传感器原理第九章 光纤传感器

第九章光纤传感器第一节光纤的传光原理与特性

一、光纤的结构

二、光纤的传光原理

三、光纤的传光特性

第二节传输光的调制技术

一、光强度调制

二、光相位调制

三、偏振调制

四、频率调制

第三节强度调制光纤传感器

一、光纤水深探测器

二、透射式光纤温度传感器

三、反射式光纤位移传感器

第四节相位调制光纤传感器

第五节偏振调制光纤电流传感器

第六节频率调制光纤血流传感器

第九章光纤传感器

1970年，美国康宁玻璃公司研制成功传输损耗为20db/km的光导纤维。光导纤维的诞生，是20世纪人类的重要发明。现已广泛应用于工程技术、及通讯技术。

光导纤维作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通讯技术，但人们在实际光通讯过程中发现，光导纤维受到如压力，温度、电场、磁场等外界环境因素变化的影响时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等的变化。若能测量光波量的变化，就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小。于是，诞生了光导纤维传感器技术。

光纤传感器亦称光导纤维传感器，光纤传感器技术是70年代末发展起来的一门崭新技术，是传感器技术领域里的新成就。

光导纤维传感器技术是随着光导纤维的实用化和光通讯技术的发展而发展起来的，它与以电为基础的传感器相比有本质的区别。

光纤传感器是以光来作敏感信息的载体，用光导纤维作为传递敏感信息的媒质。

光导纤维传感器同时具有光导纤维及光学测量的一些宝贵的特点：

灵敏度高、结构简单、体积小、耗电量少、耐腐蚀、绝缘性好、光路可弯曲、抗电磁干扰、对被测场不产生影响、易实现对被测信号的远距离测控。

光纤传感器技术是一门多学科性科学，涉及到的知识面广泛，如光纤光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术、计算机应用等。本章重点介绍光纤传感器原理、分类、及典型应用。

第一节光纤的传光原理与特性

一、光纤的结构

光导纤维简称光纤，光纤是用石英玻璃或塑料等光透射率高的电介质材料制作的极细的纤维，在结构上是由纤芯、包层和护套三部分组成，如图9－1所示。图9－1 光纤的基本结构

纤芯和包层主要由不同掺杂

的石英玻璃制作，纤芯的折射率

n 1大于包层的折射率n 2；纤芯的

直径约5～75μm，包层(玻璃、塑

料）的直径约100～200μm。护套

一般为带色的尼龙外套，一方面

增加光纤的机械强度，另一方面

可以颜色区分不同类型的光纤。

光波实质上是光场电磁波，根据电磁场理论，可建立光波麦克斯韦方程，称之为光场的波动方程，此方程的系列独立（不同频率）的离散解，称之为光场模式。光场模式中频率最低的模，称之为基模，只能传输一种光场模式（基模）光波的光纤，称之为单模光纤；同时能传输多种光场模式光波的光纤，称之为多模光纤。单模光纤的纤芯直径通常为3～10μm，比其传输的光波长略大，其横截面是纤芯细、包层厚，制造、连接困难，但光传输性能好。多模光纤的纤芯直径通常为50～70μm，比其传输的光波长大很多倍，其横截面是纤芯粗、包层薄，制造和连接较容易。

按光线理论，光在纤芯中的折射率不同又分为阶跃光纤和梯度光纤，如图9－2所示。（多膜光纤）

（a）阶跃折射率（b）梯度折射率

图9－2 阶跃型光纤和梯度型光纤

图9－2（a）是阶跃型光纤，光波的折射率沿纤芯径向为定值n1，在包层中的折射率为n2，在纤芯和包层的界面处折射率发生阶跃变化。图9－2（b）是梯度型光纤，光波的折射率沿径向呈抛物线型分布，在纤芯中心轴上最大，而后沿径向按一定梯度（dn/dr）逐渐变小。

无论是哪一种光纤，我们所要求的是：进入光纤中的光要能在纤芯中传输，而不要溢出纤芯。若把在纤芯中传输的光称之为传导模，进入包层的光称之为辐射模；则要求传导模尽可能大，辐射模尽可能小，从而获得最小的传输损耗。利用石英玻璃等高透射率电介质材料制作的光纤，是可见光至近红外光最理想的传输媒体。

二、光纤的传光原理

光纤导光是利用光传输的全反射原理。

严格地用光场电磁波的理论分析光波在光纤中的传输原理是十分复杂的，工程中一般把光波在光纤中的传输看成光线在光纤中传输，从而以光线理论近似描述光纤的传光原理。

1．光的折射与反射

根据光线理论，当光线由光密物质（折射率大）入射至光疏物质（折射率小）时，其折射角φc大于入射角φ

，如图9－3所示。图中折射率n

1大于n

2

，在光密物质与光

疏物质的界面处,光纤将产生折射或反射。

在图9－3（a）中，入射角φ小于临界入射角φm 时，入射至界面的光线以折射方式进入到光疏物质中去；图9－3（b）为光线处于临界入射和折射状态；图9－3（c）中，入射角φ大于临界入射角φm 时，入射至界面的光线以全反射的方式返回光密物质。（a）φ＜φm （b）φ=φm （c）φ＞φm 图9－3 光的折射与反射

2．光在光纤中的传输

由上分析可知，能在光纤中传输的光线是那些满足全反射条件的光线，光在阶跃光纤中的传输如图9－4所示，只要当界面入射角φ大于其临界入射角φm时，进入纤芯的光就可以以全反射的方式沿纤芯的轴向传输。

图9－4 光在阶跃光纤中的传输光从光疏物质进入光密物质

由图9－4可知，端面入射角θi↑―θс↑―φ↓，为确保φ＞φm，则要求θi＜θi m，即要求端面轴向入射角θi限定在其最大的轴向入射角θi m之内，就可以使光线在纤芯中以全反射的方式传输。这种以全反射方式在纤芯中传输的光线主要有子午光线和斜光线，子午光线是指与纤芯轴线相交的反射线，包含子午光线的平面叫子午面，圆柱体光纤中包含纤芯轴线的平面都是子午面。

在阶跃光纤中传输的光线，能满足全反射条件的除了子午光线之外，还有一种斜光线；斜光线在纤芯中传输时并不保持在同一平面内，且不与纤芯轴线相交，如图9－5所示。