朱彭 光纤传感器1

渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴 线开始沿径向大致按抛物线形成递减，中心轴折射率最大，因 此，光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚， 光纤传播的轨迹类似正弦波形，如图所示，具有光自聚焦效果， 故渐变折射率多模光纤又称为自聚焦光纤。因此渐变折射率多 模光纤的模分散比阶跃型小得多。
接收光通量 与位移d的关系为
0； d ≤ d 0 3 k (d d 0 ) 2； d 0 ≤ d ≤ d m P ； d ≤ dm d
在位移输出曲线的前坡区，输出信号的强度增加得非常快，这 一区域可以用来进行微米级的位移测量。在后坡区，信号的减 弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比，可用于距离较 远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。在光峰区，信号 达到最大值，其大小取决于被测物体的表面状态。所示这个区 域可用于对物体的表面状态进行光学测量。
第9章 光纤传感器 • 由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光 的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到 光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所 期待的被测量。 • 可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较， 在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量 为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。 • 光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫 外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中 的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电 矢量E的振动，即 • A——电场E的振幅矢量；ω——光波的振动频率； φ——光相位；t——光的传播时间。 可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频 率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被 测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率 调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。
当入射角 1＞ c 时，光线不会透过其界面，而全部反射到光密 物质内部，也就是说光被全反射。根据这个原理，如图所示， 只要使光线射入光纤端面的光与光轴的夹角 0 小于一定值，则 入射到光纤纤芯和包层界面的 角就满足小于临界角 c 的条件， 1 光线就射不出光纤的纤芯。光线在纤芯和包层的界面上不断地 产生全反射而向前传播，光就能从光纤的一端以光速传播到另 一端，这就是光纤传光的基本原理。 可以证明，该入射角为
朱彭 2011.12.12
光纤传感器
Fiber Optic Sensors
一.光纤传感器概述
光纤传感器:利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性(强度、相位、 偏振态、频率、波长)改变的传感器。
光纤传感器(FOS： Fiber Optical Sensor)是20世纪70年代中期发展起来的 一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物， 它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体， 用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。 光纤传感器的特点:
（5）光纤液位传感器
结构特点：光纤测头端有一个圆锥体反射器。当测头置于空 气中没接触液面时，光线在圆锥体内发生全内反射而回到光 电二极管。当测头接触液面时，由于液体折射率与空气不同， 全内反射被破坏，有部分光线透入液体内，使返回到光电二 极管的光强变弱；返回光强是液体折射率的线性函数。返回 光强发生突变时，表明测头已接触到液位。
（2）．光纤开关与定尺寸检测装臵 光纤开关与定尺寸检测装臵是利用光纤中光强度的跳变来测出各 种移动物体的极端位臵，如定尺寸、定位、记数等。特别是用于 小尺寸工件的某些尺寸的检测有其独特的优势。 光纤 耦合器 标志孔 当光纤发出的光 穿过标志孔时，若无 反射，说明电路板方 向放臵正确。 传输光纤 出射光纤 电路板标志检测
Байду номын сангаас
（4）光纤传感器工作原理 光纤传感器与电类传感器的对比
电 电类传感器 电量检测 源 电 缆 电 类 传 感 器 光 纤 传 感 器 被 测 参 量 被 测 参 量
光 光纤传感器
源 光 缆
光量检测
以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测 的电信号的装臵。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系 统以及信息传输均用金属导线连接，见图 (a)。光纤传感器 则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装臵。由光 发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理 系统以及光纤构成，见图。
用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长时， 最低损耗为3.4 dB/km。 3) 塑料光纤
用 人 工 合 成 导 光 塑 料 制 成 ， 其 损 耗 较 大 ， 当 时 ， 达 到 100 ～ 200 dB/km。但其重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。
2．按折射率分类
分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤，如图所示。在纤芯 和包层的界面上，纤芯的折射率不随半径而变,但在纤芯与包层 界面处折射率有突变的称为阶跃型；而光纤纤芯的折射率沿径 向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致 的称为渐变型。
s in 0 1 n0 n1 n 2
2 2
光纤的“数值孔径”NA，
N A s in 0 1 n0 n1 n 2
2 2
（3）光纤的种类 1．按材料分类
1) 高纯度石英(SiO2)玻璃纤维
这种材料的光损耗比较小，在波长时，最低损耗约为0.47 dB/km。 锗硅光纤，包层用硼硅材料，其损耗约为0.5 dB/km。 2) 多组分玻璃光纤
武汉理工大学机电工程学院
第9章 光纤传感器
三．光纤传感器的分类
• 1．功能型光纤传感器 • 如图，它指利用对外界信息具有敏感能力 和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件， 将“传”和“感”合为一体的传感器。功 能性光纤传感器中光纤不仅起传光作用， 而且还利用光纤在外界因素的作用下，其 光学特性(光强、相位、频率、偏振态)
T

9.3.5
光纤气体传感器
光纤气体传感器是利用气体在石英光纤透射窗口(0.8～1.7 m ) 内的吸收峰进行测量，由气体吸收产生的光强衰减，得到气体的 浓度。所依据的基本原理为比尔-朗伯定律: I I 0 ex p [ ( ) L C ]
I为透射光的强度；I0为入射光的强度；α( )为气体吸光系数， 它与光波长有关；L为吸收介质的厚度；C为吸收介质的浓度。
单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均 为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光，常用于光 纤传感器。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性 度；但因芯小，难以制造和耦合。
多模光纤允许多个模 数的光在光纤中同时 传播，通常纤芯直径 较大，达几十微米以 上。由于每一个“模” 光进入光纤的角度不 同，它们在光纤中走 的路径不同，因此它 们到达另一端点的时 间也不同，这种特征 称为模分散。特别是 阶跃折射率多模光纤， 模分散最严重。这限 制了多模光纤的带宽 和传输距离。
3．按光纤的传播模式分类 根据传输模数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。 什么是光纤的传播模式 光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播 的两种平面波成分。后者在纤芯和包层的界面上会产生全反射。 当它在横切向往返一次的相位变化为 2 的整倍数时，将形成 驻波。形成驻波的光线组称为“模”；它是离散存在的，亦即 一定纤芯和材料的光纤只能传输特定模数的光。
遮断型光纤光电开关
出射光纤
接收光纤
采用遮断型 光纤光电开关 对 IC 芯 片 引 脚进行检测
定位
条形码检测
（3）光纤液体浓度传感器 光纤液体浓度U型敏感元件如图所示。放入 液体中的光纤部分为裸芯，此时液体起到 了包层的作用，液体的折射率n2就是包层折 射率n。由于折射率的改变致使光在纤芯中 传播的光束模式发生变化，部分光由低阶 模式转化为高阶模式，故有一部分入射光 就不再满足全反射的条件，就会在两种媒 质的交界面处发生光的折射现象，致使一 部分光能量损失掉。对于给定的光纤材料， 出射光强 I 与入射光强 I0 之间存在着如下关 系： (r n )l I I 0e r为弯曲半径； 为入射光波长； 为衰减系数，与光纤弯曲半径 r、入射光波长及液体的折射率n2有关；l为弯曲光纤的长度。
光电接收器的要求不高。由于同种溶液在不同浓度时的折射 率不同，经标定，这种液位传感器也可作浓度计。光纤液位 计可用于易燃、易爆场合，但不能探测污浊液体及会粘附在 测头表面的粘稠物质。
(5)光纤电流传感器
根据法拉第旋光效应，由电流所形成的磁场 会引起光纤中线偏振光的偏转；检测偏转角的大 小，就可得到相应电流值。如图所示，从激光器 发生的激光经起偏器变成偏振光 ，再经显微镜 （×10）聚焦耦合到单模光纤中。为了消除光纤 中的包层模，可把光纤浸在折射率高于包层的油 中，再将单模光纤以半径R绕在高压载流导线上。
纤芯的折射率比包层的折射率稍大，当满足一定条件时，光就 被“束缚”在光纤里面传播。
（2）光纤的传光原理
如图，根据几何光学理论， 当光线以某一较小的入射角 ， 1 由折射率为n1的光密物质射向折 射率为 n2 的光疏物质(即n1 ＞n2) 时，则一部分入射光以折射角 2 折射入光疏物质，其余部分以 1 角度反射回光密物质，根据折 射定律(斯涅尔定律)，光折射 和反射之间的关系为： n1 sin 1 n 2 sin 2 当光线的入射角 1 增大到某一角度 c 时，透射入光疏物质的 折射光则沿界面传播，即 2 ＝90°，称此时的入射角 c 为临界角。 那么，由斯涅尔定律得 n2 临界角仅与介质的 s in c n1 折射率的比值有关
①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。 ⑤容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振 动、温度、电流、电压、磁场等物理量。
二.光纤传感器的原理
（1）光纤的结构