当前课程知识点：测试与检测技术基础 > Week10 被测量的获取（3） (Sensors III) > 光纤传感器 (Fiber optic sensor) > 光纤传感器 (Fiber optic sensor)
下面介绍一下光纤传感器
光纤传感器应该说是
20世纪70年代一个
非常非常重要的一个发明
它与激光、半导体探测器
一起构成了新的光学技术
应该说为我们光电子学的发展
提供了崭新的天地
光纤传感器
它是以光波为载体
光纤为媒质
来感知和传输外界被测量信号的
光纤传感器在1977年开始
经过20年的研究
光纤传感器已经取得了
非常长足的进步
在很多领域当中
都有非常多的应用
我们还是从示例谈
光纤传感器的应用
那么在光纤传感器呢
通常是可以预埋在混泥土啊
碳纤维增强塑料啊
及各种复合材料当中
用于测量应力松驰
和动载荷这个应力的情况
实现对建筑物结构状态
持续的检测和分析
应该说它的应用是非常广泛的
另外呢基于光时域反射技术
我们还可以分析
短脉冲光线摄入纤维
和返回信号类的
类似雷达的测量方式
也可以用于
输油管道的温度监测
隧道的火灾监测
以及大飞机的温度分布监测
和恶劣环境的温度监测等等
那么谈到光纤传感器
我们就不得不谈一谈
2009诺贝尔物理获得者
“光纤之父”高锟先生
2009年
英国华裔科学家高锟
因在“有关光在纤维当中的传输
以用于光学通信方面”
做出突破性的成就
获得了诺贝尔奖
应该说高锟先生在这个方面
做了非常非常重要的贡献
他曾在1987年10月
出任香港中文大学第三任的校长
1996年当选为
中国工程院的外籍院士
那么应该说
光纤传感器的发明
跟光纤是密切有关联的
高锟先生在1966年的时候
首次提出了用玻璃纤维制造光纤
作为光波导用于通讯
那么取代了铜导线
作为长距离的通讯
那么引起了
世界通讯技术的一场革命
应该说随着第一个光纤系统
于1981年的成功问世
高锟先生就称之为“光纤之父”
那么这是高锟先生开发的
光纤通讯辅助性的子系统
它对于单模纤维构造
纤维强度和耐久性
纤维连接器和耦合器
以及扩展均衡特性等
都做出了大量的贡献
使信号在无放大的情况下
能够以每秒亿兆位元
传送万米距离
那么这张片子当中我们可以看到
各式各样光纤的传感器
那接下来我们介绍一下
光纤的基本原理
首先看一下光纤的基本结构
光纤是由光纤的光导纤维
以及对称柱体的光学纤维
那么它是指
多层介质结构来组成的
那么它由纤芯、包层、涂敷层和护套
其中主体是指纤芯与包层
在这个主体当中有纤芯
纤芯一般是由石英玻璃
来构成的
它的直径一般是5～75μm
那么材料是由二氧化硅
来构成主体的
同时呢
还要掺杂其他的微量的元素
来提高它的折射率
包层它的直径值一般是100
到200个μm
材料是二氧化硅作为主体
那么折射率略低于纤芯
涂敷层的材料
是由硅酮或丙烯酸盐组成的
那么它的作用是隔离杂光
护套的材料一般是
尼龙或其他有机的材料
主要的用途是提高机械的强度
保护光纤
另外在特殊场合
是没有涂敷层和护套的
可以使用裸纤
那么根据光纤的折射率
光纤材料、传输模式
和光纤用途和制造的工艺不同
光纤呢可以分为以下几个类型
那么首先看看
可以根据从纤芯
到包层折射率变化的规律
分为阶跃型和梯度型两类
根据传输模式
可以分为单模光纤和多模光纤
阶跃型和梯度型为多模光纤
那么另外呢
可以根据光纤的材料
可以分为高纯度的
石英二氧化硅玻璃光纤
和多组分的玻璃光纤
塑料光纤等
那么还可以根据用途来分
可以分为通讯光纤和非通讯光纤
那么接下来我们看看
光纤的传播的原理
实际上光纤的传播原理
就是采用全反射的方式
那么假设它的折射率
比如说纤线的折射率是n1
那包层的折射率
我们把它设为n2
那么实际上n1是大于n2的
从右边的图当中
我们也可以看到
典型的值是n1=1.46～1.51之间
n2=1.44～1.50之间的
根据斯涅尔法则
n1sinφ1=n2sinφ2
如果说我们加大入射角φ1
使反射角φ2大于90度
那么就形成了光的全反射
因此光线
就被限制在纤芯中进行传播
这个时候sinθ1＞n2/n1
那么关于光的全反射现象
应该说它是光纤
传播光原理的基础
但是从空气当中摄入光纤的光
并不一定全能够
在光纤中产生全反射的
如果能使折射光
完全在纤芯中传输
则要求入射后满足条件φ1≥φ2
当光线从A点入射
则有nosinθo=n1sinθ1=n1cosφ1
那么其中θ1=90°-φ1
那么也就是使
入射光在纤芯与包层的交界面
会发生全反射
这个时候就会满足以下的式子
因此
那么入射角的最大值
sinθ0 =1/n0
乘以根号下n1的平方
减去n2的平方
它等于NA
其中这个NA是什么呢
它是光纤的数值孔径
它决定了
能被传播的光速的半孔径角的
最大值
那么因此
它也反映了光纤的集光的能力
实践证明
当NA≤1的时候
集光能力与NA的平方成正比
当NA≥1的时候
集光能力可以达到最大
因此说光纤不可能100%
将入射光的能量传输出去
那么接下来我们看看
光纤特性当中的损耗
那么光纤入射端和出射端
光功率为Pi和Po的话
那么光纤长度为L
光纤的损耗α=10lg（pi/p0）/Lo
在这当中主要是
包括了吸收损耗和散射损耗两大类
色散是指什么呢
是指输入光脉冲
在光纤传输的过程当中
由于光波群速度不同
出现的脉冲展宽的现象
色散是指
表征光纤传输特性的一个
非常重要的参数
那么还包括材料的色散
波导色散和多模色散等
接下来我们看一下容量
所谓的容量
是指光脉冲传输过程当中
存在的光纤色散的现象
它能够使脉冲展宽造成信号的畸变
从而限制光纤的
信息容量和它的品质
那么我们再接着看一下
抗拉的强度
那么抗拉强度大的光纤
不仅强度高
可干扰性好
同时环境适应性也比较强
那么抗拉强度取决于材料的纯度
包括还有它的分子结构状态
及光纤的粗细和缺陷等因素
最后我们看看
光纤特性当中的集光本领
集光本领是指
光纤的集光本领与数值孔径NA
密切的关联度
那么当光纤的数值孔径最大的时候
光纤的集光本领也最大
好，介绍完了光纤的特性
我们再看看光纤传感器的分类
按照光纤在传感器当中的作用
我们把光纤传感器分为
功能型的和非功能型的
那么或者说
对于功能型传感器而言
我们把它称为传感型的
探测型的
对于非功能型的光纤传感器
我们也可以把它称为传光型的
结构型的和强度型的
功能型光纤传感器当中
光所起的作用不仅是传光
而且是敏感元件
也就是光纤本身同时具有
传与感的功能
功能型的光纤传感器主要包括
光强调制型和相位调制型
以及偏振态调制型和波长调制型
下面这张图
就是光纤传感器的一个
工作原理的示意图
好，那么有了光纤传感器的分类
那么下面看看
功能型光纤传感器
是如何进行工作的
那么它的基本原理是
利用光纤的微弯损耗效应
首先压力越大
对于光纤变形弯曲就越大
当然光损耗就越大
从下面这张图当中
我们可以看到
a是施加均衡的压力
b是施加点压力
它所造成的光纤的微弯损耗
是不一样的
好，那么接下来我们再看看
非功能型的光纤传感器当中
光纤就不是敏感元件了
在光纤的端面
或者在光纤中间放置光学材料
或者机械式的
或者是光学式的敏感元件
来感应被测量的变化
那么在这个当中
光纤只是具有传的功能
下面就是一个典型的
非功能多普勒测速系统
那么用它做成了光纤传感器
在这个光纤传感器当中
光纤起的作用就是一个传的作用
接下来我们看看
光纤传感器当中
对于功能型的光纤传感器
从制造的角度来说
它的难度是比较大的
结构也比较复杂
调整起来也比较困难
非功能型的光纤传感器
它的结构相对而言是简单可靠的
技术上也比较容易实现
但是它的灵敏度和测量精度
相对功能光纤而言
是比较低的
那么因此我们说
对于光纤传感器而言
一般是由光源、光纤
光电元器件组成
根据光纤传感器的用途
和光纤的类型
对光源一般要提出
功率和调制的要求
那么我们下面看看
所谓的常用的光源
一种是激光二极管
它的特点是亮度比较高
易调制，尺寸小
那么另外一种是发光二极管
它的结构相对简单
温度对发射功率影响相对也比较小
此外我们还可以采用
我们经常见到的白炽灯作为光源
那么下面我们看一看
光纤传感器它还有哪些特点
那么应该说光纤传感器
是以光波为信息的载体
以光纤为传输的媒质
那么首先它是不受电磁场的干扰
导光性能呢好
并且还能够耐高温
绝缘性也比较好
另外呢光纤比较细
而且柔软
对于在防爆的环境和耐腐蚀环境当中
以及耐水性方面都比较好
那么它的传输容量比较大
灵敏度也比较高
使用范围比较广泛
响应速度当然也是很快的
通常情况下在恶劣的环境
它也能够进行非接触式测量
以及非破坏性测量
特别是进行远距离的测量
对于光纤传感器而言
它的几项关键技术
首先第一条是4S+R技术
也就是Sensitivity
Selectivity
Stability
standardization
Reliability
这4S+R技术
那么接下来是光源功率稳定技术
在这个当中
电流控制，功率控制
温度控制，噪声控制
都是光纤传感器的重要的关键技术
在信号检测技术方面
那么有强度的检测
波长检测
相位检测以及偏振态检测
和弱信号放大等等技术
最后当然就是
整个光纤传感器系统的智能化技术
-测试技术发展与研究内容 (The development of measurement technology)
-测量的本质与基本前提 (The precondition and foundation of measurement)
-标准及其单位 (Standards and Units)
--标准及其单位
-本章小结 (Chapter summary)
--本章小结
-测试信号分析与处理基础知识 (Basic knowledge of signal processing)
-周期信号的频域描述 (Fourier series)
-非周期信号的频域描述 (Fourier transform)
--非周期信号的频域描述 (Fourier transform)
-Class Exercise1
-Homework1
-傅里叶变换的性质 (The property of Fourier transform)
--傅里叶变换的性质 (The property of Fourier transform)
-功率信号的傅里叶变换 (Fourier transform of power signal)
--功率信号的傅里叶变换 (Fourier transform of power signal)
-本章小结 (Chapter summary)
-Class Exercise2
-Homework2
-随机信号的描述 (Description of random signal)
--随机信号的描述 (Description of random signal)
-随机过程主要特征参数 (Characteristic parameters of stochastic process)
--随机过程主要特征参数 (Characteristic parameters of stochastic process)
-相关分析 (Correlation analysis)
-功率谱分析与巴塞伐尔定理 (Power spectral analysis and Parseval’s theorem)
--功率谱分析与巴塞伐尔定理 (Power spectral analysis and Parseval’s theorem)
-Class Exercise3
-Homework3
-数字信号处理概述 (Outline of digital signal processing)
--数字信号处理概述 (Outline of digital signal processing)
-离散傅里叶变换 (Discrete Fourier transform)
--离散傅里叶变换 (Discrete Fourier transform)
-离散傅里叶变换的性质 (The property of discrete Fourier transform)
--离散傅里叶变换的性质 (The property of discrete Fourier transform)
-采样定理 (Sampling theorem)
-泄漏与加窗 (Spectral leakage and windowing)
--泄漏与加窗 (Spectral leakage and windowing)
-栅栏效应 (Picket fence effect)
-快速傅里叶变换 (Fast Fourier transform)
--快速傅里叶变换 (Fast Fourier transform)
-Class Exercise4
-Homework4
-测试系统概述 (Outline of the measurement system)
--测试系统概述 (Outline of the measurement system)
-测量误差 (Measurement error)
-测试系统的静态特性 (Static characteristics)
--测试系统的静态特性 (Static characteristics)
-测试系统的动态特性 (Dynamic characteristics)
--测试系统的动态特性 (Dynamic characteristics)
-Class Exercise5
-Homework5
-伯德图与奈奎斯特图 (Bode plot and Nyquist plot)
--伯德图与奈奎斯特图 (Bode plot and Nyquist plot)
-一阶惯性系统 (First-order system)
-二阶惯性系统 (second-order system)
--二阶惯性系统 (second-order system)
-测试系统对典型激励的响应函数 (The response function of typical signal stimulus)
--测试系统对典型激励的响应函数 (The response function of typical signal stimulus)
-测试系统实现精确测量的条件 (The preconditions of accurate measurement)
--测试系统实现精确测量的条件 (The preconditions of accurate measurement)
-测试系统的负载效应 (Loading effect)
-Class Exercise6
-Homework6
-被测量获取的基本概念 (Outline of sensors)
--被测量获取的基本概念 (Outline of sensors)
-传感器的分类 (The category of sensors)
--传感器的分类 (The category of sensors)
-电阻式传感器 (Resistive sensors)
-Class Exercise7
-Homework7
-电感式传感器 (Inductive sensors)
-电容式传感器 (Capacitive Sensors)
-压电传感器 (Piezoelectric sensors)
--压电传感器 (Piezoelectric sensors)
-磁电式传感器 (Magnetic sensors)
-Class Exercise8
-Homework8
-霍尔传感器 (Hall sensors)
-图像传感器 (CCD image sensor)
-光纤传感器 (Fiber optic sensor)
-传感器选用原则 (Selection principles of sensors)
--传感器选用原则 (Selection principles of sensors)
-Class Exercise9
-Homework9
-测试信号转换绪论 (The introduction of signal conditioning)
--测试信号转换绪论 (The introduction of signal conditioning)
-电桥 (Bridge circuit)
-调制与解调 (Modulation and demodulation)
--调制与解调 (Modulation and demodulation)
-Class Exercise10
-Homework10
-滤波器概述 (Outline of filter)
-滤波器的一般特性 (The characteristics of filter)
--滤波器的一般特性 (The characteristics of filter)
-滤波器的类型介绍 (The category of filter)
--滤波器的类型介绍 (The category of filter)
-滤波器的综合运用与MATLAB实现 (The application of filter and MATLAB realization)
--滤波器的综合运用与MATLAB实现 (The application of filter and MATLAB realization)
-Class Exercise11
-Homework11
-虚拟仪器技术概述
--虚拟仪器技术概述
-Class Exercise12
-Homework12
