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第7章 光纤传感技术 光纤传感:一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外 界信号(被测量) 的传感技术。 光纤传感的优点:无源性、无毒、化学惰性、绝缘性、极 宽的信号带宽、“传”“感”合一、灵敏度高、响应速度 快、动态范围大、抗电磁干扰等。 光纤传感器始于低损耗光纤问世不久的70年代中期，随 着光纤及光纤通信技术而发展，目前已成为一个种类繁 多的传感大家族。 本章内容：光纤传感器的分类及优点，介绍几类重要的 光纤传感器（光纤法珀传感器、光纤白光干涉传感器、 光纤陀螺传感器、光纤光栅传感器等）。主要介绍传感 器的基本原理、解调方法及简单的应用技术。 光纤传感的基本思路： 被传感参数 （如外界环境因素温度、压力、辐射 等）改变光纤中传输的光波的特征参量 （如振 幅、相位、波长或频率、偏振态、以及模式 等），通过测量光纤中传输光波的特征参量的变 化，以获取被传感参量的信息。这就间接实现了 引起环境因素变化的相应物理量的测量。 另外，光纤也可作为光波的传输媒介。 故传感合一 • 7.1.1 ．基本结构 • 光纤传感器组成：光源、信号传输光纤、传感头、 光电转换及信号处理，结构如图7.1 。 • 光波作为载波经入射光纤传输到传感头，光波的某些 特征参量在传感头内被外界物理量所调制，含有被调 制信息的光波经出射光纤传输到光电转换部分，经解 调后就能得到被测物理量的大小和状态。 • 光波的频率很高，是多维（强度、频率或波长、相 位、偏振态等）信号载体，所以其信息量大。 图7.1 光纤传感器工作原理示意图 7.1.2 ．光纤传感器的分类 1. 按照光纤在传感系统中的功能分 光纤对外界信号(被测量) 的功能有两种:感知和传输。 感知(或敏感) ：是指外界信号按照其变化规律使光纤中 传输的光波的物理特征参量，如强度(功率) 、波长、 频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化 即“感知”外界信号的变化。这种“感知”实质上是外界 信号对光纤中传播的光波实施调制。 传输：是指光纤将受外界信号调制的光波传输到光探测 器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要 进行数据处理，也就是解调。 因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术。 外界信号对传感光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区。根 据调制区与光纤的关系，可将调制分为两大类： 一为功能型调制：调制区位于光纤内，外界信号通过直接改变光 纤的某些传输特征参量对光波实施调制。这类光纤传感器称为 功能型(Functional Fiber，简称FF型)或本征型光纤传感器，也 称内调制型传感器。光纤同具“传”和“感两种功能。 一般，与光源耦合的发射光纤同与光探测器耦合的接收光纤为一 根连续光纤，称为传感光纤。故功能型光纤传感器亦称全光纤 型或传感型光纤传感器。如光纤微弯压力传感器。 二为非功能型调制，调制区在光纤之外，外界信号通过外加调制 装置对进入光纤中的光波实施调制。这类光纤传感器称为非功 能型(Non Functional Fiber，称FF型)或非本征型光纤传感器。 发射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用，称传光光纤。非功能 型光纤传感器也称传光型光纤传感器或外调制型光纤传感器。 注意：利用集成光波导，可在需要测量的点将传输光纤与传感光 纤 （或光波导）集成在一起。如集成光波导电压传感器、分布 式光纤光栅传感器等。这时传光和传感用光纤成为一个整体。 2. 按照光纤中光被调制的方式（参数）分 ① 光强调制型：用输出光强的变化来表示被测物理量。 特点：探头结构简单，被测对象广泛。缺点：抗干扰 能力差（影响光强的因素太多：光纤振动、弯曲、温 度、光源、光路等） ② 相位调制型：以光纤中光的相位变化来表示被测物理 量。特点：光频太高，需相干解调，即要参考光路与 传感光路相干；光纤中光的相位很敏感，故其灵敏度 高。缺点：有串音(cross talking)，易受多种环境量如 振动、温度等的干扰（灵敏性决定的）。 ③ 偏振态调制型：以光纤中光的偏振态的变化来表示被 测量。特点：用检偏器进行解调。可用磁光效应、电 光效应和光弹效应等进行电磁场、应力等的测量。缺 点：光纤中光的偏振态易受振动、温度等的影响，需