光纤传感器的研究及应用

光纤传感器的研究及应用
张森;刘孟华;王臻;周琦
【摘要】介绍了光纤传感器与其他传感器相比的优点,还介绍了传感型光纤传感器与传光型光纤传感器的基本原理.同时,文章阐述了强度调制型光纤传感器、干涉型光纤传感器、光纤光栅和光纤声发射传感器的应用.文章最后提出了我国光纤传感技术存在的问题以及发展方向.
【期刊名称】《光通信研究》
【年(卷),期】2007(000)003
【总页数】4页(P62-65)
【关键词】光纤传感技术;干涉型光纤传感器;强度调制型光纤传感器
【作者】张森;刘孟华;王臻;周琦
【作者单位】武汉职业技术学院,光电子技术系,湖北,武汉,430074;武汉职业技术学院,光电子技术系,湖北,武汉,430074;武汉职业技术学院,光电子技术系,湖北,武汉,430074;武汉职业技术学院,光电子技术系,湖北,武汉,430074
【正文语种】中文
【中图分类】TN25
近几年，全球传感器的产量和年增长率均保持在10% 以上，目前全球从事传感器生产和研制的单位达5 000多家。

传感技术作为当今世界迅猛发展起来的技术之一，已经成为衡量一个国家科学技术水平发展的重要标志。

近年来，传感器朝着灵
敏、精巧、适应性强、智能化和网络化方向发展。

光纤传感技术是20世纪70年
代末新兴的一项技术，在全世界成了研究热门，已与光纤通信并驾齐驱。

光纤传感器作为传感家族的一名新成员由于其优越的性能而备受青睐，其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点，可以构成传感网络。

特别是其灵敏度比传统的传感器高几个数量级，可以测量压力、温度、应力(应变)、磁场、折射率、形变、微震动、微位移和声压等等，能用光纤传感技术测量的物理量已达到了70多种。

1 光纤传感器的基本原理
光纤传感技术分为传光型光纤传感技术和传感型光纤传感技术，光纤传感技术的核心是光纤传感器，相应的光纤传感器也分为传感型光纤传感器和传光型光纤传感器。

1.1 传感型光纤传感器原理
传感型光纤传感器也称功能型光纤传感器，光纤既传光又传感而且还充当敏感元件。

对于传感型光纤传感器而言，当光在光纤中传播时，被测对象或外界因素作用在光纤上，会使光纤中传输光的振幅、相位、波长和偏振态等发生改变，此过程为光波的调制，把调制后的光波经光纤传输到光电探测器解调后转换成电信号输出。

传感型光纤传感器的原理比传光型光纤传感器的原理复杂。

传感型光纤传感器中应用最多的是相位调制型光纤传感器或干涉型光纤传感器，其原理是外界因素使得光纤中传输光波的相位发生变化进而改变出射光(干涉光)的强度，以此达到测量目的。

式中，λ0为光在真空中的波长，n为光纤纤芯的折射率，l为光在光纤中传播的距离。

一般通过外界因素可改变n和l，进而可改变相位φ，而相位φ和出射光光强I密切相关，从而改变出射光光强。

常用的干涉型光纤传感器有Michelsion干涉式光纤传感器、Mach-Zehnder干
涉式光纤传感器、Fabry-Perot(F-P)干涉式光纤传感器、Sagnac干涉式光纤传感器和Fizeau干涉式光纤传感器等。

干涉型光纤传感器是光纤传感与测量技术高精度测量中的最佳选择。

1.2 传光型光纤传感器原理
传光型光纤传感器也称非功能型光纤传感器或强度调制型光纤传感器，光纤主要起传输光波的作用，在光纤中间或端部加敏感元件，其主要由光源、光纤、光调制器、敏感元件、光电探测器和检测电路等组成。

传光型光纤传感器主要是强度调制型光纤传感器，其基本原理是待测物理量引起光纤中传输光的光强I变化，通过检测光强I的变化来实现对待测物理量的测量。

强度调制的特点是简单、可靠、经济。

强度调制方式很多，主要有反射式强度调制和透射式强度调制。

1.2.1 反射式强度调制型光纤传感器
图1是反射式强度调制原理示意图。

图1 反射式强度调制原理图
设输入光纤输出的光强为I0,则输出光纤接收的光强I为
式中，r为输入光纤纤芯半径，d是移动反射器的反射面到输入(输出) 光纤端面的
距离，θc是输入光纤的最大出射角, R0为移动反射器的反射率, ξ为光源种类及光源与光纤耦合情况有关的调制参数。

移动反射器改变d，就可以改变输出光纤接收光强I的大小。

1.2.2 透射式强度调制型光纤传感器
图2是透射式强度调制原理示意图。

图2 透射式强度调制原理图
图2中，通过移动接收光纤方向改变d与y来改变发送光纤与接收光纤端面重合
面积的大小，就可以改变接收光纤接收光强I的大小。

式中，I0为光源耦合入发送光纤中的光强，d为发送光纤端面至接收光纤端面间的距离，σ为光纤折射率分布的相关参数，阶跃型光纤σ=1。

2 光纤传感技术的应用
光纤传感技术应用范围很广泛，涉及国民经济与国防事业的很多领域，尤其是能使用在恶劣的环境中。

光纤传感技术目的是获得高的测量精度，但在提高被测物理量精度的同时，一定要设法消除非测物理量的改变以及噪声的影响。

2.1 传光型光纤传感技术的应用
传光型光纤传感技术的应用主要表现在强度调制型光纤传感器的应用，而强度调制型光纤传感器主要有反射式强度调制型光纤传感器(如图1)和透射式强度调制型光纤传感器(如图2)。

2.1.1 反射式强度调制型光纤传感器的应用
光强I0 与I(d)的函数是高斯函数形式，若我们测量微位移时，把输入光纤与接收光纤捆绑在一起,光源与输入光纤耦合较好，则认为式(2)中调制参数ξ=0,这时式(2)变形为
再对式(5)级数展开，则有
因图1中移动反射器移动的距离d较小，R也不大，入射光束及反射光均可近似为圆锥状，我们认为I0和I(d) 都是均匀分布的，即单位面积上分布的光强一样，输入光纤端面和接收光纤端面位于同一平面上，故式(6)中忽略高阶项，则有
另外，由图1又有
由式(7)、(8)，式(2)可简化为
在实际应用中，一般在移动反射器的表面镀一层反射膜或使用反射平面镜，可以使R0达到96%
以上(接近1)，就能得到输出光纤的接收光强I(d)与位移d的关系，而I(d)可以通
过光电检测器PIN检测出来，实现对位移d的测量。

2.1.2 透射式强度调制型光纤传感器的应用
在图2中，当移动接收光纤时，其接收到的光强I大小不一样，当两根光纤纤芯共光轴时，接收光纤接收到的光强最强；两光纤重合的面积越大(图中阴影部分面积)，接收光纤接收到的光强就越强，反之越小；接收光强I与输入光强I0的函数形式
均为对称分布的高斯函数。

此类光纤传感器可以用来测量微位移,在图2中，根据接收光强I的大小可知接收
光纤偏离光轴位移y的大小；另外，I还与两光纤端面间距d有关，故其可以测量横向位移和纵向位移。

此类传感器还可以对光纤数值孔径进行测量，结果精确，操作简单。

2.2 传感型光纤传感技术的应用
传感型光纤传感技术的应用主要表现在干涉型光纤传感器的应用。

2.2.1 Michelsion干涉式光纤传感器的应用
图3是Michelsion干涉式光纤传感器示意图。

图3 Michelsion干涉式光纤传感器
被测量信号作用在传感臂上时，会引起传感臂中传播光的相位发生变化，从而导致进入到光电探测器内的干涉光强度变化。

此类传感器可以测量位移、应变和微振动等，测量精度很高；另外，采用低相干光源可以构成白光干涉仪，这种白光干涉仪能实现绝对量的测量，在建筑领域有很大用途。

图3中光电探测器检测到的光强
为
式中，I0表示光源注入到光纤内的光强，α为系统光衰减系数，Δφ为参考臂与传感臂两束光的相位差。

2.2.2 Mach-Zehnder干涉式光纤传感器的应用
图4是Mach-Zehnder干涉式光纤传感器示意图。

图4 Mach-Zehnder干涉式光纤传感器
此类光纤传感器的特点是具有结构对称性，在两个耦合器之间的两根光纤分别作为参考臂和传感臂。

参考臂与被测量隔绝，传感臂感知被测声源进行定位，精度可达米数量级。

量的变化进而导致传感臂内光波的相位变化，光电探测器探测从两臂出来的两束光产生的干涉光光强的变化，以此来进行测量。

这种传感器精度高，应用广，比如用混凝土作为光纤AE传感器，可以对裂缝产生的声波进行定向检测以及对声源进行定位，精度可达米数量级。

图4中光纤耦合器输出端有两个，两个探测器探测到的光强可以表示为
式中，若探测器1探测到的光强取“+”，则探测器2探测到的光强取“-”，因为根据能量守恒定律，两个探测器探测到的光强之和应等于I0α。

对上述两种光纤传感器进行设计时，两束光偏振态的匹配比较关键，常见的方法是在参考臂加一个偏振控制器来解决。

2.2.3 F-P干涉式光纤传感器的应用
互相平行且间距很小的两薄膜之间构成一个F-P腔，光进入F-P腔后产生多光束干涉；适当选择腔长d和光波长λ，使相邻两束光相位差满足Δφ=2kπ，则这两束干涉光光强有极大值。

光纤中的F-P腔是在光纤中镀膜或者由两段光纤端面与它们之间的空气层构成的。

光注入到光纤F-P腔后，会产生多光束干涉，光电探
测器检测干涉光的光强变化且转换成电信号的变化。

F-P腔温度变化、作用在F-P 腔上的应力的变化等均会使F-P腔腔长发生微小改变，进而改变干涉光光强，以
此可进行温度、应力、应变和微位移等的测量。

F-P干涉式光纤传感器因为是多光束干涉，所以精度很高；为了提高精度，往往在光纤端面镀多层膜。

2.2.4 Sagnac干涉式光纤传感器的应用
图5是Sagnac干涉式光纤传感器示意图。

图5 Sagnac干涉式光纤传感器
Sagnac干涉式光纤传感器使用一根光纤，可以避免外界其他因素产生的光波相位波动所带来的串音。

在图5中，传感器就是一段光纤，可以根据需要做成各种形状。

因为外界许多因素可以导致顺(逆)时针光的相位变化，故此类光纤传感器可以测量温度、应力、应变和声波定位等，因其不易受外界干扰而被广泛应用；根据类似原理研制的光纤陀螺在军事上有着不可比拟的优越性。

图5中，光电探测器探
测到的干涉光光强为
式中，φ逆和φ顺分别表示逆时针光和顺时针光的相位，π为逆时针光两次经过
耦合器产生的相位突变。

2.2.5 Fizeau干涉式光纤传感器的应用
图6是Fizeau干涉式光纤传感器示意图。

图6 Fizeau干涉式光纤传感器
这种光纤传感器也叫大尺度干涉式光纤传感器，传感部分只有一根光纤，但光纤中有两个反射端面，结构简单、受外界因素干扰小。

在图6中，l0为传感器的探测
长度(传感头)。

从耦合器出来的光到达第1个光纤反射端面时，一部分光反射回来；另一部分光穿透过去后沿着长为l0的探测光纤传播到达第2个光纤反射端面，然
后再反射回来。

在两个反射端面镀相同的反射膜，认为两个端面反射膜的反射率相
同；这两束反射光产生干涉，探测器探测到的光强为
式中，I0为激光器进入光纤的光强，α为耦合器的耦合系数，Rf为光纤端面反射率，Δφ为两束反射光的相位差。

此类光纤传感器适合作为埋入式传感器，埋在混凝土内部检测混凝土内部应力、应变，以检测混凝土内部有无裂缝，其应用前景非常好。

2.3 光纤光栅的应用
光纤光栅是光纤传感技术应用的另一代表，目前已经比较成熟。

目前全球对光纤光栅的研究也很重视，现在实际应用较多的是FBG(光纤布拉格光
栅)，用于测量应力、应变、温度和裂变产生的位移等，国内比较典型的应用就是
上海浦东大桥上布置了光纤光栅用来监测其寿命。

2.4 光纤声发射传感器的应用
在外部作用下，固体(材料或零部件)的缺陷或潜在缺陷会改变状态并自动发出瞬态弹性波及释放所积蓄的应变能而产生声音的传播，这种现象称为声发射(简称AE)，又称应力波发射。

物体只有受到了永久性形变或永久性损伤时才会产生声发射，光纤AE传感器即为光纤声发射传感器，它用来检测声发射现象中产生的声波。

光纤AE传感器检测到的声音信号的频率有几Hz 至几百MHz，应用范围非常广泛，在机械探伤(无损检测)、混凝土检测、光纤水听器和医疗等领域应用尤为广泛。

现在，光纤AE传感器主要与干涉式光纤传感器结合使用以提高精度；随着建筑业的发展，光纤AE传感器将在混凝土寿命的监测中发挥巨大作用。

3 结束语
光纤传感技术发展非常迅速，我国在上世纪80年代末开始研究，虽然现在做出了一些成绩，但是与发达国家相比还有差距，特别是能够商用的光纤传感器还比较少。

但只要我们加大对光纤传感技术研究的人力物力财力的投入，必将使这一技术有很
大提高，有助于改变我国传感器落后的现状，提高我国国防事业与工业的科学技术水平。

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