传感器原理第九章 光纤传感器

第九章光纤传感器第一节光纤的传光原理与特性一、光纤的结构二、光纤的传光原理三、光纤的传光特性第二节传输光的调制技术一、光强度调制二、光相位调制三、偏振调制四、频率调制第三节强度调制光纤传感器一、光纤水深探测器二、透射式光纤温度传感器三、反射式光纤位移传感器第四节相位调制光纤传感器第五节偏振调制光纤电流传感器第六节频率调制光纤血流传感器第九章光纤传感器1970年，美国康宁玻璃公司研制成功传输损耗为20db/km的光导纤维。

光导纤维的诞生，是20世纪人类的重要发明。

现已广泛应用于工程技术、及通讯技术。

光导纤维作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通讯技术，但人们在实际光通讯过程中发现，光导纤维受到如压力，温度、电场、磁场等外界环境因素变化的影响时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等的变化。

若能测量光波量的变化，就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小。

于是，诞生了光导纤维传感器技术。

光纤传感器亦称光导纤维传感器，光纤传感器技术是70年代末发展起来的一门崭新技术，是传感器技术领域里的新成就。

光导纤维传感器技术是随着光导纤维的实用化和光通讯技术的发展而发展起来的，它与以电为基础的传感器相比有本质的区别。

光纤传感器是以光来作敏感信息的载体，用光导纤维作为传递敏感信息的媒质。

光导纤维传感器同时具有光导纤维及光学测量的一些宝贵的特点：灵敏度高、结构简单、体积小、耗电量少、耐腐蚀、绝缘性好、光路可弯曲、抗电磁干扰、对被测场不产生影响、易实现对被测信号的远距离测控。

光纤传感器技术是一门多学科性科学，涉及到的知识面广泛，如光纤光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术、计算机应用等。

本章重点介绍光纤传感器原理、分类、及典型应用。

第一节光纤的传光原理与特性一、光纤的结构光导纤维简称光纤，光纤是用石英玻璃或塑料等光透射率高的电介质材料制作的极细的纤维，在结构上是由纤芯、包层和护套三部分组成，如图9－1所示。

图9－1 光纤的基本结构纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制作，纤芯的折射率n 1大于包层的折射率n 2；纤芯的直径约5～75μm，包层(玻璃、塑料）的直径约100～200μm。

护套一般为带色的尼龙外套，一方面增加光纤的机械强度，另一方面可以颜色区分不同类型的光纤。

光波实质上是光场电磁波，根据电磁场理论，可建立光波麦克斯韦方程，称之为光场的波动方程，此方程的系列独立（不同频率）的离散解，称之为光场模式。

光场模式中频率最低的模，称之为基模，只能传输一种光场模式（基模）光波的光纤，称之为单模光纤；同时能传输多种光场模式光波的光纤，称之为多模光纤。

单模光纤的纤芯直径通常为3～10μm，比其传输的光波长略大，其横截面是纤芯细、包层厚，制造、连接困难，但光传输性能好。

多模光纤的纤芯直径通常为50～70μm，比其传输的光波长大很多倍，其横截面是纤芯粗、包层薄，制造和连接较容易。

按光线理论，光在纤芯中的折射率不同又分为阶跃光纤和梯度光纤，如图9－2所示。

（多膜光纤）（a）阶跃折射率（b）梯度折射率图9－2 阶跃型光纤和梯度型光纤图9－2（a）是阶跃型光纤，光波的折射率沿纤芯径向为定值n1，在包层中的折射率为n2，在纤芯和包层的界面处折射率发生阶跃变化。

图9－2（b）是梯度型光纤，光波的折射率沿径向呈抛物线型分布，在纤芯中心轴上最大，而后沿径向按一定梯度（dn/dr）逐渐变小。

无论是哪一种光纤，我们所要求的是：进入光纤中的光要能在纤芯中传输，而不要溢出纤芯。

若把在纤芯中传输的光称之为传导模，进入包层的光称之为辐射模；则要求传导模尽可能大，辐射模尽可能小，从而获得最小的传输损耗。

利用石英玻璃等高透射率电介质材料制作的光纤，是可见光至近红外光最理想的传输媒体。

二、光纤的传光原理光纤导光是利用光传输的全反射原理。

严格地用光场电磁波的理论分析光波在光纤中的传输原理是十分复杂的，工程中一般把光波在光纤中的传输看成光线在光纤中传输，从而以光线理论近似描述光纤的传光原理。

1．光的折射与反射根据光线理论，当光线由光密物质（折射率大）入射至光疏物质（折射率小）时，其折射角φc大于入射角φ，如图9－3所示。

图中折射率n1大于n2，在光密物质与光疏物质的界面处,光纤将产生折射或反射。

在图9－3（a）中，入射角φ小于临界入射角φm 时，入射至界面的光线以折射方式进入到光疏物质中去；图9－3（b）为光线处于临界入射和折射状态；图9－3（c）中，入射角φ大于临界入射角φm 时，入射至界面的光线以全反射的方式返回光密物质。

（a）φ＜φm （b）φ=φm （c）φ＞φm 图9－3 光的折射与反射2．光在光纤中的传输由上分析可知，能在光纤中传输的光线是那些满足全反射条件的光线，光在阶跃光纤中的传输如图9－4所示，只要当界面入射角φ大于其临界入射角φm时，进入纤芯的光就可以以全反射的方式沿纤芯的轴向传输。

图9－4 光在阶跃光纤中的传输光从光疏物质进入光密物质由图9－4可知，端面入射角θi↑―θс↑―φ↓，为确保φ＞φm，则要求θi＜θi m，即要求端面轴向入射角θi限定在其最大的轴向入射角θi m之内，就可以使光线在纤芯中以全反射的方式传输。

这种以全反射方式在纤芯中传输的光线主要有子午光线和斜光线，子午光线是指与纤芯轴线相交的反射线，包含子午光线的平面叫子午面，圆柱体光纤中包含纤芯轴线的平面都是子午面。

在阶跃光纤中传输的光线，能满足全反射条件的除了子午光线之外，还有一种斜光线；斜光线在纤芯中传输时并不保持在同一平面内，且不与纤芯轴线相交，如图9－5所示。

━θ图9－5 阶跃光纤中的斜光线由图9－5可知，光线由X 点入射至纤芯后，在纤芯内是以相同折射率的斜线XY－YZ 传输的，斜光线XYZ在纤芯横截面上的投影折线XMN组成一个内接正多边形。

斜光线传输到界面处都要产生全反射，每次反射后形成的轴向角θ相等，相应地投影折线角β保持不变。

━梯度光纤中满足全反射的光线也有子午光线和斜光线。

图9－6是梯度光纤中子午光线的传输方式，所有满足全反射的子午光线，都按相同空间周期的正弦曲线传输。

图9－6 梯度光纤中的子午光线不同入射角的光线，其正弦曲线的振幅R m不同；但各种入射角的子午光线都能定期地自动会聚到一点，因而梯度光纤又称之为自聚焦光纤。

正弦子午光线的振幅R m随入射角减小，在纤芯轴线处入射且入射角为0的光线将沿着纤芯轴线传输，其振幅为0 。

正弦子午光线的周期L T = 2π/α，式中α（rad/m）由光纤折射分布决定。

自聚焦光纤可以取到透镜的作用，即可以会聚光线和成像。

这种利用折射率的梯度变化来会聚光线的方法，可以做得很小，可以获得超短焦距，这是一般透镜难以做到的。

（2）纤芯光吸收光纤在制作时，纤芯中会有一些微量杂质离子，如过渡金属正离子铜（Cu2+）、铁（Fe2+）、铬（Cr3+）、钴（Co2+）等，光在纤芯中遇到这些微量杂质离子时，将会产生光吸收损耗；同时伴随有光的散射现象，而引起辐射损耗。

随着光纤制造工艺不断完善，光纤的光损耗越来越小，70年代损耗率达10～20（dB/km），即光传输1km，光功率就要下降到入射光功率的1/10以下。

现在的损耗率已达到1dB/km以下(80/%)，50km的光纤通信无中继已成为现实。

存在光线损耗、光的散射，非线性等因素影响。

目前，单模光纤已超过120Km。

第二节传输光的调制技术传输光的调制是指将被测量加载于传输光的光波之上，使传输光的某些性能参数发生变化，这一技术是光纤传感器的物理基础和关键技术。

按照光性能的调制方式分类，光纤传感器可以分为强度调制型、相位调制型、偏振调制型和频率调制型等四类。

同一种调制技术，可实现对多种不同物理量的检测；检测同一个物理量，可以采用不同的调制技术。

在这一节里，将分别介绍上述几种调制技术。

一、光强度调制光强度调制分内调制和外调制两种形式。

内调制过程发生在光纤内部，是通过光纤本身特性改变来实现光强度的调制；即光纤既是光的传导媒质，又是光的敏感元件，内调制光纤传感器称之为功能型光纤传感器（微弯）。

外调制是指调制过程发生在光纤之外的环节，此时光纤只作传光媒质，外调制光纤传感器又称为非功能型光纤传感器或传光型光纤传感器（透射式光纤温度传感器）。

无论是哪种光强调制，其调制方式主要有微弯、反射和透射三种。

1．微弯调制当光纤发生弯曲时，将引起界面入射角φ发生变化，若当φ＜φm时，入射到界面的光将发生折射而形成辐射模，引起纤芯中传导模强度减小，其调制方式如图9－7所示。

当光纤受微弯板作用产生弯曲时，使原沿纤芯轴线传输的传导模中的一部分（φ减小）泄漏到包层中，成为辐射模，如图9－7（b）所示，使纤芯中的传导模减少。

作用力F 越大，光纤微弯程度增加，纤芯的传导模损耗越大，从而实现对传导光波强度的调制。

图9－7 光强度微弯调制方式φ在发射光纤和接收光纤之间插入被测对象，如图9－8所示，当发射光强度一定时，被测对象的变化将引起接收光强度的变化，因而被测对象起到了光强度透射调制的作用。

图9－8 光强度透射调制方式图9－8（a）中的被测对象一般为光吸收物质，被测对象的规律变化，将引起接收光强度的规律变化。

图9－8（b）是通过遮光盘的上下移动来调制透射到接收光纤中的光强度。

由上分析可知，微弯调制属功能型光纤调制，透射调制和反射调制都属于非功能型光纤调制。

它们广泛应用于测力、位移、温度等光纤传感器中。

如图9－9所示，接收光纤接收到的光强度，将直接受被测物端面对光的反射特性调制。

通常被测物表面涂有反光物而形成反光面，当发射光强度一定时，接收光强度的大小将由反光面到光纤端面的距离X 来调制图9－9光强度反射调制方式二、光相位调制光波的相位调制可以获得很高的灵敏度，因而在光纤传感器中应用十分广泛。

但光电探测器不能直接测量光波的相位变化，目前采用干涉技术将相位变化转换为强度变化，通过对强度的检测实现对光波相位的测量。

因此，光波的相位调制技术离不开相位干涉测量技术。

1．相位调制机理光波的相位由光波长λ0（真空）、介质折射率n及介质长度L 决定，即当光纤受到被测对象的作用而引起结构尺寸的变化和内应力的变化时，将导致纤芯的折射率n或光纤的长度L发生变化，从而实现光波的相位调制。

2．干涉测量方法(采用单模光纤）0/2λπϕnL =ϕ（9－7）满足频率相同、振动方向平行、相位差恒定的两束简谐光波相遇时，在光波重叠区，某些点合成光强大于分光强之和，在另一些点，合成光强小于分光强之和，合成光波的光强在空间形成强弱相见的稳定分布，光波的这种叠加称为相干叠加，即光波的干涉现象。

能产生相干叠加的两束光称相干光。

如图获得相干光的方法，杨氏双缝实验。

在干涉测量时，通常取一相干光为参考，另一相干光感受被测对象的调制，调制后光相位的变化引起两相干光相位差∆ψ发生变化，导致干涉光强度A 的变化。