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1、第五章 光纤传感器基本原理5.1 引 言 光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐 步形成的。 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，传输来自远处或难以接近场所的 光信号所以也称为传光型传感器或 混合型传感器。在光纤中传输的光
2、波可用如下形式的方程描述：光纤传感器按被调制的光波参数不同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波长(颜色)调制光纤传感器5.2 强度调制机理5.2.1 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.输出光纤端面受光锥照 射的表面所占的百分比 为被输出光纤接收的入射光功率百分数为(F被称为耦合效率)5.2.2 透射式强度调制动光纤式光强调制模型，用来测量位移、压力、温度等物理量。这 些物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离, 光强度调制器的线性度和灵敏度都很好。采用双透镜系统使入射 光纤在出射光纤上聚焦 ，遮光屏在垂直于
3、两透 镜之间的光传播方向上 下移动。这种传感器光 耦合计算方法与反射式 传感器是一样的。在上 述的简化分析限定范围 内，比值/r与可移动遮 光屏及两透镜问半径为r 的光柱相交叠面积的百 分比。不用透镜的两光 纤直接耦合系统 ，结构虽然简单 ，但也能很好地 工作。只是接收 光纤端面只占发 射光纤发出的光 锥底面的一部分 ，使光耦合系数 减小，灵敏度也 降低一个数量级(r/dT)2。利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器通过一对光栅遮光 屏的透射率，从50(当两个屏完全重叠时)变到零(当一个屏 的不透明条完全覆盖住另一个屏的透明部分)。在此周期性结 构范围内，光的输出强度是周期性的。而且它的分辨率在光
4、 珊条纹间距的10-6数量级以内。这是能够构成很灵敏、很简 单、高可靠的位移传感器的基础。 作业 1、由图5-2的几何关系推导出下列关系式2、由图5-2，已知光纤芯直径为2r200um， 数据孔径NA=0.5，光纤间距a=100um。若取 函数F(d)的最大斜率处为该系统的灵敏度， 则耦合功率F随d变化速率为何值？5.2.3 光模式强度调制两个模的传播常数分别 为和，当= -= 2/相位失配为零，模间精 合达到最佳。当光纤之间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其 中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，变形器的位移改变了弯曲处的模振幅，从而产生 强度调制。 对于抛物线(或平方律或梯度)折
5、射率分布的光纤 变形器的临界空间周期为对于阶跃光纤光纤传播模式的改变， 还可以改变光纤模斑斑 图，依据模斑图形的变 化也可进行光模式强度 调制。多模光纤出射的 远场光斑就像一个切开 的“西瓜”，“亮”、“黑” 无规则地相间变化。5.2.4 折射率强度调制一、光纤折射率变化型一般光纤的纤芯和包层的折射军温度系数 不同。在温度恒定时，包层折射率n2与 纤芯折射率n1之间的差值是恒定的。当 温度变化时， n2 、 n1之间的差发生变化 ，从而改变传输损耗。因此，以某一温 度时接收到的光强为基准,根据传输功率 的变化可确定温度的变化。二、渐逝波耦合型通常渐逝波在光疏媒质中深人距离有几 个波长时能量就可
6、以忽略不计了。如 果采用一种办法使惭逝场能以较大的振 幅穿过光疏媒质，并伸展到附近的折射率高的光密媒质材料中，能量就能穿过 间隙，这一过程称为受抑全反射。L表示一对单模或多模光纤的相互作用长度，d表示纤芯之间的 距离。光纤包层被减薄或完全剥去，足以产生渐逝场耦合。d、L或n2稍有变化，光探测器的接收光强就有明显变化、从而 实现光强调制、这一原理已应用于水听器。三、反射系数型由菲涅尔反射公式式中，R为平行偏振方向的强度反射系数，R为垂 直偏振方向的强度反射系数；n=n3n1 ，为入射光 波在界面上的入射角。5.2.5 光吸收系数强度调制一、利用光纤的吸收特性进行强度调制 x射线、射线等辐射线会使
7、光纤材料的吸 收损耗增加，使光纤的输出功率降低， 从而构成强度调制辐射量传感器。改变 光纤材料成分可对不同的射线进行测量 。如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、 射线、中子射线最敏感，用这种方法做 成的传感器既可用于卫星外层空间剂量 的监测，也可用于核电站、放射性物质 堆放处辐射量的大面积监测。二、利用半导体的吸收特性进行强度调制大多数半导体的禁带宽度Eg都随着 温度T的升高而几乎线性地减小。它们的 光吸收边的波长将随着T的升高而变化。5.3 相位调制机理 利用光相位调制来实现一些物理量的测 量可以获得极高的灵敏度。 相位调制光纤传感器的基本传感原理是 ：通过被测能量场的作用，使光纤内传 播的光
8、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。5.3.1 相位调制一、应力应变效应 当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时， 光纤的长度、芯径、纤芯折射率都将发 生变化，这些变化将导致光波的相位变 化.式中，a为光纤芯的半径；第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟(应变效应)； 第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟(光隙效应)； 第三项则表示光纤的半径改变所产生的相位延迟(泊松效应 )。1纵向应变引起的相位变化2径向应变引起的相位变化不考虑泊松效应时有实现纵向、径向应变最简便的方法是，采用一个 空心的压电陶瓷圆柱筒(PZT)，在这个圆柱筒 上缠绕一圈或
9、多圈光纤，并在其径向或轴向施 加驱动信号，由于PZT筒的直径随驱动信号变 化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光纤承 受到应力，光波相位随之变化。二、温度应变效应仅考虑径向折射率变化时，其相位随温度变化为5.3.2 光纤干涉仪光纤相位传感器要求有相应的干涉仪来完 成相位检测过程。对于一个相位调制干 涉型光纤传感器，敏感光纤和干涉仪缺 一不可。敏感光纤完成相位调制任务， 干涉仪完成相位光强的转换任务。 在光波的干涉测量中，传播的光波可能是两束 或多束相干光。 例如，设有光振幅分别为A1和A2的两个相干 光束。如果其中一束光的相位由于某种因素的 影响受到调制，则在干涉域中产生干涉。干涉 场中各点的光
10、强可表示为一、迈克尔逊(Michlson)光纤干涉仪二、马赫泽德(Machzehnder)光纤干涉 仪保证全光纤干涉仪的工作点稳定是比较困难的。在零差检 测方式中，需要保证两光纤臂间的正交状态。所以系统要 求环境温差不能太大。“正交状态”是指干涉仪的两臂光波间的相对相位为90。 正交检测方式的优点是探测相位灵敏度最高。三、赛格纳克(Sagnac)光纤干涉仪干涉仪装在一个可绕垂 直于光束平面轴旋转的 平台上，且平台以角速 度转动时，根据赛格 纳克效应，两束传播方 向相反的光束到达光探 测器的延迟不同。若平台以顺时针方向旋 转，则顺时针方向传播 的光较逆时针方向传播 的光延迟。相位延迟量可表示为式
11、中，A是光路围成的面积； 光纤陀螺仪四、法布里珀罗(Fabry-Perot)光纤干涉仪由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。在两个相 对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率通常达95以上。法布里珀罗干涉仪是多光束干涉。根据 多光束干涉的原理，探测器上探测到的 干涉光强的变化为透射的干涉光强的最大值与最小值之比它与一般法布里珀罗干涉仪的区别在于以光纤 光程代替空气光程，以光纤特性变化来调制相位 代替以传感器控制反射镜移动实现调相。5.4 频率调制机理 采用频率调制技术可以对有限的几个物 理量进行测量。它主要是利用运动物体 反射或散射光的多普勒频移效应来检测 其运动速度。设光源和观察者处于同
12、一位置。如果频率为f的光照射在相对 光速度为v的运动物体上，那么观察者接收的运动物体反射 光频率f1为当光源和观察者处于相对静止的二个位置时，可 当作双重多普勒效应来考虑。先考虑从光源到 运动体，再考虑从运动体到观察者。5.4.1 光纤多普勒技术根据多普勒频移原理，采用激光作为光源 的测量技术是研究流体流动的有效手段 。它的主要持点是空间分辨率高，光束不干 扰流动性，并具有跟踪快速变化的能力 。 现在来讨论一下检测信号的光功率计算方法。流体中 运动体的返回信号大小取决于背向散射光强、媒质衰 减和光纤接收面积及数值孔径。返回进入光纤的总功率Pr5.5 波长调制机理波长调制光纤传感器主要是利用传感
13、探头的光频谱特性 随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为 非功能型传感器。5.5.1 光纤pH探测技术这种技术利用化学指示剂对被测溶液的颜色反应 来测量溶液的pH值. 采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中 多种因素所造成的误差。取绿光(558nm)作为 调制检测光，红光(630 nm)作参考光，探测器 接收到的绿光与红光强度的吸收比值为R, pH 值与R的关系为式中c、k为常数；L为试剂长度, pHpK，其中 pH是酸碱度, pK是酸碱平衡常数。5.2 光纤磷光探测技术两个光电二极管的敏感 波长不同，一个对540 nm的光敏感，另一个 对630 nm的光敏感。经 光电二极管转换成电
14、信 号，再经过电子电路进 行信号处理，得到相对 光强与温度变化的特性 曲线。经校正可以得到 输出相对光强与温度呈 线性关系。5.5.3 光纤黑体探测技术通过测量物体的热辐射能量确定物体表面温度是 非接触式测温技术。物体的热辐射能量随温度 提高而增加。对于理想“黑体”辐射源发射的光 谱能量可用热辐射的基本定律之一普朗克 (Plank)公式表述.所谓“黑体”、就是能够完全吸收入射辐射，并具 有最大发射率的物体。光纤黑体探测技术。就是以黑体做探头，利用光 纤传输热辐射波，不怕电磁场干扰，质量轻 灵敏度高，体积小，探头可以做到0.1mm。5.5.4 光纤法布里泊罗滤光技术式中，d是法布里泊罗标 准具厚
15、度；n是标准具平行 板内的介质折射率；是反 射光的相位跃变。5.6 偏振调制机理 光波是一种横波，它的光矢量是与传播方向垂 直的。如果光波的光矢量方向始终不变，只是 它的大小随位相改变，这样的光称线偏振光。 光矢量与光的传播方向组成的平面为线偏振光 的振动面。如果光矢量的大小保持不变，而它 的方向绕传播方向均匀地转动，光矢量末端的 轨迹是一个圆，这样的光称圆偏振光。如果光 矢量的大小和方向都在有规律地变化，且光矢 量的末端沿着一个椭圆转动，这样的光称椭圆 偏振光。kEH偏振光的表示法圆偏振光线偏光椭 圆 偏 振 光马吕斯定律 强度为I0的偏振光，通过检偏 器后，透射光的强度为：I=I0 cos
16、2 其中为检偏器的偏振化方 向与入射偏振光的偏振化方向 之间的夹角。AII0为线偏振光的振动方向OM与检偏器透振方向ON间的夹角。 一束光强为I0的自然光透过检偏器，透射光强为I0 /2解释I=I0 cos2天然的方解石晶体 是双折射晶体AB光的双折射现象一束自然光射向石英 、方解石等各向异性 介质时，其折射光有 两束，这种现象称为 双折射现象。5.6.1 普克耳效应各向异性晶体中的普克耳效应是一种重要 的电光效应。当强电场施加于光正在穿 行的各向异性晶体时，所引起的感生双 折射正比于所加电场的一次方，称为线 性电光效应，或普克耳效应。 折射率椭球方程对于双抽晶体，主折射率 ；对于单抽晶体，主折射率 为寻常光折射率 ，为非常光折射率 。若沿光轴方向入射，o光 和e光具有相同
