第九章 光纤传感器 光纤传感器是近年来随着光导纤维技术的发展而出现的新 型传感器，它具有抗电磁干扰能力强、安全性能高、灵巧 轻便、使用方便等特点。随着光纤传感器研究工作的不断 开展，光纤传感器可以测量的物理量越来越多，各种形式 的光纤传感器层出不穷。目前已有力、热、声、电、磁、 核物理等各个领域的光纤传感器几十种，可以检测位移、 速度、加速度、压力、波面、流量、振动、水产温度、 电流、电场、磁场、核辐射等物理量的光纤传感器。光纤 维做为信息传抱媒介的光纤通信，得到广泛应用。最近几 年来，光纤在传感技术领域中的应用，发展迅速，吸引了 大量的科学工作者，成为目前国外传感技术领域中研究的 一个热门课题。9.1 光纤传感原理按工作原理可以将光纤传感器分为功能型（FF）及非 功能型（NFF）两大类。这两类光纤传感器的基本组成十 分相似，都由光源、入射光纤、解调器、出射光纤和光敏 器件组成，但两者的光纤所起的作用是不同的（也就是调 制器不同）。传光型光纤传感器又称作非功能型光纤传感器（None Function Filter-NFF），光纤仅作为传播光的介质，在 传感器中仅起传光的作用，见图9-1a。对外界信息的“感 觉”功能是依靠对光的性质加以调制的调制器来完成的。 传光型光纤传感器利用已有的其他传感技术，它的敏感元 件（调制器）用的是别的材料，这样可以充分利用现存的 优质敏感元件来提高传感器的灵敏度。在已经使用得光纤 传感器中，传光型光纤传感器占大多数。传感性光纤传感器又称作功能型光纤传感器（ Function Filter-FF），它利用对外界信息具有敏感能力 和检测功能的光纤作为传感元件，是将“传光”和“感知 ”合为一体的的传感器。在这类传感器中，光纤不仅起传 光的作用，而且还利用光纤在外界物理量作用下，能够引 起在光纤内传输的光的某些性质如光强、相位、偏振态等 发生变化来实现传和感的功能。因此，光纤本身就是调制 器，充当着对外界信息进行采集的单元，如图9-1b。图9-1 光纤传感器结构 （a）传光型光纤传感器（b）传感型光纤传感器传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单，因 为光纤是连续的，可以少一些光耦合器件，但为了实现对 外界物理量变化的感知，往往需要采用特殊光纤来作探头 ，这样就增加了传感器制造的难度。 光纤传感器的组成部分包括光源、入射光纤、调制器、出 射光纤和光敏器件，其中调制器是最重要的组成部分。实 际上，研究光纤传感器原理就是定性或定量研究光在调制 器内与外界被测物理量的相互作用，也就是光线中的光束 被外界物理量调制的原理。在电子传感器中，经过传感器的电信号的某些特征如电压 、电流或间接导致电压、电流变化的传感器的电阻、电容 、电感的等会受到外界物理量的调制，通过对这些电量的 测量而达到测量外界物理量的目的。同样，在光纤传感器 中，通过光纤调制器的光的某些特性也受到外界物理量的 调制。 沿某一方向（如x方向）传播的光波可以用平面波德波动 方程表示，即 E=A sin ( k x wt +) (9-1) 其中，空间频率k = 2/。由式（9-1）可见，光具有以下基本特性参量： 幅值A：光的振幅A决定了光的强度，光强度的极大值 就是A。 振动方向：由于振幅A是一个矢量，所以存在振动方向 ，通常称作偏振方向。 频率：为光的角频率。在环境因素保持不变的条件下， 光不论在什么介质中传播，其频率总是不变的。光波频 率的外部特征就是光的颜色。 波长：同样的光波，在不同折射率的介质中光的波长 是不相等的。 初始相位：初始相位反映了光波的光程。光波的上述特征参数，主要是以光强度与光的颜色两个最 直观的特征表现出来的，或者说，目前的光电传感器只能 测量光的强度与颜色，对其他特征的测量是通过测量光的 强度或颜色而间接测量的。就如对电子传感器的电阻、电 容、电感的测量，总是以测量电压或电流进行间接测量一 样。 光波作为光纤传感器中的传输信号，受外界物理量的调制 ，从而反映出外界物理量的变化。外界物理量可能引起光 的强度、波长（颜色）、频率、相位、偏振态等特性发生 变化，从而构成强度、波长、频率、相位或偏振态调制原 理。光纤传感器的调制器可以是功能光纤传感器（FF）中的光 纤本身（内部调制），也可以是非功能光纤传感器（NFF ）中用某种材料制成的敏感元件（外部调制）。不过，就 调制原理本身而言，不论是内部调制还是外部调制，我们 所关心的都是外界物理量的大小与其所引起的光的特性变 化两者之间的关系。另外，必须指出的是，在实用的光纤 传感器中，外部物理量对光的特性的调制作用所引起变化 的光参数，可能是一个也有可能同时是几个。此外，几乎 所有的用于光纤传感器中的光敏器件只能探测光的强度， 而光的其他性能如偏振态、频率、相位等的改变，必须通 过适当的手段变换成光强度的变化之后才可以被光敏器件 所探测。 光纤是用石英玻璃做为主要原料的一种透明度很高的介质 材料，用作通信和传感器的光纤，直径一般只有100多微 米粗细，一公里长的光纤仅27克重。光纤传感器的一个 突出优点是体积小，重量轻。由于光纤是介质材料，其电 绝缘特性相当好，耐高的电压，因此，光纤传感器在高压 、强磁场、腐蚀性强、高温等环境条件下使用时，显示出 其安全、可靠、结构简单、灵敏度高等优点，具有广泛的 应用前景。9.1.1 强度调制利用外界物理量改变光纤中光的强度，通过测量光强变 化来测量外界物理量变化的原理称为强度调制。恒定光源 发出的光束I注入调制区，在外力场I的作用下，输出光束 的光强度被调制，载有外界物理量信息的T的包络线与I形 状一样。光敏器件的输出电流（或电压）也作同样的调制 。强度调制是光纤传感器最早使用的调制方法。其特点是 技术简单、可靠、价格低。传输光纤可采用多模光纤，光 源可采用输出稳定的LED或高强度白炽灯等非相干光源， 光敏器件一般用光电二极管（PD）、PIN和光电池等。构 成传感器探头的物理机理分为反射、投射、折射等。1.透射式强度调制 图9-2是这种强度调制的原理图，光纤间距大约23m, 断面为平面，通常入射光纤不动，而出射光纤可以横向（ 或纵向）平移或转动，这样出射光纤的输出光强受位移的 调制，如图9-2a所示。图9-2b为横向移动调制方式的原 理图，出射光纤的输出光强被输出光纤接收，接收光强度 与图中的两个圆的交叠面积有关。如果输入、输出均为同 一种单模光纤的话，光纤的径向位移与功率耦合系数T之 间的关系为（9-2） 式中，为光纤中的光斑尺寸；T与x的关系为高斯型曲线 ，如图9-2c所示。为了得到高的灵敏度和好的线性度， 偏置点应当选择在A点。这一方法的位移测量范围在 10m以内。2.开关调制 图9-3所示为开关调制的结构。入射光纤和接收光纤都固 定不动，当遮光屏受外界物理量影响而运动时，出射光纤 中的光强就会发生变化，遮光屏可以和其他的敏感器件如 薄膜或管式压力计、热膨胀元件、涡轮式流量计等相连。 遮光屏本身既可以用固体材料，也可以用液体做成。图9-2 位移调制 a)不同形式的位移调制方法 b)横向移动调制方法 c)横向位移调制输出曲线图9-3 各种不同的开关调制光纤 a)光开关 b)光栅调制在图9-3a的挡板调制中，入射光纤端面被透镜准直为平 行光束，设平行光束的半径为r，那么，挡板位移在输出 光纤端面所引起的光强变化与（/r）成比例。 在图9-3b的光栅调制中，入射光经过准直透镜后变成平 行光，平行光通过光栅后再用物镜把光聚焦在出射光纤的 端面上，光栅有两个：一个固定，另一个随外界物理量而 移动，当光栅作相对运动时，通过两光栅之间的光强就会 发生变化。假设两光栅都是5m栅距、5m栅宽，则输 出光纤的输出光强随位移而周期性变化，每当动栅相对位 移改变10m，光强变化一个周期。如果将输出光纤的输 出光谱与光栅的相对位移之间的关系绘制成曲线，那么就 会发现，当偏置点放在相对位移为2.5m、7.5m等处 时，灵敏度最大。减小栅元宽度可以提高灵敏度，但降低 了测量范围。 3反射式强度调制 这种强度调制的形式也很多，它可由一根或两根光纤组成 ，也可由光纤束组成，如图9-4所示。光从光源耦合到光 纤或光纤束，射向被测物体，再由被测物体将光束反射回 来，经反向传输后由光敏器件接收，其光强的大小将随被 测物体的特性的不同而不同，这些特性包括被测物体距光 纤探头端面的距离x、对象的表面反射率r、对象的相对倾 斜角等。为了提高光强的耦合效率，可采用大数值孔径 光纤或光纤束。这种结构具有非接触、探头小、频响高、 线性度好等特点，其测量范围在100m以内。图9-4 各种反射调制结构 a)多束光线 b)双光纤 c)单光纤 d)液面测量4折射率调制法 折射率调制法是利用折射率的变化来进行光强调制的，其 基本原理是利用被测物理量来改变与纤芯相接触的某物质 的折射率，从而调制光纤内全反射光强度的大小。图9-5 所示为常用的几种结构。图9-5a是利用液体折射率随温 度上升而减小，在纤芯折射率不变的情况下进行强度调制 ，采用这种调制可以做成温度传感器。相反，如果采用塑 料涂层作为光纤的包层，那么其折射率随温度降低而增加 ，利用这种光纤作探头，可以做成低温温度计。图9-5b 是利用油扩散到光纤包层上改变其折射率分布，使纤芯的 光进入包层，从而测量水中的含油量。图9-5c、d所示调 制原理和上面两种相同，利用这种方法可以测量液体的温 度、折射率、液面等。图9-5 折射率调制法常用的几种结构9.1.2 偏振态调制法 利用外界物理量改变光的偏振特性，通过检测光的偏振态 的变化（即偏振面的旋转）来检测各种物理量，成为偏振 态调制。在光纤传感器中，偏振态调制主要基于人为旋光 现象和人为双折射如法拉第磁光效应、克尔电光效应以及 弹光效应等实现的。 1法拉第效应 当偏振光通过某种透明介质时，偏振光的偏振态将以光的 传播方向为轴线旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象 。在磁场作用下的旋光现象称作法拉第效应（或磁致旋光 效应）。 如图9-6a所示，由起偏器产生的线偏振光沿着磁场方向 透过绕有螺管线圈的磁致旋光物质。当线圈中没有电流时，将检偏器的透光轴与的透光轴正交 ，这时无光出射。通入电流产生磁场后，则有光出射，将 转过一个角度与光在磁致旋光物质中通过的距离L、磁感 应强度B成正比，即(9-3) 式中，为磁致旋光物质的费尔德常数。并且的大小仅与 磁场方向有关而与光的传播方向无关。费尔德常数的单位为或，常见的磁致旋光物质的费尔德常 数有：冕玻璃0.015，火石玻璃0.0300.050，稀土玻 璃0.130.27，氯化钠0.036，水0.013。 根据式（9-3）可以制成光纤磁传感器，如果在长直导线 上绕有N圈光纤，见图9-6b，那么，光矢量被旋转的角度 与导线中的电流I有关(9-4) 式中，I为导线中通过的电流。这种结构可以制成电流传 感器。 图9-6 法拉第效应的应用对于一束自然光，其光矢量的振动方向是，为了获得只有 一个振动方向的光（偏振光），就需要借助起偏器。起偏 器一般是用具有二相色性的介质制作而成的，这种介质只 让某一个振动方向的光矢量透过，这个方向叫做“透光轴” ，而垂直与透光轴方向的光矢量或光矢量的分量被吸收。 后面出现的检偏器与起偏器实质上是同一种器件（统称偏 振片），只是所起的作用不同，故而称谓不同。2.克尔电光效应 当一束单色光入射到各向同性介质表面时，它的折射光只 有一束光，这是人们所熟知的折射现象。但是，当一束单 色光入射到各向异性介质表面时，一般产生两束折射光， 这种现象称为双折射。 双折射得到的两束光中，一束总是遵守折射定律，这束光 称为寻常光，或O光。另一束光则不然，它是不遵守折射 定律的，称非常光，或E光。O光和E光都是线偏振光，且O 光的光矢量垂直于晶体的主截面，而E光的光矢量在