤光栅:特点是光栅条纹与光栅轴成一小于90o的夹角, • 合理选择倾斜角度可增强辐射模或束缚模耦合从而抑制发射. • ⑧.特殊折射率调制的光纤光栅:特点是折射率是由两种或多种光 • 栅的结合或者折射率调制按某一特殊函数变化.

光纤光栅的分类 • 3.依据形成机理分类 ①.利用光敏性形成的光纤光栅: 特点是利用激光曝光掺杂光纤诱导其光敏性导致折射率变化从而形成光纤光栅. • ②.利用弹光效应形成的光纤光栅: • 特点是利用周期性残余应力释放或光纤的物理结构变化从而轴向周期性地改变光纤的应力分布,通过弹光效应导致光纤折射率发生轴向周期性变化而形成光纤光栅. • 4.依据材料分类 • ①.石英玻璃光纤光栅 • ②.聚合物光纤光栅 • ③.光子晶体光纤光栅

布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating, FBG） • 周期约为几百纳米。 • 主要特性是将某一频段的光反射回去，形成以谐振波长为中心的窄带光学滤波器。 FBG光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时，它与光场发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并沿原传输光纤返回；其余宽带光则直接透射过去。 BRAGG（布拉格）光纤光栅

布拉格光纤光栅 • 1. FBG的传感原理 • FBG的纤芯折射率沿轴向周期性变化,使前向传输的能量耦合到反向导模中，形成反射波长尖锐反射峰的周期性变化的光波导器件。 • FBG传感器测量的是FBG反射波长的漂移量，当环境因素发生变化时，光纤光栅的反射波长发生漂移，通过检测波长漂移量就可以获得被测温度、应力等物理量。

布拉格光纤光栅(FBG)的特点 (1)多个不同类型的传感器可以在一条光纤上串接复用，构成传感器阵列，实现多参量的准分布式实时测量。 (2)施工方便，潜在故障点大大低于传统技术，可维护性强。 (3)全光测量，在监测现场无电气设备，不受电磁及核辐射干扰。 (4)以反射光的中心波长表征被测量，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响。 (5)绝对量测量，系统安装及长期使用过程中无需定标。 (6）使用寿命长。 (7)光纤传输线路具有自愈功能，可靠性高。 • 但FBG在传感应用中也存在一定的局限性，如灵敏度不高，对单位应力或温度的改变所引起的波长漂移较小。此外由于FBG是反射型光栅，以致FBG传感系统通常需要隔离器来抑制反射光对测量系统的干扰。

长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating, LPFG) • 周期通常为几十到几百微米。 • 主要特性是将导波中某频段的光耦合到光纤包层中损耗掉，是一种透射型光纤器件。 • LPFG是一种透射型光纤光栅，无后向反射，在传感测量系统中不需要隔离器，测量精度较高。 • 与FBG不同，LPFG的周期相对较长，满足相位匹配条件的是同向传输的纤芯基模和包层模， • 这一特点导致了LPFG的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感，对于温度、应力、外界折射率等参数的变化都有很高的响应灵敏度。

长周期光纤光栅 图 LPFG模式耦合原理图

LPFG传感器 • 应用光纤光栅进行传感是近年来传感领域的一大热点，基于光纤光栅的传感器在整个光纤传感领域中的比重超过了40%。 • 由于LPFG传感器不仅具有传统布拉格光纤光栅传感器的绝大多数优点，而且还具有插入损耗小、制造成本低、灵敏度高等优于FBG传感器的优点。 • 因此，LPFG在传感器领域里有着更好的应用发展潜力。

LPFG传感器 • 1.温度传感 LPFG传感器的温度灵敏度不仅会受到LPFG周期的影响,还会受到发生耦合的包层模的阶数及光纤的成分等因素的影响. 通过调节各种参数可以制造出不同温度灵敏度的长周期光纤光栅。 • 2.应力传感 • LPFG的应力灵敏度同样会受到很多因素的影响，通过适当地选择参数也可以制作出各种具有不同灵敏度的LPFG。 • 3.折射率传感 • 当外界介质的折射率改变时，包层模的有效折射率也将发生变化，从而引起LPFG谐振波长的改变。 • 4.弯曲量及扭曲量传感 • 当光栅弯曲时，光栅的透射谱会发生相应的变化,LPFG的弯曲灵敏度可以通过谐振波长的偏移和谐振峰的分裂两种方法表现出来.其中波长分离之间的间距将随着曲率的增加而增加。

LPFG传感器 图 5‑21 刻槽LPFG简图以及实验装置

偏振调制型光纤传感器 • 在许多光学系统中，尤其是包含有单模光纤的系统中，光波的偏振特性起着重要作用。 • 理解光纤系统中的偏振现象是讨论光纤偏振元件和传感器的中心问题。 • 许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态。 • 光纤传感器中的偏振调制器普遍采用的物理效应有旋光效应、磁光效应、普克尔效应、克尔效应及光弹效应等。

偏振调制型光纤传感器-基于旋光效应的偏振调制偏振调制型光纤传感器-基于旋光效应的偏振调制上图为常用的检验石英旋光性实验装置:从光源发出的光经过第一个尼科尔棱镜N1后变成线性偏振光,经过滤波器F成为近单色光,再沿光轴方向通过晶体 Q和第二个尼科尔棱镜N2,这时尽管两个尼科尔棱镜是正交的,但仍有光到达观察者的眼睛. 图 5‑22 石英晶体的旋光性实验系统可以用以下方法测定石英晶体的旋光角度:转动N2,直到视场全部变暗,即不再有光穿过N2,这时,N2所转过的角度即石英晶体的旋光角.

偏振调制型光纤传感器-基于磁光效应的偏振调制偏振调制型光纤传感器-基于磁光效应的偏振调制 • 在光学各向同性的透明介质上，外加磁场H，可以使穿过它的平面偏振光的偏振方向发生旋转，这种现象称为磁致旋光效应或法拉第效应。 • 处于磁场中的光纤会使传播的偏振光发生偏振面的旋转，其旋转角度θ与磁场强度H、磁场中光纤的长度L成正比： Θ=VHL

偏振调制型光纤传感器-基于磁光效应的偏振调制偏振调制型光纤传感器-基于磁光效应的偏振调制图光纤电流传感器实验装置 1 激光器 2 起偏器 3 显微物镜 4 压载流导线 5 光纤 6 渥拉斯顿棱镜 7 光探测器 8 信号处理系统 9 记录仪

偏振调制型光纤传感器基于普克尔效应的偏振调制偏振调制型光纤传感器基于普克尔效应的偏振调制各向异性晶体中的普克尔效应是一种很有用的电光效应,当电场施加到光正在其中传播的各向异性晶体时,所引起的感应双折射正比于所加电场的一次方,故普克尔效应又称为线性电光效应。如果在晶体两端接上电极,两极间加一个电场,通光方向平行于外加电场时,称为纵向运用,也叫纵向调制.对于磷酸二氢钾(KDP) 类晶体,这种情况下晶体折射率的变化Δn与电场E的关系为: Δn =n0363E式中, γ63是KDP晶体纵向运用的电光系数. 折射率变化引起的相位差为同理，横向运用时产生的电光效应称横向电光效应，这时，晶体中两正交的平面偏振光由于电光效应而产生的相位差为:

偏振调制型光纤传感器-基于普克尔效应的偏振调制偏振调制型光纤传感器-基于普克尔效应的偏振调制图偏振调制型光纤电压传感器

偏振调制型光纤传感器-基于克尔效应的偏振调制偏振调制型光纤传感器-基于克尔效应的偏振调制克尔效应又称平方电光效应,是一种分子对称性的微观畸变, 在施加电场的作用下,各向同性物质的光学性质变得与具有双折射现象的各向异性介质中的单轴晶体相同. 当外加电场与光的传播方向垂直时,由感应双折射引起的寻常光折射率no和异常光折射率ne与外加电场E之间的关系为: 两光波间的相位差为:

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