光纤传感器

该传感器将两个多模光纤的尾部用一个套子排列以使其精确地 面对面。一层薄的横膈膜因被测压力而造成变形，与横膈膜为 一整体的薄刀片插在两光纤的间隙之间。 根据8-6的数据，可以计算出通过传感器后光能的衰减 A=Pout/Pin 正比于Iph=σPout ，Iph 为位于光纤出射端的光电二极管产生的电流， σ为光电二极管的光谱灵敏度。 若输入功率和σ都是常数，那么Iph 就能很好的反映出损耗A。实际上， 这两个值都随温度计老化过程而变化。
0 E10 E0 cos , E2 E0 (900 ) E0 sin 0 I10 E02 cos 2 , I 2 E02 sin 2 0 I10 I 2 S 0 cos 2 0 I1 I 2 0
图8-17所示的功能可以用图8-18所示的全光纤技术来实现。 用一个普通的耦合器C（对偏振态不敏感）作为输出信号的 主要分束器，而偏振分束器PS作为格兰棱镜的全光纤形式。
利用光纤弯曲导致光能损失的读出方式，可以通过将光纤安装 在一固定的波纹状结构中实现。通过这种转换机制得到的响应 量可从错位损失曲线中估算出来。这里，损失被定义为衰减值 A，单位dB，A=20log10A，A为输出与输入功率比。
3 读出结构 3.1 强度读出
利用光纤弯曲导致光能损失的读出方式，可以通过将光纤 安装在一固定的波纹状结构中实现。通过这种转换机制得 到的响应量可从图8-6错位损失曲线中估算出来。这里， 损失被定义为衰减值A，单位dB，A=20log10A，A为输出与 输入功率比。
无论是互易的还是非互易的旋转读出，都可以用图8-16给出的一般方案读出。此时，光纤以线性偏振态被读出。
格兰棱镜把输出场分成E1和E2，分别作用在两个 分离的光电二极管PD1和PD2上，由此，可将光场 E1和E2以及相关电流I1和I2分别表示为：
E1 E0 cos(45 )
由该式可知：无论是场还是电流与被测量之间 E2 =E0 cos(45 ) E0 sin(45 ) （8.4） 均不是线性相关的。 I1=E12 E02 cos 2 (45 ) I 2 =E02 sin 2 (45 )
举例：生物敏感膜+被测对象 发光元件的发光强度变化
二、光导纤维以及光在其中的传播
光纤基本结构
光线传输
传播原理：全反射
一个光纤传感器（OFS）的实例如图所示。被测量通过相互作用机制影响纤维的光学参数。
互相作用的 机制
被测量
光学参数
光学参数可能是强度或是偏振态（SOP）， 也可能是通过纤维传播的光场的相位， 根据被测量影响的参数来设计读出机构， 将参数的变化转换成电信号输出给使用者。
光纤传感器
1、光纤传感器技术的形成

光纤传感器技术是上世纪70年代末发展起来的一门崭新的技 术，是传感器技术的新成就。 光纤传感器是随着光导纤维实用化与光通信技术的发展而形 成的。光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通 信技术中。 在实际光通信过程中发现 ,光纤受到外界环境因素的影响。 当压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起光纤 传输的光波量如光强、相位、频率、偏振态等变化。因此， 科技人员推测，如果能测量出光波量变化的大小，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，于是就出现了光纤传感器技术。
读出机构
电信号输出
2 OFS概述——分类
有时被测量首先用通常的机制被转换为光纤更容易测量的中间被测量，从而OFS被分为内部调制型 和外部调制型。 另一种分类方法起源于被测物理量相互作用的光学参数的类型，如表所示。
读出（光学被测量） 强度型（能量） 偏振型（偏振态） 干涉型（光学相位）
光纤类型 多模（偶尔单模） 单模 单模
3、光纤传感器的组成与分类 （1）功能型光纤传感器
（2）传光型光纤传感器
光纤电流 传感器
光纤生物 传感器
温度光纤传感器 敏感头
（1）功能型光纤传感器

利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感 器，称为功能型传感器。
一根光纤伸 长，一根光 纤缩短
光程差变化
光纤应变传感器
（2）传光型光纤传感器 光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他敏感 元件才能构成传感器，称为传光型传感器。 有两种形式：
由光阑引起的损耗也可以用位移-损耗图来处理。如果一个 刀片状光阑在宽度为g的光线缝隙之间进入的长度为w，则 总的损耗是横向位移W/2a和纵向位移g/2a引起的损耗之和。
图8-6是设计一个传感器的起点，但如果开始设计一个实际的 传感器时，就会发现与图8-5的概念性结构存在几个不合乎要求 的特征。为此，下面将由一个刀片光阑概念而研发的一个压力 传感器为例，图8-7。
其中，V0是一个尺度因子，Im0,r0是暗电流，是光电二极管的灵敏度，Pm,r是接受到的功率。将两通道相减，得到信号：
总之，利用对数转换电路，可以得到很好的线性响应， 并能引入参考通道以消除LED和光电二极管的漂移。
3.2 偏振读出
在偏振读出的OFS中，传导机制影响偏振，因此，可以通过偏振读出由被测量引起的双折射。 双折射可以分为线性的或圆的。当被测量引起的光学延迟是沿着光纤的慢轴时，得到线性双折射。如： 在应变和作用力传感器中，平行于力的轴是慢轴，且延迟正比于作用力。另一方面，如果被测量影响一 线性偏振态的方向，使得其通过一段长度为L的光纤传播后方向旋转，则得到的是圆双折射。
3.2.1 圆双折射读出
在内部调制型的传感器中的实例。 1）转矩棒基于光纤扭转而引起互易性旋转的机理。扭转是由被测的很小的重量作用而产生的。 因为可以分辨小于约为10-4rad的偏振旋转角，所以最终的OFS非常灵敏，能正确评估出作用在光纤上非常小 的转矩。
d) 若圈与导体无关，那么旋转角就严格等于零。如图 图8-15（d）所示。
3【实例】光学应变仪研究
原理：在OFS领域，一般需根据实际对象设计最佳解决方案。右图
给出的传感器中包括一个电子计数部分，它是一个电阻式应变仪，由 沉积在一基底上的一层导电薄膜构成，基底材料通常是塑料或 聚合体。当基底受到应力作用时，薄膜电阻改变，这个电阻接入 一个惠斯通电桥，从而测得应力或与之相关的量（如应变、压力、 作用力等）。如果选择光学应变仪，可能会有笔电子应变仪更优越的特性。


2、光纤传感器技术的特点

光纤传感器较传统的传感器相比有许多特点：

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 便于实现远调（远距离调控）。

光纤传感器技术是一门多学科性科学，涉及知识面广泛，如 纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术和微型 计算机应用等。
最后得出的干涉仪型读出OFS灵敏度越位参考结构的500倍。
通过强度、偏振态和干涉读出对不同类型光学应变仪所做的评估
3 读出结构 3.1 强度读出
如图8-5所示为用于光纤传感器的最普通的结构。 被测量M可能作用在光纤尾部的位置从而影响了光纤连接处的排列， 造成光强损失（a）。当被测量作用在插入两光纤尾部之间的光 阑上时也可引起一个变化量（b）。在（c）中，被测量与连接两 光纤尾部周围介质的折射率n=n(M)有关。折射率的变化可引起连接处 光损失的变化，从而可测得被测量的变化。
热
惯性
电 化学
OFS的优点
OFS的优缺点主要取决于光纤的结构。 通常可承受104Gy量级的高剂量辐射，一般电子元件仅为0.05× 104Gy的量级。
光纤结实从而不受机械扰动的影响；
从电的角度来说，OFS具有完全被动的结构，对电磁干扰和化学元素有免疫力。
与其他传感器相比，OFS的形状和尺寸的设计灵活，无需物理接触测量对象。
测量光电二极管的输出端，发现电流响应Iphm近似于一负指数形式，如图8-9.而并非线性，然而可以通过计算Iphm的对数 将该响应转化为线性响应。以此方式可以得到对数损耗A(dB)，它关于纵向变形或输入压力是线性的，如上图8-6以及图 8-9所示。可以稍微增加一些费用，利用光电二极管自身来完成这一转换（图8-9），为此，将在开环模式下用一个运算 放大跟随器来读光电二极管的信号。 运算放大器输出正比于光探测电流Iph= σ P= σ AP的对数。 然而，仅用单个测量通道工作，对数信号与A的关系很容易 被光源出射的功率P以及光电二极管的光谱灵敏度的漂移 所淹没。 对数电路之所以重要是因为它使我们可以引入一个参考通道 来校正漂移，而电路的复杂性和额外的费用仅有少量增加。 如图8-9，在光纤耦合器的低端，使用第二个光电二极管，作为 一个参考，产生的光电流Iphr= σr Pr(1-T) σr PLED正比于LED的发射 功率和光谱灵敏度σr 。测量通道和参考通道输出端的电压 vm和vr可分别表示为：
多模OFS：1)在封装包里排列两个光纤尾端且其中之一由外力作用的隔膜
激励。将这一器件作为参考（=1）灵敏度。第二个OFS是外部调制型传感器，在 封装包里放一个光栅，用一个瞄准镜通过光纤读出光栅的相对位置。如果 光栅为线宽约2µm的黑白光栅，那么与50µm的光纤直径相比较，灵敏因子 提高约25。 2)考虑将光纤夹在两波浪形夹具之间，夹具受制于被测力的作用，且光纤 弯曲造成的损失与作用力成正比。 3)考虑由夹具引入的双折射，为此，需要得到该效应的偏振读出。可利用一个 格兰棱镜区分偏振态，探测两个分量并计算两光场的比，从而得到与作用力 成正比的量。 4)为进一步增加灵敏度，可试图测量由作用力在光纤中产生的光程变化，即： 可试图将应变仪转换为干涉型读出的OFS.
一种是将敏感元件置于入射与接收光纤中间，在被测对象
的作用下，或使敏感元件遮断光路，或使敏感元件的光透 射率发生变化，这样，光探测器通光量便成为被测对象调 制后的信号； 举例: (1) 投币机；计数装置 (2) CO2气体传感

另一种是在光纤一端设置“敏感元件+发光元件” 的组合部件，敏感元件感受被测对象的作用并 将其转换为电信号后作用于发光元件，而发光 元SLED
具有代表性的OFS的应用
被测量 机械 OFS类型 应变仪 振动计 水听器 温度计 所使用的效应（外部还是内部调制） 弹光（内） 倏逝耦合（内） 耦合衰减（外） 双折射温度系数（外） 折射率温度系数（内） 陀螺仪 塞纳克效应 加速度计 质量-载荷作用力（外） 电场 法拉第和普克尔效应（内） 磁场 电-磁-伸缩（外） 光电极（pH，污染物等） 荧光性（外） 色彩反应（外）
实际上，两光纤端面的横向错位也是影响测量因子的一个误差来源。 如果该误差随着时间漂移，就会进一步严重影响传感器响应的校准值。 而且8-7（a）的电流-压力的现象误差也不容易校正。 在图8-7的设计中，可能要调整强度传感器的内部结构，包括 以反射光读出；提高响应的线性；具有光纤位置自排列功能。
图8-8给出了几种可能的解决方案中的两个例子。 在这些例子中，多模光纤的端面以合适的距离Z0放在膜前，膜片 为一薄的金属箔并承受外力，它具有足够的反射率，从而对从光纤 射出的光起到一个反射镜的作用。 8-8（b）中，膜片是一个与光纤共轴的波纹管的帽子，整体尺寸 缩小的最小。 上行和下行的光信号可借助于50%光纤耦合器进行分离。该耦合器 是大体积光学光束分割器的全光纤复制品。它将从入射能量投射 一部分T，反射一部分R=1-T。为了降低到传感器和返回路径的能量 的总体损失T(1-T)，必须使T=0.5或50%的耦合器。 光纤和隔膜组合等效于两光纤以两倍于距离Z0的间隙连接，且由 纵向位移产生的损耗图仍然使用（图8-6），此时，Z=2Z0。
2 [cos2 (45 ) sin 2 (45 )] 进而计算： I1 I 2 E0 S 2 cos 2(45 ) sin 2 I1 I 2 E0 [cos2 (45 ) sin 2 (45 )] （8.5）
进而可以得到，对第二通道的信号：