光纤传感器的应用研究

光纤传感器的应用研究

孙义才 2011301510103 电科三班

摘要：光纤传感技术是一门新的科学技术，也是信息社会的一个重要技术基础，在当代高科技中占有十分重要的位置。该技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术和密集型前沿技术。本课题主要了解光纤导光的基本原理及其在传感技术上应用的物理基础，重点研究光纤传感器敏感的物理量、光纤传感器的基本类型及其相关应用。

关键词：传感器；光纤通信；禁带宽度；光纤传感温度计；光纤传感压强计。

1.序言

光纤传感技术是二十世纪七十年代左右随着光纤通信技术的萌芽而迅速建立起来的，通过以光波这一载体并光纤这一媒质，起到具有感知与信号传输的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

现阶段，光纤传感领域在世界中的发展大致分为两大方面：应用开发与相关原理性研究。

2.1光纤传感器的结构原理

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(a)。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(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成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。

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

A——电场E的振幅矢量；ω——光波的振动频率；

φ——光相位；t——光的传播时间。

可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。

2.2光纤传感器的分类

光纤传感器的分类有多种形式，可以根据光纤在传感器中的作用进行分类，也可以根据光受被测对象的调制形式进行分类

2.2.1根据光纤在传感器中的作用分类

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。

光发送器

光纤敏感元件

信号处理光受信器

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。

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。

2.2.2根据光受被测对象的调制形式分类

（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。

（2）偏振调制光纤传感器

是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内

传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。

（3）频率调制光纤传感器

是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有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射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。

（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。

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? ??=12arcsin n n C θ 3 光纤传感器敏感的物理量

光纤传感器可分为干涉型和非干涉型，可通过相位，频率，强度和偏振调制等方式实现对不同物理量的测量[3]，具体内容如表1所示： 表1 光纤传感器的分类和测量的物理量

传感器 光学现象

被测量 光纤 分类 干涉型

相位调制光线传感器

干涉（磁致伸缩）

电流、磁场 SM 、PM 1 干涉（电致伸缩）

电场、电压 SM 、PM 1 Sagnac 效应 角速度 SM 、PM 1

光弹效应

振动、压力、加速度、位移 SM 、PM 1 干涉

温度 SM 、PM 1 非干涉型 强度调制光纤遮光板遮断光路 温度、振动、压力、加速度、位移 MM 2

温度传感器

半导体透射率的变化温度MM 2

荧光辐射、黑体辐射温度MM

2

光纤微弯损耗振动、压力、加速度、位移SM 2 振动膜或液晶的反射振动、压力、位移MM 2 气体分子吸收气体浓度MM 2 光纤漏泄膜液位MM 2

偏振调制光纤温度传感器

法拉第效应电流、磁场SM 2、1 泡克尔斯效应电场、电压MM 2 双折射变化温度SM 2 光弹效应振动、压力、加速度、位移MM 2

频率调制光纤温度传感器

多普勒效应速度、流速、振动、加速度MM 3 受激喇曼散射气体浓度MM 2 光致发光s 温度MM 2

注：SM单模；MM多模；PM偏振保持；1、2、3功能型、非功能型、拾光型

物理型光纤传感器原理：光纤对环境变化十分敏感，物性型光纤传感器是运用了这一特性，把输入的物理量转变成调制光信号。光纤的光调制效应是其基本工作原理，例如压力、温度、磁场、电场等发生改变时，其传光特性（如光照强度与相位会发生变化），以上均是光纤所受外界环境因素。根据这些因素，若能测量出通过光纤的光照强度与光相位变化，即可知晓需测得的变化物理量。

激光器的点光源光束扩散为平行波，分光器把光束分成两路，分别为基准光路、测量光路。当外界参数如压力、温度、振动等引起光纤长度与相位的光相位变化时，从而产生了数量不同的干涉条纹，对其模向移动进行统计，则可以测量到温度、压力等参数。

结构型光纤传感器原理：结构型光纤传感器是光检测功能的光敏元件和光纤传输回路以及测量电路组成的测量系统。其光纤作为光的传播媒介，故又称为传光型（非功能）光纤传感器，如图3所示。

图3结构型光纤传感器工作原理示意图图 4 拾光型光纤传感器工作原理示意图

拾光型光纤传感器原理：拾光型光纤传感器把光纤作为探头，目的是接收被测对象所辐射的光以及被其所散射或反射的光。辐射式光纤温度传感器、激光多普勒速度计等均是具有代表性的例子。如图4所示。

4 光纤传感器的基本类型

最近几十年光纤传感器领域得到迅速发展，这一新型传感器不仅有抗电磁干扰、绝缘性好、高灵敏度、低重量、还能在一系列如恶劣环境等条件下工作的优点，因此具有非常广泛的应用前景。现已有测量电流、压力、温度、位移、加速度等多种物理量的光纤传感器。以下从光纤传感器的类别出发，分别介绍光强、相位和偏振态调制型等几类光纤传感器的基本特点及其应用原理[4]。

3.1 光强调制型

这是一种运用变化被测量量引起光纤内光强变化传感器。导致光纤中光强发生变化的因素为：1）改变光纤的微弯状态，2）改变光纤对光波的吸收特性，3）改变光纤包层的折射率。接下来则分别讨论运用以上三个因素制成的光强调制型光纤传感器的原理。

（1）改变光纤的微弯状态

运用微弯效的光纤位移传感器的原理如图5。运用多模光纤在受到弯曲时，其中芯模能量中的一部分将转化成包层模式能量，通过测包层模式能量的改变来测量位移。如光纤报警器正是运用这一原理制成，其基本原理是光纤弯曲排布在地毯内，若有人站在地毯上，则会引起地毯内光纤形变，从而引起光纤内光强变化，系统识别光强变化后，发出报警信号。

图5 光纤移位传感器原理图

（2）改变光纤对光波的吸收特性

若想让光纤输出功率降低，则需要使X射线和γ射线的光纤材料吸收损耗增加。运用这一原理可制作光纤辐射传感器，该类传感器可检测核电站等有辐射的设备大范围环境监测。此外光纤紫外光传感器的运用原理和上述原理类似。紫外光照射光纤从而激发出荧光，利用荧光强弱来探测紫外光的光强。特殊的光纤材料是制成这一类传感器的关键。

（3）改变光纤包层的折射率

全内反射光纤传感器原理如图6所示。其光纤端面角度与临界角恰好相等。输入纤芯的光会从端面发生全反射，经反射镜沿原路输出。当被测参量产生变化时，光纤端面包层的折射率产生改变，改变全反射的条件，从而输出的光强降低。运用此原理可以制作光纤折射率计、光纤液体浓度传感器等等。

图6 全内反射光纤传感器原理图图7 Michelson光纤干涉仪原理图

3.2 相位调制型

相位调制型光纤传感器是利用光纤本身作为敏感元件，通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。光纤中光的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。简单地说，将被测量转为光的波长或光程差的变化，从而使相位发生变化的方法称为相位调制。Michelson光纤干涉仪原理如图7所示。该类传感器利用一个光纤定向耦合器构成的双光束干涉仪，两光纤之一为参考臂，另一为传感臂。需测量的参量改变将会直接导致干涉仪中传感臂光纤的长度L(对应于光纤的弹性变形)与折射率改变，进而导致光纤中光波的相位发生变化。假设将压电材料或磁致伸缩材料固定于传感臂上，即可运用它们对光纤引起的压力变化来测量弱电场或者弱磁场。假设将在传感臂镀上一层金属薄膜，即可运用电流的热效应来检测电流变化。

3.3 偏振态调制型

偏振态调制型传感器是一种利用检测被测参量引起光纤内光波偏振态变化量的传感器，检测大电流的光纤传感器是该类传感器的典型代表。光纤材料中的法拉第效应是制成这类传感器基本的原理。图8是其基本原理图。当光纤处在磁场中时，由于磁场的作用，光纤

中光波偏振面发生旋转。满足KHL =θ（L ：光纤长度，H ：磁场强度，K ：光纤材料系数）。一般只要测出L ，R 即可求出电流（R I H π2/=，R KLI 2/=θ，R ：光纤与载流导线间垂直距离）。虽然这从测量电流的方法具有高灵敏、大范围测量、电绝缘等特性，但是现实中存在着外界环境因素干扰等缺陷，从而导致测量误差的发生。

图8 偏振态调制型原理图

4 光纤传感器的相关应用研究

随着光纤传感器相关技术的不断推进，各类传感器发展日益成熟，光纤传感器在各个领域中都有着广泛的用途。医学领域、石油领域均已广泛运用了此类技术，对其相关应用研究具有代表性。在医学中的应用医用光纤传感器目前主要是传光型的，以其小巧、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高及与生物体亲合性好等优点备受重视。在石油领域的光纤传感石油测井技术中，以其抗腐蚀、高温、高压、地磁地电干扰以及灵敏度高的优点备受关注。接下来将详细介绍这两大领域的光纤传感器研究。

5.1 医学领域中光纤传感器的应用

5.1.1 压力测量

当前临床医学中应用的压力传感器基本是用来监测人体血管内的血压、颅内压、膀胱、尿道压力与心内压等。例如测量血压的压力传感器如图9所示，其中测量压力大小的部分是探针导管末端侧壁上的一层防水薄膜，悬臂上带有的微型反射镜与薄膜相连，中心光纤束正对反射镜，作用是传递入射光到反射镜，同时也把反射光传递出来。当压力作用在薄膜上时，薄膜将发生形变并带动悬臂改变反射镜角度，由光纤传出的光束照射到反光镜上，然后又反射到光纤的端点。因为反射光的方向随反射镜角度的变化而变化，由此光纤所接收的反射光强也会发生改变。改变光纤传到另一端的光电探测器进而变成电信号，所以通过电压的变化即可知晓探针处的血压参数。

图9 光纤体压计探针

5.1.2 血流速度的测量

光纤速度多普勒型传感器在临床上主要用于测量皮下组织血流速度，如图10所示。该

装置测量系统结构简单，利用了光纤的端面反射现象。频率为f的激光射入透镜，光纤植入到人体的表皮组织。如血管壁等等，所反射的光不会发生频移；但是相对于皮层毛细血管里平均流速为V的红细胞，反射光将会产生频移（频率变化为 f）；产生频移的反射光强和红细胞的浓度满足正比关系。光纤收集发射光后，会先在光检器上进行混频，之后由人信号处理仪进行数据分析，从而分析得到人体红细胞平均流动速度V与浓度C[5]。

图10 测量血流速度的多普勒速度传感器图11 测定pH值的光纤光谱仪

5.1.3 pH值的测定

测定血液pH值与活体组织相关的光纤光谱传感器示意图如图11所示。利用透射与发射光的强度随波长的分布光谱来进行测量是其工作原理。此类传感器将两根光纤插入可以透过离子的纤维素膜盒中，并且有相关试剂装入膜盒内，若把针头插入血管或者人体组织后，体液会渗入到试剂之中，由于试剂能吸收某种波长的光，因此利用光谱分析仪分析这类变化，即可得出组织与血液的pH值。

5.1.4 图像传输

传输型光纤传感器应用中在医疗上的图像传输具有一个特点，仅将多组光纤组成光纤束，图像空间量子化的传感器便可制成。通过这一原理的应用，已产生的各种内窥镜增加了检查人体的各个部位的可能性。这些内窥镜使用的光导纤维不仅柔软、自由度大、直径小，而且传输图像失真小，大大降低了病人的痛苦。光纤内窥镜在诊断、治疗等医疗领域不断发展，如光纤血管镜已逐渐用于人类的心导管检查中；在进行激光血管造影成形术时，血管镜可以给医生提供很多有价值的参数，引导激光辐射的方向，选择激光的强度及持续时间，并能最快时间上掌握造影成形术后的治疗效果[6]。

5.2 石油测井中光纤传感器的应用

5.2.1 光纤传感器测定持气率

持气率的检测是使用对液体光学指数感应灵敏的传感器来进行的，其光学系统如图12所示。

图12 光学系统示意图

一只发光二极管发出的光射入到光纤内，然后向上传输于蓝宝石探头的尖端处。液体光学指数存在差异，所以部分光会被反射到光电二极管内。光电二极管将这些光处理成电信号。若检测到气体物质时，反射光量较高，但检测到液体物质时，信号的幅值很低，因此气、液信号大小之间差异很大。于是设定了某个阈值，将气、液进行区分(气＜阀值＜信号) [7]。

5.2.2 非本征F-P腔型光纤传感器（Optical Fiber Fabry-Perot Sensor）压力与温度的测量

F-P光纤传感器的基本原理是将特定物理量（如压力P）的变化量(如ΔP)，通过F-P光纤传感器转换成光通量的变化ΔI，利用光电转换技术将光的变化量转变成计算机可识别的数字信号，并给予精密标定，从而实现物理量的监测。

非本征光纤F-P腔传感器主要是基于光的多光束干涉原理，利用温度、压力变化与光纤F-P腔之间的对应关系从而测得压力与温度。此传感器工作原理如图13所示。

图13 非本征F-P腔型光纤传感器系统原理图

图中的SLED是专为光纤传感器等特殊相关领域设计的超宽带光源。SLED相对于一般的宽带光源具有输出功率高、覆盖光谱范围宽等特点。相关电路控制SLED的输出，从而确保输出功率和谱线的稳定。其具有简便和智能的操作与远程控制等特性[8]。

5.2.3 利用光纤传感器和纳米技术测定油井的含水率

依据光纤的弯曲损耗原理可以测定油井的含水率。由于油、水和天然气的折射率存在差异，该混合物的折射率随油、水、气之间比率不同而不同。电容法这一传统方法能区分水和烃(如天然气)，由于油与气的电容效应相似，所以电容法不能区分油和气。而利用光线传感技术则可以区分，光纤的输出光强是折射率相关函数，伴随纤芯直径折射率、弯曲半径和纳米涂层的折射率的改变而改变。所以，依据输出的光强，能测需测介质的折射率，从而得出该介质中油与水的比例。

该类光纤传感器系统的原理如图14所示。半导体激光器产生的光源通过聚焦纤维透镜射入光纤。将光束通过耦合器分离后被补偿器捕捉，该补偿器的微处理器可控制激光器的驱动电流，估算温度变化的影响和驱动电流变化量。测出的油水混合物的含水率范围为0%~100%，误差约为1%。

图14 光纤传感器系统的基本原理

6结论

本文先从光通信的原理入手，结合光通信的基本原理详细的介绍了几种不同的光纤传感器。本文设计的光纤温度传感计是透射型半导体光纤温度传感器，当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长λg的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的,λg称为半导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时,电子吸收光能从价带跃迁入导带,显然,要发生本征吸收,光子能量必须大于半导体的禁带宽度E g，因此，对于波长大于λg的光，能透过半导体，而波长小于λg的光将被半导体吸收。半导体材料的E g随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长λg随温度上升而增大。若采用发射光谱与半导体的λg(t)相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而减小。从而实现光纤传感器对温度的检测。

传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤传感器还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务，在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的魅力。因此，光纤传感技术应用的研究具有很好的前景。

参考文献

[1] 姚启均，光学教程（第四版），高等教育出版社，2008。

[2] 吴重庆，光波导理论，清华大学出版社，2000。

[3] 明海，光电子技术，中国科学技术大学出版社，1997。

[4] 丁小平，王薇，光纤传感器的分类及应用原理，光谱学与光谱分析，2006，26(6），1176-1178。

[5] Yao Jianquan，Di Zhigang，Jia Chunrong，et al，Photonic crystal fiber SERS sensors，Infrared and laser engineering，2011，40(1)，96-107。

[6] 孙素梅，陈洪耀，尹国盛，光纤传感器的基本原理及在医学上的应用，中国医学物理学杂志，2008，25(5)，846-850。

[7] 刘敏敏，周峰，杜志顺，光纤传感器在石油测井中的应用，光学与光电技术，2008，6(3)，18-21。

[8] 曹存根，陆汝钤，新型的专家系统开发工具，计算机学报，1991，12(2)，7-9。