现代测试技术作业

《现代测试技术》课程考核论文

班级08机自一班学号14081902715

姓名秦增宾序号47

2011 年 6 月 6 日

光纤传感器的应用研究

摘要本文介绍了光纤传感器研究的目的、意义及其发展趋势，通过分析研究各类光纤传感器的基本原理，设计出了几种功能较完善的光纤传感器。首先从研究光纤传感器的工作原理出发，分析各种光纤传感器的结构和原理，通过对原有光纤传感器的结构和控制机理的分析，结合学过的电子知识，设计光纤传感温度计、光纤传感压强计等。在整个研究过程中采取实验和理论相结合的方式。

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绪论

光纤传感器是70年代末发展起来的一种新型传感器，它具有不受电磁场影响，本质上安全防爆，体积小，耐腐蚀，灵敏度高等优点。可用在传统传感器难以涉足的极端恶劣环境，所以在军事、航空航天、生物医学、建筑施工等领域被受青睐。因此对光纤传感器的研究具有很重要的现实意义。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。光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，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。光纤传感优点：灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。

光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。

①电绝缘性能好。

②抗电磁干扰能力强。

③非侵入性。

④高灵敏度。

⑤容易实现对被测信号的远距离监控

1光纤传感器简介

1.1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。

1.2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

1.2.1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。

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。

1.2.2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。

2几种光纤传感器的设计

2.1光纤传感温度计的设计

这里我们设计的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，即

g E h ≥υ

h —普朗克常数；v —光频率

因λ＝c /v ，则产生本征吸收条件：

g 的光，能透过半导体，而波长小于λg 的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料具有不同的本征吸收波长，图为在室温(20℃)时,120

μm 厚的GaAs 材料的透射率曲线。 GaAs 在室温时的本征吸收波长约为880nm 左右，半导体的吸收光谱与E g 有关，而半导体材料的E g 随温度的不同而不同，E g 与温度t 的关系可表示为：

式中：E g （0）——绝对零度时半导体的禁带宽度；

α——经验常数(eV ／K)；β——经验常数(K)。

对于GaAs 材料，由实验得到

α =5.8×10-4eV/K β=300K

由此可见，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。反映在半导体的透光特性上，即当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。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。即通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变化。 2.2光纤传感压力计的设计

2.2.1弹性元件的光纤压力传感器。

利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就可以实现压力的检测。下图为简单的利用Y 形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。在Y 形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。

它的结构如下图所示：

()eV

E g 522.10=

利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就可以实现压力的检测。下图为简单的利用Y 形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。在Y 形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。

改进型的膜片反射式光纤压力传感器,采用了特殊结构的光纤束，光纤束的一端分成三束,其中一束为输入光纤,两束为输出光纤。三束光纤在另一端结合成一束,并且在端面成同心环排列分布,其中最里面一圈为输出光纤束1,中间一圈为输入光纤束,外面一圈为输出光纤束2。当压差为零时，膜片不变形,反射到两束输出光纤的光强相等,即I1＝I2。当膜片受压变形后,使得处于里面一圈的光纤束,接收到的反射光强减小,而处于外面一圈的光纤束2接到的反射光强增大,形成差动输出。两束输出光的光强之比为:

A —与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；

p —待测量压力。

可见，输出光强比I 2／I l

与膜片的反射率、光源强度等因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。

将上式两边取对数且满足(Ap )2≤1时,等式右边展开后取第一项得到: 这表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。因此，若将I 1、I 2检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。若选用的光纤束中每根光纤的芯径为70μm,包层厚度为3.5μm,纤芯和包层折射率分别为1.52和1.62,则该传感器可获得115dB 的动态范围,线性度为0.25％。采用不同的尺寸、材料的膜片,即可获得不同的测量范围。

2.2.2微弯光纤压力传感器

光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中。

F

D

微弯光纤压力传感器图

原来光束以大于临界角θC的角度θ1在纤芯内传输为全反射；但在微弯处θ2<θ1，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移等物理量。

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] 黎敏，廖延彪.光纤传感器及其应用技术.武汉：武汉大学出版社，2008

[2] 陈杰，黄鸿.传感器与检测技术.北京:高等教育出版社，2002:39-59

[3]王玉田. 光电子学与光纤传感器技术. 北京：光电子学与光纤传感器技术，2003

[4]何友.多传感器信息融合及应用.北京：电子工业出版社，2007

[5]洪志刚.传感器原理及应用.长沙：中南大学出版社，2007

[6]郭团, 赵启大, 刘丽辉等. 光强检测型光纤光栅温变不敏感动态压力传感研究[J]. 光学学报, 2007

[7]黄景堂,黄旭光,赵华伟. 阵列波导光栅解调的准分布式光纤光栅传感器[J]. 光学学报, 2008

[8] 苏辉,黄旭光,邬怡婷. 强度调制型光纤折射率传感器的设计与研究[J]. 光子学报

[9]闫若颖,王月香,李淑悦.光纤传感器的应用[J].科技广场,2005

[10]何慧灵,赵春梅,陈丹等. 光纤传感器现状[J]. 激光与光电子学进展, 2004

[11]钱浚霞,郑坚立光电检测技术北京:机械工业出版社,1993