§10.1 光纤传感原理回顾
光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世纪70年代 中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和 光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质 区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递 敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。 ①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。 ⑤容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、 流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量
光发送器
光纤
信号处理
敏感元件
光受信器
耦合器
3）拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对象 辐射的光或被其反射、散射的光。 其典型例子如光纤激光多普勒速度 计、辐射式光纤温度传感器等。
光发送器
信号 处理
光纤
光受 信器
被测对象
光纤理论与技术
第十章：克服困难中带来的副产品——光纤传感原理与技术
2.根据光受被测对象的调制形式
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§10.2.1.2 Sagnac效应
Sagnac效应是指在任意几何形状的闭合光路中，从某 一点观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到 该观察点时，这对光波的相位（或它们经历的光程）将由 于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同，其相位 差（光程差）的大小与闭合光路的转速速率成正比。
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第十章 光纤传感原理与技术
§10.1 光纤传感原理回顾 §10.2 几种主要的光纤传感器
§10.2.1光纤陀螺 §10.2.2光纤水听器 §10.2.3白光干涉型光纤应变传感器 §10.2.4光纤光栅传感器
§10.3光纤传感器的应用
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第十章：克服困难中带来的副产品——光纤传感原理与技术
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§10.2 几种主要的光纤传感器
§10.2.1 光纤陀螺
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§10.2.1.1 光纤陀螺的优点
光纤陀螺基于Sagnae效应，与机电陀螺或激光陀螺相比。 具有如下显著特点： ① 零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的耐冲击和抗加速度运 动的能力； ② 绕制的光纤增长了激光束的检测光路，使检测灵敏度和分辨 率比激光陀螺仪提高了好几个数量级，从而有效地克服了激光 陀螺仪的闭锁问题； ③ 无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿 命； ④相干光束的传播时间极短，因而原理上可瞬间启动； ⑤ 易于采用集成光路技术，信号稳定可靠，且可直接用数字输 出，并与计算机接口联接； ⑥ 具有较宽的动态范围； 光纤理论与技术 ⑦ 结构简单，价格低。体积小，重量轻。
光发送器 光纤敏感元件 信号处理 光受信器
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2）非功能型（或称传光型）光纤传感器 光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉” 功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤 传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。 但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。
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谐振型光纤陀螺(R—FOG)和布里渊型光纤陀螺(B-FOG) 的基本原理与环形激光陀螺相同，都是利用Sagnac效应，通 过检测旋转非互易性造成的顺、逆时针两行波的频率差测量角 速率。它们与激光陀螺的区别在于用光纤环形谐振腔代替由反 射镜构成环形谐振腔，从而既可充分发挥激光陀螺的优越性， 又可克服激光陀螺的缺陷，同时可避免技术上已趋于成熟的IFOG的某些不足。谐振型光纤陀螺的最大优点是，它采用很 短的光纤来构成光环形谐振腔，一般光纤长度不超过10m，检 测的是频率差，信号处理比干涉型的相位检测要简单、方便， 光集成度高、性能优越、结构小巧，发展前景很好。 干涉型光纤陀螺是对光纤干涉检测技术的一种应用，在结 构上是一个环形干涉仪(Sagnac干涉仪)通过采用多匝光纤线圈 来增强相对惯性空间的旋转引起的萨格奈克(Sagnac)效应。
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。
电 信号处理
源 导线 敏感元件
信号接收 图1 传统传感器 光发送器 光纤 敏感元件
信ห้องสมุดไป่ตู้处理
光接收器
图2 光纤传感器
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2. 光纤陀螺原理
图1 光纤陀螺原理图 光纤理论与技术
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光纤陀螺是基于Sagnac 效应，用光纤构成环状光路， 组成光纤Sagnac 干涉仪。如图1所示，来自光源的光束被 分束器BS1分成两束光，分别从光纤圈的两端藕合进光纤敏 感线圈，沿顺、逆时针方向传播。从光纤圈两端出来的两束 光，再经过合束器BS1而叠加产生干涉。当光纤圈处于 静 止状态时，从光纤圈两端出来的两束光，光程差为零。当光 纤圈以角速率Ω旋转时由于Sagnac效应，顺、逆时针方向 传播的两束光产生光程差L可表示为：
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§10.2.1.3 光纤陀螺的分类及原理
1.分类 光纤陀螺的种类很多，根据提取相向光束作用信息 的不同，大致可分成三大类：干涉型光纤陀螺(I—FOG)， 谐振型光纤陀螺(R—FOG)和布里渊型光纤陀螺(BFOG)。干涉型光纤陀螺是第一代光纤陀螺，技术上已 趋成熟，正处于推进批量生产和商品化阶段。谐振型光 纤陀螺是第二代光纤陀螺，目前处于实验室研究向实用 化的发展阶段。布里渊型光纤陀螺是第三代光纤陀螺， 尚处于理论研究阶段。
分为：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。
1）强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或 反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。 有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反 射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发 光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振 动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。 优点：结构简单、容易实现，成本低。 缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。
上式就是光纤陀螺的基本公式，通过检测相位差 Δ Φ （即干涉光强）就可以获得角速率Ω 的信息，其中 4π LR/cλ 项就是陀螺的标度因数。 为了对Sagnac效应的大小有一个比较直观的认识，我 们看一个例子。假定，光纤圈面积A＝100cm2 ，旋转角速 率Ω ＝10 － 3Ω E （Ω E 为地球自转速率l50 ／h)，即＝0． 0150 ／h，在包围此面积的单匝光纤环上，得到的光程差 仅为Δ L=10－15 cm。与氢原子直径10－8cm相比较，可发现 单匝光纤环的Sagnac效应是很小的。显然，要提高干涉仪 的灵敏度就必须大大增加光纤匝数，也就是说增加光纤的 几何参数LR 。通常LR取值在10一100m2之间。 可绕、低损耗的细径光纤，为绕制多匝光纤圈提供了 可能性，是实现小型、高灵敏度光纤陀螺的基础。
非
干
涉
型
频率调制 多普勒效应 光纤温度 受激喇曼散射 传感器 光致发光
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 光纤理论与技术
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1.根据光纤在传感器中的作用分类
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。
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§10.1.1光纤传感器结构
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1。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、 光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图2。
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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
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4）相位调制传感器 其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件 的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单 色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来 确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光 弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁 场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格 纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类 传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统， 因此成本高。