光纤传感器的原理及应用

统外部观察 、 监视系统 内部情 况， 其原理 图如 下图 ４所示 。它 由物镜 、 传像束 、 传光束、 目镜组成 。光源发出的光通过光束 照 射到被测物 体上 ， 明视场 ， 照 通过物镜和传像 束把 内部结构 图 像送出来， 以便观察或照相 。
接 收装置转换为 电信号 ，经过信 号处理电路处理后便 可 以正
聂 帅华 ， ， 西 南 昌 人 ， 男 江 本科 在 读 。研 究方 向 ： 子技 术 ， 电 通信 工程 。
６ ８—
一
应 用 技 术 与 研 究 囊
中的光强度产生调制。可直接连接光探测器变成 电信号 （ 即调 制的强度包括 电信号） 。
３ ． 相 位 调 制 光 纤 传 感 器 ．２ ２
一
部分反射回纤芯。 但当入射角ｅ 小于临界入射角ｅ 时， 。 光线
反复逐 次全反射 ， 呈锯齿波形状在纤芯 内向前传播 ， 最后从光
纤 的 另一 端 射 出 ， 就 是 光 纤 的 传 光 原理 【 这 ２ ＿ 。
器解调后 ， 获得被测参数 。
３２ 光 纤 传 感 器 分类 ．
就 不 会 透 射 出 界面 ， 全 部 被 反 射 ， 在纤 芯 和 包 层 的 界 面 上 而 光
点介绍了光纤传 感器 的原理及 其在 各方面的广泛应用 。光 纤
传 感 器 的 应 用 远 不 止 于 此 ， 了上 述 应 用 之 外 ， 传 感 器 在 全 除 纤 光 网络 安 全 、 长 油 田使 用 、 物 传 感 、 联 网 等 各 方 面 也 有 延 生 物 重 要 应 用 ， 且我 们 相 信 光 纤传 感 器 还 会 得 到进 一 步 的 发 展 ， 并 应 用 到 人们 生活 的方 方 面 面 。
的 光 学 性质 （ 光 的强 度 、 长 、 率 、 位 、 振 态 等 ） 生变 如 波 频 相 偏 发 化 ， 为 被 调 制 的 信 号 光 ， 经 过 光 纤 送 入 光 探 测 器 ， 解 调 成 再 经
入端面并与圆柱 的轴线成角Ｏ时， ｉ 在端面发生折射进入光纤后，
又 以（ 角 射 入 纤 芯 与 包 层 的 界 面 ， 线 有 一 部 分透 射 到 包层 ， ｐ 光
的 大 小 以及 空 间 分 布 。
４ ．光 纤传 感器 的应 用
４３１ 工 业 用 的 内窥镜 ．．
在工业 生产 中， 经常需要检 查系统 内部结构情况 ， 这 而
种 结构 由于 各种 原 因 不 能 打 开 或 不 能 靠 近 观 察 ， 采 用 光 纤 图 像 传 感 器 ， 探 头 放 入 系 统 内部 ， 过 光 束 的传 输 ， 以在 系 将 通 可
确 地 测 出加 速 度 值 。
４２ 光纤温度传感器 ． 光纤温度 传感器 根据其工作 原理 可分为相位调制型 、 光 强调制 型和偏振光型 。这里介绍 的是 一种 光强调制型 的半导
体光吸收型光纤传感器 ， 结构原理 图如下 图 ３所示 。传感器 其
由半 导 体 光 吸 收 器 、 纤 、 源 和 包 括 光探 测 器 在 内 的信 号 处 光 光
单模参考 光纤
相位 调制光纤传感器 的基本原理 是：通过被测 能量场 的 作用， 使光 纤内传输的光波相位发生变化 ， 再用干涉测 量技术 把相位变 化转换为光强变化 ， 从而检测出待测的物理量 。所有
激器 卜 光
．
Ｉ涉 ｌ 干仪
能够 影响光纤长度 、折射率和 内部应 力的被测量都会 引起相 缘、 防燃 防爆 、 全性 能 安 高、 成本低、 体积 小、 使用 方便等优 点。光纤传感器可实现的传 感物理量很广 ， 广泛应 用于对磁 、 力 、 声、 温度 、 移、 转、 位 旋 加 速度 、 液位 、 应变 、 、 光 传像及 某些化学量 的测量等 ， 用前 景 应
３２１ 强度调制光纤传感器 ．． 强度调制光纤传 感器 的基 本原理是：待测物理量 引起光 纤 中传输光的光强变化 ，通过检测光强 的变化 实现 对待测量 的测量。待测量作用于光纤敏感元件 ， 使通 过光 纤的光强发生 变化 。设输入光强为恒量 Ｉ， 出光强为 Ｉ 即待测量对光纤 输 ，
４１ 光 纤 加速 度传 感器 ．
光纤加速度传 感器 的组成结构如下图 ２ 示。 是一种 所 它 简谐振子 的结构形 式， 激光束通过分光 板后分为两束光 ， 透射
光 作 为 参 考 光 束 ， 射 光 作 为 测 量 光 束 。当传 感器 感 受 加 速 度 反 时， 由于 质 量 块 Ｍ 对 光 纤 的 作 用 ， 而 使 光 纤 被 拉 伸 ， 起 光 从 引 程 差 的 改 变 。相 位 改 变 的激 光 束 由 单 模 光 纤 射 出后 与 参 考 光 束 汇 合 产 生 干 涉 效 应 。激 光 干 涉 仪干 涉 条 纹 的移 动 可 由光 电
光 纤是 一种特殊 结构 的光 学纤维，是 由中心的纤芯和外 围的包层 同轴组成的圆柱形细丝 。纤芯的折射 率比包层稍高 ，
损 耗 比包 层 更 低 ， 能量 主 要 在 纤 芯 内传输 。包 层 为 光 的 传输 光
提供反射面和光 隔离 ， 并起一定 的机械保护作用 。
２２ 光 纤传 光 原 理 ．
向 移 动 ，如 果 适 当 的选 定 一种 在 该 材料 工 作 波 长 范 围 内的 光
现象 ， 弹光效应 导致双折射 。在许多光纤系统 中， 尤其是包 含 单模光纤 的系统 ， 振起着重 要作用 。光纤偏振调制技术可用 偏 于温度 、 压力 、 振动、 机械 形变、 电流和 电场 等检测 。 目前主 要 是用于检测强 电流 。
十 分广 阔 Ⅲ 。
２．光 纤 的 基 本 知 识
图 １ 光 纤 传 光 原 理
若 光在 纤芯 和 包 层 的 界 面 上 发 生全 反射 ， 界 面 上 的 光 则
线 临界折射角 ‘ ）。 ， ‘ ｐ ０ 即 ｐ
ｑ ０ 。而 ｏ 。 ｗ９
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光纤 图像导管、 顶端 的 目镜和控 制手柄组成 。照明光是通过 图 象导管外层光纤照射到被观察物体上 的，反射 光通 过传像束
输 出 。由于 光 纤 柔 软 ， 自由度 大 ， 端 通 过 手 柄控 制 能 偏 转 ， 末 传
本 文介 绍 了 光 纤和 光 纤传 感 器 的概 念 等 基 础 知 识 ， 并 重
理系统等组成 。光纤用来传输信号， 半导体光吸收器是光敏感 元件 ， 一定的波长范 围内， 在 它对光的吸收 随温度 Ｔ变化而变
图 ４ 工 业 用 内 窥镜
６ — ９
一
４３ 医用 内窥 镜 －２ ． 医 用 内窥镜 的示 意 图如 下 图 ５所 示 。 它 由末 端 的 物镜 、
５ ．结 束 语
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图 ２ 光 纤 加速 度传 感 器 结构 简 图
敏度 。常用 的干涉仪有 四种 ： 克尔逊 、 迈 马赫一 琴特 、 法布里一
珀 罗 和萨 格 耐 克 。它 们 的共 同点 是 ： 源 发 出 的光 都 要 分 成 两 光
３１ 光 纤传 感器 的基 本 原 理 及 组成 ． 光 纤 传 感 器 由光 源 、 感 元 件 （ 纤 或 非 光 纤 的 ） 光 探 测 敏 光 、 器 、 号 处理 器 系 统 以及 光 纤 等 组 成 。 信 光 纤 传 感 器 的基 本 原 理 是 将 来 自光 源 的 光 经 过 光 纤 送 入
振 调 制 主 要 是 利 用 光 纤 的 磁 光 效 应 、弹 光 效 应 等 物 理 效 应 来 实 现 外 界 信 号 对 光 纤 中光 波 偏 振 的调 制 。磁 光 效 应 导 致 旋 光
Ｊ
图 ３ 光 强 调 制 型 的 光 纤温 度 传 感 器 结 构 原 理 图
化 。半导体材料 的光透射 率特 性 曲线随温度 的增 加向长波方
几 十 万 条 直 径 为 １～ ０ 的光 纤 ， 条 光 纤传 送 一个 像 元 信 ０２１ｍ Ｊ 每
为获 得呈一定 空间分 布的场 ， 如温度 场 、 压力 场 、 应力 场 等 比较完整的信息 ， 需要采用分布调制 的光纤传感系统 。 谓 所 分布 调制 ， 就是外 界信号场 （ 测场） 被 以一 定的空 间分布方 式
半 导 体 光 吸 收 器
广 － １ －｛钎 探 罂 — “ 测
Ｉ Ｉ
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束或 更多束的光 ， 沿不同的路径传播后 ， 分离的光束又 重新汇 合， 产生干涉现象。 ３２３ 偏振态调制光纤传感器 ．． 利用光波 的偏振性质 ， 以制成偏振调制光纤传感器 。偏 可
位 变化， 如应 力、 应变 、 温度和磁场等外 界物 理量 。但是 ， 目前 的各类光探测器都不 能探测敏感光 的相 位变化 ，必须 采用干 涉测 量技 术， 才能实现对外界物理量的检测 。与其他调制方式
相 比 ， 相 位 调 制 技 术 由于 采 用 干 涉 技术 而 具 有 很 高 的 检 测 灵
在光纤中 ， 的传输 限制在光纤 中， 光 并随着光纤 能传 送很 远的距离， 光纤的传输是基于光的全 内反射。设有一段 圆柱形光
纤 ， 下 图 １ 示 ， 的两 个 端 面 均 为光 滑 的 平 面 。 当光 线 射 如 所 他
调制器 ， 使待测量参数与进入调制区 的光相互作用 后， 导致光
当（ ＝ ９。时， ｓＯ 、ｎ ｎ ｐ ｃｃ ０ Ｏ＝ 有ｍｉ ／ ： ｎ ．
所 以 ， 满 足 光 在 光 纤 中的 全 内反 射 ， 入 射 到 光 纤端 面 为 光
的入射 角 ０应满足