第四章 光纤传感器
? 抗电磁干扰 ;安全 ;灵巧轻便 ;使用方便,
? 功能型 (FF):传光且敏感 (传感型 )
? 非功能型 (NFF):只传光,(传光型 ).
第一节 光纤传感原理
将光源入射的光束经由光纤送入调制
区,在调制区内,外界被测参数与进入调制区
的光相互作用使光的性质如 强度、波长、
频率、相位、，偏振态 等发生变化成为被
调制的信号光，再经过光纤送入光敏器件、
解调器而获得被测参数。
? 电子传感器,靠电阻,电容,电感等
? 光纤传感器,靠光特性 (强度,颜色等 )
? 平面光波的波动方程,
E=Asin(kx-ωt+ φ ) (4-1)
k=2π/λ为空间频率,
光的基本特性,
1)幅值 A:振幅,光强,最大值 A2.
2)振动方向, 矢量,有振动方向 (偏振方向 ).
3)光的角频率 ω,受环境影响,反映颜色,
4)波长 λ:同样光波在不同介质中 λ 不同,
5)初始相位 φ:反应光波的光程,
一般测 光强,其它要通过相应手段,
一、强度调制
利用外界物理量改变光纤中光的强
度，通过测量 光强变化 来测量外界 物力
量变化 的原理称强度调制。
特点,技术简单、可靠、价格低。
使用多模光纤,LED等即可实现。
传感器探头机理,反射、折射和投射等。
1.透射式强度调制
? 光纤间距 2~3μm;断面为平面,
? 图 b)中,横向位移 x与功率耦合系数 T的关
系如下,
T=exp(x2/s02) (4-2)
s0为光斑尺寸 ;偏置点在图 c)中 A点合适 ;可
测距离 10μm.
2.开关调制
入射和接收光纤不动,当外界物理量影
响时,利用挡板调制透光强度,
原理见图 4-3.
? 若光束半径为 r,挡板位移 δ,则光纤端面所
引起的光强变化与 δ/r成正比,
一般可测 10μm.
3.反射式强度调制
? 测量范围 100μm.
4.折射率调制法
? 可测温度、含油量、折射率和液面。
二、偏振态调制法
? 利用外界物理量改变光的偏振特性，通
过检测光的偏振态的变化来检测各种物
理量，称为偏振态调制。
1.法拉第效应 (磁致旋光效应 )
当偏振光通过某种透明介质 (通常为磁
场 )时,偏振态以光的传播方向为轴线 旋转
一个角度,
原理见图 4-6.
? a)中,θ=VdLB (4-3)
Vd-费尔德常数 ;L-距离 ;B-磁感应常数
? b)中,θ=VdNI (4-4)
N-光纤圈数 ;I-光纤中电流,
2.克尔电光效应
? 利用光的双折射原理
? 构成光纤电压传感器
3.光压效应
? 应力双折射原理
? 可测量压力、振动、声音、位移等
三、相位调制法
? 利用外界物理量改变光纤中光波的相位，
通过检测相位变化来测量物理量 。
? 相位调制包括两部分：
1）相位变化的物理机理。
2）光的干涉技术（ 将相位变化转为光
强变化 ）。
1.应力应变效应
当光纤受到轴向的机械应力作用时,
光纤的长度、纤芯直径、折射率都会变
化，导致光纤中光的相位变化。
? 光波通过长度 L的光线后，出射光波的相
位延时为,φ= βL （ 4-14）
β 为光波在光纤中的传播系数 。
当光纤的长度或传播速度变化时，相位
变化为：
△ φ= △ φ1+ △ φ2+ △ φ3 （ 4-15）
长度 折射率 直径 (可忽略 )
其余公式见书。
2.温度应变效应
? 若光纤放置在变化的温度场中,将温度场
变化等效为作用力 F,则相位延迟,
△ φ dn dL--------=k0(L----+n----) (4-17)
△ T dT dT
折射率 长度
特点,相位灵敏度高,
应用,压力传感器,
四、频率调制法
? 当光接收元件与光源之间有相对运动时，
光敏器件接收到的光频率 fs与光源频率 f
不同（多普勒效应）。
fs=f/（ 1-υ/c） ≈（ 1+ υ/c） f （ 4-20）
应用,测量速度、流量等 。
实际检测 △ ω，分 零差法 和 外差法 。
见图（ 4-9） （外差法）。
外差法：
? 参考光束,ωR= ω0- ω1
? 测量光束,ωs= ω0± △ ω
1.零差法
? 参考光束,ωR= ω0;无声光调制器,
? 用指数形式表示,
Es(t)=e0e-jωst
ER(t)=e0e-jω0t (4-21)
干涉光的振幅,
E(t)=ES(t)+E0(t)
干涉光的光强,
I(t)=E(t)E*(t)=I0(1+cos △ ωt) (4-22)
特点,余弦函数为偶函数,测大小不能测方向
2.外差法
增加了 声光调制器
ωR= ω0- ω1
ωs= ω0-△ ω (4-23)
Es(t)=e0e-jωst
ER(t)=e0e-jωRt (4-24)
干涉光的振幅,
E(t)=ES(t)+ER(t)
干涉光的光强,
I(t)=E(t)E*(t)=I0(1+cos △ Ψt) (4-25)
△ Ψ= ωR - ωs= △ ω - ω1
当 △ Ψ=0; I(t)最大 ;△ ω = ω1
通过调节调制频率 ω1,可测出 △ ω
? 抗电磁干扰 ;安全 ;灵巧轻便 ;使用方便,
? 功能型 (FF):传光且敏感 (传感型 )
? 非功能型 (NFF):只传光,(传光型 ).
第一节 光纤传感原理
将光源入射的光束经由光纤送入调制
区,在调制区内,外界被测参数与进入调制区
的光相互作用使光的性质如 强度、波长、
频率、相位、，偏振态 等发生变化成为被
调制的信号光，再经过光纤送入光敏器件、
解调器而获得被测参数。
? 电子传感器,靠电阻,电容,电感等
? 光纤传感器,靠光特性 (强度,颜色等 )
? 平面光波的波动方程,
E=Asin(kx-ωt+ φ ) (4-1)
k=2π/λ为空间频率,
光的基本特性,
1)幅值 A:振幅,光强,最大值 A2.
2)振动方向, 矢量,有振动方向 (偏振方向 ).
3)光的角频率 ω,受环境影响,反映颜色,
4)波长 λ:同样光波在不同介质中 λ 不同,
5)初始相位 φ:反应光波的光程,
一般测 光强,其它要通过相应手段,
一、强度调制
利用外界物理量改变光纤中光的强
度，通过测量 光强变化 来测量外界 物力
量变化 的原理称强度调制。
特点,技术简单、可靠、价格低。
使用多模光纤,LED等即可实现。
传感器探头机理,反射、折射和投射等。
1.透射式强度调制
? 光纤间距 2~3μm;断面为平面,
? 图 b)中,横向位移 x与功率耦合系数 T的关
系如下,
T=exp(x2/s02) (4-2)
s0为光斑尺寸 ;偏置点在图 c)中 A点合适 ;可
测距离 10μm.
2.开关调制
入射和接收光纤不动,当外界物理量影
响时,利用挡板调制透光强度,
原理见图 4-3.
? 若光束半径为 r,挡板位移 δ,则光纤端面所
引起的光强变化与 δ/r成正比,
一般可测 10μm.
3.反射式强度调制
? 测量范围 100μm.
4.折射率调制法
? 可测温度、含油量、折射率和液面。
二、偏振态调制法
? 利用外界物理量改变光的偏振特性，通
过检测光的偏振态的变化来检测各种物
理量，称为偏振态调制。
1.法拉第效应 (磁致旋光效应 )
当偏振光通过某种透明介质 (通常为磁
场 )时,偏振态以光的传播方向为轴线 旋转
一个角度,
原理见图 4-6.
? a)中,θ=VdLB (4-3)
Vd-费尔德常数 ;L-距离 ;B-磁感应常数
? b)中,θ=VdNI (4-4)
N-光纤圈数 ;I-光纤中电流,
2.克尔电光效应
? 利用光的双折射原理
? 构成光纤电压传感器
3.光压效应
? 应力双折射原理
? 可测量压力、振动、声音、位移等
三、相位调制法
? 利用外界物理量改变光纤中光波的相位，
通过检测相位变化来测量物理量 。
? 相位调制包括两部分：
1）相位变化的物理机理。
2）光的干涉技术（ 将相位变化转为光
强变化 ）。
1.应力应变效应
当光纤受到轴向的机械应力作用时,
光纤的长度、纤芯直径、折射率都会变
化，导致光纤中光的相位变化。
? 光波通过长度 L的光线后，出射光波的相
位延时为,φ= βL （ 4-14）
β 为光波在光纤中的传播系数 。
当光纤的长度或传播速度变化时，相位
变化为：
△ φ= △ φ1+ △ φ2+ △ φ3 （ 4-15）
长度 折射率 直径 (可忽略 )
其余公式见书。
2.温度应变效应
? 若光纤放置在变化的温度场中,将温度场
变化等效为作用力 F,则相位延迟,
△ φ dn dL--------=k0(L----+n----) (4-17)
△ T dT dT
折射率 长度
特点,相位灵敏度高,
应用,压力传感器,
四、频率调制法
? 当光接收元件与光源之间有相对运动时，
光敏器件接收到的光频率 fs与光源频率 f
不同（多普勒效应）。
fs=f/（ 1-υ/c） ≈（ 1+ υ/c） f （ 4-20）
应用,测量速度、流量等 。
实际检测 △ ω，分 零差法 和 外差法 。
见图（ 4-9） （外差法）。
外差法：
? 参考光束,ωR= ω0- ω1
? 测量光束,ωs= ω0± △ ω
1.零差法
? 参考光束,ωR= ω0;无声光调制器,
? 用指数形式表示,
Es(t)=e0e-jωst
ER(t)=e0e-jω0t (4-21)
干涉光的振幅,
E(t)=ES(t)+E0(t)
干涉光的光强,
I(t)=E(t)E*(t)=I0(1+cos △ ωt) (4-22)
特点,余弦函数为偶函数,测大小不能测方向
2.外差法
增加了 声光调制器
ωR= ω0- ω1
ωs= ω0-△ ω (4-23)
Es(t)=e0e-jωst
ER(t)=e0e-jωRt (4-24)
干涉光的振幅,
E(t)=ES(t)+ER(t)
干涉光的光强,
I(t)=E(t)E*(t)=I0(1+cos △ Ψt) (4-25)
△ Ψ= ωR - ωs= △ ω - ω1
当 △ Ψ=0; I(t)最大 ;△ ω = ω1
通过调节调制频率 ω1,可测出 △ ω
