光纤传感器的原理和分类

光纤温度传感器

1、光纤传感器结构原理

以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图 （a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置.由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见 图（b)。

由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时,光的某一性质受到被测量的调制,已调光经接收光纤耦合到光接收器,使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。

可见，光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。 光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起.因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即

A-—电场E的振幅矢量;ω——光波的振动频率;

φ——光相位；t——光的传播时间。

可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向）、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化,或受被测量调制,那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。

2、光纤传感器的分类

注:MM多模；SM单模;PM偏振保持；a，b，c功能型、非功能型、拾光型

(1）根据光纤在传感器中的作用

光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类.

1）功能型（全光纤型)光纤传感器

利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤（或特殊光纤）作传感元件，将“传"和“感"合 为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素（弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等）的变化来实现“传”和“感" 的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续,增加其长度,可提高灵敏度。

1 光纤传感器工作原理图及分类

1.光纤传感器及其分类

由于光纤传感器具有不受电磁场干扰、传输信号安全、可实现非接触测量，而且具有高灵敏度、高精度、高速度、高密度、适应各种恶劣环境下使用以及非破坏性和使用简便等等一些优点。无论是在电量(电流、电压、磁场)的测量，还是在非电物理量(位移、温度、压力、速度、加速度、液位、流量等)的测量方面，都取得了惊人的进展。

光纤传感器分为物性型(或称功能型)与结构型(或称非功能型)两类。

2.工作原理

1）物性型光纤传感器原理

物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。

2）结构型光纤传感器原理 2 结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。

3.应用

光纤流速传感器

光纤流速传感器由多模光纤、光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。多模光纤插入顺流而置的铜管中，由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的各模式光的相位发生变化，光纤的发射光强出现强弱变化。其振主幅的变化与流速成正比。

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）