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第11章 光纤与光纤传感器
一、基础知识
光纤传感器
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，它物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。
模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生的， 它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关.
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材料色散：是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光(实际光源不是纯单色光)，其时间延迟不同而产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。
波导色散：是由于波导结构参数与波长有关而产生的， 它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。
单模光纤与多摸光纤的色散
(1)单模光纤的色散
由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在模间色散，只有模内色散，即材料色散和波导色散。它们分别用色散系数σc和σω表示。总色散σ= σc+σω 。
通常，材料色散比波导色散大两个量级。但是，在零色散区，材料色散与波导色散值大致相当，只是两者符号相反。
(2)多模光纤的色散
对于多模光纤，模间色散通常占主导地位。如果把模间色散平衡掉，则剩下的是材料色散和波导色散。此时，情况与单模传输类似，不同的是这里的波导色散是多模波导色散。在多模光纤中，波导色散与材料色散相比，常常可以忽略。
材料色散是材料的折射率随频率变化引起的色散，因此材料色散引起的脉冲展宽与光源谱宽成正比。对于多模渐变型光纤，如果采用激光器(LD)作光源，其谱宽一般为1-2nm，故可忽略材料色散。此时，脉冲展宽主要由模间色散决定。但是，当光源为发光二级管(LED)时，由于其谱宽大约为30—50nm，故增加了材料色散的影响。这时，材料色散和模问色散相比不可忽略。
3）光纤色散与带宽的关系
光纤色散使输入信号的各波长分量到达终端的群延时不同．因此输出信号或脉冲将发生畸变或展宽。脉冲展宽将限制传输容量或决定最大中继距离。展宽程度可以有延迟时间来表示。
反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。
意义：无论光源发射功率有多大，只有2θi张角之内的光功率能被光纤接受传播。
大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。
但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。
4）抗拉强度
5）集光能力
三、光纤传感器的分类及构成
光纤传感器分为功能型、非功能型及拾光型
功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤
本身对外界被测对象
具有敏感能力和检测
功能，光纤不仅起到
传光作用，而且在被
测对象作用下，如光强、相位、偏振态等
光学特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。
非功能型光纤传感器
传光型光纤传感器的
光纤只当作传播光的
媒介，待测对象的调
制功能是由其它光电
转换元件实现的，光
纤的状态是不连续的，
光纤只起传光作用。
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。
信号
处理
光受
信器
光发送器
光纤
耦合器
被测对象
四、光纤传感器光学测量的基本原理
光就是一种电磁波，
光的电矢量E
被测量调制：
光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位
光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制
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 。
输出ID
入射光
强度调制
ID
t
t
光源
出射光
IS
信号
光探测器
强度调制原理
IO
t
Ii
t
强度调制
2、偏振调制光纤传感器
利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息
应用：
电流、磁场传感器：法拉第效应；
电场、电压传感器：泡尔效应；
压力、振动或声传感器：光弹效应；
温度、压力、振动传感器：双折射性
优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。
泡克尔斯效应
入射光
正常光
异常光
压电晶体
3、频率调制光纤传感器
被测对象引起的光频率的变化来进行监测
利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；
利用物质受强光照射时的喇曼散