光導(dǎo)纖維傳感器

第十二章光導(dǎo)纖維傳感器第十二章光導(dǎo)纖維傳感器

光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種新技術(shù)，它與激光器、半導(dǎo)體探測器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，在光電子學(xué)中創(chuàng)造了一個(gè)新的領(lǐng)域。它是伴隨著光纖及光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，光纖在外界環(huán)境因素（如溫度、壓力、電場、磁場等）的影響下，其傳輸?shù)墓獠ㄌ卣鲄⒘浚ㄈ绻鈴?qiáng)、相位、頻率、偏振態(tài)等）將發(fā)生變化。通過測量光波特征參量的變化，就可以獲得導(dǎo)致這些光波特征參量變化的溫度、壓力、電場、磁場等物理量的大小，據(jù)此出現(xiàn)了光纖傳感技術(shù)和光纖傳感器。光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1)它具有很高的靈敏度。(2)頻帶寬動(dòng)態(tài)范圍大。(3)光纖直徑只有幾微米到幾百微米，抗拉高，柔軟性好，可根據(jù)實(shí)際需要做成各種形狀，深入到機(jī)器內(nèi)部或人體彎曲的內(nèi)臟等常規(guī)傳感器不宜到達(dá)的部位進(jìn)行檢測。(4)可以構(gòu)成傳感不同物理量的傳感器，如檢測聲場、磁場、壓力、溫度、加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)(陀螺)、位移、液位、流量、電流、輻射、振動(dòng)、應(yīng)變、化學(xué)量、生物醫(yī)學(xué)量等等。(5)抗電磁干擾能力強(qiáng)。光纖主要由電絕緣材料做成，工作時(shí)利用光子傳輸信息，因而不受電磁場干擾的影響；此外，光波易于屏蔽，外界光的干擾也很難進(jìn)人光纖。第十二章光導(dǎo)纖維傳感器第十二章光導(dǎo)纖維傳感器光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

(1)它具有很高的靈敏度。

(2)頻帶寬動(dòng)態(tài)范圍大。

(3)光纖直徑只有幾微米到幾百微米，抗拉高，柔軟性好，可根據(jù)實(shí)際需要做成各種形狀，深入到機(jī)器內(nèi)部或人體彎曲的內(nèi)臟等常規(guī)傳感器不宜到達(dá)的部位進(jìn)行檢測。

(4)可以構(gòu)成傳感不同物理量的傳感器，如檢測聲場、磁場、壓力、溫度、加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)(陀螺)、位移、液位、流量、電流、輻射、振動(dòng)、應(yīng)變、化學(xué)量、生物醫(yī)學(xué)量等。第十二章光導(dǎo)纖維傳感器光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

(1)它具有很高的靈敏度。

(2)頻帶寬動(dòng)態(tài)范圍大。

(3)光纖直徑只有幾微米到幾百微米，抗拉高，柔軟性好，可根據(jù)實(shí)際需要做成各種形狀，深入到機(jī)器內(nèi)部或人體彎曲的內(nèi)臟等常規(guī)傳感器不宜到達(dá)的部位進(jìn)行檢測。

(4)可以構(gòu)成傳感不同物理量的傳感器，如檢測聲場、磁場、壓力、溫度、加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)(陀螺)、位移、液位、流量、電流、輻射、振動(dòng)、應(yīng)變、化學(xué)量、生物醫(yī)學(xué)量等。第十二章光導(dǎo)纖維傳感器

(5)抗電磁干擾能力強(qiáng)。光纖主要由電絕緣材料做成，工作時(shí)利用光子傳輸信息，因而不受電磁場干擾的影響；此外，光波易于屏蔽，外界光的干擾也很難進(jìn)人光纖。

(6)光纖集傳感與信號(hào)傳輸于一體，利用它很容易構(gòu)成分布式傳感系統(tǒng)。便于與計(jì)算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙測和集中控制。

(7)耐高溫，絕緣性能好，防爆，耐腐蝕，可用于高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾、腐蝕等各種高危、惡劣環(huán)境。

(8)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、耗能少。－－12.1.1光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)及其傳光原理12.1光導(dǎo)纖維概述光纖是一種多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的同心圓柱體，由纖芯、包層和保護(hù)層(涂敷層和護(hù)套)組成，如圖所示。纖芯和包層通常由不同摻雜的石英玻璃制成。纖芯的折射率n1略大于包層的折射率n2，光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)。涂敷層可保護(hù)光纖，使其不受水蒸氣的侵蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)增加了光纖的柔韌性，以延長光纖的壽命。護(hù)套采用不同顏色的管套（多為尼龍或塑料材料），一方面起保護(hù)作用，另一方面以顏色區(qū)分多條光纖。多根單條光纖即光纜。光纖的基本結(jié)構(gòu)光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的基礎(chǔ)。眾所周知，光在同一種介質(zhì)中是直線傳播的。由幾何光學(xué)知識(shí)可知，當(dāng)光線以較小的入射角（φ1<φc，φc為臨界角），由光密介質(zhì)(折射率為n1)射人光疏媒質(zhì)(折射率為n2)時(shí)，一部分光線被反射，另一部分光線折射入光疏介質(zhì)(如圖(a)所示)。折射角φ2滿足折射定律：光線入射角小于、等于和大于臨界角時(shí)界面上發(fā)生的內(nèi)反射根據(jù)能量守恒定律，反射光與折射光的能量之和等于入射光的能量。12.1.1光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)及其傳光原理當(dāng)入射角逐漸加大時(shí)，折射角φ2也隨之增大，當(dāng)折射角增大至90°時(shí)，折射光將沿著界面?zhèn)鞑ィㄈ缟蠄D（b）所示），此時(shí)的入射角φ1=φc，φc稱為臨界角。根據(jù)折射定律，臨界角φc為：當(dāng)繼續(xù)增大入射角（即φ1>φc），光不再產(chǎn)生折射，只有反射，形成光的全反射現(xiàn)象（如圖（c）所示）。光纖傳輸原理下面以階躍型多模光纖為例說明光纖的傳光原理。右圖光纖傳輸原理。如圖所示，當(dāng)光線以一定的角度θi入射到光纖端面時(shí)，在端面發(fā)生折射進(jìn)入光纖后，又以入射角φi入射到12.1.1光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)及其傳光原理12.1.1光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)及其傳光原理折射率(n1)較大的光密介質(zhì)(纖芯)與折射率(n2)較小的光疏介質(zhì)(包層)的交界面，光線在這里有一部分透射到光疏介質(zhì)，一部分反射回光密介質(zhì)。當(dāng)入射角φi>φc時(shí)，光線就不會(huì)透射出界面，而發(fā)生全反射。光在纖芯和包層的界面上反復(fù)進(jìn)行全反射，呈鋸齒波形狀在纖芯內(nèi)向前傳播，最后從光纖的另一端面射出，這就是光纖的傳光原理。根據(jù)折射定律，由上圖可知：若要光在光纖和包層的界面上發(fā)生全反射，則界面上的光線入射角需大于臨界折射角，此時(shí)φ’≥90°，而：當(dāng)Φi＝Φc

，即時(shí)Φ’=90°，sinΦ’=90°，則有：因此，為了滿足光在光纖內(nèi)的全反射條件，光入射到光纖端面的入射角θi應(yīng)滿足：一般光纖所處環(huán)境為空氣介質(zhì)，其折射率近似為真空的折射率，即n0=1，則有：實(shí)際工作時(shí)，通常需要光纖彎曲，但只要滿足全反射條件，光線仍能夠繼續(xù)向前傳輸。可見這里的光線“轉(zhuǎn)彎”實(shí)際上是由光的全反射所形成的。12.1.1光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)及其傳光原理12.1.2光纖的主要特征數(shù)值孔徑（NA）定義為：數(shù)值孔徑是表示光纖波導(dǎo)特性的重要參數(shù)，它反映光纖與光源或探測器等元件耦合時(shí)的耦合效率。應(yīng)該注意，光纖的數(shù)值孔徑僅決定于光纖的折射率n1和n2，而與光纖的幾何尺寸無關(guān)。數(shù)值孔徑NA越大，臨界角φc越大，光纖可以接受的輻射能量就越多，即光纖與探測器耦合效率也越高，且保證以全反射形式向前傳播。即在光纖端面，無論光源的發(fā)射功率有多大，只有2θc張角內(nèi)的入射光才能被光纖接收和傳播。如果入射角超出這個(gè)范圍，進(jìn)入光纖的光線將會(huì)進(jìn)入包層而散失(產(chǎn)生漏光)。但實(shí)踐證明，NA的數(shù)值不能無限增大，它受全反射條件的限制，NA值增大將使光信號(hào)產(chǎn)生的“模式色散”也越大，引起的光信號(hào)畸變和衰減12.1.2光纖的主要特征也越大，所以要適當(dāng)選擇NA的大小。光纖制成以后，它是一個(gè)常數(shù)。對石英光纖來說，NA=0.25，求得θc=15°，2θc=30°，稱為光纖的接收角。這表明在30°范圍內(nèi)入射的光線將沿光纖傳輸，大于這一角度的光線將穿越包層而被吸收，不能傳輸?shù)竭h(yuǎn)端。上式又可表示為：式中，Δ為最大相對折射率的差。

12.1.2光纖的主要特征光波在光纖中的傳播途徑和方式稱為光纖模式。對于不同入射角的光線，在界面反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波間的干涉所產(chǎn)生的橫向強(qiáng)度分布也是不同的，這就是傳播模式不同。在光纖中傳播模式很多不利于光信號(hào)的可靠傳播。因?yàn)橥环N光信號(hào)若采取多模式傳播，將使一部分光信號(hào)分成多個(gè)不同時(shí)間到達(dá)接收端的小信號(hào)，從而導(dǎo)致合成信號(hào)的畸變，因此一般總希望光纖信號(hào)的模式數(shù)量要少。光纖分為單模光纖和多模光纖。單模光纖直徑較小(2~12μm)，只能傳輸一種模式，如圖(a)所示。這種模式可以按兩種相互正交的偏振狀態(tài)出現(xiàn)，其特點(diǎn)是芯線徑較細(xì)，芯徑和包層間的相對折射率之差較小。其優(yōu)點(diǎn)是傳輸性能好，信號(hào)畸變小，信息容量大，線性度好，靈敏度高，頻帶極寬。但由于纖芯尺寸太小，制造、連接和耦合都比較困難。多模光纖能傳輸多種模式，甚至幾百到幾千個(gè)模式，如圖(b)和圖(c)所示。其特點(diǎn)是芯線和包層間的折射率之差大，傳輸?shù)哪芰恳泊蟆?/p>

12.1.2光纖的主要特征芯線直徑較大(50～100μm)，包層厚度約為芯線徑的1/10。其性能較差，輸出波形有較大的差異，但由于纖芯截面積大，容易制造，連接和耦合也比較方便。光纖傳輸損耗主要來源于材料吸收損耗(因材料密度及成分濃度不均勻引起)、散射損耗(因光纖拉制時(shí)粗細(xì)不均勻引起)和光波導(dǎo)彎曲損耗(因光纖在使用中可能發(fā)生彎曲引起)。目前常用的光纖材料有石英玻璃、多成分玻璃、復(fù)合材料等。由于其中存在雜質(zhì)離子、原子等缺陷都會(huì)對光信號(hào)有吸收作用，從而造成材料吸收損耗。散射損耗主要是由于材料密度及成分濃度不均勻引起的，這種損耗與光波長的12.1.2光纖的主要特征四次方成反比。因此散射隨著波長的縮短而迅速增大?？梢姽獠ǘ尾⒉皇枪饫w傳輸?shù)淖罴巡ǘ危诮t外波段(1～1.7μm)有傳輸損耗的極小值區(qū)段。因此長波長光纖已成為目前發(fā)展的方向。光纖拉制的粗細(xì)不均勻，造成纖維尺寸沿軸線變化，同樣會(huì)引起光的散射損耗。另外纖芯和包層界面的不光滑、污染等，也會(huì)造成嚴(yán)重的散射損耗。光波導(dǎo)彎曲損耗是使用過程中因使用不當(dāng)而產(chǎn)生的一種損耗。光波導(dǎo)的過度彎曲會(huì)引起傳輸模式的轉(zhuǎn)換，激發(fā)高階模進(jìn)入包層產(chǎn)生損耗。當(dāng)彎曲的曲率半徑大于10cm時(shí)，損耗可忽略不計(jì)。12.1.3光纖的分類根據(jù)芯線徑向折射率分布不同，光纖可分成：階躍型光纖的折射率為階躍變化，且固定不變。單模光纖大多是階躍型光纖，多模光纖的折射率分布既有階躍型的也有漸變型的。對于階躍型多模光纖，由于不同模式在纖芯中傳播的群速度不同，因而各個(gè)模式到達(dá)光纖輸出端面的群延時(shí)不同，結(jié)果使傳輸?shù)墓饷}沖展寬，這種現(xiàn)象稱為模式色散。色散的存在使傳輸?shù)男盘?hào)脈沖發(fā)生畸變，從而限制了光纖的傳輸帶寬。漸進(jìn)型光纖的折射率從中心開始沿徑向逐步降低。由于不同模式的群速度相同，故這種光纖可以顯著地減小模式色散，且所含信息容量較大，處理簡便。12.2光纖傳感器的特點(diǎn)、組成及分類－－12.2.1光纖傳感器的特點(diǎn)光線傳感器具有以下特點(diǎn)：

(1)電、磁絕緣性好。這是光纖的獨(dú)特性能。由于光纖中傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，即使用于高壓大電流、強(qiáng)磁場、強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境也不易受干擾，使其特別適合于電力系統(tǒng)。此外還有利于克服光路中介質(zhì)成分及背景輻射的影響，因而適用于一些特殊情況下的測量。

(2)絕緣性能高。光纖是不導(dǎo)電的非金屬材料，其外層的涂覆材料硅膠也不導(dǎo)電，因此光纖絕緣性能高，很方便測量帶高壓電設(shè)備的各種參數(shù)。

(3)強(qiáng)度高，耐高溫高壓，抗化學(xué)腐蝕，物理和化學(xué)性能穩(wěn)定，防爆性能好。由于在光纖內(nèi)部傳輸?shù)氖悄芰亢苄〉墓庑畔?，不?huì)產(chǎn)生火花、高溫和漏電等不安全因素，因此，不會(huì)引發(fā)爆炸或燃燒，安全性能好。光纖傳感器適合于有強(qiáng)腐蝕性對象、易燃易爆環(huán)境的參數(shù)測量。

(4)導(dǎo)光性能好。對傳輸距離較短的光纖傳感器來說，其傳輸損耗可以忽略不計(jì)，利用這一特性制成了鍋爐火焰檢測器，監(jiān)視其火焰的狀態(tài)。

(5)靈敏度高。即使在被測對象很小的情況下，光路仍能接受較大立體角的能量，因而測量靈敏度高。因?yàn)槭⒐饫w的傳輸損耗低，可實(shí)現(xiàn)小目標(biāo)近距離測量遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪康?，滿足現(xiàn)場各種使用要求。

(6)光纖傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，體積很小，重量輕，耗電少，幾乎不破壞被測場（如溫場、磁場等）?？蓪?shí)現(xiàn)對小熱容量溫度場的點(diǎn)測等的精密測量。

(7)光纖柔軟可撓曲，克服了光路不能轉(zhuǎn)彎的缺點(diǎn)，可在密閉狹窄空問等特殊環(huán)境下進(jìn)行測量，如對核爆實(shí)驗(yàn)中爆炸中心參數(shù)的測量，必須在密閉環(huán)境中進(jìn)行，且要克服高溫、高壓、高輻射等因素的影響。12.2.1光纖傳感器的特點(diǎn)12.2.2光纖傳感器的組成(8)光纖構(gòu)形靈活，可制成單根、成束、Y形、陣列等結(jié)構(gòu)形式，可以在一般傳感器難以應(yīng)用的場合實(shí)現(xiàn)測量。光纖傳感器通常由以下幾部分構(gòu)成：

(1)光源，其性能直接影響光纖傳感器的檢測結(jié)果。

(2)敏感元件：可以為光纖或非光纖的，其作用是將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)墓庑盘?hào)。

(3)信號(hào)傳輸部分：通過光導(dǎo)纖維進(jìn)行信號(hào)傳輸。

(4)光探測器：對來自光導(dǎo)纖維的信號(hào)進(jìn)行接收、整形等處理。

(5)信號(hào)處理系統(tǒng)：根據(jù)不同的測控系統(tǒng)的要求，提取、解讀接收到的信號(hào)，獲取所需要的被測量。光纖傳感器常用的相關(guān)器件有以下部分：

(1)光纖傳感器的光源：大多采用相干光源(激光器)，例如半導(dǎo)體激光器、氦氖激光器和固體激光器。

(2)光纖接頭：光源與光纖、探測器與光纖以及光纖與光纖之間均由光纖接頭連接。使用時(shí)的插入損耗越小越好?；罱宇^主要用于光源與光纖耦合；死接頭多用于光纖對接，連接的專用工具是光纖融接器。

(3)光纖耦合器：可將光源射出的光束分別耦合進(jìn)兩條以上的光纖，或者將兩束光纖的出射光同時(shí)耦合給探測器。分立式耦合器主要由棱鏡、聚焦透鏡和調(diào)節(jié)支架組成。固定式耦合器由兩塊基板嵌入光纖加工后用匹配膠粘合而成。12.2.2光纖傳感器的組成12.2.3光纖傳感器的分類光纖傳感器的一般分類方法如下：1)功能型(或稱物性型、傳感型)這類光纖傳感器不僅作為光傳播的媒介而且還充當(dāng)敏感元件，將被測量轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化量。因?yàn)楣饫w既是電光材料又是磁光材料，所以可以利用克爾效應(yīng)、法拉第效應(yīng)等，制成測量強(qiáng)電流、高電壓等傳感器；其次可利用光纖的傳輸特性把輸入量變?yōu)檎{(diào)制的光信號(hào)。因?yàn)楸碚鞴獠ㄌ匦缘膮⒘浚缯穹?光強(qiáng))、相位和偏振態(tài)會(huì)隨著光纖的環(huán)境(如應(yīng)變、壓力、溫度、電場、射線等)而改變，故利用這些特性便可實(shí)現(xiàn)傳感測量。12.2.3光纖傳感器的分類2)非功能型(或稱結(jié)構(gòu)型、傳光型)光纖在非功能型光纖傳感器中只作為傳光的介質(zhì)，它在光纖端面或中間加裝其它敏感元件感受被測量的變化。非功能型傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單，能夠充分綜合其他敏感器件和光纖本身的優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展很快。在用途上，非功能型傳感器要多于功能型傳感器，而且非功能型傳感器的制作和應(yīng)用也比較容易，所以目前非功能型傳感器品種較多。功能型傳感器的構(gòu)思和原理往往比較巧妙，可解決一些特別棘手的問題。但無論哪一種傳感器，最終都利用光探測器將光纖的輸出變?yōu)殡娦盘?hào)。12.2.3光纖傳感器的分類按調(diào)制手段不同，光纖傳感器可分為為強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制、偏振調(diào)制、波長調(diào)制型光纖傳感器。

按被測量不同，光纖傳感器可分為電壓、電流、磁場、位移、速度、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、壓力、溫度、流量、化學(xué)量、生物量光纖傳感器。12.3光纖傳感器的應(yīng)用－－12.3.1光強(qiáng)調(diào)制光纖傳感器能夠?qū)饫w內(nèi)光強(qiáng)產(chǎn)生調(diào)制作用的因素很多，如能夠引起傳輸光強(qiáng)變化的光纖彎曲、光纖內(nèi)光路截?cái)嗷蛘趽?、吸收、反射、接收等過程中光纖反射光強(qiáng)變化等。光強(qiáng)調(diào)制類光纖傳感器對光纖的性能要求不高，為了增強(qiáng)調(diào)制深度，一般采用多模光纖。這種傳感器利用的微彎狀態(tài)下的光纖所產(chǎn)生的彎曲損耗對光強(qiáng)進(jìn)行幅值調(diào)制的傳感器。其原理如下圖所示。如前所述，在直光纖段，正常傳輸?shù)墓饩€打到纖芯和包層之間的界面上時(shí)，其入射角大于臨界角(Φ1>Φ2)，則光線在界面上產(chǎn)生全反射。理想情況下，光在直光纖中傳播是無損的。當(dāng)光線入射到微彎曲段的界面上時(shí)，入射角將小于臨界角(Φ1<Φ2)。此時(shí)，將會(huì)有一部分光能投射進(jìn)入包層，從而導(dǎo)致光能的損耗。

12.3.1光纖傳感器的應(yīng)用光纖微彎傳感器如圖所示，其變形器由兩個(gè)波浪型板構(gòu)成。上面的板是活動(dòng)的，下面的板是固定的。波形板一般采用有機(jī)玻璃、尼龍等非金屬材料構(gòu)成。一根光纖（階躍型或梯度型多模光纖）從中穿過。當(dāng)活動(dòng)板受到微繞（位移或壓力）作用時(shí)，光纖會(huì)發(fā)生波浪微彎，引起傳播光的彎曲損耗，使光能在芯模中再分配：一部分在界面上反射回纖芯；另一部分從纖芯折射到包層。當(dāng)活動(dòng)板的位移或所施加的壓力增加時(shí)，泄漏到包層的散射光隨之增大，則纖芯輸出光的強(qiáng)度相應(yīng)減小，光強(qiáng)得到了調(diào)制。通過檢測光能衰減的程度，或光纖纖芯透射光強(qiáng)度就能測出位移（或壓力）信號(hào)。光纖微彎曲傳感器實(shí)際測量光路如圖（b）所示。光纖微彎傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)是光功率維持在光纖內(nèi)部，這樣可以避免周圍環(huán)境的影響，適宜在惡劣環(huán)境中使用。其靈敏度很高，能檢測小至100μPa的壓力變化。它具有兼容多模光纖技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)態(tài)范圍寬、線性度較好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。光纖微彎傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)是光功率維持在光纖內(nèi)部，這樣可以避免周圍環(huán)境的影響，適宜在惡劣環(huán)境中使用。其靈敏度很高，能檢測小至100μPa的壓力變化。它具有兼容多模光纖技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)態(tài)范圍寬、線性度較好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。12.3.1光纖傳感器的應(yīng)用傳輸光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器，一般在兩根光纖(輸入光纖和輸出光纖)之問配置有機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件，敏感元件在被測量作用下調(diào)制傳輸光強(qiáng)的方式有：改變輸入光纖和輸出光纖之間的相對位置、遮斷光路和影響光能吸收程度等。12.3.1光纖傳感器的應(yīng)用受抑全內(nèi)反射光纖壓力傳感器，是典型的利用改變光纖軸向相對位置對光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制的光纖傳感器，如左下圖所示。傳感器由兩根光纖組成，一根固定，另一根可隨被測量變化垂直移動(dòng)。兩根光纖的相對端面是拋光面，并與光纖軸線成一足夠大的角度θ，以便使光纖中傳播的所有模式的光產(chǎn)生全內(nèi)反射。當(dāng)兩根光纖充分靠近(中間僅有幾個(gè)波長距離的薄層空氣)，一部分光將透射進(jìn)空氣層并進(jìn)入輸出光纖。這種現(xiàn)象稱為受抑全內(nèi)反射現(xiàn)象，它類似于量子力學(xué)中的“隧道效應(yīng)”或“勢壘穿透”。當(dāng)一根光纖相對另一根固定光纖垂直位移距離x時(shí)，則兩根光纖端面之間的距離變化為xsinθ。因而透射光強(qiáng)隨距離發(fā)生變化。右下圖為光源波長λ=0.63μm，光纖纖芯折射率n1=1.48，數(shù)值孔徑NA=0.2，θ角分別為52°、64°和76°時(shí)光纖透射光強(qiáng)與間隙之間的關(guān)系。由曲線可知，光強(qiáng)變化與間隙距離的變化呈非線性關(guān)系。因此在使用中應(yīng)12.3.1光纖傳感器的應(yīng)用限制光纖的位移距離，使傳感器工作在變化距離較小的一段線性范圍內(nèi)。從曲線還可以看出，θ角越大，曲線的線性段斜率越大。所以為了使傳感器獲得較高的靈敏度，光纖端面的傾斜角(90°-θ)要切割得較小。受抑全內(nèi)反射原理透射光強(qiáng)與光纖間隙距離的關(guān)系下圖為基于受抑全內(nèi)反射原理的光纖壓力傳感器原理圖。一根光纖固定在支架上，另一根光纖通過支架安裝在鈹青銅彈簧片上。支架上端與膜片相連。當(dāng)膜片受壓力而撓曲并可動(dòng)光纖作垂直位移時(shí)，投射入輸出光纖的光強(qiáng)被調(diào)制。經(jīng)光電探測器12.3.1光纖傳感器的應(yīng)用轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，便能夠檢測出壓力信號(hào)。

受抑全內(nèi)反射光纖傳感器的靈敏度相當(dāng)高，它可以檢測到1μPa的微小壓力信號(hào)。只要適當(dāng)增加入射光功率，即能檢測100Hz到100kHz的深海噪聲。其缺點(diǎn)是要求嚴(yán)格的機(jī)械公差，機(jī)械調(diào)整比較困難，而且光不能約束在光纖內(nèi)部，在外場工作不易穩(wěn)定。這些缺點(diǎn)限制了它在外場的應(yīng)用。受抑全內(nèi)反射光纖壓力傳感器12.3.2相位調(diào)制光纖傳感器當(dāng)一束波長為λ的相干光在光纖中傳播時(shí)，光波的相位角與光纖的長度L，纖芯折射率n1和纖芯直徑d有關(guān)，若光纖受物理量的作用，會(huì)使這三個(gè)參數(shù)發(fā)生不同程度的變化，從而引起光的相移。一般情況下，光纖長度和折射率的變化引起光相位的變化要比光纖直徑變化引起的變化大得多，可忽略光纖直徑引起的相位變化。由普通物理學(xué)可知，在一段長為L的單模光纖（纖芯折射率n1）中，波長為λ的輸出光相對輸入端來說，其相位角φ為：當(dāng)光纖受到外界物理量的作用，則光波的相位角變化為：12.3.2相位調(diào)制光纖傳感器采用光纖的相位檢測技術(shù)可以測量出溫度、壓力、加速度、電流等物理量。由于光的頻率很高（約為1014Hz），光電探測器不能夠相應(yīng)這樣高的頻率。也就是說，光電探測器不能跟蹤以這樣高的頻率進(jìn)行變化的瞬時(shí)值，因此，光波的相位變化是不能夠直接被檢測到的。為了能檢測光波的相位變化，就必須應(yīng)用光學(xué)干涉測量技術(shù)將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成振幅(強(qiáng)度)調(diào)制。通常，在光纖傳感器中常采用馬赫一澤德(Mach_zhender)干涉儀等四種不同的干涉測量儀。它們有一個(gè)共同之處，即光源的輸出光被分束器(棱鏡或低損耗光纖耦合器)分成光功率相等的兩束光(也有分成幾束光)，并分別耦合到兩根或幾根光纖中去。在光纖的輸出端再將這些分離光束匯合起來，輸出到一個(gè)光電探測器。在干涉儀中采用鎖相零差、合成外差等解調(diào)技術(shù)，可以檢測出相位調(diào)制信號(hào)。12.3.2相位調(diào)制光纖傳感器下圖所示為利用普通的馬赫一澤德干涉儀測量壓力或溫度的相位調(diào)制型光纖傳感器原理圖。這是一款功能型光纖傳感器，由兩根同樣材質(zhì)，且長度基本相同的單模光纖組成，其出射端是平行的，則它們的出射光就會(huì)在屏幕上形成明暗相間的干涉條紋。其中一根為測量用的光纖，直接感受被測量溫度的變化，另一根為參考用光纖，使它置于恒定的溫度場內(nèi)。那么當(dāng)被測溫度變化時(shí)，測量光纖出射光的相位將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致屏幕上干涉條紋的移動(dòng)。相位每變化2π，干涉條紋移動(dòng)一條。通過計(jì)量屏幕上干涉條紋移動(dòng)的數(shù)目，就可求出相位的變化量，也就可以推出相應(yīng)的溫度變化量。12.3.2相位調(diào)制光纖傳感器用馬赫-澤德干涉儀測量壓力或溫度相位調(diào)制型光纖傳感器原理

He-Ne激光器發(fā)射波長為λ=0.6328μm的單色光，經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后準(zhǔn)直為平行光，再經(jīng)過分束器分成兩路，并分別經(jīng)透鏡進(jìn)行光束直徑聚焦。聚焦后光束大小等于12.3.2相位調(diào)制光纖傳感器測量光纖和參考光纖的入射端面直徑的大小。這兩根光纖(單模光纖)構(gòu)成干涉儀的兩個(gè)臂。令兩臂的光程長大致相等(在光源相干長度內(nèi))，那么來自兩根光纖的光束經(jīng)過準(zhǔn)直和合成后，兩束出射光在屏幕上將產(chǎn)生干涉條紋，在屏幕后某一固定點(diǎn)上設(shè)置半導(dǎo)體PIN管，用以檢出干涉條紋的移動(dòng)。

下圖所示為光纖加速度傳感器原理圖。在兩根光纖之間懸掛一塊質(zhì)量塊。光纖1和光纖2牢固地固定在質(zhì)量塊和傳感器座上，安裝時(shí)應(yīng)使光纖稍微繃緊，這兩根光纖分別被熔接在干涉儀的兩條臂上。12.3.2相位調(diào)制光纖傳感器當(dāng)傳感器受到垂直向上的加速度作用時(shí)，則慣性作用下將使光纖1的軸向應(yīng)變增強(qiáng)，長度伸長ΔL，而光纖2的軸向應(yīng)變減弱，長度縮短ΔL。這樣，使質(zhì)量塊加速所需的力F為：張應(yīng)力變化引起的光纖應(yīng)變由下式給出：當(dāng)光纖受應(yīng)變后，光纖長度L發(fā)生變化，其輸出端光的相位將發(fā)生變化，此相位變化由光波的相位角變化給出。對于拉伸應(yīng)變情況，光的相移的變化主要是由光纖長度變化引起，光纖折射率變化對出射光相位變化的作用很小，可以忽略。這樣，每根光纖中傳播光的相移為：將上面幾個(gè)式得，且因，則有：12.3.2相位調(diào)制光纖傳感器由上式可知，光相位的變化（兩根光纖則變化量加倍）與加速度成正比。利用光學(xué)干涉測量技術(shù)就可測出加速度。這種光纖加速度傳感器的靈敏度極高，最小可檢測lμg的加速度。為消除橫向加速度的影響，結(jié)構(gòu)上加了兩片薄膜如上圖所示，這兩片薄膜的橫向剛度大，可以有效地起到隔離橫向加速度的作用，而其軸向剛度極小，因此并不影響加速度傳感器的諧振頻率。光纖加速度傳感器的諧振頻率，可以按一般二階系統(tǒng)計(jì)算的方法得出。我們知道，在傳感器中光纖是支撐質(zhì)量塊的彈性元件。因此，使質(zhì)量塊沿光纖軸向位移距離x所需的彈簧力F為：由此可得：12.3.2相位調(diào)制光纖傳感器當(dāng)質(zhì)量塊m連在彈性模量為k的光纖上時(shí)，其諧振頻率由下式給出：由上面兩個(gè)式子，且因，則得：下圖為典型的光纖加速度傳感器的頻響特性?？梢钥闯觯饫w加速度傳感器的頻率響應(yīng)并不高，一般只能響應(yīng)幾百赫茲頻率的振動(dòng)。但對加速度卻有良好的線性響應(yīng)，如下圖所示。光纖加速度傳感器的頻率特性干涉儀輸出與加速度的關(guān)系12.3.3利用半導(dǎo)體吸收的光纖溫度傳感器半導(dǎo)體光纖(或吸收)溫度計(jì)是由一個(gè)半導(dǎo)體吸收器、光纖、光源和包括光探測器的信號(hào)處理系統(tǒng)等組成。其特點(diǎn)是：體積小、靈敏度高、工作可靠容易制作，且沒有雜散光損耗。它是利用某些半導(dǎo)體材料（如GaAs）具有極陡的吸收光譜，對光的吸收隨著溫度的升高而明顯增大的性質(zhì)制成的。由半導(dǎo)體物理知道，半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg隨溫度T增加近似線性地減小，如左下圖所示。因此半導(dǎo)體的本征吸收側(cè)波長λg（λg=ch/Eg，式中c為光速，h為普朗克常數(shù)）隨溫度增加而向長波長方向移動(dòng)。半導(dǎo)體的光透射特性如右下圖所示，圖中T1<T2<T3，λg為吸收邊沿波長。邊沿線左邊的光能被半導(dǎo)體吸收，右邊的光能被透過。因此，半導(dǎo)體的光譜特性可分為三個(gè)區(qū)域：短波部分，入射光全部被吸收，透射為零；長波部分，吸收為零，入射光全部透過；中間部分，吸收的邊沿隨溫度升高而向長波方向移動(dòng)。半導(dǎo)體的禁帶寬度半導(dǎo)體的光投射特性曲線

選擇光源發(fā)出的光譜峰落在吸收的邊沿上，即等于λg。則當(dāng)溫度升高時(shí)，透過半導(dǎo)體的輻射功率（兩條曲線下面的面積）將明顯減少。

下圖所示為半導(dǎo)體光纖溫度計(jì)測溫探頭結(jié)構(gòu)圖。在輸入光纖和輸出光纖兩端面間夾一片厚度約零點(diǎn)幾毫米的半導(dǎo)體光吸收片，并用不銹鋼套管加以固定，使半導(dǎo)體與光纖成為一體。12.3.3利用半導(dǎo)體吸收的光纖溫度傳感器半導(dǎo)體光纖溫度計(jì)測溫探頭結(jié)構(gòu)如果對測量準(zhǔn)確度要求不高時(shí)，半導(dǎo)體光纖溫度計(jì)可以由上述測溫探頭、一個(gè)光源、一個(gè)探測器和一個(gè)對數(shù)放大器組成，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低，便于推廣。如果增加一個(gè)參考光源，其輻射功率與溫度無關(guān)，而與耦合效率和光纖衰減等于擾因素有關(guān)，就構(gòu)成了雙波長半導(dǎo)體光纖溫度計(jì)。它是利用接收端參考光輻射功率與信號(hào)光輻射功率之比來確定溫度，這樣可將兩者受到的干擾因素的影響相互抵消，提高了測量的準(zhǔn)確性。12.3.3利用半導(dǎo)體吸收的光纖溫度傳感器一個(gè)實(shí)用的雙波長半導(dǎo)體光纖溫度計(jì)如下圖所示，它由半導(dǎo)體測溫探頭、兩個(gè)光源、一個(gè)光探測器和信號(hào)處理控制電路組成。光源是采用兩只不同波長的發(fā)光二極管：一只是AlGaAs發(fā)光二極管，波長為λ1≈0.88μm；另一只是InGaPAs發(fā)光二極管，波長為λ2≈1.27μm。它們由脈沖發(fā)生器激勵(lì)而發(fā)出兩束脈沖光，并通過一個(gè)光耦合器一起射入光纖中。兩個(gè)光脈沖進(jìn)入探頭后，半導(dǎo)體吸收元件對波長為λ1的光進(jìn)行吸收，吸收率隨溫度而變化，而對波長為λ2的光不吸收，即幾乎是全部透過，故取λ1光作為測量信號(hào)，而取λ2光作為參考信號(hào)。光脈沖信號(hào)從探頭出來后通過輸出光纖傳送到光探測器上，然后進(jìn)入采樣放大轉(zhuǎn)換電路，最后由除法器以參考光為標(biāo)準(zhǔn)對與溫度相關(guān)的測量信號(hào)進(jìn)行歸一化。采樣放大轉(zhuǎn)換電路和除法器合稱為信號(hào)處理電路。顯然除法器的輸出只取決于半導(dǎo)體透射特性曲線邊沿的位移，即與溫度有關(guān)。該溫度汁的測溫范圍是-30～300℃，準(zhǔn)確度可達(dá)l℃。12.3.3利用半導(dǎo)體吸收的光纖溫度傳感器12.3.3利用半導(dǎo)體吸收的光纖溫度傳感器雙波長半導(dǎo)體光線溫度計(jì)原理框圖12.3.4頻率調(diào)制光纖傳感器

利用外界因素改變光的頻率，通過檢測光的頻率變化來測量物理量的光纖傳感器，稱為頻率調(diào)制型光纖傳感器?；诠鈱W(xué)多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制的激光多普勒光纖測速傳感器和光纖多普勒血流速度傳感器，就是典型的頻率調(diào)制型光纖傳感器。12.3.4頻率調(diào)制光纖傳感器當(dāng)光源和觀察者（光接收器）有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所接收到的光波頻率不同于光源的頻率，兩者相接近時(shí)，接收到的頻率增大，反之，則減小，這種現(xiàn)象稱為光的多普勒效應(yīng)。由于多普勒效應(yīng)而引起的頻率變化數(shù)值稱為多普勒頻移。如下圖所示，一束頻率為f0的光從靜止光源入射到相對于光源運(yùn)動(dòng)速度為v的運(yùn)動(dòng)物體上，根據(jù)多普勒效應(yīng)，則從運(yùn)動(dòng)物體反射的光頻率為：光學(xué)多普勒效應(yīng)12.3.4頻率調(diào)制光纖傳感器由于光速c>>v，所以簡化為：

同樣根據(jù)多普勒效應(yīng)，靜止探測器接受到的運(yùn)動(dòng)物體散射光頻率為：

由上面幾個(gè)式子得：

頻率移動(dòng)為：

利用多普勒效應(yīng)可以進(jìn)行速度、流速、流量等測量例如，光纖式血液流速測量，激光多普勒超低速（1cm/h）、超音速測量等。12.3.4頻率調(diào)制光纖傳感器下圖所示為光纖多普勒血流速度傳感器示意圖。激光器產(chǎn)生頻率為f0的光經(jīng)分束器分成兩束。其中被聲光調(diào)制器（布拉格盒）調(diào)制成（f0-f1）的一束光射入探測器中；另一束頻率f0為的光經(jīng)光纖入射到血液中。由于血液里的紅血球以速度v運(yùn)動(dòng)，根據(jù)光學(xué)多普勒效應(yīng)，其反射光的頻率為fs(fs=f0±Δf)。它與（f0-f1）的光在光電探測器中混頻后形成（f1±Δf)的振蕩信號(hào)，經(jīng)頻譜分析儀處理，可測量出Δf，帶入散射光頻率公式中，即可得到血流速度v。信號(hào)光頻率fs可能大于f0，也可能小于f0，取決于血流運(yùn)動(dòng)的方向。采用耦合器、光纖偏振控制器、光纖聲光頻移器等功能型光纖元件，構(gòu)建了功能型全光纖激光多普勒測速儀，如下圖所示。12.3.4頻率調(diào)制光纖傳感器光纖多普勒血液流動(dòng)速度傳感器原理多功能型全光纖激光多普勒測速儀

激光器發(fā)出的激光經(jīng)耦合器平均入射到兩單模光纖中，再經(jīng)物鏡出射匯聚到探測點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)粒子經(jīng)過探測點(diǎn)，產(chǎn)生散射光并被探測器接受，散射光中攜帶了粒子速度信息。為了保證兩入射光在探測點(diǎn)相互干涉，用光纖偏振控制器保證兩光束偏