传感器_第09章_光纤传感器0603

第9章光纤传感器参考教材：
光纤传感技术与应用
The Technologies and Applications of optical Fiber Sensing
王惠文主编江先进赵长明王茵倩蒋月娟编著
国防工业出版社
光纤传感技术与应用／王惠文主编．第一版，北京：国防工业出版社，2001．4 ISBN 7-118-02442-2
9.1 光纤传感器概述
光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地(领域)。

光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤在有线通信广的优势越来越突出，它为人类21世纪的通信基础——信息高速公路奠定了基础，为多媒体(符号、数字、语音、图形和动态图像)通信提供了实现的必需条件。

由于光纤具有许多新的特性，所以不仅在通信方面，而且在其他方面也提出了许多新的应用方法。

例如，把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器。

光纤传感器始于1977年，经过20多年的研究，光纤传感器取得了十分重要的进展，目前正进入研究和实用并存的阶段。

它对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着十分重要的作用。

随着新兴学科的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。

光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。

光纤传感，包含对外界信号(被测量)的感知和传输两种功能。

所谓感知(或敏感)，是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度(功率)、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。

这种“感知”实质上是外界信号对光纤中传播的光波实施调制。

所谓传输，是指光纤将受外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也就是解调。

因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即外界信号(被测量)如何调制光纤中的光波参量的调制技术(或加载技术)及如何从已被调制的光波中提取外界信号(被测量)的解调技术(或检测技术)。

外界信号对传感光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区。

根据调制区与光纤的关系，可将调制分为两大类。

一类为功能型调制，调制区位于光纤内，外界信号通过直接改变光纤的某些传输特征参量对光波实施调制。

这类光纤传感器称为功能型(Functional Fiber，简称FF型)或本征型光纤传感器，也称内调制型传感器，光纤同具“传”和“感”两种功能。

与光源耦合的发射光纤同与光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤，称为传感光纤，故功能型光纤传感器亦称全光纤型或传感型光纤传感器。

另一类为非功能型调制，调制区在光纤之外，外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，这类光纤传感器称为非功能型(Non Functional Fiber，简称NFF型)或非本征型光纤传感器，发射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用，称为传光光纤，不具有连续性，故非功能型光纤传感器也称传光型光纤传感器或外调制型光纤传感器。

根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可将光波的调制分为：
强度调制；
频率调制；
波长调制；
相位调制；
偏振调制等五种类型。

由于现有的任何一种光探测器都只能响应光的强度，而不能直接响应光的频率、波长、相位和偏振态这四种光波物理参量，因此光的频率、波长、相位和偏振调制信号都要通过某种转换技术转换成强度信号，才能为光探测器接收，实现检测。

光纤结构十分简单，它是一种多层介质结构的圆柱体，圆柱体由纤芯、包层和护层组成。

纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料，制成根细的圆柱体，其直径在5～75μm内。

有时在主体材料中掺人极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高的折射率。

围绕纤芯的是一层圆柱形套层(包层)，包层可以是单层，也可以是多层结构，层数取决于光纤的应用场所，但总直径控制在100～200μm范围内。

包层材料一般为
SiO
2，也有的掺入极微量的三氧化二硼或四氧化硅。

与纤芯掺杂的目
的不同，包层掺杂的目的是为了降低其对光的折射率。

包层外面还更9.1.1光纤结构和传光原理
涂一些涂料，其作用是保护光
纤不受外来的损害，增加光纤
的机械强度。

光纤最外层是一
层塑料保护管，其颜色用以区
分光缆中各种不同的光纤。

光缆是内多根光纤组成。

并在光纤间填入阻水油膏以此保证光缆传光性能。

光缆主要用于光纤通信。

我们知道，光纤是利用光的内全反射规律，将入射光传递到另一端的。

它的具体结构和传光原理已在《光纤技术与应用》课程中作过详细介绍，本课程不再重复。

9.1.2光纤分类
根据光纤的折射率、光纤材料、传输模式、光纤用途和制造工艺，
有如下几种分类方法：
1．阶跃型和梯度型光纤
根据光纤的折射率分布函数，普通光纤可分为阶跃型和梯度型两类。

阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是纤芯和包层的折射率不同，在界面上发生突变，如下图(a)所示。

光线的传播，依靠光在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。

梯度光纤纤芯内的折射率不是常
大致按抛物线形状递减，中心轴
折射率最大。

因此，光纤在纤芯
中传播时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。

梯度光纤又称
为自聚焦光纤。

2．按材料分类
)玻璃纤维。

(1) 高纯度石英(SiO
2
这种材料的光损耗比较小，在波长λ＝1.2μm时、最低损耗约为0.47dB/km。

(2) 多组分玻璃光纤
用常规玻璃制成，损耗也很低。

如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长λ＝0.84μm时，最低损耗为3.4dB/km。

(3) 塑料光纤。

用人工合成导光塑料制成，其损耗较大。

当λ＝0.63μm时，损耗高达100～200 dB/km；但重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。

3．按传榆模数分类
(1)单模光纤
单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近光的波长。

单模光纤通常是指跃变光纤中，内芯尺寸很小，光纤传输模数很少，原则上只能传送一种模数的光纤，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；但因内芯尺寸小，难以制造和耦合。

(2)多模光纤。

多模光纤纤芯直径约为50μm，纤芯直径远大于光的波长。

通常是指跃变光纤中，内芯尺寸较大，传输模数很多的光纤。

这类光纤性能较差，带宽较窄；但由于芯子的截面积大，容易制造、连接耦合比较方便，也得到了广泛应用。

4．按用途分类
(1) 通信光纤。

用于光通信系统，实际使用中大多使用光缆（多根光纤组成的线缆），是光通信的主要传光介质。

(2) 非通信光纤。

这类光纤有低双折射光纤、高双折射光纤、涂层光纤、液芯光纤和多模梯度光纤等几类。

9.1.3光纤传感器基本工作原理及类型
1．光纤传感器基本工作原理
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与输入调制区的光相互作用后，导致光的某些特性(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后获得被测参数。

2．光纤传感器的类型
光纤传感器按其传感器原理分为两大类：
一类是传光型，也称为非功能型光纤传感器；
另一类是传感型，或称为功能型光纤传感器。

前者多数使用多模光纤，后者常使用单模光纤。

在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。

传感器中的光纤是不连续的,其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件。

调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。

光纤在传感器中仅起传光作用。

传光型光纤传感器主要利用已有的其他敏感材料，作为其敏感元件，这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。

传光介质是光纤，所以采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求。

传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数。

传
光
型
光
纤
传
感
器
传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。

在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，同时利用光纤在外界因素(弯曲、
相变)的作用下，使其某些光学特性发生变化，对输入的光产生某种调
制作用，使在光纤内传输的光的强度、相位、偏振态等特性发生变化，
从而实现传和感的功能。

因此，传感器中的光纤是连续的。

传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单，传感型光纤
传感器的光纤是连续的，可以少用一些光耦合器件。

但是，为了光纤能
接受外界物理量的变化，往往需要采用特殊光纤来作探头，这样就增加了传感器制造
的难度。

随着
对光纤传感器基本原理的深入研究和各种特殊光纤的大量问世，高灵敏度的功能型光纤传感器必将得到更广泛的应用。

传感型光纤传感器
3．光纤传感器的特点
光纤传感器有以下三大特点，因而得到广泛的应用。

(1)光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗小。

(2)光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。

(3)光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。

9.1.4光纤传感器的调制器原理
光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应，实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能。

从前两图可知，光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制。

研究光纤传感器的调制器，就是研究光在调制区与外界被测参数的相互作用。

外界信号可能引起光的某些特性(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态等调制。

下面将分别介绍几种常用的调制原理。

9.2光强调制型光纤传感器
光强调制是光纤传感技术中相对比较简单，用得最广泛的一种调制方法。

其基本原理是利用外界信号(被测量)的扰动改变光纤中光(宽谐光或特定波长的光)的强度(即调制)，再通过测量输出光强的变化(解调)实现对外界信号的测量。

9.2.1非功能型光强调制
非功能型光强调制的具体调制方法很多，其基本原理是，根据光束位移、遮挡．耦合及其他物理效应。

通过一定的方式使进入接收光纤的光强随外界信号变化而改变；基本调制方式大致可分为四种类型：光束切割型、光闸型、松耦合型和物理效应型。

9.2.1.1 光束切割型光强调制
光束切割式光强调制的基本原理是，外界信号按照一定的规律控制接收光纤的入射端或发射光纤的出射端，或特定的反射或透射光学元件，使其产生相应的线位移或角位移，导致进入接收光纤的光束被切割，从而对光纤传输的光强进行调制。

下图为透射式光纤相对位移型光强调制示意图。

其特点是，发射光纤与接收光纤的端面均为垂直纤轴的平面，两端面相距约2-3μm；通常发射光纤固定不动，使收光纤的入射端受外界信号控制相对发射光纤的出射端产生微量横间位移(图(a))或纵向位移(图(b))，或角位移(图(c))。

于是进入接收光纤的光束强度受位移(即外界信号)调制。

为了消除光源波动的影响，还可采用差动接收方式(图(d))，以提高测量精度。

透射式光纤相对位移型光强调制示意图
L－光源D－光电探测器
图为透射式光束移动型光强调制的示意图。

其特点是，发射光纤与接收光纤固定不动，在两光纤端面之间加入某种形式的光学元件(如球透镜、楔镜)，外界信号通过横向移动光学元件使光束位移来调制进入接收光纤的光强；图(a)为移动球透镜式移束光强调制，其灵敏度高，线性好；图(b)为楔镜式移束光强调制。

透射式光束移动型光强调制的示意图
L－光源D－光电探测器
图为反射式光束位移型光强调制的示意图。

反射式光束位移型光强调制的特点是，自发射光纤中射出的光束经过受外界信号控制的反射面反射后，直接或经过转换光学系统进入接收光纤，外界信号通过控制反射面相对接收光纤入射端面的线位移或角位移使进入接收光纤的光束受到切割，从而对光纤中的光强进行调制。

一般情况下发射光纤为单根光纤，接收光纤可以与发射光纤合并为一根，也可以是独立的单根光纤或按一定规律排列的光纤束，光纤端面与其轴线垂直。

反射面可以是专设的平面镜或棱镜，也可以是一般物体的反射面或漫射画。

(b)
(a)
(c)(d)
9.2.1.2 光闸型光强调制
光闸型光强调制的基本原理是，在发射光纤与接收光纤之间加置一定形式的光闸，对进入接收光纤的光束产生一定程度的遮挡，外界信号通过控制光闸的位移来制约遮光程度，实现对进入接收光纤的光强进行调制。

光闸的形式很多，有简单的遮光片式、散光式，也有比较复杂的光栅式、码盘式等。

9.2.1.3松耦合式光强调制
松耦合式光强凋制的
基本原理是，当两根光纤
的全反射面靠近时，将产
生模式耦合，光能从一根
光纤耦合到另一根光纤中去，这种耦合称为松耦
合。

如果全反面为光纤的
端面，这种耦合又称为受
抑全内反射。

外界信号通
过控制松耦合区的长度或
两光纤的距离(即控制光波耦合程度)来对接收光纤中的光强进行调制。

9.2.1.4物理效应型光强调制
目前用于非功能型光强调制的物理效应主要有热色效应、荧光效应、透明度效应和热辐射效应。

1．热色效应型光强调制
热色效应是指某些物质(例如钴盐溶液)的光吸收谱强烈地随温度变化而变化的物理特性。

具有热色效应的物质称为热色物质。

例如用白炽灯照射热色溶液(溶于异丙基乙醇中的CoCl2·6H2O溶液)时，其光吸收谱如图所示。

吸收谱特征是，在光波长655nm处形成一个强吸收
带，光透过率几乎与温度成线性关系；而在光波长800nm处为极弱吸收带，光透过率几乎与温度变化无关。

而且这种热色效应完全可逆的。

因此，外界温度的变化可通过热色物质对波长655nm处的光强进行调制。

为了消除光源波动对测量精度的影响，还可取波长800nm处的光强作为参号信号。

利用这一效应可以制成热色效应光强调制型光纤温度传感器。

I
λ/nm
2、荧(磷)光效应型光强调制
荧光效应是指某些荧光物质的荧光特性随温度变化的物理特性。

荧光物质的荧光现象一般遵循斯托克斯或反斯托克斯定律，长波长光辐射(LED红外光)为荧光物质吸收，通过双光子效立激发出短波长辐射(可见光)的荧光现象称为斯托克斯或上转换荧光现象。

短波长光辐射(紫外线、X射线)为荧光物质吸收，激发出长波长光辐射(可见光)的荧光现象称为反斯托克斯或下转换荧光现象。

基于荧光效应型光强调制
的光纤温度传感器
如图所示。

光源LED发射940nm的光脉冲，通过发射光纤经3dB 耦合器后送至盛有荧光物质的探头上，由于双光子过程致使荧光粉发射出554nm的绿光，经3dB耦合器后通过接收光纤送至探测器D检测、处理，解调出探头处的温度T0。

3．透明度效应
透明度效应主要是指某些物质的透明度随外界信号变化而变化的物理效应。

如某些化学试剂对一定波长光的透明度随溶液的pH值变化，某些半导体材料对一定波长光的透明度随外界温度变化等。

利用这一物理效应可实现外界信号对光纤中一定波长光的强度进行调制。

(1) 化学试剂透明度效应型光强调制
某些化学试剂的透明度对溶液的pH值很敏感。

如酚红的透明度在红光区(λ＝630nm)对溶液的PH值很敏感，而在绿光处(λ＝560nm)则与pH值无关；
而溴酚蓝在绿光处(λ＝590nm)对pH值很敏感，利用这一效应可以制成测量溶液PH值的光纤传感器。

酚红透明度效应主要用于生理pH值测量，溴酚蓝主要用于水pH值测量。

(2)半导体透明度效应型光强凋制
多数半导体材料具有陡峭的吸收端特性，即凡波长大于吸收端的光波都能穿透，而小于吸收端波长的光波全被吸收。

在吸收端波长λg附近的一段范围内透过率曲线为一定斜率的斜线，如图所示。

当通度升高时，半导体的透
过率曲线向长波方向平移，吸收
端波长λg变长．因此，当辐射
光源发出的光波长范围与λg一
致时，光通过半导体时透过率
τ(λ，t)将随温度(T)升高而呈线
性规律递减。

当辐射光源的光波
长远大于λg时，透过率将不随
温度而变化。

利用这一物理效
应，可实现外界信号(温度)对光
纤中的光波强度调制。

例如
GaAs、CdTe材料的吸收范围在900nm附近。

半导体的透过率特性
利用半导体透明度效应研制的半导体光纤温度传感器如图所示。

图(a)为透射式结构，图(b)为反射式结构。

半导体光纤温度传感器示意图
9.2.2功能型光强调制
功能型光强调制的调制区发生在传感光纤内，其基本原理是外界信号(被测量)通过改变传感光纤的外形、纤芯与包层折射率比、吸收特性及模耦合特性等方法对光纤传输的光波强度进行调制。

9.2.2.1 微弯损耗型光强调制
如果外界信号按照一定的规律使光纤发生周期很小的波状变
化，光纤将沿其轴线产生周期性微小弯曲，如图所示。

光纤弯曲将
造成传输损耗，光纤中传输的光强因光纤微弯损耗受到调制。

光纤微弯损耗光强调制示意图
光纤微弯损耗与光纤宏观弯曲损耗的机制类似，也源于空间滤波、模式泄漏和模式耦合效应，但起主导作用的不是空间滤波而是模式耦合，即纤芯中传输的导模耦合到辐射模中随之辐射到光纤之外。

根据模态理论，当光纤轴向受力而发生微小弯曲时，光纤中的部分光会折射到纤芯的包层中去，不产生全反射，这样将引起纤芯中的光强发生变化。

因此，可以通过对纤芯或包层中光的能量变化来测量外界作用，如应力、重量、加速度等物理量。

微弯光纤压力传感器由两块波形板
或其他形状的变形器构成。

其中一块
活动，另一块固定。

变形器一般采用
有机合成材料（如尼龙、有机玻璃
等）制成。

一根光纤从一对变形器之
间通过，当变形器的活动部分受到外
力的作用时，光纤将发生周期性微弯
曲，引起传播光的散射损耗，使光在
芯模中重新分配一部分从纤芯耦合到
包层，另一部分光反射回纤芯。

当外
界力增大时，泄漏到包层的散射光增
大，光纤纤芯的输出光强度减小；当外界力减小时，光纤纤芯的输出光强度增强。

它们之间呈线性关系，如上图所示。

由于光强度受到调制，通过检测泄漏包层的散射光强或光纤纤芯中透射光强度的变化即可测出压力或位移的变化。

9.2.2.2变折射率型光强调制
在纤芯的折射率n1不变的情况下，如果光纤某部位的包层折射率n
随外界信号而变化，或者光纤某部位的纤芯与包层的折射率均发生2
变化，则该敏感部位的相对折射率差Δ随外界信号而变化，从而导致传感光纤的敏感部位渐逝波损耗，即对光纤中的光强进行调制。

改变光纤折射率的方法很多，大致可分为两种类型。

一种为裸芯型，主要是剥去光纤敏感部位的包层形成裸芯，将折射率不变的裸芯部位浸入折射率可随外界信号改变的液体中，该液体即形成裸芯部位的包层。

当外界信号变化时，裸芯部位的包层折射率随之改变，光纤中的光强即受到调制。

另一种为采用变折射率光纤作为传感光纤，或在光纤的敏感部位涂敷变折射率包层。

下图为两种裸芯式变折射率光强调制示意图。

图(a)是利用液体折射率随温度上升而减小的规律，对光纤中的光强进行调制。

如果采用塑料涂层作为光纤的包层，则其折射率随温度降低而增加，亦可进行光强调制。

图(b)是利用水中的油滴扩散到纤芯上局部改变包层折射率而对光强调制。

变折射率功能型光强调制示意图
9.2.2.3 变吸收特性型光强调制
由对某些射线辐射敏感的材料制成的光纤，其吸收损耗随敏感射线辐射量的增加而加大，借此可对光纤中的光强进行调制。

如选用铝玻璃制成光纤，则对X射线、γ射线、中子射线最敏感。

利用变吸收特性光强调制原理制成的光纤传感器灵敏度高，线性范围大，实时性好，且结构灵活小巧，适合各种放射性测量。

9.2.2.4 荧光效应型光强调制
如果将某些荧光物质掺杂到光纤中，则可对一定波长的荧光吸收，借此形成功能型光强调制。

9.2.2.5 变模耦合特性光强调制
前面讲到的光强调制都是指对光纤中传输光强的总能量进行调制，不涉及场的能量分布规律。

实际上多模光纤中的光波由于是多种模式的耦合，出射的远场光斑并非“亮”、“暗”均匀分布，而是“亮”、“暗”按—定规律相间分布的光斑图形。

当光纤受到外界信号(如压力等)的作用时，模式耦合情况将发生改变达到新的动态平衡，远场分布的细节也将随之改变而出现新的“亮”、“暗”的光斑图形。

也就是说，多模光纤的远场光斑的局部光强分布规律受到了外界信号的调制。

通过测量光斑的局部光强，或比较外界信号加载前后光斑图形的变化等方法即可实现对外界信号的检测。

9.3光相位调制型光纤传感原理
光相位调制，是指外界信号(被测量)按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生相应的变化，光相位的变化量即反映被
测外界量。

9.3.1 光相位调制原理
光纤传感技术中使用的光相位调制大体有三种类型。

第一类为功能型调制，外界信号通过光纤的力应变效应、热应变效应、弹光效应及热光效应使传感光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化，从而导致光纤中的光相位变化，以实现对光相位的调制。

第二类为萨格奈克(Sagnac)效应调制，外界信号(旋转)不改变光纤本身的参数，而是通过旋转惯性场中的环形光纤，使其中相向传播的两光束产生相应的光程差，以实现对光相位的调制。

第三类为非功能型调制，即在传感光纤之外通过改变进入光纤的光波程差实现对光纤中光相位的调制。