第12章光导纤维传感器 随着激光器和低损耗光导纤维等光学部件的显著进步，“光纤敏感元件”(fiber-optic seso)在现代测试技术中的出现，为非接触、高速度、高精度测试手段的光测技术获得 了飞跃发展。本章主要阐述光纤传感器的基本原理，机械量、过程机械量、电磁量、生 物医学等方面的典型光纤传感检测技术。 12.1光导纤维传感器概述 光导纤维传感器，是科技工作者应用光纤通信和集成光学技术成就并加以发展的结 晶。它为现代传感技术之一，其发展异常迅速，显现出巨大的开发潜力。 12.1.1光纤传感器的特点 由于光纤具有径细、量轻、透光性、电绝缘性、无感应性、带宽等诸多优点。所以， 由它制作的光纤传感器具有一些常规传感器无可比拟的优点。例如，光纤传感器具有不 受电磁场干扰、传输信号安全、可实现非接触测量，可做成光纤传光型和光纤敏感型的 各式各样的传感器。因而它具有高灵敏度、高精度、高速度、高密度、适应各种恶劣环 境下使用以及非接触、非破坏和使用简便等优点。 光纤传感器以上的诸特点基于光波是短波长的电磁波，根据光的波动理论，光可以
第 12 章 光导纤维传感器 随着激光器和低损耗光导纤维等光学部件的显著进步，“光纤敏感元件”（fiber-optic sensor)在现代测试技术中的出现，为非接触、高速度、高精度测试手段的光测技术获得 了飞跃发展。本章主要阐述光纤传感器的基本原理，机械量、过程机械量、电磁量、生 物医学等方面的典型光纤传感检测技术。 光导纤维传感器，是科技工作者应用光纤通信和集成光学技术成就并加以发展的结 晶。它为现代传感技术之一，其发展异常迅速，显现出巨大的开发潜力。 由于光纤具有径细、量轻、透光性、电绝缘性、无感应性、带宽等诸多优点。所以， 由它制作的光纤传感器具有一些常规传感器无可比拟的优点。例如，光纤传感器具有不 受电磁场干扰、传输信号安全、可实现非接触测量，可做成光纤传光型和光纤敏感型的 各式各样的传感器。因而它具有高灵敏度、高精度、高速度、高密度、适应各种恶劣环 境下使用以及非接触、非破坏和使用简便等优点。 光纤传感器以上的诸特点基于光波是短波长的电磁波，根据光的波动理论，光可以
第12章光导纤维传感器 ·223· 产生干涉、衍射、偏振、反射、折射等现象，光的这些特性和光纤结合起来便可以做成 各式各样的传感器。 利用光的干涉、分光现象可实现高精度、高灵敏度检测，如光纤干涉仪，光纤陀螺： 利用光纤的传光特性可达到高速度和高精确度的测量，如光纤光谱分析仪；利用光的直 线性、反射和遮光现象，可实现专用化及低成本（如对位移、压力、温度等测量的传感 器，。利用光纤的对电无感应、无放电现象、绝缘性高、化学稳定性高等优点，可做成 环境使用性强的传感器，如以高电压、大电流为测量对橡的电力传感器。 12.1.2光纤传感器的分类 光纤传感器按其工作原理分为两大类： 12.1.2.1功能性光纤传感器(Function fiber sensor,FF型) 功能性光纤传感器亦可为传感型光纤传感器。在这类传感器中，光纤不仅起传光作 用，而且还利用光纤在外界因素（如压力、温度、电场、磁场.）作用下，使其传光 特性发生变化以实现传感测量。 12.1.2.2非功能型光纤传感器(Non-function fiber sensor,.NFF) 非功能型光纤传感器亦可称传光型光纤传感器，在这类传感器中，光纤仅作为传光 的媒介，必需在光纤端面加装其他敏感元件才能构成传感器。NFF型传感器又可分为两
12 ·223· 产生干涉、衍射、偏振、反射、折射等现象，光的这些特性和光纤结合起来便可以做成 各式各样的传感器。 利用光的干涉、分光现象可实现高精度、高灵敏度检测，如光纤干涉仪，光纤陀螺； 利用光纤的传光特性可达到高速度和高精确度的测量，如光纤光谱分析仪；利用光的直 线性、反射和遮光现象，可实现专用化及低成本（如对位移、压力、温度等测量的传感 器）。利用光纤的对电无感应、无放电现象、绝缘性高、化学稳定性高等优点，可做成 环境使用性强的传感器，如以高电压、大电流为测量对象的电力传感器。 光纤传感器按其工作原理分为两大类： 12.1.2.1 功能性光纤传感器（Function fiber sensor, FF 型） 功能性光纤传感器亦可为传感型光纤传感器。在这类传感器中，光纤不仅起传光作 用，而且还利用光纤在外界因素（如压力、温度、电场、磁场. . ）作用下，使其传光 特性发生变化以实现传感测量。 12.1.2.2 非功能型光纤传感器（Non-function fiber sensor,NFF) 非功能型光纤传感器亦可称传光型光纤传感器，在这类传感器中，光纤仅作为传光 的媒介，必需在光纤端面加装其他敏感元件才能构成传感器。NFF 型传感器又可分为两
·224 传感器技术设计与应用 种：一种是把敏感元件置于发送、接收光导纤维中间，在被测对像作用下，或使敏感元 件遮断光路，或使敏感元件的（光）穿透率发生某种变化。这样，受光的光敏元件所接 收的光通量便成为被测对像调制后的信号；另一种是在光导纤维终端设置“敏感元件+ 发光元件"的组合体敏感元件感知被测对象并将其转变为电信号后输出给发光元件如 发光二极管)，最终以发光元件的光强度作为测量所得信息。上述FF型NFF型的传感 器，其示意图见图12-1。 被测对象 光导纤维 光源 光敏元件 (a)FF型 得信息 光导纤维 被测对象 光源 来饵 光敏元件 被测对象 测得信息 光导纤 敏感元件 光敏元件 发光元件 测得信息 (b)NFF型 图12-1光导纤维传感器分类 12.1.3光纤在测量上的应用 光纤作为新型的通信介质，已经得到了广泛的发展和应用。随着光纤理论和工艺水
·224· 种：一种是把敏感元件置于发送、接收光导纤维中间，在被测对象作用下，或使敏感元 件遮断光路，或使敏感元件的（光）穿透率发生某种变化。这样，受光的光敏元件所接 收的光通量便成为被测对象调制后的信号；另一种是在光导纤维终端设置“敏感元件+ 发光元件”的组合体，敏感元件感知被测对象并将其转变为电信号后输出给发光元件（如 发光二极管），最终以发光元件的光强度作为测量所得信息。上述 FF 型 NFF 型的传感 器，其示意图见图 12-1。 图 12-1 光导纤维传感器分类 光纤作为新型的通信介质，已经得到了广泛的发展和应用。随着光纤理论和工艺水
第12章光导纤维传感器 ·225· 平的提高，各式各样的光纤传感器相继问世。如位移、速度、加速度、流量、压力、温 度、转动、电压、电流、磁场等各种物理量的检测元件相继得到应用。光纤器件在工业 检测中应用日益成熟，这一新技术的影响已十分明显，它作为一类新型的传感器会得到 更加广泛的应用。表1小1概况了光纤在各种测量上的应用。表中的应用情况虽然只是取 自有关资料的报道，但由此可见光纤检测技术有巨大的应用潜力。 12.1.4光纤检测元件的发展及其动向 光纤传感器的应用正处于飞速发展时期。光纤传感器检测技术的要素是：光源；光 的传送、转换；电子信号处理等。现就其关键元件及发展动向作一简单的介绍。 12.1.4.1光导纤维 光通信用低损耗光纤的迅速发展，促进了光纤传感器技术的发展。现实用的有单模， 多模光纤、偏光光纤、塑料光纤、中空光纤及光纤束等。利用单模光纤制成的高灵敏度 光纤传感器，使测量对掾更加多样化。 12.1.4.2半导体激光器 半导体激光器的发展，使其成为光纤传感器的主要光源。其优点：可实现小型、轻 量与集成化；激振量子能量大；输出功率易于控制；容易激振；容易使振动频率同步及 进行控制；价廉等
12 ·225· 平的提高，各式各样的光纤传感器相继问世。如位移、速度、加速度、流量、压力、温 度、转动、电压、电流、磁场等各种物理量的检测元件相继得到应用。光纤器件在工业 检测中应用日益成熟，这一新技术的影响已十分明显，它作为一类新型的传感器会得到 更加广泛的应用。表 11-1 概况了光纤在各种测量上的应用。表中的应用情况虽然只是取 自有关资料的报道，但由此可见光纤检测技术有巨大的应用潜力。 光纤传感器的应用正处于飞速发展时期。光纤传感器检测技术的要素是：光源；光 的传送、转换；电子信号处理等。现就其关键元件及发展动向作一简单的介绍。 12.1.4.1 光导纤维 光通信用低损耗光纤的迅速发展，促进了光纤传感器技术的发展。现实用的有单模、 多模光纤、偏光光纤、塑料光纤、中空光纤及光纤束等。利用单模光纤制成的高灵敏度 光纤传感器，使测量对象更加多样化。 12.1.4.2 半导体激光器 半导体激光器的发展，使其成为光纤传感器的主要光源。其优点：可实现小型、轻 量与集成化；激振量子能量大；输出功率易于控制；容易激振；容易使振动频率同步及 进行控制；价廉等
·226 传感器技术设计与应用 12.1.4.3耦合器 光结合与光分离是利用光技术的一个难点，但随着光通信用的光纤耦合器、定向耦 合器、微型透镜、光纤融合等技术的发展，必将促使光纤传感技术的发展 12.1.4.4光转换器 光纤传感器的心脏光转换器（物理、化学量→光信号）在大力发展。例如，对FF 型传感器，研制专用于测量技术的特殊光纤，其中有：用于磁场测量的法拉第材料利用 费尔德常数很大的FR5(常磁性)系玻璃，YIG系特殊结晶等高性能材料拉制成的光纤。 电场传感器用的鲍格鲁斯(pock1es)型材料用BSO结晶体、BGO结晶体等。 12.1.4.5开发光电混合型传感器 这种传感器内部设有AD变换和频率变换，将输出信号变换成光数字信息进行传 送。这里需解决的问题则是内部的变换、放大、电光转换回路的电力供给和功耗。 12.1.4.6开发集成光学 在1996年由Mili©r提出"集成光学”这一术语，它是基于薄膜能够传输光频波段 的电磁能，故其诞生主要受微波工程和薄膜光学这两个不同学科的推动和影响，半号体 也起了特殊作用。在不断利用各种材料的光学特性和光学现象来开发光纤传感器的基础
·226· 12.1.4.3 耦合器 光结合与光分离是利用光技术的一个难点，但随着光通信用的光纤耦合器、定向耦 合器、微型透镜、光纤融合等技术的发展，必将促使光纤传感技术的发展。 12.1.4.4 光转换器 光纤传感器的心脏-光转换器（物理、化学量→光信号）在大力发展。例如，对 FF 型传感器，研制专用于测量技术的特殊光纤，其中有：用于磁场测量的法拉第材料利用 费尔德常数很大的 FR5（常磁性)系玻璃，YIG 系特殊结晶等高性能材料拉制成的光纤。 电场传感器用的鲍格鲁斯（pockles）型材料用 BSO 结晶体、BGO 结晶体等。 12.1.4.5 开发光-电混合型传感器 这种传感器内部设有 A/D 变换和频率变换，将输出信号变换成光数字信息进行传 送。这里需解决的问题则是内部的变换、放大、电/光转换回路的电力供给和功耗。 12.1.4.6 开发集成光学 在 1996 年由 Milier 提出“集成光学”这一术语，它是基于薄膜能够传输光频波段 的电磁能，故其诞生主要受微波工程和薄膜光学这两个不同学科的推动和影响，半导体 也起了特殊作用。在不断利用各种材料的光学特性和光学现象来开发光纤传感器的基础
第12章光导纤维传感器 ·227· 上引入光集成回路，以达到信号处理一体化和器件小型化，这与电气回路相结合便构成 了有效的光电器件。 光纤传感技术已得到越来越多的应用，其前景是十分美好的。将新型的光纤技术更 好地和传统的测量技术有机地结合起来，发挥光纤的优点，从而提供新的测量手段；加 强基本元器件（传感用特殊光纤和专用有源与无源器件）的研制和生产；加强有关的光 电技术（干涉型检测技术、弱光信号检测技术）的研究；深入进行光纤传感机理的理论 和实验研究，并不断利用其他新兴光学学科，交叉发展；开展新型传感机理和方案的研 究等等；皆是光纤传感技术的发展动向。 12.2光纤传感器元件 12.2.1光纤 12.2.1.1光纤的结构及分类 (1)光纤结构 最简单的光纤由圆柱形的二氧化硅玻璃光纤 纤花 芯和包层构成，其横断面可由图12-2所示。它是 包 纤芯、包层、涂覆层及套塑（可统称外包层）组成。 套塑 纤芯位于光纤的中心部位。它的主要成份是高 纯度的Si02,其纯度要高达99.99999%。其余成份 图12-2光纤的横断面构造
12 ·227· 上引入光集成回路，以达到信号处理一体化和器件小型化，这与电气回路相结合便构成 了有效的光电器件。 光纤传感技术已得到越来越多的应用，其前景是十分美好的。将新型的光纤技术更 好地和传统的测量技术有机地结合起来，发挥光纤的优点，从而提供新的测量手段；加 强基本元器件（传感用特殊光纤和专用有源与无源器件）的研制和生产；加强有关的光 电技术（干涉型检测技术、弱光信号检测技术）的研究；深入进行光纤传感机理的理论 和实验研究，并不断利用其他新兴光学学科，交叉发展；开展新型传感机理和方案的研 究等等；皆是光纤传感技术的发展动向。 12.2.1.1 光纤的结构及分类 （1）光纤结构 最简单的光纤由圆柱形的二氧化硅玻璃光纤 芯和包层构成，其横断面可由图 12-2 所示。它是 纤芯、包层、涂覆层及套塑（可统称外包层）组成。 纤芯位于光纤的中心部位。它的主要成份是高 纯度的 SiO2，其纯度要高达 99.99999%。其余成份 图 12-2 光纤的横断面构造
·228 传感器技术设计与应用 为掺入的少量掺杂剂，如五氧化二磷(P205)和二氧化锗(GO2。掺杂剂的作用是提 高纤芯的折射率。纤芯的直径一般为5~50μm。包层也是含有少量掺杂剂的，掺杂剂有 氟化硼，这些掺杂剂的作用是降低包层的折射率。包层的直径（含纤芯)2b为125μm。 包层的外面涂敷一层很薄的涂层以增强光纤的机械强度。目前，涂层材料一般为环氧树 脂或硅橡胶。涂层之外的套塑（多用尼龙或聚乙烯），其作用也是加强光纤的机械强度。 (2)光纤分类 a)根据折射率分布分类 阶跃型光纤(S1-Step index fiber):这种光纤芯部和包层的折射率都为一常数，在 其界面处呈阶跃式变化，如图12-3(a)所示。其中，1为纤芯的折射率，均匀分布： 为包层的折射率，也呈均匀分布，般nm略高于n如n=151,心=1.50，m1-0.0。 渐变性光纤(G-Graded indexfiber):渐变性光纤又称为梯度型光纤。这种光纤的折 射率在包层部分是均匀分布的，即，仍为一常数；但在芯部，其折射率由轴心向外逐渐 减少，在芯的轴心处具有最大值m,如图12-3(b)所示。或者说，渐变性光纤芯部折 射率是其半径r的函数nr)。 b)根据传输模式分类 多模光纤MM-Multi-mode fiber):当光纤中传输的模式是多个时，则称为多模光纤。 多模光纤剖面折射率的分布，有阶跃型的，也有渐变型的。前者称为阶跃型多模光纤 后者称为渐变型多模光纤
·228· 为掺入的少量掺杂剂，如五氧化二磷（P2O5）和二氧化锗（GeO2）。掺杂剂的作用是提 高纤芯的折射率。纤芯的直径一般为 5~50µm。包层也是含有少量掺杂剂的，掺杂剂有 氟化硼，这些掺杂剂的作用是降低包层的折射率。包层的直径（含纤芯）2b 为 125µm。 包层的外面涂敷一层很薄的涂层以增强光纤的机械强度。目前，涂层材料一般为环氧树 脂或硅橡胶。涂层之外的套塑（多用尼龙或聚乙烯），其作用也是加强光纤的机械强度。 （2）光纤分类 a）根据折射率分布分类 阶跃型光纤（SI-Step index fiber）：这种光纤芯部和包层的折射率都为一常数，在 其界面处呈阶跃式变化，如图 12-3（a）所示。其中，n1 为纤芯的折射率，均匀分布； n2 为包层的折射率，也呈均匀分布，一般 n1 略高于 n2(如 n1=1.51，n2=1.50，n=n1-n2=0.01)。 渐变性光纤(GI-Graded index fiber)：渐变性光纤又称为梯度型光纤。这种光纤的折 射率在包层部分是均匀分布的，即 n2 仍为一常数；但在芯部，其折射率由轴心向外逐渐 减少，在芯的轴心处具有最大值 n1，如图 12-3（b）所示。或者说，渐变性光纤芯部折 射率是其半径 r 的函数 n(r)。 b）根据传输模式分类 多模光纤(M M-Multi-mode fiber)：当光纤中传输的模式是多个时，则称为多模光纤。 多模光纤剖面折射率的分布，有阶跃型的，也有渐变型的。前者称为阶跃型多模光纤， 后者称为渐变型多模光纤
第12章光导纤维传感器 ·229 外包 包层 轴向更高 箱向更高 (a) (b) 图12-3阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤的截面结构和折射率分布 单模光纤(SM-Single-mode fiber):光纤中只传输一个模式的光波时，这种光纤称 为单模光纤。实现单模传输的光纤，要求其芯径2a很小，通常2a=5-10μm。芯径如此 小的光纤，由于工艺上的问题，其折射率的分布只能是均匀的。因此，单模光纤剖面折 射率的分布属于阶跃型的。 12.2.1.2光纤几何光学分析 光纤的导光原理基于光的全反射定律。其导光特性可用几何光学的方法来描述，尽 管几何光学分析具有近似性，但在纤芯芯径a远比波长，大的情况还是很合适的。当a 与入较为接近时，则需要采用波动光学分析法 在讨论光纤的几何光学分析之前，首先介绍光纤中的射线概念。在光纤中可存在两
12 ·229· b a b a 外包层 包层 纤芯 a b 折 射 率 轴向距离 a b 折 射 率 轴向距离 n1 n2 n0 n1 n2 n0 （a） （b） 图 12-3 阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤的截面结构和折射率分布 单模光纤(SM-Single-mode fiber)：光纤中只传输一个模式的光波时，这种光纤称 为单模光纤。实现单模传输的光纤，要求其芯径 2a 很小，通常 2a=5~10µm。芯径如此 小的光纤，由于工艺上的问题，其折射率的分布只能是均匀的。因此，单模光纤剖面折 射率的分布属于阶跃型的。 12.2.1.2 光纤几何光学分析 光纤的导光原理基于光的全反射定律。其导光特性可用几何光学的方法来描述，尽 管几何光学分析具有近似性，但在纤芯芯径 a 远比波长 λ 大的情况还是很合适的。当 a 与 λ 较为接近时，则需要采用波动光学分析法。 在讨论光纤的几何光学分析之前，首先介绍光纤中的射线概念。在光纤中可存在两
·230 传感器技术设计与应用 种不同形式的光射线：子午线和斜射线。子午线为通过光纤轴心平面（称子午面）的射 线，如图12-4所示。如果光线不通过光纤的轴心平面，则称这些光线为斜射线。这时， 光线是呈斜折线或螺旋形式前进的，如图12-5所示。 a)阶跃光纤 图12-4光纤中的子午线 (a)阶跃光年 b)渐变光红 图125光纤中的斜射线 (1)阶跃光纤的几何光学分析 图12-6给出了阶跃光纤的导光原理。一条光线与光纤轴线成0，的角度入射到光纤 中，由于光纤与空气界面的折射效应，光线将会向轴线偏移，折射光线的角度0，可由斯 涅尔定律(Snell))给出为 (12-1)
·230· 种不同形式的光射线：子午线和斜射线。子午线为通过光纤轴心平面（称子午面）的射 线，如图 12-4 所示。如果光线不通过光纤的轴心平面，则称这些光线为斜射线。这时， 光线是呈斜折线或螺旋形式前进的，如图 12-5 所示。 图 12-4 光纤中的子午线 图 12-5 光纤中的斜射线 （1）阶跃光纤的几何光学分析 图 12-6 给出了阶跃光纤的导光原理。一条光线与光纤轴线成 θr的角度入射到光纤 中，由于光纤与空气界面的折射效应，光线将会向轴线偏移，折射光线的角度 θr可由斯 涅尔定律(Snell)给出为 0 1 sin sin t r n n = （12-1）
第12章光导纤维传感器 ·231· 中 纤芯折射率 导模光线 包层折射m 图12-6阶跃折射率光纤的号光原理 式中，m分别为纤芯和空气的折射率。折射光线将会沿与光纤轴线成0，角的方 向入射到纤芯与包层的界面上，如果入射角大于由下式定义的临界角（设包层的折射率 为2，且n>m) m酸片 （12-2) 则光线将会在纤芯与包层界面上发生全反射，当全反射的光线再次入射到纤芯与包 层的分界面时，它被再次全反射回纤芯中。这样，所有满足的光纤都会限制在纤芯中而 向前传播，这就是光纤传光的基本原理 由式(12-1)和(12-2)可求出能限制在纤芯内的光线与光线轴线的最大入射角 0ms,即 %sin9=%cos4=(m2-22) (12-3) 式中，nosin称为光纤的数值孔径Numeral Apeture),简记NA,它表征了光纤的收光 能力。一般情况下n2,此时，数值孔径可近似表示为 NM=4(24)月，4=- （12-4)
12 ·231· 包层折射率n2 泄露光线 纤芯折射率n1 n0 导模光线 θi θr φ 图 12-6 阶跃折射率光纤的导光原理 式中，n1，n0 分别为纤芯和空气的折射率。折射光线将会沿与光纤轴线成 θr角的方 向入射到纤芯与包层的界面上，如果入射角大于由下式定义的临界角（设包层的折射率 为 n2，且 n1>n2） 2 1 sin c n n = （12-2） 则光线将会在纤芯与包层界面上发生全反射，当全反射的光线再次入射到纤芯与包 层的分界面时，它被再次全反射回纤芯中。这样，所有满足的光纤都会限制在纤芯中而 向前传播，这就是光纤传光的基本原理。 由式（12-1）和（12-2）可求出能限制在纤芯内的光线与光线轴线的最大入射角 θimax，即 1 2 2 2 0 max 1 1 2 sin cos ( ) i c n n n n = = − （12-3） 式中，n0sinθimax 称为光纤的数值孔径(Numeral Apeture)，简记 NA，它表征了光纤的收光 能力。一般情况下 n1≈n2，此时，数值孔径可近似表示为 1 2 1 NA n = (2 ) , 1 2 1 ( ) n n n − = （12-4）