第第 5 章章 光纤传感技术光纤传感技术5.1 引言5.2 强度调制机理5.3 相位调制机理5.4 光纤位移传感器5.5 光纤表面粗糙度传感器5.6 光纤加速度传感器 返回主目录5.1 引言引言 光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。显然，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界干扰越小越好。但是，在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、侗振、波长等的变化。因此，人们发现如果能测出光波参数的变化，就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。5.1 光纤传感器的分类光纤传感器的分类 光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以也称传感型光纤传感器，或全光纤传感器。非功能型 光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远外或难以接近场所的光信号所以也称为传光型传感器或混合型传感器。 光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长(颜色)调制光纤传感器。光纤传感器的分类光纤传感器的分类 光纤传感器技被测对象的不同、又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。5.2 强度调制机理强度调制机理 强度调制光纤传感器的基本原理是待测物理量引起光纤中的传输光光强变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。一恒定光源发出的强度为 Pi的光注入传惑头在传感头内，光在被测信号的作用下其强度发生变化，即受到了外场的调制，使得输出光强Po的包络线与被测信号的形状一样，光电探测器测出的输出电流Io也作同样的调制，信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号。强度调制的特点是简单、可靠、经济。强度调制方式很多、大致可分为以下几种：反射式强度调制、远射式强度调制、光模式强度调制以及折射串和吸收系数强度调制等等。一般透射式、反射式和折射率强度调制称为外调制式，光模式称为内调制式。5.2.1 反射式强度调制反射式强度调制这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用。这里光纤分为两部分，即输入光纤和输出光纤，亦可称为发送光纤和接收光纤。这种传感器的调制机理是输人光纤将光源的光射向被测物体表面，再从被测面反射到另一根输出光纤中，其光强的大小随被测表面与光纤间的距离而变化。在距光纤端面d的位置放有反光物体平面反射镜，它垂直于输入和输出光纤轴移动，故在平面反射镜之后相距d处形成一个输入光纤的虚像。5.2.2 透射式强度调制透射式强度调制发射光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光板上，或直接移动接收光纤，使接收光纤只能收到发射光纤发出的部分光，从而实现光强调制。下图所示为动光纤式光强调制模型，用来测量位移、压力、温度等物理量。5.3 相位调制机理相位调制机理 相位调制光纤传感器的基本传感原理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。光纤中光的相位由光纤波导的物理长波、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定，可以表示为k0nL其中k0为光在真空中的被数，n为传播路径上的折射率，L为传播路径的长度。一般说，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。但是，如前所述，目前的各炎光探测器都不能敏感光的相位变化，必须采用于涉测量技术，才能实现对外界物理量的检测。5.3.1 光纤干涉仪光纤干涉仪在光波的干涉测量中，传播的光波可能是两束或多束相干光。例如，设有光振幅分别为A1和A2的两个相干光束。如果其中一束光的相位出于某种因素的影响受到调制，则在干涉域中产生干涉。干涉场中各点的光强可表示为式中， 是相位调制引起的两相干光之间的相位差。如果检测出干涉光强的变化，则可确定两光束间相位的变化，从而得到待测物理量的大小。1. 迈克尔逊光纤干涉仪由单色光源s发出的光经分束镜后，得到光强相等的两束光。其中一束光由的上表面进入，再从下表面反射穿过后，垂直射入到固定的反射镜上，经过反射后再通过射入到目镜L。第二束光是入射光束透过后形成的。它垂直入射在可移动反射镜上，经过反射后，在的下表面反射入目镜L。由于第一束光穿过三次，而第二束光只经过一次，为了补偿这种差别，在第二束光的路程中再放入一块补偿板，这样第二束光也在和中经过三次，从而补偿了光程。当两反射镜到分束器间的光程差小于激光器的相干长度时，射到光探测器上的两相干光束便产生干涉，干涉光强由式(2-3) 确定。两相干光的相位差为式中， 是光在空气中的传播常数； 是两相干光的光程差。则可动反射镜每移动长度，光探测器的输出就从最大值变到最小值，再变到最大值，即变化一个周期。如果使用激光器，这种技术能检测级的位移。为了克服空气受环境条件影响的空气光程的变化，可考虑用全光纤干涉仪结构。图2.2.2 表示了全光纤迈克尔逊干涉仪的结构。图中以一个3dB耦合器取代了分束器，光纤光程取代了空气光程，而且以敏感光纤作为调制元件。这种全光纤结构不仅避免了非待测场的干扰影响，而且免除了每次测量要调光路准直等繁琐的工作，使其更适于现场测量，更接近实用化。 2.赛格纳克光纤干涉仪 激光器输出的光由分束器分为反射和透射两部分，这两束光由反射镜的反射形成传播方向相反的闭合光路，然后在分束器上会合，被送入光探测器中，同时也有一部分返回激光器。在这种干涉仪中，把任何一块反射镜在垂直方向上移动，两光束的光程变化都是相同的。因此，根据光束干涉原理，在光探测器上探测不到干涉光强的变化。但是，当把这种干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上，且平台以角速度转动是，根据赛尼纳克效应，两束传播方向相反的光束到达光探测器的延迟不同，若平台以顺时针方向转动，则在逆时针方向传播的光较顺时针方向传播的光延迟。这个延迟量可表示为 式中，A是光路围成的面积；c是真空中的光速；是真空中的光波长。这样，通过探测器检测干涉光强的变化，便可确定旋转角速度。因此，赛格纳克干涉仪是构成光纤陀螺仪的基础。光纤陀螺仪的结构如图2.2.4 所示。其中的赛格纳克效应如图2.2.5所示。其灵敏度比空气光程的赛格纳克干涉仪要高几个数量级。首先是由于采用若干圈光纤增加了干涉仪环的有效面积，其次是由于利用了电子探测技术。其相移表达式为 式中，N是光纤环的匝数。3.法布里珀罗干涉仪 它由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。在两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率通常达95以上。由激光器输出的光束入射到干涉仪，在两个相对的反射镜表面作多次往返，透射出去的平行光束由光探测器接收。这种干涉仪与前几种干涉仪的根本区别是，前几种干涉仪都是双光束干涉，而法布里珀罗干涉仪是多光束干涉，而法布里波罗干涉仪是多光束干涉。根据多光束干涉的原理，探测器上探测到的干涉光强的变化为式中， 是反射镜的反射率， 是相邻光束间的相位差。由上式可知，当反射镜的反射率值一定时，透射的干涉光强随变化。当时，干涉光强有最大值；当 时，干涉光强有最小值。这样，透射的干涉光强的最大值与最小值之比为 。可见，反射率R越大，干涉光强变化越显著，即有高的分辨率，这是法布里珀罗干涉仪最突出的特点。通常，可以通过提高反射镜的反射率来提高干涉仪的分辨率，从而使干涉仪测量有极高的灵敏度。法布里珀罗光纤干涉仪如图所示。它与一般法布里珀罗干涉仪的区别在于以光纤光程代替了空气光程，以光纤特性变化来调制相位代替了以传感器控制反射镜移动来实现了调相。5.4 光纤位移传感器光纤位移传感器光纤位移传感器可分为外调制式和内调制式。5.4.1 外调制式位移传感器 透射式位移传感器，采用两根同样芯径的光纤，并将两根光纤的端面靠近装配到一起。光从一根光纤输出，通过两根光纤问微小空隙，进入另一根光纤。此时，如果两根光纤的中心轴为同轴，光通过光纤的连结处几乎不损失光能。但当两根光纤的光轴错开，光通过光纤间连结处光能损耗增加光纤芯径端面起到接收光的天线作用，两根光纤芯径交叠面成为天线的“孔径”。多模光纤在芯径内传输的光能密度分布为均匀的，因此光纤连结处的光通量，基本上与两根光纤的芯径交叠面的面积成比例。两根光纤光轴错开的距离随物体位移的大小而变化，光纤输出光通量又随光轴错开距离的大小而变化、这就是透射式(亦称传输型或天线型)光纤位移传感器的工作原理。在光纤端面上制作透明与不透明等间隔相问排列的栅格，用这种栅格控制光纤端面上光强分布。光纤中光通量的变化，由间距为S的两个栅格之间错开的位移量来决定。如在光纤芯径为50微米的光纤端面上制成S10微米的栅格位移传感器的灵敏度较高。在两根光纤端面之间故人活动光闸门，以代替移动光纤的传感器。为提高传感器灵敏度，可利用栅格法。这种结构因增加了光纤端面间的距离，需在光纤端面上级装光学透镜，以提高光传输效率。折射率式渐逝物型位移传感器，这是一种高灵敏度传感器。把光纤端面研磨成如图所示形状，光纤端面倾角为 。光在光纤端面全反射时，一部分光能量可到达端面外侧非常靠近端面的位置。假如把两根光纤的端面靠得非常近，渗出的光能几乎无损失的全部传人第二根光纤。在端面外侧渗出的光能量随离开端面的距离增加而成指数关系减少。因此两根光纤端面间距离增加，传入第二根光纤中的光通量便急剧减少。反射式光纤位移传感器也是非接触型传感器。在光纤端面附近，如果存在一个反射光的物体，由光纤输出的光，照射到物体上时发生反射，其中的一部分反射光又返回光纤。测出反射光的光强，就能以非接触方式确定物体是否存在及位移情况。这种传感器可使用两根光纤，分别作传输发射光及接收光用；也可以用一根光纤同时承担两种功能。为增加光通量可采用光纤束。为避免从光纤端面输出的照明光，固光束扩展，在物体上照射面积变大，探测效果变坏，物体必须非常靠近光纤端面。这样，测量物体的位移范围因而变小，为解决这种问题，可采用在传输发射光的光纤端面上组装微透镜聚光。当物体距离光纤端面为11 mm时，位移测量范围可达到2mm，分辨率为10微米。这种传感器可用于确定精密机床加工工件放置位置及作为测量立体形状位置的传感器。如图所示为反射干涉式位移检测方法。其原理是在离开单模光纤端面微小距离为l处，放一个反射膜板从光纤发射的光，经反射膜与光纤端面之间反复反射引起光干涉。这时返回到光纤端面的光强是距离l的函数，也是以 为周期( 为光波长)的周期函数。通过检测反射光的光强变化测定出反射膜的微小位置变化(位移小于 时，位置与光强具有一一对应关系)。5.4.2 内调制式位移传感器利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式光纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移，从而使光纤发生微弯变形，改变模式耦合，纤芯中的光部分透人包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的强度也不同、从而实现了光强度的调制。由于光强与位移之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤位移传感器。这里要介绍的传感器是用检测光纤包层模中光功率的方法测量微小位移。实验证明，它能测量小于0.1nm的位移。沿着纤芯轴向的周期性空间变形可以利用两块波纹板产生，即微弯器。它把光纤夹在中间。两波纹板的相对位移由外界力(压力等)产生，从而使义纤产生周期性变形，此变形导致模式耦合，会使光从纤芯模耦合到包层模。检测出纤芯模或包层模中的光功率就可检测出加在微弯器上的外力。此模式耦合将使包层模中的光功率大大增加。由于在刚进入光纤测量截面以前，这些包层模中的任何光均能被消除。所以黑暗背景使包层模比纤芯模检测灵敏度更高。5.5 光纤表面粗糙度传感器光纤表面粗糙度传感器用光纤测量表面粗糙度，主要是利用它对光信号的传输特性。当一束光以 角入射到被测表面时，如果表面是理想光滑的，入射光将沿镇反射方向全部反射；如果表面是租糙的，入射光的一部分或全部会产生散射并偏离镜反射角 ，因此空间某个角度的光能变化，可以反映表面租糙度的特性。就镜反射方向来说，表面越租糙，反射能量也越小。因此，若将被测表面反射(包括散射)的光信导加以接收，则可由测出的反射光强的大小来评定表面租糙度的程度。下图说明利用光纤对传光方法测量表面粗糙度的原理。一根光纤用作传光另一根用作受光。当传光光纤和受光光纤都和被测表面接触时，无光被受光光纤所接收。当该两支光纤和被测表面有一定距离时，在传光光纤l和被测表面5之间形成一导光锥，并照射被测表面，此被照表面又变成了第二级光源去照射受光光纤2，根据光纤孔径角的特性，在受光光纤2与表面5之间可形成一反射光锥4，凡是在此范围内的光都可被2所接收。因此，只要在光纤2的另一端连接光探测器就可评定表面5的粗糙度。尽管用一对光纤来探测表面粗糙度在原理上是可行的，但由于传输能量、效率何分辨率等原因，在实际中是不适用的。作为实用测量系统都是采用大量光纤做成光纤束，以增加其效能。5.6 光纤加速度传感器光纤加速度传感器振动加速度传感器如图所示，它是把由重物、弹簧、阻尼器组成的振动子固定在框架上构成的。当框架随振动物体做低频振动时，重物上产生一个与运动方向相反的惯性力 。由于惯性力的作用，引起重物相对于框架作加速运动，这时框架与重物之间的距离x发生相应变化，其变化量 与惯性力成比例即与物体的振动加速度成比例。 当振动频率提高到振动子的固有振动频率时，产生共振。这时距离x的变化量 与加速度的关系不存在一定的比例关系。如果振动频率再的作用，可测量位移量。因此，加速度传感器进一步提高振动子的重物运动跟不上框架的快速振动，重物就停止振动，呈现相对静止状态。这时 表示柜架振动时的位移。所以当振动频率高于振动子的固有频率时，加速度传感器只起位移计的作用，可测量位移量。因此，加速度传感器是以共振条件为界限，低频时测量加速度，高频时测量位移。对于确定的测量对象，必须精确选定振动子的共振频率。相位调制光纤加速度传感器相位调制光纤加速度传感器光纤代替了弹簧，当框架振动时，光纤受重物的惯性力作用产生应变，且长度的复化是被测加速度或位移成比例。下图分别表示两段光纤共同工作的振动子何一段光纤工作的振动子。这里将要介绍的双光纤光加速度计是利用了光纤长度的变比，这种长度变化是由于这两根光纤之间悬挂的物体，因加速产生的作用力所引起。其结果是：在干涉仪一条臂中的光纤受到的拉应力增大，而另一条臂中的光纤受到的拉应力减小。下图给出了根据此原理制成的传感装置。由图可见，干涉仪条臂中有一段光纤被固定在外壳的上端与悬挂物之间。而干涉仪另一条臂中一段相同长度的光纤则固定在悬挂物与外壳的下端之间。这样，质量为 m的物体被悬挂在两段纤光纤的中间，而两段光纤实际上成为两个弹簧，如果让加速度计的外壳以加速度a垂直向上运动，那么在加速该物体所需的作用力F的作用下，上面的一段光纤伸长 ，下面的光纤则缩短 。这一过程可表示为