第二节 常见光纤传感器
? 很多种,介绍三钟,
一、偏振式光纤 温度 传感器
发展 最早、最快、最多的传感器之一 。
分 相干型 和 非相干型（ 本例 ） 。 图 4-13
各部分原理如下：
? 1.偏振光分棱镜
平行与入射面分量 P和垂直入射面分量 S.
布儒斯特 (Brewster)角 θ B=arctan(n2/n1)
作用,起偏器
? 从光棱镜透射的光强为 I0,透射的偏振光经
一系列光学元件后原路返回,若光矢量被
旋转了 α 角,则返回透过分光棱镜的光强,
I=I0cos α (4-27)
2.石英晶体
波长为 λ 的光线经过,光矢量受到旋转,
按 菲涅耳定律, 线偏振光可以分解为 左, 右
旋圆偏振光 （折射率分别为 nL,nR）
旋转角度 α =（ nR-nL ） πd/λ （ 4-28）
3,1/4波片
? 光经过后产生光程差,
△ =(n0-ne)d=(m+1/4)λ (4-29)
作用如下,
4.传感器工作原理
? 按图 4-10 a)的光路从左至右分析,
两次经过石英晶体后,旋转角度为,
α+2(β- α)- α=2 (β- α) (4-30)
? 设入射光强为 I0,则返回通过 分光棱镜 的
光强 I 由式 (4-27)得,
I=I0cos[2(β- α) ] (4-31)
2 (β- α)=45° 时,线性度最好,
应用,测温 18~180℃ ;分辨率 2℃,
说明,1) ?波片调整测温范围,
2) 相干型光纤温度传感器精度高,
二、反射式光纤位移传感器
? 机械量中较容易测量的物理量。
? 分 相干 和 非相干 型（本例）
图 b）中,tanθ=d/2b （ 4-32）；若 阶跃折射率
型 光纤数值孔径为 N，有,θ=arcsinN
? 由上两式得：
b=d/2tan（ arcsinN） （ 4-33）
b＜ 上式值；两光纤无耦合，不能测量
? 由图 c）看出，反射光斑与输出光纤的端
面有一个交叠面,交叠面积 与 光纤端面
面积 的比为 M（见式 4-34）。
? 假设反射面无光吸收，两光纤光功率耦
合效率 F为 交叠面积 与 光锥底面积 之比，
见书式 4-35。
? 根据式 4-35,求出位移 b与光功 100率耦合
效率 F的关系曲线
(2a=100μm;N=0.5;d=100 μm)
? 实际传感器不是两根光纤而是多股,标准
的由 600根直径为 0.762mm的光纤组成,
? 因 分布形态 不同分四种,
CII CTD
R H
? 特点,小范围内进行高速位移测量 ;具有结
构简单、造价低、设计灵活、非接触、
探头小、频响好、线性好、能在恶劣环
境下工作等优点。
? 由于原理是测光强，对光源有要求。
三、光纤加速度传感器
外界作用力作用在一定质量的物体上，
使物体产生一定量的位移、转角或其他
形式的几何形变。
有强度调制和相位调制型两种。
1.干涉型光纤加速度传感器
? 质量块质量 m,以加速度
a对顺变柱施加一个轴向力
F=ma (4-36)
顺变柱轴向应变
εi=4F/E πd2 ;
径向应变 ε= μεi ;
光纤长度变化
δl=4 μNma/Ed
光纤长度变化可通过 干涉系统 测量
相位变化 △ φ= (4-40)
*加速度传感器灵敏度 △ φ/a = (4-41)
2.强度调制型光纤加速度传感器
? 在加速度作用下,板簧发生形变,根据书上
(4-42)到 (4-49)公式,可以求得加速度 a.
? 特点,灵敏度高 ;动态范围大 ;不易受震动
和电源波动的影响 ;体积小 ;结构简单,
? 测量加速度值,<10-5 m/s2
? 很多种,介绍三钟,
一、偏振式光纤 温度 传感器
发展 最早、最快、最多的传感器之一 。
分 相干型 和 非相干型（ 本例 ） 。 图 4-13
各部分原理如下：
? 1.偏振光分棱镜
平行与入射面分量 P和垂直入射面分量 S.
布儒斯特 (Brewster)角 θ B=arctan(n2/n1)
作用,起偏器
? 从光棱镜透射的光强为 I0,透射的偏振光经
一系列光学元件后原路返回,若光矢量被
旋转了 α 角,则返回透过分光棱镜的光强,
I=I0cos α (4-27)
2.石英晶体
波长为 λ 的光线经过,光矢量受到旋转,
按 菲涅耳定律, 线偏振光可以分解为 左, 右
旋圆偏振光 （折射率分别为 nL,nR）
旋转角度 α =（ nR-nL ） πd/λ （ 4-28）
3,1/4波片
? 光经过后产生光程差,
△ =(n0-ne)d=(m+1/4)λ (4-29)
作用如下,
4.传感器工作原理
? 按图 4-10 a)的光路从左至右分析,
两次经过石英晶体后,旋转角度为,
α+2(β- α)- α=2 (β- α) (4-30)
? 设入射光强为 I0,则返回通过 分光棱镜 的
光强 I 由式 (4-27)得,
I=I0cos[2(β- α) ] (4-31)
2 (β- α)=45° 时,线性度最好,
应用,测温 18~180℃ ;分辨率 2℃,
说明,1) ?波片调整测温范围,
2) 相干型光纤温度传感器精度高,
二、反射式光纤位移传感器
? 机械量中较容易测量的物理量。
? 分 相干 和 非相干 型（本例）
图 b）中,tanθ=d/2b （ 4-32）；若 阶跃折射率
型 光纤数值孔径为 N，有,θ=arcsinN
? 由上两式得：
b=d/2tan（ arcsinN） （ 4-33）
b＜ 上式值；两光纤无耦合，不能测量
? 由图 c）看出，反射光斑与输出光纤的端
面有一个交叠面,交叠面积 与 光纤端面
面积 的比为 M（见式 4-34）。
? 假设反射面无光吸收，两光纤光功率耦
合效率 F为 交叠面积 与 光锥底面积 之比，
见书式 4-35。
? 根据式 4-35,求出位移 b与光功 100率耦合
效率 F的关系曲线
(2a=100μm;N=0.5;d=100 μm)
? 实际传感器不是两根光纤而是多股,标准
的由 600根直径为 0.762mm的光纤组成,
? 因 分布形态 不同分四种,
CII CTD
R H
? 特点,小范围内进行高速位移测量 ;具有结
构简单、造价低、设计灵活、非接触、
探头小、频响好、线性好、能在恶劣环
境下工作等优点。
? 由于原理是测光强，对光源有要求。
三、光纤加速度传感器
外界作用力作用在一定质量的物体上，
使物体产生一定量的位移、转角或其他
形式的几何形变。
有强度调制和相位调制型两种。
1.干涉型光纤加速度传感器
? 质量块质量 m,以加速度
a对顺变柱施加一个轴向力
F=ma (4-36)
顺变柱轴向应变
εi=4F/E πd2 ;
径向应变 ε= μεi ;
光纤长度变化
δl=4 μNma/Ed
光纤长度变化可通过 干涉系统 测量
相位变化 △ φ= (4-40)
*加速度传感器灵敏度 △ φ/a = (4-41)
2.强度调制型光纤加速度传感器
? 在加速度作用下,板簧发生形变,根据书上
(4-42)到 (4-49)公式,可以求得加速度 a.
? 特点,灵敏度高 ;动态范围大 ;不易受震动
和电源波动的影响 ;体积小 ;结构简单,
? 测量加速度值,<10-5 m/s2
