第14章 光导纤维传感器14.1 光纤的特性 14.2光纤传感器结构原理及分类 14.3 光纤传感器的应用光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世纪70年代 中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光 纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感 器有本质区别。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。电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。非侵入性。高灵敏度。容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压 力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量。14.1 光纤的特性光纤是光纤传感技术的物理基础，深刻理解光 纤传输原理和传输特性，正确选择光纤产品，是优 化光纤传感系统设计的重要基础。 14.1.1 光纤的结构和类型1.光纤的传光原理 光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析传光的基本原 理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化 缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的 传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此, 采 用几何光学的方法来分析。 1)斯乃尔定理（Snells Law）当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射， 如图(a)，其折射角大于入射角，即n1n2 时，ri。 n1n2ri(a)光的折射示意图 可见，入射角i增大时，折射角r也随 之增大，且始终ri。n1、n2、r、i之间的数学关系为n1sini=n2sinr 介质的折射率定义为光线在真空中的传 播速度与光线在该介质中的传播速度之 比。介质的折射率越高,则光线在该介质 中传播得越慢当ii0并继续增大时，r90，这时便发生全反射现象， 如图(c) ，其出射光不再折射而全部反射回来。式中：i0临界角i0=arcsin(n2/n1)sini0=n2/n1 sinrsin901n1n2ri(c)光全反射示意图n1n2ri(b)临界状态示意图 当r=90时，i仍90，此时，出射 光线沿界面传播如图（b），称为临界 状态。这时有2）光纤结构分析光纤传光原理，除了应用斯乃尔定理外还须结合光纤结 构来说明。光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包层两 个同心圆柱的双层结构组成。 纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤心折 射率n1比包层折射率n2稍大些。两层之间形成良好的光学界面 ，光线在这个界面上反射传播。 2R2rn2n1nn2n1纤 芯包 层 光纤结构3）光纤传光原理及数值孔径NA入射光线AB与纤芯轴线OO相交角为i，入射后折射(折射 角为j)至纤芯与包层界面C点，与C点界面法线DE成k角，并 由界面折射至包层，CK与DE夹角为r。则n0sini=n1sinj n1sink=n2sinr jikrABCDEFGKOOn0n2n1光纤导光示意图n0为入射光线AB所在 空间的折射率，一般为 空气，故n1，nl为 纤芯折射率，n2为包层 折射率。sini=(n1/n0)sinj sink=(n2/n1)sinr 因j=90-k 所以 上式sini0为“数值孔径” NA(Numerical Aperture)。由 于n1与n2相差较小，即n1+n22n1,故又可因式分解为 n=(n1-n2)/n1称为相对折射率差 当r=90的临界状态时，i=i0当r=90时sini0=NA i0=arcsin NA当n=1时i02i0当rNA，iarcsin NA，光线消失。这说明arcsinNA是一临界角,凡入射角iarcsinNA的那些光线 进入光纤都不能传播而在包层消失；相反,只有入射角i arcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播 。当r90时，光线发生全反射，则i0，迎着光传播方向看，偏振 面顺时针方向偏转 光传播方向与磁场一致时，V0，迎着光传播方向看，偏振 面逆时针方向偏转d）光弹效应（压力双折射） 晶体在压力作用下表现出双折射性质。相位变化可表示为：折射率变化为：物质常数 施加的应力光程差：c）其他方式（非功能型）透射式反射式d）光偏振态的检测 偏振态光强单光路法输出光强：双光路法WP：沃拉斯登棱镜D1，D2的输出：偏转角为：14.3 光纤传感器的应用（a）功能型光纤传感器（b）非功能型光纤传感器一（c）非功能型光纤传感器二（d）非功能型光纤传感器三功能型光纤传感器如图(a)所示。这种类型主要使用单 模光纤。光纤不仅起传光作用,还是敏感元件,即光纤本身同 时具有传、感两种功能。功能型光纤传感器是利用光纤本身 的传输特性受被测物理量的作用而发生变化,使光纤中波导 光的属性（光强、相位、偏振态、波长等）被调制这一特点 ,而构成的一类传感器。其中有光强调制型、相位调制型、 偏振态调制型和波长调制型等数种。其典型例子有：利用光 纤在高电场下的电光效应(折射率随电场强度的而变化)的光 纤电压传感器,利用光纤法拉第效应的光纤电流传感器,利用 光纤微弯效应的光纤位移（压力）传感器等。功能型传感器 的特点是：由于光纤本身是敏感元件,因此加长光纤的长度, 可以得到很高的灵敏度。尤其是利用各种干涉技术对光的相 位变化进行测量的光纤传感器,具有极高的灵敏度。这类传 感器的缺点是：技术难度大,结构复杂,调整较困难。 非功能型光纤传感器中,光纤不是敏感元件。它是在光纤 的端面或在两根光纤中间放置光学材料、机械式或光学式的敏 感元件来感受被测物理量的变化,从而使透射光或反射光强度 随之发生变化。在这种情况下,光纤只是作为光的传输回路,如 图(b)、(c)所示。为了得到较大的受光量和传输的光功率,使用 的光纤主要是数值孔径和芯径大的阶跃型多模光纤。这类光纤 传感器的特点是结构简单、可靠,技术上易实现,应用前景广阔, 但其灵敏度、测量精度一般低于功能型光纤传感器。 在非功能型光纤传感器中,也有并不需要外加敏感元件的 情况,光纤把测量对象所辐射、反射的光信号传播到光电元件 （如图（d）所示）。这种光纤传感器也叫探针型光纤传感器 。该类传感器中通常使用单模光纤或多模光纤。典型的例子有 光纤激光多普勒速度传感器、光纤辐射温度传感器和光纤液位 传感器等,其特点是非接触式测量,而且具有较高的精度。14.3.1 光纤温度传感器1辐射式温度传感器测温装置由蓝宝石光纤黑体腔传感器、锥度光纤、传导光纤 、温度测量光电放大器、数据采集装置及测温软件等部分组 成。这种传感器具有传统热电偶无法比拟的高温稳定性和瞬态响 应特性，响应时间在10-2 s数量级，能在恶劣环境的下对800 2000瞬态高温进行测量。在冶金、窑炉、高频淬火、涡 轮发动机、电站、油库等方面得到广泛的应用。 置于被 测温度 场内， 外有保 护套管直径大端0.9mm,小端0.3mm普通光纤，直径0.3mm， 长度根据现场情况选取将光信号转变为电信号数据采集处理后可得温度曲线2半导导体吸收型温度传传感器图(a)所示的是利用半导体晶体光吸收特性制成的温度传感 器。从图(b)可以看出，GaAs和CdTe等半导导体晶体，在 0.9m波长附近有光的吸收端，吸收端会移动。这一性质与 光源的光谱特性相结合，这样就可从光的吸收量变化来测量 温度。实际结构是将面积为1mm2、厚度为为(0.20.5)mm的半 导导体薄片夹夹在两根光纤纤之间间，外面包上不锈钢锈钢 管。这这种传传感器在温度为为(080)时，可获得近似对数式的线性关系。 3荧荧光发发射型温度传传感器若将来自发发光二极管的波长为长为 0.74m的可见见光从多模光纤纤 的一端照射到用外延 GaAlAs层层保护护的GaAs单单晶上，则发则发 出如 图图（b）所示光谱谱的荧荧光。波长为长为 0.83m0.9m范围围内的荧荧 光，其发发射强度随温度的降低而增加，但对对于波长长范围围在 0.9m以上的几乎不变变。利用两种光纤纤使发发射荧荧光在上述两个 波长长范围围内分离，利用二个光电电二极管测测定前者和后者的强度 比。此强度比不依赖赖于激发发光的强度，仅仅依赖赖于温度。所以， 由测测得的光强度比就可知道温度。此种方式的测测量精度达0.1 。4热热色效应应温度传传感器许许多无机溶液的颜颜色随温度而变变化,因而溶液的光吸收谱谱 线线也随温度而变变化,称为热为热 色效应应。其中钴盐钴盐 溶液表现现出最强 的光吸收作用，热热色溶液如（CH3）3CHOHCoCl2溶液的光 吸收谱谱如图图所示。由图图可见见，在2575之间间的不同温度 下，波长长在400800nm范围围内，有强烈的热热色效应应。在 655nm波长处长处 ，光透过过率几乎与温度成线线性关系，而在 800nm处处，几乎与温度无关。同时时，这样这样 的热热色效应应是完全 可逆的，因此可将这这种溶液作为为温度敏感探头头，并分别别采用 655nm和800nm波长长的光作为为敏感信号和参考信号。 热热色效应应光纤纤温度传传感器组组成如图图所示。光源采用卤卤素灯泡 ，光进进入光纤纤之前进进行斩斩波调调制。探头头外径1.5mm，长长10mm，内 充钴盐钴盐 溶液，两根光纤纤插入探头头，构成单单端反射型式。从探头头出 来的光纤经纤经 Y路分路器分为为两路，再分别经别经 655nm和800nm滤滤光器 得到信号光和参考光，再经经光电电信息处处理电电路，得到温度信息。由 于系统统利用信号光和参考光的比值值作为为温度信息，消除了光源波动动 及其他因素影响，保证证了系统测统测 量的准确度。 光源斩波器光纤探头分路器 滤光片光电二极管放大器A/D转换器显示热热色效应应光纤纤温度传传感器的温度测测量范围围在25 50之间间，测测量不确定度可达0.2，响应时间应时间 小于0.5s ，特别别适用于微波场场下的人体温度测测量。14.3.2 光纤压力与振动传感器1血压光纤传感器光纤是一种电绝缘物体，附加的传感头如果用压力一光或 振动一光直接变换的形式，光纤与传感头部分就不会存在电信 号，这在医学应用中是非常安全而有效的。如图所示是为此目的而制成的光纤压力传感器，用来测量血管内的血压。 在某种液晶上加压后，引起 光强度的变化压力变化引起受压板距离l发 生变化，从而引起光强度的 变化2声压压光纤传纤传 感器利用Mach-Zehnder干涉仪仪制作的声音传传感器可考虑虑 作为为以高灵敏度检测检测 水中声音的水中微音器。在水中， 声压压一加在光导纤维导纤维 上，则则由于其长长度和基于光弹弹性效 应应的折射率的变变化，输输出端的光波的相位发发生变变化。随 着光纤长纤长 度变长变长 ，灵敏度增大。当光强为为1mW，长长度 为为100m时时，可探测测的最小声压为压为 3.9dB，RE（声灵敏度 ）为为lPa。光导纤维导纤维 水声传传感器又称水听器，它与超声波水听 器相比，除灵敏度高、频频响范围宽围宽 等优优点外，还还充分利 用了光导纤维导纤维 耐水、抗腐蚀蚀等优优良特性。激光器发发射出来的激光束被半透镜镜分成两路：一路经单经单 模 光导纤维导纤维 的参照匝环环；另一路经单经单 模光导纤维导纤维 的敏感匝环环。 敏感匝环环放于水中感知水中声音（压压力、振动动），参照匝环环不 应应感受被测测量，而只起传输传输 参照光的作用。材料、形状、长长度 完全一样样的两个单单模光导纤维导纤维 匝环组环组 成水声传传感器的主体。作用于敏感匝环环上的水中音响（振动动、压压力亦同）使光导纤导纤 维维的几何尺寸（尽管很小）发发生变变化，进进而通过过几何尺寸的改 变变来影响单单模光导纤维导纤维 的“等效折射率”n