傳感技術 第9章 光纖傳感器

第9章光纖傳感器第9章光纖傳感器光纖傳感器實例9.34.4光調(diào)制與解調(diào)技術1.2光纖傳感器基礎9.19.2

光纖傳感技術是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一門新技術。它是隨著光導纖維實用化與光通信技術的發(fā)展而形成的。在實際光通信過程中發(fā)現(xiàn),光纖受到外界環(huán)境因素的影響,如壓力、溫度、電場、磁場等環(huán)境條件變化時，將引起光纖傳輸?shù)墓獠?，如光強、相位、頗率、偏振態(tài)等變化。因此，科技人員推測：如果能測量出光波量變化的大小，就可以知道導致這些光波量變化的壓力、溫度、電場、磁場等物理量的大小。

9.1光纖傳感器基礎9.1光纖傳感器基礎光纖有很多的優(yōu)點，用它制成的光纖傳感器（FOS）與常規(guī)傳感器相比也有很多特點：抗電磁干擾能力強、高靈敏度、耐腐蝕、可撓曲、體積小、結構簡單、以及與光纖傳輸線路相容等。光纖傳感器可應用于位移、振動、轉動、壓力、彎曲、應變、速度、加速度、電流、磁場、電壓、濕度、溫度、聲場、流量、濃度、pH值等70多個物理量的測量，且具有十分廣泛的應用潛力和發(fā)展前景。一、光纖的結構

光纖是用光透射率高的電介質(如石英、玻璃、塑料等)構成的光通路。光纖的結構如圖所示，它由折射率n1較大(光密介質)的纖芯，和折射率n2較小(光疏介質)的包層構成的雙層同心圓柱結構。光纖的基本結構與波導

9.1光纖傳感器基礎二、傳光原理

光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的基礎。根據(jù)幾何光學原理，當光線以較小的入射角θ1由光密介質1射向光疏介質2(即n1＞n2)時(見圖)，則一部分入射光將以折射角θ2折射入介質2，其余部分仍以θ1反射回介質1。光在兩介質界面上的折射和反射9.1光纖傳感器基礎

根據(jù)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?zhèn)鞑?，即?0°，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9.1光纖傳感器基礎當入射角＞時，光線不會透過其界面，而全部反射到光密物質內(nèi)部，也就是說光被全反射。根據(jù)這個原理，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(chǎn)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。9.1光纖傳感器基礎光纖的傳光原理9.1光纖傳感器基礎

光線由折射率為n0的外界介質(空氣n0=1)射入纖芯時實現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射角)為

(9-3)

式中NA——定義為“數(shù)值孔徑”。它是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。它表示：無論光源發(fā)射功率多大，只有2張角內(nèi)的光，才能被光纖接收、傳播(全反射)；NA愈大，光纖的集光能力愈強。產(chǎn)品光纖通常不給出折射率，而只給出NA。石英光纖的NA=0.2～0.4。9.1光纖傳感器基礎三、光纖的種類

光纖按纖芯和包層材料性質分類，有玻璃光纖和塑料光纖兩類；按折射率分有階躍型和梯度型二種。階躍型光纖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。梯度型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。光纖的折射率斷面：(a)階躍型；(b)梯度型9.1光纖傳感器基礎

梯度型光纖有聚焦作用；光線傳播的軌跡近似于正弦波，如圖所示。光在梯度型光纖的傳輸9.1光纖傳感器基礎

光纖的另一種分類方法是按光纖的傳播模式來分，可分為多模光纖和單模光纖二類。光纖傳輸?shù)墓獠?，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。后者纖芯和包層的界面上會產(chǎn)生全反射。當它在橫切向往返一次的相位變化為2π的整數(shù)倍時，將形成駐波。形成駐波的光線組稱為模；它是離散存在的，亦即某種光纖只能傳輸特定模數(shù)的光。通常纖芯直徑較粗時，能傳播幾百個以上的模，而纖芯很細時，只能傳播一個模。前者稱為多模光纖，多用于非功能型(NF)光纖傳感器；后者是單模光纖，多用于功能型(FF)光纖傳感器。9.1光纖傳感器基礎

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(shù)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。9.1光纖傳感器基礎多模光纖允許多個模數(shù)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。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。9.1光纖傳感器基礎漸變折射率多模光纖纖芯內(nèi)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，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光纖傳感器基礎四、光纖傳感器基本結構

光纖傳感器是把被測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。光受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘枺?jīng)信號處理系統(tǒng)得到被測量。

9.1光纖傳感器基礎

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。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(diào)制器件等。示例：遮光式光纖溫度計9.1光纖傳感器基礎發(fā)光二極管激光二極管光源9.1光纖傳感器基礎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。9.1光纖傳感器基礎光電轉換器件采用光電二極管9.1光纖傳感器基礎光纖傳感器與電類傳感器的對比分類內(nèi)容光纖傳感器電類傳感器調(diào)制參量光的振幅、相位、頻率、偏振態(tài)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9.1光纖傳感器基礎五、光纖傳感器分類

光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器(FunctionFiberOpticSensor)，又稱FF型光纖傳感器；另一類是非功能傳感器(Non-FunctionFiberOpticSensor)，又NF型光纖傳感器。前者是利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件，所以又稱傳感型光纖傳感器；后者是利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質，用以傳輸來自遠處或難以接近場所的光信號，因此，也稱傳光型光纖傳感器。表9.1列出了常用的光纖傳感器分類及簡要工作原理。9.1光纖傳感器基礎傳感原理功能型光纖傳感器：利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件。非功能型光纖傳感器：利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為傳輸介質，傳輸來自遠外或難以接近場所的光信號，被測對象光纖溫度傳感器光纖位移傳感器光纖濃度傳感器光纖電流傳感器光纖流速傳感器等9.1光纖傳感器基礎被調(diào)制的光波參數(shù)強度調(diào)制光纖傳感器相位調(diào)制光纖傳感器頻率調(diào)制光纖傳感器偏振調(diào)制光纖傳感器波長調(diào)制(顏色)光纖傳感器在光纖中傳輸?shù)墓獠ǎ篍=E0cos(ωt+φ)上式包含五個參數(shù)，即強度E02、頻率ω、波長λ0=2πc/ω、相位(ωt+φ)和偏振態(tài)9.1光纖傳感器基礎表9.1

光纖傳感器分類9.1光纖傳感器基礎9.1光纖傳感器基礎9.1光纖傳感器基礎六、光纖傳感器的發(fā)展趨勢

光纖傳感器具有很多的優(yōu)點，是對以電為基礎的傳統(tǒng)傳感器的革命性變革，發(fā)展前景是極其光明的。但是，目前光纖傳感器的成本較高,在這方面仍面臨著傳統(tǒng)傳感器的挑戰(zhàn)，存在著與傳統(tǒng)傳感器和其它新型傳感器的競爭問題。光纖傳感器的可能發(fā)展趨勢：①當前應以傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題作為光纖傳感器的主要研究對象。②集成化光纖傳感器。③多功能全光纖控制系統(tǒng)。④充分發(fā)揮光纖的低傳輸損耗特性，發(fā)展遠距離監(jiān)測系統(tǒng)。

⑤開辟新領域。9.1光纖傳感器基礎9.2光調(diào)制與解調(diào)技術光的調(diào)制和解調(diào)可分為：強度、相位、偏振、頻率和波長等方式。光的調(diào)制過程就是將一攜帶信息的信號疊加到載波光波上；完成這一過程的器件叫做調(diào)制器。在光纖傳感器中，光的解調(diào)過程通常是將載波光攜帶的信號轉換成光的強度變化，然后由光電探測器進行檢測。9.2光調(diào)制與解調(diào)技術一、強度調(diào)制與解調(diào)

強度調(diào)制光纖傳感器的基本原理是待測物理量引起光纖中的傳輸光光強變化。通過檢測光強的變化實現(xiàn)對待測量的測量。PiPiP0P0

強度調(diào)制方式很多，大致可分為以下幾種:光模式強度調(diào)制反射式強度調(diào)制透射式強度調(diào)制折射率強度調(diào)制吸收系數(shù)強度調(diào)制

一般透射式、反射式強度調(diào)制稱為外調(diào)制式。9.2光調(diào)制與解調(diào)技術9.2光調(diào)制與解調(diào)技術1.光模式強度調(diào)制--微彎效應

利用光在微彎光纖中強度的衰減原理，將光纖夾在兩塊具周期性波紋的微彎板組成的變形器中構成調(diào)制器。從波導理論的觀點來看，當光纖發(fā)生彎曲時，傳輸光會有一部分泄漏到包層中去，這種泄漏是光纖內(nèi)發(fā)生模式耦合的結果，這些耦合模變?yōu)檩椛淠?，造成傳播光能量的損耗。

若采取適當?shù)姆绞教綔y光強的變化，則可知道位移變化量，據(jù)此可以制作出溫度、壓力、振動、位移、應變等光纖傳感器。9.2光調(diào)制與解調(diào)技術外調(diào)制技術的調(diào)制環(huán)節(jié)通常在光纖外部，因而光纖本身只起傳光作用。這里光纖分為兩部分：發(fā)送光纖和接收光纖。兩種常用的調(diào)制器是反射器和遮光屏。2.光強度的外調(diào)制—反射式反射器示例：膜片反射式光纖壓力傳感器在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(fā)生變化，從而使輸出光強受到調(diào)制。光源接收Y形光纖束殼體P彈性膜片9.2光調(diào)制與解調(diào)技術

發(fā)送光纖與接收光纖對準，光強調(diào)制信號加在移動的遮光板上，或直接移動接收光纖，使接收光纖只能收到發(fā)射光纖發(fā)出的部分光，從而實現(xiàn)光強調(diào)制。3.光強度的外調(diào)制—透射式9.2光調(diào)制與解調(diào)技術9.2光調(diào)制與解調(diào)技術9.2光調(diào)制與解調(diào)技術利用折射不同進行光強度調(diào)制的原理包括：①利用被測物理量引起傳感材料折射率的變化；②利用漸逝場耦合；③利用折射率不同的介質之間的折射與反射。4.折射率光強度調(diào)制

一般光纖的纖芯和包層的折射率溫度系數(shù)不同。在溫度恒定時，包層折射率n2與纖芯折射率n1之間的差值是恒定的。當溫度變化時，n2、n1之間的差發(fā)生變化，從而改變傳輸損耗。因此，以某一溫度時接收到的光強為基準,根據(jù)傳輸功率的變化可確定溫度的變化。(1)光纖折射率變化型9.2光調(diào)制與解調(diào)技術

通常，漸逝波在光疏媒質中深入距離有幾個波長時，能量就可以忽略不計了。如果采用一種辦法使?jié)u逝場能以較大的振幅穿過光疏媒質，并伸展到附近的折射率高的光密媒質材料中，能量就能穿過間隙，這一過程稱為受抑全反射。(2)漸逝波耦合型（P207）9.2光調(diào)制與解調(diào)技術

d，L或n2稍有變化，光探測器收到的光強就有明顯變化。(3)反射系數(shù)型

由反射系數(shù)的菲涅爾公式知道，當光波以大于臨界面(θc=sin-1n)的θ角入射到n1、n3介質的界面上時，若n3介質由于壓力或溫度的變化引起n3的微小改變，相應會引起反射系數(shù)的變化，從而導致反射光強的改變，利用這一原理可以設計出壓力或溫度傳感器。9.2光調(diào)制與解調(diào)技術5.吸收系數(shù)強度調(diào)制X射線、γ射線等輻射線會使光纖材料的吸收損耗增加，使光纖的輸出功率降低，從而構成強度調(diào)制輻射量傳感器。9.2光調(diào)制與解調(diào)技術9.2光調(diào)制與解調(diào)技術若采用硅PIN二極管光電探測器，則可略去暗電流噪聲效應；進一步假設調(diào)制頻率遠離1／f噪聲效應區(qū)域，則可略去探測器噪聲，上式可簡化為：

強度調(diào)制型光纖傳感器的關鍵是信號功率與噪聲功率之比要足夠大，其功率信噪比RSN可用下列公式計算：

6.強度調(diào)制的解調(diào)利用上式計算的信噪比，對大部分信號處理和傳感器應用已綽綽有余。但是，光源與光纖、光纖和轉換器之間的機械部分引起的光耦合隨外界影響的變化；調(diào)制器本身隨溫度和時間老化出現(xiàn)的漂移；光源老化引起的強度變化以及探測器的響應隨溫度的變化等，比信號噪聲和熱噪聲對測量精度的影響要大得多。應在傳感器結構設計中和制造工藝中設法減小這些影響。9.2光調(diào)制與解調(diào)技術HsE9.2光調(diào)制與解調(diào)技術偏振調(diào)制就是利用光偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象的信息。光波是橫波。光振動的電場矢量E和磁場矢量H和光線傳播方向s正交。按照光的振動矢量E、H在垂直于光線平面內(nèi)矢端軌跡的不同，又可分為線偏振光（又稱平面偏振光）、圓偏振光、橢圓偏振光和部分偏振光。利用光波的這種偏振性質可以制成光纖的偏振調(diào)制傳感器。二、偏振調(diào)制與解調(diào)9.2光調(diào)制與解調(diào)技術

如圖所示，當壓電晶體受光照射并在其正交方向上加以高電壓，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象——普克耳效應。在晶體中，兩正交的偏振光的相位變化：1.普克耳（Pockels）效應U：加在晶體上的橫向電壓

光的雙折射是指一束光射向石英、方解石等各向異性晶體介質時，分解為兩束折射光的現(xiàn)象。9.2光調(diào)制與解調(diào)技術9.2光調(diào)制與解調(diào)技術

平面偏振光通過帶磁性的物體時，其偏振光面發(fā)生偏轉，這種現(xiàn)象稱為法拉第磁光效應，光矢量旋轉角：2.法拉第磁光效應光纖式中，V是物質的費爾德常數(shù)，l是物質中的光程，H是磁場強度。

9.2光調(diào)制與解調(diào)技術

在垂直于光波傳播方向施加應力，材料將產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其強弱正比于應力。這種現(xiàn)象稱為光彈效應。偏振光的相位變化：3.光彈效應9.2光調(diào)制與解調(diào)技術三、相位調(diào)制與解調(diào)

相位調(diào)制光纖傳感器的基本傳感原理:通過被測能量場的作用，使敏感單模光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再用干涉測量技術把相位變化轉換為光強變化，從而檢測出待測的物理量。光纖中光的相位由光纖波導的物理長度、折射率及其分布、波導橫向幾何尺寸所決定。一般說，應力、應變、溫度等外界物理量能直接改變上述三個波導參數(shù)，產(chǎn)生相位變化，實現(xiàn)光纖的相位調(diào)制。9.2光調(diào)制與解調(diào)技術

光纖受到縱向（軸向）的機械應力作用時，將產(chǎn)生三個主要的物理效應，導致光纖中光相位的變化：①

光纖的長度變化——應變效應②光纖芯的直徑變化——泊松效應③光纖芯的折射率變化——光彈效應

1.應力應變效應9.2光調(diào)制與解調(diào)技術

實現(xiàn)縱向、徑向應變最簡便的方法是采用一個空心的壓電陶瓷圓柱筒(PZT)，在這個圓柱筒上纏繞一圈或多圈光纖，并在其徑向或軸向施加驅動信號，由于PZT筒的直徑隨驅動信號變化，故纏繞在其上的光纖也隨之伸縮。光纖承受到應力，光波相位隨之變化。

在所有干涉型光纖傳感器中，光纖中傳播光的相位響應φ都是與待測場中光纖的長度L成正比。這個待測場可以是變化的溫度T。由于干涉型光纖傳感器中的信號臂光纖可以足夠長，因此信號光纖對溫度變化有很高的靈敏度。

9.2光調(diào)制與解調(diào)技術2.熱脹冷縮效應

9.2光調(diào)制與解調(diào)技術3.相位解調(diào)原理

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，光電流的幅值將與兩光束的相位差成函數(shù)關系。9.2光調(diào)制與解調(diào)技術

上式表明,探測器輸出電流的變化取決于兩光束的初始相位和相位變化?？梢?，通過干涉現(xiàn)象能將兩光束之間的相位差轉化為電流變化。如果，即干涉光束初相位正交，相差,那可較容易地把這種相位變化提取出來，這種探測方式稱為零差檢測。9.2光調(diào)制與解調(diào)技術由激光器輸出的單色光由分束器（把光束分成兩個獨立光束的光學元件）分成為光強相等的兩束光。光束1射向固定反射鏡然后反射回分束器，再被分束器分解：透射部分那束光由光探測器接收，反射的那部分光又返回到激光器。干涉測量儀與光纖干涉?zhèn)鞲衅髟?/p>

1）邁克爾遜干涉儀9.2光調(diào)制與解調(diào)技術

由激光器輸出，經(jīng)分束器透射的另一束光2入射到可移動反射鏡上，也反射回分束器上，經(jīng)分束器反射的一部分光傳至光探測器上，而另一部分光則經(jīng)由分束器透射，也返回到激光器。當兩反射鏡到分束器間的光程差小于激光的相干長度時，射到光探測器上的兩相干光束即產(chǎn)生干涉。兩相干光的相位差為：

式中K0——光在空氣中的傳播常數(shù)

2Δl——兩相干光的光程差9.2光調(diào)制與解調(diào)技術與邁克爾遜干涉儀不同的是，它沒有或很少有光返回到激光器。返回到激光器的光會造成激光器的不穩(wěn)定噪聲，對干涉測量不利。2）馬赫－澤德爾（Mach-Zehnder）干涉儀9.2光調(diào)制與解調(diào)技術利用塞格納克效應構成的。激光經(jīng)分束器分為反射和透射兩部分。這兩束光均由反射鏡反射形成傳播方向相反的閉合光路，并在分束器上會合，送入光探測器，同時也有一部分返回到激光器。在這種干涉儀中，兩光束的光程長度相等。根據(jù)雙束光干涉原理，在光電探測器上探測不到干涉光強的變化。

3）塞格納克（Sagnac）干涉儀

但當把這種干涉儀裝在一個可繞垂直于光束平面軸旋轉的平臺上時，兩束傳播方向相反的光束到達光電探測器就有不同的延遲。若平臺以角速度Ω順時針旋轉，則在順時針方向傳播的光較逆時針方向傳播的光延遲大。這個相位延遲量可表示為：式中Ω為旋轉率；A為光路圍成的面積；c為真空中光速；λ0為真空中的光波長。通過檢測干涉光強的變化，就能知道旋轉速度。9.2光調(diào)制與解調(diào)技術9.2光調(diào)制與解調(diào)技術

由部分反射、部分透射、平行放置的兩塊反射鏡組成。兩個相對的反射鏡表面鍍有反射膜，其反射率常達95％以上。激光入射到干涉儀，在兩個相對反射面作多次反射，透射出來的平行光束由光電探測器接收。

4）法布里—帕羅（Fabry-Perot）干涉儀9.2光調(diào)制與解調(diào)技術

與前幾種雙光束干涉儀不同，這種干涉儀是多光束干涉。根據(jù)多光束干涉原理，探測器探測到干涉光強度的變化為式中R——反射鏡的反射率；

φ——相鄰光束間的相位差。9.2光調(diào)制與解調(diào)技術四種類型光纖干涉儀結構9.2光調(diào)制與解調(diào)技術四、頻率調(diào)制與解調(diào)

主要是利用運動物體反射或散射光的多普勒頻移效應來檢測其運動速度。多普勒效應是指當光源和觀察者作相對運動時，觀察者按收到的光頻率和光源發(fā)射的頻率不同的現(xiàn)象。頻率調(diào)制時光纖往往只起傳輸光信號的作用，而不作為敏感元件。9.2光調(diào)制與解調(diào)技術S為光源，P為運動物體，Q是觀察者所處的位置。若物體P的運動速度為v，方向與PS及PQ的夾角分別為θ1和θ2，則從S發(fā)出的頻率為f1的光經(jīng)過運動物體P散射，觀察者在Q處觀察到的頻率為f2。激光通過偏振分束器和輸入光學裝置射入多模光纖，光纖的另一端插入流體中以便測量流體或其中粒子運動速度。光在流體中散射，其中一部分散射光被光纖收集，與