磁致伸缩效应
磁致伸缩式：单模光纤的折射率和长度发生变化
2 nl
l－光路长度；n－折射率； l－磁场B引起的长度变化
磁致伸 缩材料
B 光纤
电致光吸收效应
外加电场的作用可引起材料吸收系数的变化。尤其是 在半导体材料中，外电场作用使能带边发生倾斜，带 间电子隧道贯穿势垒降低，致使带间吸收(包括一些 激子吸收峰)向低能方向偏移，称为电致光吸收效应。
第八章 光纤传感器应用
8.1 光纤传感技术发展现状
光纤传感技术经过30多年的研究开发，已为众多 的被测物理量找到了相应的传感方法和设计原理。 目前，光纤传感器可以对位移、压力、温度、速 度、振动、液位、角度等70种物理量进行测量。 光纤传感技术研究重点在以下几个方面： ①光纤传感器系统； ②现代数字光纤控制系统； ③光纤陀螺； ④核辐射监控； ⑤飞机发动机监控；
电致伸缩（压电效应）
某些材料在机械力作用下产生变形,会引起表面带 电的现象,而且其表面电荷密度与应力成正比,这 称为正压电效应。反之,在某些材料上施加电场, 会产生机械变形,而且其应变与电场强度成正比, 这称为逆压电效应（或称电致伸缩）。如果施加 的是交变电场,材料将随着交变电场的频率作伸缩 振动。施加的电场强度越强,振动的幅度越大。正 压电效应和逆压电效应统称为压电效应。
V B l V ─费尔德常量
E
B
磁致伸缩效应
1982 年J. Joule在镍中首先发现磁致伸缩现象。 磁致伸缩效应是指在外加磁场的作用下磁致伸缩材 料的尺寸和形状会随着磁场的变化而变化，去掉外加 磁场后，又恢复原来的尺寸和形状。 磁致伸缩引起的形变是相当小的,其数量级为10-6。 不同的铁磁材料其磁致伸缩效应是不同的,在铁、钴、 镍这三种材料中,镍的磁致伸缩效应最明显。
磁致伸缩效应的物理解释
在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的 交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的 自旋磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和 状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴。
磁畴
单晶磁畴结构示意图
多晶磁畴结构示意图
磁场增强 H
在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁 能将低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是自 发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位， 这些磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场 成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。随着外磁场的不 断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失， 留存的磁畴将向外磁场的方向旋转。
8.2 光纤电磁量传感器
在电力系统中，常会遇到要在强电磁场干扰的情况 下测量高压、大电流等电磁参量的问题。由于光纤 传感器具有绝缘性好，抗电磁场干扰，灵敏度高等 特性，因此在电力系统测量中具有突出的优势。
8.2.1 电磁量光纤传感器基于的物理效应
电磁量光纤传感器大多为传感型的光纤传感器 常用的调制方式：偏振调制和相位调制式。 利用的物理效应：法拉第效应、磁致伸缩效
我国光纤传感技术发展现状
我国光纤传感器的研究工作主要自1983年开始。 近10年来，一些大学、科研院所、公司等都纷纷 在这方面投入了大量的人力、物力使得光纤传感 技术得到飞速的发展。虽说国内对高精度的光纤 传感器有不少报导，但真正形成大规模应用和生 产的却少之又少，没有能够大规模的走出实验室， 面向工业界。 1997年武汉理工大学光纤传感技术国家重点工业 性试验基地批准开始建设。标志着我国光纤传感 器研究从实验室走向应用。
光纤传感技术国家重点工业性试验基地概况
武汉兰光测控技术有限公司：主要从事光纤液位计系列产品 的生产和销售。现拥有先进的生产线和检测手段，组织管理 严格，产品广泛应用于国内石油、化工、冶金、交通和国防 等部门。 武汉天光光纤传感技术有限责任公司：主要从事武汉理工大 学光纤中心研究的CFH系列光纤阀位回讯器产品的生产和销 售。该产品最适用于石油化工厂、天然气及其他易燃易爆和 恶劣环境下各种管道的阀位监测。该产品本质防爆，安全可 靠，是国内首创的高科技产品。 武汉湖光传感有限责任公司：主要从事光纤探头、器件、高 温防腐液位计等产品的生产和销售。该公司厂房设备先进， 技术力量雄厚，可为用户提供一流产品和优质服务。
通过增加光纤缠绕圈数可以提高传感器的灵敏度， 保偏光纤可以解决线偏振态的保持问题。
半导体激光器输出的光信号经过偏振片使光信号 处于线偏振状态，再经过保偏光纤传输到位于被 测区的传感头，经过处于磁场中的磁场的偏振调 制，使线偏振光的方位角旋转，输出偏振光通过 偏振分束器时，分为偏振垂直的两束线偏振光， 分别由两个光电探测器接收。通过测量探测器的 输出电流，可计算偏振面的旋转角度，进而计算 出被测磁场。
经偏振分束器后两个正交的偏振态的光强分别为
I1 I0 cos2 ( / 4 ) I2 I0 sin2 ( / 4 )
当把单模光纤绕在压电材料 的芯架或带条上，当外加电 场作用于压电材料相应方向 时，由于压电材料的伸缩， 使单模光纤因电致伸缩效应 发生折射率和长度的变化。
压电材料 光纤
光纤电磁量传感器采用的测量技术
测量磁场
--- 法拉第旋光效应 --- 磁致伸缩效应
测量电场 (或电压)
--- 电致光吸收效应 --- 电致伸缩效应
测量电流
--- 法拉第旋光效应 --- 磁致伸缩效应Βιβλιοθήκη 8.2.2 光纤磁场传感器
（1）基于法拉第效应的磁场传感器 利用法拉第效应制成磁场传感器。
VBl V─费尔德常量
激光 P1

P2
l
探测器
B
光纤
基于法拉第效应制成磁场传感器原理图
LD
沃拉斯顿棱镜
i1 +
信 号 处
I2 I1
理 器
i2
沃拉斯顿棱镜：一种光学器件，能产生两束彼此分 开的、振动方向互相垂直的线偏振光
应、电致光吸收效应、压电弹光效应等。
法拉第效应（磁光效应，磁致旋光）
1845 年，法拉第（Faraday）通过实验发现：将磁光 介质放置于磁场之中，并让一束平面偏振光通过磁光 介质，其偏振面将随着平行于光传播方向的磁场发生 旋转。这种现象称为法拉第效应。光的电矢量E旋转角
与光在物质中通过的距离l和磁场强度H成正比