《光纤技术及应用》

第6章 光纤传感器基本原理
光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐 步形成的。在光通信系统中，光纤被用作远距 离传输光波信号的媒质。显然，在这类应用中， 光纤传输的光信号受外界干扰越小越好。但是， 在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因 素影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的 变化将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、 偏振、波长等的变化。因此，人们发现如果能 测出光波参数的变化，就可以知道导致光波参 数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤 传感技术。
光纤传感器按被测对象的不同、又可分为光纤 温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感 器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。
光纤传感器可以探测的物理量很多，已实现的 光纤传感器物理量测量达70余种。然而，无论 是探测哪种物理量、其工作原理无非都是用被 测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其 随之变化，然后对已调制的光信号进行检测， 从而得到被测量。
因此，光调制技术是光纤传感器的核心技术。
6.1强度调制机理
强度调制光纤传感器的基本原理是待测物理 量引起光纤中的传输光光强变化，通过检测 光强的变化实现对待测量的测量，其原理如 下图所示。
一恒定光源发出的强度为Pi的光注入传感头， 在传感头内，光在被测信号的作用下其强度 发生变化，即受到了外场的调制，使得输出 光强P0的包络线与被测信号的形状一样，光 电探测器测出的输出电流I0也作同样的调制， 信号处理电路再检测出调制信号，就得到了 被测信号。强度调制的特点是简单、可靠、 经济。强度调制方式很多、大致可分为以下 几种：反射式强度调制、透射式强度调制、 光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度 调制等等。一般透射式、反射式和折射率强 度调制称为外调制式，光模式称为内调制式。
6.1.1反射式强度调制
这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起 传光作用。这里光纤分为两部分，即输入光纤 和输出光纤，亦可称为发送光纤和接收光纤。 这种传感器的调制机理是输入光纤将光源的光 射向被测物体表面，再从被测面反射到另一根 输出光纤中，其光强的大小随被测表面与光纤 间的距离而变化。如下图所示。
强度调制的关键是实现对调制信号的强度检 测，强度检测方法包括直接检测、双光路检 测、双波长检测。
上图即为直接检测的原理图，光源发出的光 注入光纤，光在强度调制区内受到外界被测 信号的调制，探测器接收被调制后的光信号， 并将其转换成电信号。直接检测方法的优点 是系统结构简单，但是容易受到光源强度波 动、光纤损耗波动、光纤耦合波动、模式噪 声等影响使得输出信号的强度不仅随被测信 号变化，而且随上述影响因素而变化，这样 就会给被测信号的测量带来误差。
移动反射器式传感器中两根光纤间的光耦合图
在距光纤端面d的位置为反光物体—被测工件 表面，它垂直于输人和输出光纤轴移动，故 在平面反射镜之后相距d处形成一个输人光纤 的虚像。因此，确定调制器的响应等效于计 算虚光纤与输出光纤之间的耦合。设输出光 纤与输人光纤其间的间距为a，且都具有阶跃 型折射率分布，芯径为2r，数值孔径为NA， 当d<a/2T，即a>2dT (dT为发射光锥的底面积 半径，且)时，耦合进输出光纤的光功率为零； 当d>(a+2r)/2T时，输出光纤与输人光纤的像 发出的光锥底端相交，其相交的截面积恒为， 光纤输出的光强不变。
光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系 列独特的优点，如灵敏度高，抗电磁干扰、 耐腐蚀、电绝缘性好、防爆、光路有可挠曲 性、便于与计算机联接、结构简单、体积小、 重量轻、耗电少等。
光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功 能型。功能型光纤传感器是利用光纤本身的 特性把光纤作为敏感元件，所以也称传感型 光纤传感器，或全光纤传感器。非功能型光 纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的 变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远外 或难以接近场所的光信号，所以也称为传光 型传感器，或混合型传感器。
双波长检测的原理是光源1和光源2分别发出 两种不同波长的光信号，经过波长复用器耦 合后注入到入射光纤中，在强度调制区内， 外界被测信号只对波长为的光信号进行强度 调制，波长称为信号波长。但是在强度调制 区内，外界被测信号对波长为的光信号不产 生作用，波长称为参考波长。波长为和的光 信号通过强度调制区后，经出射光纤送到波 长解复用器把两种波长分开，经探测器后送 入除法器进行除法运算，从而达到消除系统 干扰的作用，减少测量误差。
在a/2T <=d< =(a+2r)/2T时，耦合到输出光纤的 光通量由输人光纤的像发出的光锥底面与输出 光纤相重叠部分的面积所决定，重叠部分如图 (b)所示。利用线性近似法来进行计算，即光锥 底面与出射光纤端面相交的边缘用直线来进行 近似。图(c)为重叠部分的直边模型图形。
在这种近似的前提下，设光纤轴线与被测表 面垂直，被测表面的反射系数为1，输出光强 与输入光强的关系为
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双光路检测的原理是光源发出的光信号被光 纤分路器分成两路，一路光信号通过强度调 制区到达探测器，称为测量光路；另一路光 信号不通过强度调制区而直接到达探测器， 称为参考光路。两路信号送入除法器进行除 法运算，由于系统中设计了参考光路，光源 强度波动、光纤损耗波动、光纤耦合波动、 模式噪声等都可以通过除法电路通过除法运 算来消除，从而大大减小测量误差，提高系 统的测量精度。
光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为
强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、 频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和 波长(颜色)调制光纤传感器。
在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述
E=E0cos(ωt+φ) 式中，E0为光波的振幅， ω为频率， φ为初相
角。上式包含五个参数，即强度E02、频率ω、 波长＝2πc/λ 、相位(ωt+φ)和偏振态，被测量在 敏感头内与光发生相互作用，如果作用的结果 是改变了光的强度，就叫强度调制光纤传感器， 其它依次类推。因此．就得到了五种调制类型 的光纤传感器。