图4-129 光线在阶跃光纤中的传输
4.12.3 常用光纤传感器
• 光纤传感器的种类很多，工作原理各不相同，但都离不开 光的调制和解调两个环节。光调制就是把某一被测信息加 载到传输光波上，这种承载了被测信息的调制光再由光探 测系统解调，便可获得所检测的信息。
• 常用的光调制有强度调制、相位调制、频率调制和偏振态 调制等几种。每一种类的传感器都可利用上述的各种调制 技术来实现，而每一种具体的调制技术又有很多方法来实 现。因此，这是光纤传感器中非常活跃的研究领域。
频率调制的原理是 利用光学多普勒效 应，即由于观察者 和目标的相对移动， 观察者接受到的光 波频率要发生改变。
图4-135 多普勒效应
2.光纤血流传感器 光 纤血流计是根据多普勒 频移原理制成的新型光 纤传感器，其原理见图 4-136a。它由一根长为 150m，直径为150µm的 光纤和光学系统及信号 处理系统组成。
• 光纤传感器一般可分为两大类，一类是利用光纤本身的某 些特性或功能制成的传感器，称为功能型传感器；另一类 是光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤端面加装其他敏 感元件才能构成传感器，称为传光型传感器。
• 功能型传感器是利用被测量对光纤内传输的光进行调制， 使传输的光的某些特性如强度、相位、频率和偏振态等发 生变化，这种已被调制的光信号，经光电转换成电信号， 再经信号放大或处理后，以被测量的单位和数值表示出来。 可见，光源、光的传输、光电变换和电信号的处理是光纤 传感器的基本要素。
图4-132 利用马赫－泽德干涉仪的光纤涉仪的光纤温度传感器
这种干涉仪利用光纤内多次反射所形成的光束产生干涉。为增加反 射率，光纤的两个端面均抛光并镀有多层介质。光纤的一部分绕在加有 50Hz正弦电压的压电变换器上，因而光纤的长度受到调制。只有在产生 干涉的各光束通过光纤后出现相位差 m （m 是整数）时，输出 才达到最大，光电探测器获得周期性的连续光脉冲。当被测温度变化使 光纤中的光波相位发生变化时，输出脉冲峰值的位置将发生变化，据此 就可反映出温度变化的规律。
• 光纤传感器的光源，常用发光二极管和激光器。光电转换 元件常用光电二极管、光电三极管、光电倍增管等。
4.12.2 光纤及光在其中的传输
1.光纤的结构 光纤的结构见图4-127，它由具有很小直径的 分层玻璃或塑料圆柱体构成。 2.光纤的类型 按照光从纤芯到包层的折射率的变化规律，光 纤可分为阶跃型、渐变型和单模型三种，见图4-128。
图4-136 光纤血流传感器原理 a）原理框图 b）多普勒频移谱
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4.12 光纤式传感器
4.12.1 概述 4.12.2 光纤及光在其中的传输 4.12.3 常用光纤传感器
4.12.1 概述
• 光纤传感技术是随着光纤通信和集成光学技术而发展起来 的一门新型传感技术，例如，灵敏度高，响应速度快，抗 电磁干扰，耐腐蚀，电绝缘性好，防燃防爆，可以柔性绕 屈，适于远距离传输，便于与计算机连接以及与光纤传输 系统组成遥控、遥测等。因此，光纤传感器发展异常迅速。 • 光纤传感器可以检测许多物理量，从原理上讲，几乎所有 物理量都可以用光纤传感器来检测。通常按被测对象不同， 可分为压力、温度、流量、速度、加速度、振动、位移、 转动、电压、电流、磁场、应变及化学量、生物量等光纤 传感器。
光纤振动传感器
1.偏振调制 偏振调制的基本原理是利用某些物质的电光效应、 磁致旋光效应和光弹性效应等，使经过这些物质的光的偏 振态发生变化，从而反映出作用在这些物质上的电、磁及 作用力等的大小，实现对各种物理量的测量。 2.光纤振动传感器 该传感器是一种振动加速度测量系统，利 用光弹性效应引起被调制光强度变化，通过检测被调制后 光强的变化测量加速度。
图4-134 光纤振动传感器的结构 1－光源 2－光探测器 3－起偏器 4－光弹元件 5－振动方向 6－质量块 7－检偏器 8－微透镜
光纤血流传感器
1.频率调制 前述的强度调制、相位调制和偏振调制主要应用 于功能型光纤传感器中。频率调制主要应用于非功能型光 纤传感器中，调制环节在光纤的外面，光纤仅起传输光波 的作用。
图4-131 光纤压力传感器的结构 1－膜片 2－光吸收层 3－垫圈 4－光导纤维 5－桥式光接收器 6－发光二极管 7－壳体 8－棱镜 9－上盖
光纤温度传感器
1.相位调制 相位调制的基本原理是通过被测量场的作用，使 置于被测量场中的一段单模光纤的光波相位发生变化，再 用干涉测量技术把相位变化变换为光强度的变化，从而求 得被测物理量。 2.光纤温度传感器 引起光纤长度和折射率变化的因素主要有： 温度、压力、张力、振动、位移等物理量，因此利用相位 调制也可以制造各种各样的传感器。 利用马赫－泽德干涉仪的光纤温度传感器见图4-132。它由 激光器、扩束器、分束器、两个显微物镜、两根单模光纤 （一根为测量臂，另一根为参考臂）、光电探测器等组成。
光纤压力传感器
1.强度调制 强度调制的原理是以被测参数所引起的光强度 的变化来实现对被测参数的检测的。把一根多模光纤夹持 在两块具有周期性波纹的微弯板（变形器）之间，见图4130。
图4-130 光纤的微弯效应
2.光纤压力传感器 图4-131为基于全内反射破坏原理，实现 光强度调制的一种高灵敏度光纤压力传感器结构。
图4-127 光纤的结构
图4-128 光纤的类型
• 3.光在光纤中的传输 光线以各种不同入射角射到纤芯并射 至纤芯与包层的交界面时，光线在该交界面处有一部分透 射入包层，一部分反射见图4-129。 2 • 数值孔径： NA sin c n12 n 2 • 可见，某种光纤的临界入射角 c 是由光纤的纤芯折射率 n 1 和包层折射率 n 2决定的。 • 数值孔径是向光纤入射信号光波难易程度的参数。光纤的 越大，表示该光纤可以在较大入射角范围内输入全反射光， 并保证此光波能 沿纤芯向前传输。