光纤传感器原理及其应用

主要内容• 概论• 光纤传感器原理• 光源• 光探测器• 光信号检测技术• 特殊光纤• 典型应用

第一讲 概 论

传感器

• 将待测量对象的状态变换为可处理信号的器件或装置。• 可以实现信息检测、转换和传输。• 从字面上讲可比做人感知自然界物理现象的器官。• 从工程技术上讲，指检测被测物体某种信息的仪器。

它是感知、获取、检测和转换信息的窗口，处于研究对象与传输处理系统的接口位置。

传感器是现代科学技术开拓的先锋

在信息时代，人类的认识和活动范围在空间和时间上将向无限、极端和崭新领域拓展。各种关键工程的开发，首先就要有能传感各种强、高、弱、微和边缘效应的传感器，这些特殊领域的突破将给人类科学技术带来不可估量的进展，产生巨大的经济效益。

传感器技术• 利用各种功能材料实现信息检测的一门应

用技术。• 传感器技术是检测原理、材料科学和工艺

加工三个要素的最佳结合，在发达国家被列为核心技术之一。

• 传感技术的提高，在很大程度上有赖于揭示物理现象的研究和材料技术的发展。

光纤传感器(FOS-Fiber Optic Sensor)

• 以光纤作为功能材料的传感器。• 以光学技术为基础，将被敏感的状态以光

信号的形式取出。

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1015ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF

自由空间波长，m

频率， Hz

电力、电话 无线电、电视 微波 红外 可见光

双铰线

同轴电缆

光纤卫星 /微波AM无线电 FM无线电

通信波段划分及相应传输媒介

频段划分

传输介质

光纤

光通信的特点

波长短，载频高

宽带宽大容量能量集中器件尺寸小功耗低

光纤的特点• 损耗低， 0.2dB/km• 良好的传光性能• 频带宽，传输容量大， 400nm ， 50THz• 可塑性好；• 本身就可以作为敏感元件• 重量轻，体积小， 27g/km fiber• 资源丰富，石英• 抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，通信质量高• 防爆性能好• …...

光纤传感器的优点• 灵敏度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，防爆。• 无源器件，不干扰被测场。• 结构简单，体积小，重量轻。• 便于和计算机连接，可以实现分布式传感和遥测

技术 :在整个光纤长度上能连续的获得被测量的响应，传统的几百个点传感器阵列可以用一条光纤取代。

• 频带宽，动态范围大。• 几何形状具有多方面的适用性，便于组合系统，

可以组成任意形状的 FOS 或 FOS阵列，并且可与计算机连接，实现多功能及智能化。

光纤传感器的工作原理及其分类

1. 基本工作原理 将光源的光经过光纤送入调制区，在 调制区内，外界被测参量与进入调制区的光相互作用，由于光纤中的模态损耗和相位能够随着弯曲、微弯、压力、拉力、温度以及其它环境因素的变化而变化，从而使光的光学性质，如强度、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，并经过解调而获得被测参数。

光纤传感器的基本构成

光源： LD,LED, 白炽灯，激光器等信号调制：待测参量引起光信号强度、波长、频率、相位或偏振态的变化。

光探测器：PIN,APD,CCD,光电池等。信号处理：电路、计算机、单片机，计算机系统等。

光 源

信号

调制光纤 光纤 光探

测器

信号

处理

外界参量

2. 光纤传感器的分类• 按照传感原理进行划分

传光型光纤传感器：光纤不连续，其间 有中断，中断部分要接上其它介质的敏感元件，可以充分利用已有传感技术的优点。

传感型光纤传感器：“传”和“感”合为一体，光纤连续，减少了耦合，但是往往需要特殊光纤。

• 按照调制原理进行划分 强度调制光纤传感器：光纤中光强度变化 波长调制光纤传感器：光纤中光波长变化 偏振态调制光纤传感器：光纤中光偏振态变化相位调制光纤传感器：光纤中光相位变化

频率调制光纤传感器：光纤中光频率变化 时分调制：利用外界因素调制返回信号的基带

频谱，通过检测基带的延迟时间、幅度大小的变化来测量外界物理量的大小和空间分布。

• 按照检测对象进行划分 温度传感器 压力传感器 位移传感器 流速传感器 辐射传感器 气体传感器 光谱传感器 ……….

传感器的设计原则

1.优良的变换功能•动态范围广•单纯的变换关系•信噪比高•重复性好•时间稳定性好•灵敏度高

2. 探测信号的质量好•便于信号处理• 容易传输信号• 特性参数随时间的变化小，测量的重复性

好，没有滞后和老化现象。

3. 与待测信号间的匹配性能好• 不干扰目标状态• 可以充分承受目标的环境•抗干扰性能好

4.总体要求• 体积小•轻便•故障率低• 能够大批量生产，价格便宜•坚固耐用，机械性能好•耐化学腐蚀、耐热性能好，无危害性，无公害

•…….

光纤传感器的发展概况及其展望

1. 发展概况•70年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。

• 1977 年，美国海军研究所 (NRL-National Novel Research Laboratory)开始执行光纤传感器系统计划

光纤传感器问世

• 1983 年起，国际光纤传感器会议定期召开，光纤传感器的研究成为世界研究热点

• 各个发达国家都做了大量的研究工作，具体如下：

美 国 FOSS(Fiber Optic Sensor System) —光纤传感器系统：水声器、磁强计和

其它有关的水下检测设备 FOG(Fiber Optic Gyroscope) —光纤陀螺：发展最快，取得成果最好

的领域之一 NRM(Nuclear Radiation Monitor) —核辐射监测 CRP(Civil Research Project) —民用研究计划

英 国• 1982年成立英国光纤传感器合作协会• 高电压光纤电流传感器 -- 中央电气研究所• 光纤陀螺、水声器—伦敦大学• 光纤传感器的多路测试设备—曼彻斯特大

学• 光全息技术—牛津大学• 特种光纤和光学测试仪器—南安普顿大学

德 国• 光纤陀螺的研究和开发水平仅次于美国，居世界第二。

•西门子公司等均在光纤传感器方面有研究。1980年，西门子公司开发出了高压光纤电流传感器。

日 本• 1979~1986 年，从事光纤传感器技术研究

工作的公司和大学共 24 家。• 1980~1983 年，申请光纤传感器的相关专

利共 464项。

我 国• 1983 年，光纤传感器第一次全国性会议在杭州召开。

• 在“七五”规划中提出了 15项光纤传感器的研究项目。

•目前的研究工作主要由各高校和研究所承担。清华、北航、北京交大……

光纤光栅概述

~ 500 nm (Bragg grating)~ 200 µm (Long-period grating)

125 µm

8 µm

1 mm to 1500 mm

Singlemode fibre

Core

Cladding

Regions with higher refractive index than that of core’s

It works like thisIt works like this

• resonant wavelengths are reflected back toward the source • non-resonant wavelengths are transmitted through the

device without loss.• The centre wavelength is given by:

effn2

Typical Reflection SpectraTypical Reflection Spectra

光纤光栅复用系统

光 源 耦合器

（环行器）光谱仪

FBG1 FBG2 、、 FBGn

1

2

31 2 3

FBG压力传感头结构 原理：光纤光栅 Bragg波长与压强、应变成

线性变化关系

光纤光栅压力传感系统结构

传感头 1#

传感头 2#

传感头 n#

计算机

光谱仪

光 源

传感头 3#

耦合器

初始状态

探头 1#受力

探头 4#受力

各

探

头

受

力

前

后

光

谱

利用上述传感功能，可以建成

新型的预警光缆传感系统 这种预警光缆系统可以用于石油勘探系统、国防

边境、众多重要的军事区域、容易产生滑坡和泥石流地区的预警系统、还可用于地震预测。

目前，因特利公司和飞鸿佳信公司正与本实验室商谈预警光缆系统技术转让技术和如何实现产学研相结合的问题。

目前光纤传感器的存在问题

强度型光纤传感器的问题• 原理：利用光强的变化测量被测参数• 优点：结构简单、工艺成熟、性能可靠、成本低。

• 缺点：光路调整或光纤与探头材料的连接、耦合困难

相干型光纤传感器的问题• 原理：根据被测参量影响后光纤中光相位

的变化检测外界参量。• 优点：灵敏度高• 缺点：检测与信号处理手段复杂，光路复杂，对光器件与光纤的要求严格，成本较高，容易受其他因素的影响。

其它问题• 电源电压波动。• 工作环境温度变化对传感器性能的影响。• 特性参数与被测参数的关系为非线性。• 测量的长时间漂移效应。• ……

目前光纤传感器的研究动向

1. 实用化•继续深入研究光纤传感器的理论和技术，解决实用化问题，发展新原理的光纤传感器。尤其要解决测量过程的长时间漂移效应。

2. 传感器系统•从单一传感器的研究进入到传感器系

统的研究，并与微处理机相结合形成光纤遥测系统。

3. 提高可靠性和稳定性

•降低成本。•特殊光纤：根据实际需要选用新的

材料，设计特殊结构的专用光纤。•对基础技术和元器件的稳定性和可靠性进行大量的研究开发工作。