光纤传感器原理及应用技术

第３７卷第３ｌ期　２　０　１　１年１　１月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．３１　Ｎｏｖ．２０１１　・１６３・　

文章编号：１００９—６８２５（２０１１）３１－０１６３—０２　

双周期光纤光栅传感器原理及工程应用　

于庆革南锟　

摘要：对光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅组成的复合型光纤光栅传感器的原理和特性进行了简要的介绍，并对该种　

传感器的实际工程应用作了说明，实践证明应用该传感器的测量结果与理论计算结果吻合较好。　

关键词：长周期光纤光栅，光纤布拉格光栅，结构健康监测，应变传感　

中图分类号：Ｕ４４６．３　文献标识码：Ａ　

０　引言　

自从加拿大通信研究中心的Ｈｉｌｌ等人在１９７８年首次利用驻　

波法在掺鳍光纤中研制出第一个永久性的可实现反向模式间耦　

合的光纤布拉格光栅后…，光纤光栅技术得到了广泛的重视并展　

开了深入的研究。最后形成两大基本结构——光纤布拉格光栅　

（ＦＰＧ）和长周期光纤光栅（ＬＰＦＧ）。在这两种光栅的基础上，人　

们先后研制出了很多具有特殊结构的光栅。其中以光纤光栅为　

敏感元件的光纤传感器正成为复用型传感器市场中新兴的重要　

成员　。　

布拉格光栅（ＦＰＧ）可用于测量光纤周围介质的温度、应力和　

折射率等多个参量的变化，但是它有解调技术复杂且所需采用的　

化学腐蚀技术会降低光纤的强度破坏光纤结构的完整性等缺点　

以及应变温度的交叉灵敏问题。长周期光栅是近几年随光纤光　栅的研究而发展起来的一类特殊光栅。它的出现简化了ＦＰＧ型　

传感器的信号解调技术，制造较为简便。ＦＰＧ，ＬＰＦＧ的基模和包　

层模在耦合时，温度和应变的灵敏度不同，因此易于复用。本文　

将对复合型传感器理论及其在工程检测中的应用进行简要介绍。　

１　光纤光栅的传感原理　

根据光纤耦合理论可知，满足反射条件的谐振波长Ａ　表达　

准确的地质钻探，其次是现场提前做了充分的准备。　

１）根据桩孔的地质资料讨论具体溶洞处理应急措施，加强现　

第26卷,第6期 光谱学与光谱分析Vol126,No16,pp1176211782006年6月 SpectroscopyandSpectralAnalysisJune,2006　

光纤传感器的分类及其应用原理

丁小平1,王　薇1,付连春2

1.首都师范大学物理系,北京　100037 2.中国纺织科学研究院北京中纺化工有限公司,北京　100025

摘　要　光纤传感器是一种有广泛应用前景的新型传感器。文章介绍了光纤传感器的基本原理、分类及其

优点。并分别阐述了光强调制型、相位调制型和偏振态调制型光纤传感器的应用原理及基本特点。

主题词　光纤传感器;调制;相位;偏振态

中图分类号:TH74411 文献标识码:A 文章编号:100020593(2006)0621176203

　收稿日期:2004209208,修订日期:2004212228　作者简介:丁小平,女,1950年生,首都师范大学物理系副教授引　言

光纤传感器是近几十年来迅速发展起来的一种新型传感

器。它具有抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、重量轻、能

在恶劣环境下工作等一系列优点,因而具有广泛的应用前

景。目前已有测量温度、压力、位移、加速度、电流等多种物

理量的光纤传感器问世。本文从光纤传感器的类别出发,介

绍光强调制型、相位调制型、偏振态调制型等几类光纤传感

器的应用原理及基本特点。

1　光纤传感器及其分类

光纤是利用光的全反射原理来引导光波的。当光波在光

纤中传输时,表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波

长等),会由于被测参量(温度、压力、加速度、电场、磁场

等)对光纤的作用而发生变化,从而引起光波的强度、干涉

效应、偏振面发生变化,使光波成为被调制的信号光,再经

过光探测器和解调器从而获得被测参量的参数。

光纤传感器可以按传感原理分为两类,一类称为功能型

传感器,它的光纤对被测信号兼有敏感和传输的作用,即它

具有传与感合一的特点。另一类称为非功能型传感器,它的

光纤仅起传输的作用,而对被测信号的感觉则是利用其他光

第２６卷，第６期光２００６年６月ＳＩ 谱学与光谱分析ｃｅｔｒｏｓｃｏｐｙ　ａｎｄ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　ＡｎａｌｙｓｉｓＶｏｌ．　２６，　Ｎｏ．　６，　ｐｐ１１７６－１１７８ ．Ｔｕｎｅ，　２００６光纤传感器的分类及其应用原理丁小平’，王薇１，付连春“首都师范大学物理系，北京１０００３７中国纺织科学研究院北京中纺化工有限公司，北京１０００２５摘要光纤传感器是一种有广泛应用前景的新型传感器。文章介绍了光纤传感器的基本原理、分类及其优点。并分别阐述了光强调制型、相位调制型和偏振态调制型光纤传感器的应用原理及基本特点主题词光纤传感器；调制；相位；偏振态中图分类号：ＴＨ７４４，　１文献标识码：Ａ文章编号：１０００－０５９３　（２００６）　０６－１１７６－０３引言 光纤传感器是近几十年来迅速发展起来的一种新型传感器。它具有抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、重量轻、能在恶劣环境下工作等一系列优点，因而具有广泛的应用前景。目前已有测量温度、压力、位移、加速度、电流等多种物理量的光纤传感器问世。本文从光纤传感器的类别出发，介绍光强调制型、相位调制型、偏振态调制型等儿类光纤传感器的应用原理及基本特点１光纤传感器及其分类 光纤是利用光的全反射原理来引导光波的当光波在光纤中传输时，表征光波的特征参量〔振幅、相位、偏振态、波长等），会由于被测参量（温度、压力、加速度、电场、磁场等）对光纤的作用而发生变化，从而引起光波的强度、干涉效应、偏振面发生变化，使光波成为被调制的信号光，再经过光探测器和解调器从而获得被测参量的参数 光纤传感器可以按传感原理分为两类，一类称为功能型传感器，它的光纤对被测信号兼有敏感和传输的作用，即它具有传与感合的特点。另一类称为非功能型传感器，它的光纤仅起传输的作用，而对被测信号的感觉则是利用其他光学敏感元件来完成的。光纤传感器还可以按光波在光纤中被调制的原理分为：光强调制型、相位调制Ｉｉ．偏振态调制型和７３＇１长调制型等几种形式。下面介绍这几种光纤传感器的应用原理及其基本特点。 这是一种利用被测量的变化引起光纤中的光强发生变化的光纤传感器。能够引起光纤中光强发生变化的因素有：改变光纤的微弯状态，改变光纤对光波的吸收特性，改变光纤包层的折射率。下面分别巾仑利用以上三个因素制成的光强调制型光纤传感器的应用原理，２．１．１改变光纤的徽育状态 利用微弯效应制成的光纤位移传感器的原理如图１。它是利用多模光纤在受到弯曲时，一部分芯模能量会转化为包层模式能量这一原理，通过测包层模式能量的变化来测量位移。例如：利用这一原理制成的光纤报警器，其基本原理是光纤呈弯曲状织于地毯中，当有人站在地毯上时，地毯弯曲状加剧，引起光纤光强变化，产生报警信号。研制这类传感器的关键在于确定变形器的最佳结构，最佳结构一般通过实验确定Ｍｇ．　Ｉ Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｓｋｅｔｃｈ　ｏｆ　ｓｌｉｇｈｔｌｙ　ｃａｒｖｅｄ ｆｉｂｅｒ叩ｔｉｃ　ｓｅｎｓｏｒＬａｓｅｒ；　２，　４：　Ｄｒｔｎｏｄｅ：　３：　Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ；Ｌｉｇｈｔ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ２光纤传感器的应用原理２．１光强调制型２．１．２改变光纤对光波的吸收特性 Ｘ射线和ｒ射线会使光纤材料的吸收损耗增加，从而使光纤输出功率减小。利用这一原理可以制成光纤辐射传感器，用于核电站大范围的监测。与此类似的还有光纤紫外光传感器。紫外光照射会使光纤激发荧光，由荧光强弱探测紫外光强。这一类传感器的关键是要制作特殊光纤２．１．３改变光纤包层的折射率 图２是一种全内反射光纤传感器原理图。它的光纤端面的角度被磨成恰好等于临界角。从纤芯输入的光将从端面全收稿日期：２００４－０９－０８，帷订日期：２００４－１２－２８作者简介：丁小平．女，１９５０年生，首都师范大学物理系副教授第６期光谱学与光谱分析１１７７反射，经反射镜再沿原路返回输出。当被测参量（折射率、浓度、温度等）发生变化时，光纤端面包层的折射率发生变化，全反射的条件被破坏，因而输出光强下降。由此原理可制成光纤液体浓度传感器，光纤折射率计等．牡２ｔ－１Ｆｌｇ．　２ Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｓｋｅｔｃｈ　ｏｆ　ｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ效应，即光纤处于磁场中，磁场使光纤中光波的偏振面旋转，旋转角ｅ与磁场强度Ｈ、磁场中光纤的长度Ｌ满足：ｅ二ＫＨＬ，　Ｋ为光纤材料系数。由长直载流导线在周围空间产生的磁场Ｈ＝Ｉｉ　２｝Ｒ　（Ｒ是光纤与载流导线间的垂直距离），则０　＝　ＫＬＩ　／２ｒｄ２只要测出０，Ｌ，Ｒ即可求出导线中的电流图４为其原理图。这种侧电流的方法测量范围大、灵敏度高、与高压线无接触，使输人输出端实现了电绝缘。但是目前实际测量还存在一些问题，主要是受外界温度、压力变化等影响，光纤本身会产生双折射效应，从而引起测量误差。Ｌａｓｅｒ；　２：　Ｆｉｂｅｒ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ；　３：　Ｌｉｇｈｔ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ；　４：　Ｄｉｓｐｌａｙ２．２相位调制型 这类传感器的基本原理是利用被测参量对光学敏感元件的作用，使敏感元件的折射率、传感常数或光强发生变化，从而使光的相位随被测参量而变，然后用干涉仪进行解调，即可得到被测参量的信息。用以上原理制成的光纤干涉仪可测量地震波、水压（包括水声）、温度、加速度、电流、磁场等，并可检测液体、气体的成分。这类光纤传感器的灵敏度很高，传感对象广泛（只要能对干涉仪中的光程产生影响均可以传感），但是需要特种光纤。这主要是针对光纤干涉仪中为获得干涉效应要采用单模光纤，最好采用“双折射率”单模光纤，并且为了使光纤干涉仪对被测物理量进行“增敏”，对非被侧物理量进行“去敏”，需对单模光纤进行特殊处理，以满足测量不同物理量的要求。图３是Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ光纤干涉仪，它利用一个光纤定向藕合器构成双光束干涉仪，两光纤之一为参考臂，另一为传感臂。被测参量的变化可直接引起干涉仪中传感臂光纤的长度以对应于光纤的弹性变形）和折射率发生变化，从而引起光纤中光波相位的变化。若把磁致伸缩材料或压电材料固定在传感臂上，则可利用它们对光纤引起的压力变化来测量弱磁场或弱电场。若在传感臂上镀上金属薄膜，则可利用电流的热效应来侧量电流Ｆｉｇ．　４ Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｔ扣ｌｅ　ｓｋｅｔｃｈ　ｏｆ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｎｓｏｒ１；　Ｌａｓｅｒ；　２，　Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ；　３：　Ｃｏｎｖｅｘ　ｌｅｎｓ；　４：　Ｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃ；５，　Ｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｌｅａｄ；　６：　Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｚｅｒ；７：　Ｒｅｃｅｉｖｅｒ；　８：　Ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ。舟 口“ 晦３ Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｓｋｅｔｃｈ　ｏｆ　ｎｒｉｃｈｅｌｓｏｎ ｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｕｒｎｅｔｅｒＬａｓｅｒ；　２；　Ｆｉｂｅｒ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｃｏｕｐｌｅｒ；　３：　Ｓｅｎｓｏｒ　ａｒｍ；Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ａｒｍ；　５：　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ；　６；　Ｌｉｇｈｔ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ２．３偏振态调制型 被测参量可使光纤中光波的偏振态发生变化，检测该种变化的光纤传感器称为偏振态调制型。最典型的是测量大电流用的光纤电流传感器。基本原理是利用光纤材料的法拉第３光纤传感器的优点 和以电为基础的传统传感器相比，光纤传感器具有以下优点． （１）高灵敏度：例如目前用的Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ光纤干涉仪能检测０．　１　ｇｒａｄ的相位差，若光源的波长为１　ｌｕｎ，相当于１０－ｔ＂　ｍ光程差。即采用干涉型光纤传感器可测非常小的物理量 （２）抗电磁干扰：一般电磁辐射频率比光波频率低的多，所以在光纤中传播的光不受一般电磁噪声的影响，此外光纤中的渐衰场只限于在包层中离纤芯数微米处，而通常光纤包层都在１０　ｆｅｒｎ以上，因此在多芯光缆中纤芯间具有良好的抗电磁串音性能 （３）电绝缘性和化学稳定性：光纤本身是一种化学性能稳定的高绝缘物质，且敏感元件可以做成电绝缘和电无源元件。因此光纤传感器不仅化学稳定性好，而且电绝缘性能也高，特别适用于电力工业和化学工业中需要高压隔离和易燃易爆的恶劣环境 （４）良好的安全性：光纤传感器的敏感元件是电无源的，故在生物体内测量时，不存在漏电和电击的危险。故近年来医用光纤传感器十分活跃 此外光纤损耗小、频带宽，具有高的数据传输率，并且具有几何形状灵活，易于远距离监控和多功能传感等优点使得它在地质探矿、石油勘探、地震波检测、军事制导等领域有着极为重要的应用。１１７８光谱学与光Ｉ普分析第２６卷参考文献ＬＩＡＯ　Ｙａｎ－ｂｉａｏ，　ＦＡＮ　Ｃｈｏｎｇ－ｃｈｅｎｇ（廖延彪，范祟澄）．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｉ－（中国激光），１９８４，　１１：　５１３．Ｂｏｎｇｈ　Ｒ　Ａ，　Ｓｈａｗ　Ｈ　Ｊ，　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｊ．　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　ＬＴ－２，　１９８４，　９１．Ｐｅｃｈｓｔｅｄｔ　ＲｎＡｐｐｌ．　Ｏｐｔ．，１９９５，　３４（１６）：　３００９．ＣＡＯ　Ｚｈｅｎ－ｘｉｎ，　ＬＩＡＮＧ　Ｄａ－ｋａｉ，　ＧＵＯ　Ｍｉｎｇ－ｊｉａｎｇ（曹振新，梁大开，郭明江）．Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ａｎｄ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ（光谱学与光谱分析）２００３，　２３（１）：　３１．ＺＨＥＮＧ　Ｈｕａ－ｌｉ，　ＧＯＮＧ　Ｙｉｎｇ－ｋｕｎ（郑怀礼，龚迎昆），Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ａｎｄ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ（光谱学与光谱分析），２００３，　２３（２）：　４１１．［ｌｊ［２ｊ圈［４ｊ［ｓｊＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃａｌ－Ｆｉｂｒｅ　ＴｒａｎｓｄｕｃｅｒＤＩＮＧ　Ｘｉａｕ－ｐｉｎｇ＇，ＷＡＮＧ　Ｗｅｉ＇，ＦＵ　Ｌｉａｎ－ｓｈｕｎ＇１．　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，　Ｃａｐｉｔａｌ　Ｎｏｒｎｔａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３７，　Ｃｈｉｎａ２．　Ｃｈｉｎａ　Ｔｅｘｔｉｌｅ　Ａｃａｄｅｍｙ－ＴＥＸ　Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，　Ｂｅｉｉｉｎｇ １０００２５，　ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ Ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　ｉｓ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，　ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ａ　ｗｉｄｅｙｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ，　Ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｎｓｏｒ，　ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｒｅｐｏｒｔｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｕｔｌｉｎｅ　ｏｆｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｉｎ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，　ｐｈａｓｅ　ａｎｄ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｏｐｔｉｃａｌ－ｆｉｂｅｒ　ｓｅｎｓｏｒｓ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；　Ｐｈａｓｅ；　Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ　Ｓｅｐ．　８，　２００４；　ａｃｃｅｐｔｅｄ　Ｄｅｃ．　２８，　２００４）

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浅谈基于OTDR的光纤传感器原理及应用

作者：姚昌银 吴承成 吴佳坤 颜峰

来源：《科学与信息化》2017年第07期

摘 要 OTDR意思是光时域反射仪，是利用光线在光纤中传输时散射特性而制成的精密的仪表。基于这种技术特性发展起来的新型传感技术已经广泛应用。本文说明介绍光时域反射的工作原理，总结整理该类型传感器的应用实践。

关键词 OTDR；传感器；监测；滑坡；土木

基于目前在光纤线缆工程中广泛应用的OTDR技术，光纤传感器研制与应用，是该技术的巨大飞跃。光纤传感器具有多方面的优势，如轻巧灵便，使用和施工铺设非常方便。另外，作为一种传输手段，可以实现远距离、分布式监控监测。

光纤传感器具有的巨大优点是可以监测线路沿线任何一处的参数信息，如温度、震动、损伤等，并且不需要构成回路反馈。光纤可以灵活布局铺设，形成监测网，实现对终端的全方位监测，弥补传统点状监测的一些缺点，如信号缺失，漏监等，大大提高监测的可靠性和成功率。

分布式光纤传感器在岩土滑坡监测及土木工程领域有极大的应用。在光纤布设时，应注意要将分布式光纤传感器铺设在容易出现结构变化或损坏的地方，以便获取有效的数据和反馈，监测结构应力变化以及受环境影响的变化。

1 光纤传感器工作原理

1.1 光在光纤内部传输过程中，会发生散射，这主要包括三种散射，瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。瑞利散射是光纤特性而产生的一种固有特点，光纤芯的折射率使得光在微观上随着传输呈现起伏的线性散射特点，光子只改变运动方向，并不发生能量交换；拉曼散射，光照射到物质表面上时，发生非弹性特征的散射而产生的现象。光子与分子之间因碰撞发生能量交换，改变运动方向且光子能量也有变化，从而光子频率发生改变；布里渊散射是光波与声波在光纤传播过程中因相互作用而产生的散射现象，有自发散射和受激散射两种形式。