傳感器原理及應用PrincipleandApplicationofSensors第9章光纖傳感器

FiberOpticSensors光纖傳感器(FOS：FiberOpticalSensor)是20世紀70年代中期發展起來的一種基于光導纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術迅速發展的產物，它與以電為基礎的傳感器有本質區別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質。因此，它同時具有光纖及光學測量的特點。

概論光纖傳感器的特點:①電絕緣性能好。②抗電磁干擾能力強。③非侵入性。④高靈敏度。⑤容易實現對被測信號的遠距離監控。光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量9.1光纖傳感器的基本知識

9.1.1光纖的結構光纖是光導纖維的簡稱，形狀一般為圓柱形，材料是高純度的石英玻璃為主，摻少量雜質鍺、硼、磷等。光纖的結構如圖所示。纖芯的折射率比包層的折射率稍大，當滿足一定條件時，光就被“束縛”在光纖里面傳播。9.1.2光纖的傳光原理如圖，根據幾何光學理論，當光線以某一較小的入射角，由折射率為n1的光密物質射向折射率為n2的光疏物質(即n1＞n2)時，則一部分入射光以折射角折射入光疏物質，其余部分以角度反射回光密物質，根據折射定律(斯涅爾定律)，光折射和反射之間的關系為：當光線的入射角增大到某一角度時，透射入光疏物質的折射光則沿界面傳播，即＝90°，稱此時的入射角為臨界角。那么，由斯涅爾定律得臨界角僅與介質的折射率的比值有關當入射角＞時，光線不會透過其界面，而全部反射到光密物質內部，也就是說光被全反射。根據這個原理，如圖所示，只要使光線射入光纖端面的光與光軸的夾角小于一定值，則入射到光纖纖芯和包層界面的角就滿足小于臨界角的條件，光線就射不出光纖的纖芯。光線在纖芯和包層的界面上不斷地產生全反射而向前傳播，光就能從光纖的一端以光速傳播到另一端，這就是光纖傳光的基本原理?？梢宰C明，該入射角為光纖的“數值孔徑”NA，9.1.3光纖的種類1．按材料分類1)高純度石英(SiO2)玻璃纖維這種材料的光損耗比較小，在波長時，最低損耗約為0.47

dB/km。鍺硅光纖，包層用硼硅材料，其損耗約為0.5

dB/km。2)多組分玻璃光纖用常規玻璃制成，損耗也很低。如硼硅酸鈉玻璃光纖，在波長時，最低損耗為3.4

dB/km。3)塑料光纖用人工合成導光塑料制成，其損耗較大，當時，達到100～200

dB/km。但其重量輕，成本低，柔軟性好，適用于短距離導光。2．按折射率分類分為階躍折射率光纖和漸變折射率光纖，如圖所示。在纖芯和包層的界面上，纖芯的折射率不隨半徑而變,但在纖芯與包層界面處折射率有突變的稱為階躍型；而光纖纖芯的折射率沿徑向由中心向外呈拋物線由大漸小，至界面處與包層折射率一致的稱為漸變型。3．按光纖的傳播模式分類根據傳輸模數的不同，光纖可分為單模光纖和多模光纖。什么是光纖的傳播模式？光纖傳輸的光波，可以分解為沿縱軸向傳播和沿橫切向傳播的兩種平面波成分。后者在纖芯和包層的界面上會產生全反射。當它在橫切向往返一次的相位變化為的整倍數時，將形成駐波。形成駐波的光線組稱為“?！保凰请x散存在的，亦即一定纖芯和材料的光纖只能傳輸特定模數的光。單模光纖纖芯直徑僅有幾微米，接近波長。其折射率分布均為階躍型。單模光纖原則上只能傳送一種模數的光，常用于光纖傳感器。這類光纖傳輸性能好，頻帶很寬，具有較好的線性度；但因芯小，難以制造和耦合。多模光纖允許多個模數的光在光纖中同時傳播，通常纖芯直徑較大，達幾十微米以上。由于每一個“?！惫膺M入光纖的角度不同，它們在光纖中走的路徑不同，因此它們到達另一端點的時間也不同，這種特征稱為模分散。特別是階躍折射率多模光纖，模分散最嚴重。這限制了多模光纖的帶寬和傳輸距離。漸變折射率多模光纖纖芯內的折射率不是常量，而是從中心軸線開始沿徑向大致按拋物線形成遞減，中心軸折射率最大，因此，光纖在纖芯中傳播會自動地從折射率小的界面向中心會聚，光纖傳播的軌跡類似正弦波形，如圖所示，具有光自聚焦效果，故漸變折射率多模光纖又稱為自聚焦光纖。因此漸變折射率多模光纖的模分散比階躍型小得多。9.1.4光纖傳感器的基本組成構成光纖傳感器除光導纖維之外，還必須有光源和光探測器，另外還有一些光無源器件。示例：遮光式光纖溫度計

光無源器件是一種不必借助外部的任何光或電的能量，由自身能夠完成某種光學功能的光學元器件，光無源器件按其功能可分為光連接器件、光衰減器件、光功率分配器件、光波長分配器件、光隔離器件、光開關器件、光調制器件等。發光二極管激光二極管光源專用的光纖連接頭及光纖插座光纖與電光轉換元件耦合時，兩者的軸心必須嚴格對準并固定，可使用專用的連接頭及光纖插座來完成。光電轉換器件采用光電二極管9.2光纖傳感器的分類及其工作原理光纖傳感器與電類傳感器的對比分類內容光纖傳感器電類傳感器調制參量光的振幅、相位、頻率、偏振態電阻、電容、電感等敏感材料溫-光敏、力-光敏、磁-光敏溫-電敏、力-電敏、磁-電敏傳輸信號光電傳輸介質光纖、光纜電線、電纜9.2.1光纖傳感器分類1．功能型光纖傳感器如圖，它指利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。功能性光纖傳感器中光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素的作用下，其光學特性(光強、相位、頻率、偏振態等)的變化來實現“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續的。由于光纖連續，增加其長度，可提高靈敏度。這類傳感器主要使用單模光纖。2．非功能型(傳光型)光纖傳感器這類光纖傳感器中光纖僅起導光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質的功能元件完成，光纖在系統中是不連續的。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現，成本低；但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。非功能型光纖傳感器使用的光纖主要是數值孔徑和芯徑大的階躍型多模光纖。傳感探針型光纖傳感器:光纖把測量對象輻射的光信號或測量對象反射、散射的光信號傳播到光電元件上,通常使用單?；蚨嗄９饫w。典型的例子有光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。傳感器光學現象被測量光纖分類干涉型相位調制光纖傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應光彈效應干涉電流、磁場電場、電壓角速度振動、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非

干

涉

型

強度調制光纖溫度傳感器遮光板遮斷光路半導體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振調制光纖溫度傳感器法拉第效應泡克爾斯效應雙折射變化光彈效應電流、磁場電場、電壓、溫度振動、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb頻率調制光纖溫度傳感器多普勒效應受激喇曼散射光致發光速度、流速、振動、加速度氣體濃度溫度MMMMMMcbb注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型光纖傳感器的分類9.2.2光調制技術調制技術是指在時域上用被測信號對一個高頻信號(如光纖傳感器中的光信號)的某特征參量(幅值、頻率或相位等)進行控制，使該特征參量隨著被測信號的變化而變化。這樣，原來的被測信號就被這個受控制的高頻振蕩信號所攜帶。一般將控制高頻信號的被測信號稱為調制信號；載送被測信號的高頻信號稱為載波；經過調制后的高頻振蕩信號稱為已調制波。按照調制方式分類，光調制可以分為強度調制、相位調制、頻率調制、偏振調制和波長調制等。所有這些調制過程都可以歸結為將一個攜帶信息的信號疊加到載波——光波上。而能完成這一過程的器件稱為調制器。調制器能使載波光波參數隨外信號變化而改變，這些參數包括光波的強度(幅值)、相位、頻率、偏振、波長等。被信息調制的光波在光纖中傳輸，然后再由光探測系統解調，將原信號恢復。

1.強度調制型光纖傳感器是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數的變化，而導致光強度變化來實現敏感測量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質的吸收特性；振動膜或液晶的反射光強度的變化；物質因各種粒子射線或化學、機械的激勵而發光的現象；以及物質的熒光輻射或光路的遮斷等來構成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強度調制型光纖傳感器。優點：結構簡單、容易實現，成本低。缺點：受光源強度波動和連接器損耗變化等影響較大。強度調制型示例：膜片反射式光纖壓力傳感器光源接收Y形光纖束殼體P彈性膜片Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器如圖。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當膜片受壓變形時，使光纖束與膜片間的距離發生變化，從而使輸出光強受到調制。強度調制型示例：微彎光纖壓力傳感器DSFF變形器光纖d光纖被夾在一對鋸齒板中間，當光纖不受力時，光線從光纖中穿過，沒有能量損失。當鋸齒板受外力作用而產生位移時，光纖則發生許多微彎，原來光束以大于臨界角θC的角度θ1在纖芯內傳輸為全反射但在微彎處θ2<θ1，一部分光將逸出，散射入包層中。當受力增加時，光纖微彎的程度也增大，泄漏到包層的散射光隨之增加，纖芯輸出的光強度相應減小。因此，通過檢測纖芯或包層的光功率，就能測得引起微彎的壓力、聲壓，或檢測由壓力引起的位移等物理量。2．相位調制與干涉測量相位調制型光纖傳感器的基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播系數發生變化，而導致光的相位變化，然后用干涉儀把相位變化變換為振幅變化，從而還原所檢測的物理量。因此，相位調制與干涉測量技術并用，構成相位調制的干涉型光纖傳感器。根據光波的干涉測量基本知識，兩束相干光(信號光束和參考光束)同時照射在一光電探測器上，若光振幅分別為E1和E2，如果其中一光束的相位由于某種因素影響或調制，在干涉場中就會引起干涉條紋強度的變化。干涉場中各點的光強數學表達式為式中：為相位調制造成的兩相干光之間的相位差?？梢姡瑱z測到干涉光強的變化就可以確定兩光束間相位的變化，從而得到待測物理量的數值大小。實現干涉測量的儀器稱為干涉儀。常用的干涉儀主要有4種：邁克爾遜干涉儀、賽格納克干涉儀、馬赫-澤德干涉儀和法布里-珀羅干涉儀，如圖所示。(a)邁克爾遜干涉儀(b)賽格納克干涉儀(c)馬赫澤-德干涉儀(d)法布里-珀羅干涉儀光學干涉儀的共同特點就是它們的相干光在空氣中傳播，由于空氣受環境溫度變化的影響，引起空氣的折射振動及聲波干擾。這種影響都會導致空氣光程的變化從而引起干涉測量工作的不穩定，使精度降低。而光纖干涉儀利用單模光纖作干涉儀的光路，就可以排除上述影響，并可以克服光路加長時對相干長度的嚴格限制，從而可以制造出千米量級光路長度的光纖干涉儀，這種干涉儀成為相位調制型光纖傳感器的一個重要組成部分。以邁克爾遜干涉儀為例，當被測量發生變化時，將引起測量光路光纖纖芯折射率n的變化和測量光纖長度L的變化，由此使通過測量光路的光束光程(等于nL)發生改變，對應相位也相應改變，則測量光路和參考光路的相位差為

常見相位調制方法：

1、機械應變及光彈性效應機械應變引起光纖的機械尺寸變化；某些物體內部存在應力時，會產生折射率在不同方向有不同變化的現象；

2、溫度效應溫度變化引起光纖的尺寸及折射率變化：

3、磁致伸縮、電致伸縮效應將單模光纖表面鍍上磁致伸縮、電致伸縮材料，則當磁場、電場作用于光纖時，使光纖長度變化，從而相位變化；3．頻率調制頻率調制光纖傳感器是利用由被測對象引起的光頻率的變化來進行監測的傳感器。通常有利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應的速度、流速、振動、壓力、加速度光纖傳感器；利用物質受強光照射時的拉曼散射構成的測量氣體濃度或監測大氣污染的氣體傳感器。1)光學多普勒頻移原理光的頻率調制主要是指光學多普勒頻移。從物理學知，光學中的多普勒現象是指由于觀察者和目標的相對運動，使觀察者接收到的光波頻率產生變化的現象。設一頻率為f的靜止光源的光入射到速度為v的運動物體上時，從運動物體上觀測的頻率為f1，則f1與f之間的關系為：c為真空中的光速；為物體至光源方向與物體運動方向的夾角。一般最關心的還是運動物體所散射的光的頻移，而光源與觀察者則是相對靜止的。對于這種情況，可以作為一個雙重多普勒頻移來考慮。即先考慮從光源到運動物體，然后再考慮從運動物體到觀察者。雙重多普勒頻移方程表示為:式中，f2為在Q處所觀察到的光頻率；f為從