光导纤维检测技术的探讨

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1982.03.009 北京钢铁学院学报 1982年第3期 光导纤维检测技术的探讨 自动化仪表教研室郝天佑 摘 要 本文从工业过程参数检测的角度叙述了光导纤维在测温、测压、测速及位移检 测方面的应用：文章简要地分析了用光导纤维作为拉测元件时的基本原理和方法， 并从使用的角度对其优点作了扼要的叙述。文章对光导纤维在自动控制系统中作光 信息传输元件进行了初步的介绍，并着重提出在信息传输中抗电磁干扰的突出优 点。同时，从国内光导纤维发展的状况，提出了应进一步发展塑料光纤及红外光纤 的看法。结论指出纤维光学的进一步发展，必将对工业与自动化技术带来极为深远 的影响。 一、前言 光导纤维在激光通信技术中的应用已为众所周知，但是在自动化技术中，作为一种新型 检测元件还不为大家所熟习。本文打算从温度、压力、位移、速度等参数检测方面，对其应 用原理和方法略作论述。 大家知道，光导纤维的种类是很多的，但从材料性质分类，可以简单地分为玻璃纤维与 塑料纤维两大类，从性能角度讲，又可以分为传光和传像两种光纤维。 在研究与分析光导纤维中的光波传播现象时，采用波动理论是一种标准的方法，然而我 们知道，在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间是完全可以采用“光线”（几何光学） 的原理来处理光波的传播现象，因此对于多模纤维（折射率突变型和梯度折射率型），应用 几何光学来分析其导光原理是一种既简便而又有一定精度的分析方法，这样，我们便可以进 行如下的讨论： :依据斯乃尔定律(Snell's1aw)可以看到，光之所以能在光导纤维中传播，是由于 其全反射的原理而实现的。 现以圆柱型纤维平端面子午 光线（即与纤维轴线在同-一 平面内的入射线)入射时的 情形为例，如图1。其中： (n>nz)n:（芯层折射 率)大于nz(包层折射)。 当中角大于Snell定律所规 定的临界角中。时，其出射 图1 91

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 光 导 纤 维 检 侧 技 术 的 探 讨 自动化 仪 表教研 室 郝天佑 摘 要 本 文从 工 业过 程参数 检测 的角度叙述 了光 导 纤维在测 温 、 测 压 、 测速 及 位 移 检 测 方 面 的应 用 文章简要地分 析 了用 光导纤维作为 检 测 元件时的墓 本原 理 和 方 法 ， 并从使 用 的角度对其 优 点作 了扼 要 的叙述 。 文章对光 导纤维在 自动控 制系统 中作 光 信 息传 输元件 进 行 了初 步的介 绍 ， 并着重 提 出在 信 息 传 输 中抗 电滋 干 扰 的 突出 优 点 。 同 时 ， 从 国 内光 导纤维 发展 的状 况 ， 提 出 了应 进 一 步发展 塑料 光纤 及 红 外光 纤 的看 法 。 结论 指出纤维光 学的进 一 步发展 ， 必 将对工 业 与 自动化技术 带来极为深 远 的影 响 。 一 、 前 言 光 导纤维在 激 光通信 技术 中的应 用 巳为众所周 知 ， 但是在 自动 化技术 中 ， 作为一种 新型 检 测元 件还 不为大家所熟 习 。 本文打算从温度 、 压 力 、 位 移 、 速度等参数检 测方面 ， 对其应 用原理 和方 法 略作论 述 。 大 家知道 ， 光导纤维 的种 类 是很 多 的 ， 但从材料性质 分 类 ， 可 以 简单地 分为玻璃 纤维 与 塑 料纤维 两大 类， 从性能 角度讲 ， 又可 以 分为传光和 传像 两种光纤维 。 在研 究 与分析光 导 纤维 中的光 波传播 现象时 ， 采 用 波动 理论是一种 标准的方 法 ， 然 而我 们 知道 ， 在 尺 寸远大于 波长而拆射 率 变化缓 慢 的空 间是完 全可 以 采 用 “ 光 线 ” 几何 光学 的原理来 处理光 波 的传播 现 象 ， 因此 对于多模 纤维 折射率 突 变型 和梯度折射率 型 ， 应 用 几何光学来 分析 其导光原理是一种 既简便 而 又有一定 精度 的 分析方法 ， 这 样 ， 我们 便可 以进 行如下 的讨论 依据斯乃尔定律 ‘ 可 以 看 到 ， 光之所 以 能在光 导 纤维 中传播 ， 是 由于 其全反 射 的原 理 而实 现 的 。 现 以 圆柱型 纤 维 平端 面子 午 光线 即 与纤 维 轴线在 同一 平面 内的 入 射 线 入 射 时 的 情 形为例 ， 如 图 。 其 中 丁 ， 芯层 折 射 率 大 于 包 层 折射率 。 当中角 大 于 定律所 规 定的临界 角 小 。 时 ， 其 出射 月尸 】 曰洲门尸 一 ， 口尸 ，‘ ， ‘ 口 一 、 ，‘ 一 勺 斥叮 门 一一二二 图 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．03．009

光（虚线）全部成为反射光，因而光波即在光导纤维内（芯层）传播 由临界角中。可以推得子午光线在平端面的入射角： ind,mco 一般定义： n。ain0。=√/n-ni=NA· 称N·A·为光导纤维的数值孔径(Nu merical Aperture))。由数值孔径的定义可以 得出如下结论，即只有那些入射角小于0，=arei加：正的子午光线才有可能在光纤 中传播。 以上原理是应用光导纤维于检测技术中的基本依据。 二、光导纤维检测技术 根据光导纤维传光与传象的原理，可以将其分为光纤传光检测和光纤传象检测技术两大 类，本文重点讨论传光检测技术。 传光检测技术 传光检测技术主要是利用光导纤维与被测物发光体耦合，直接传输其光强，并使之与光 电元件耦合，通过光电元件电信号输出的改变反应出被测物光辐射性能的改变。 传光检测技术又可以分为直接入射式与反射入射式两种： 1.直接入射式（图2） 这种方法是直接利用光导纤 入.付针 维传播被测物所发之光波，其用 途有 (1)温度检测（图3） 出射招射 这是一种非接触式的辐射测 温方法，是利用被测物表面辐射 图2 能随温度变化而改变的特性，利用光纤将光（红外）辐射能量传输到温度敏感元件上，在那 里经过处理，再转变成可供记录 和显示的电讯号。 用光导纤维作测温仪表时， 一般可以分为三个部份，即（图 0000 3)光耦合器，光传输及光电耦 合器等。 实践证明，光耦合器与被测 发光表面的耦合效率和光传输是 被测表面 仪表的二个关键部份。 从理论上可以推出【1，光 图3 导纤维前端与被测表面的耦合效率为 92

光 虚线 全 部成为反射 光 ， 因而光 波即在 光导纤维 内 芯层 传播 由临界角小 。 可 以推得 子午光线在平端面 的入 射 角 八 日 。 二 － 日中 。 一 记五 一 般定义 。 苗 。 二 侧 轰一 盖 。 称 。 为光导纤维 的数值孔径 。 由数值孔径 的定义可 以 一端一 得 出如 下结论 即只 有那些 入射 角 小于 。 中传播 。 · 心 的子午光线才有可能在光纤 以 上原理是应 用 光导纤维 于检测技术 中的基 本依 据 。 二 、 光导纤维检测 技术 根据 光 导纤维传光与传象的原理 ， 可 以将其 分为光纤传光检测 和光纤传象检测技术两大 类 ， 本文 重 点讨论传光检测 技术 。 传光检洲 技术 传光检测技术主要 是利 用 光 导纤维 与被测物发光体 藕合 ， 直接传输其 光强 ， 并使 之 与光 电元件辐合 ， 通过光 电元件 电信号输出的改 变反应 出被测物光辐射性能 的改变 。 传光检测技术又可 以 分为直接入射式 与反射入射式 两种 接入射 式 图 这种方 法是直接利用 光导纤 维传播被测 物所发之光 波 ， 其 用 途有 温度检测 图 这 是一种非接触 式 的 辐射测 温方 法 ， 是利 用被测物表面 辐射 少 、 扮离哥吃 能随 温 度变化而改 变的特 性 ， 利用 光纤将光 红外 辐射能量传输到温度敏感元 件上 ， 在那 里 经过处理 ， 再转变成可供 记 录 和显示的 电讯 号 。 用光导纤维 作测 温仪 表 时 ， 一 般可 以 分为三个部份 ， 即 图 光藕合 器 ， 光传输及光 电藕 合器 等 。 实践证 明 ， 光祸合器 与被测 发 光表面 的 藕合效 率 和 光传输是 仪表 的二个关键部份 。 从 理论上 可 以 推 出 〔 ’ ， 光 ’ 一 一 可 一 一 厂 一一 认 时 ， ， 被 测色巴 － 二』 ‘ 生且 竺到 图 导纤维 前端与被测 表面 的祸合效率为

(NA.) n:空气折射率 因而适当增大数值孔径N·A·的数值，有利于耦合效率的提高。 又从光在光纤内部传播时的透过率τ[3！ T=e-as 其中： α：材料吸收系数可表示为入射波长入的函数I2] S:光在光纤中传播轨迹的长度 S=- L U cos a=- V1-(ain0/n。)2 (图4) 当n。=1时 t=c-a-L cos0 可以看出：不适当地加 n 长光纤长度L会增加光辐射 能量的衰减。同时当日=0 时，即垂直入射的光，在同 样条件下衰减最小。 但日角度的大小是受到 n: 光纤数值孔径的限制，即日 的上限为： 图4 0≤0，=arcain N·A no 由前分析可知，增大N·A·可以提高其耦合效率，但是那些入射角0大的光波其传输中 的衰减也会增加。 采用光导纤维进行温度检测具有许多独特的优点，它可以很好地克服一般辐射测温技术 中的干扰，并由于其直径小，可弯曲，因而对于许多工艺有特殊要求的地方，都可以进行准 确地测量。 (2)压力测量： 用光导纤维作压力测量时，一般的方法是通过压力作用于光纤上，使光纤内部的折射率 发生改变，因而使通过光纤的光强度也发生变化，从而达到压力检测的目的（图5），关于 这一点我们可以由如下简要分析 看出： 由光纤与发光体耦合效率 入 光 n=含(NA) 图5 当处于空气介质中时n。=1 n=(NA-)2=√ni-n=ni-n 由公式可见当折射率1，z发生变化时n将发生变化，从而使光纤末端输出的光强以 及使光电耦合元件电信号输出发生变化。 93

。 一 子 一 卫 。 空 气折射率 因而适 当增大数值孔径 · · 的数值 ， 有利于藕合效 率 的提高 。 又从 光在光纤 内部传播时 的透 过 率 丫 一 。 其 中 材料吸 收 系数可表示为入 射波长 入的 函数 【 ’ 光在光纤 中传播轨迹的长 度 生一 二 一一 一一一 一 朋 训 一 日 －。 名 图 当 。 时 一 吃‘ 一 ，入 可 以看 出 不适 当地 加 长光纤长度 会 增加光辐射 能 量 的衰减 。 同时 当 时 ， 即垂直入 射的 光 ， 在 同 样条件下衰减最小 。 但 角度的大 小是受 到 光纤数值孔径 的 限 制 ， 即 的 上限为 图 · 板 。 由前分析可知 ， 增大 · · 可 以提高其辐－合效 率 ， 但 是那些 入 射 角 大 的光 波其传 输中 的 衰减 也会增加 。 采用 光 导纤维进 行 温度检测具有许多独特 的优点 ， 它可以很好地克服一 般辐射测温技术 中的干扰 ， 并 由于其直径 小 ， 可弯 曲 ， 因而对于许 多工 艺有特 殊要求的地 方 ， 都可 以进 行 准 确地测量 。 压力测量 用 光导纤维 作压力测量 时 ， 一 般的 方 法 是通过压力作 用 于 光纤上 ， 使 光 纤 内部 的折射率 发生改 变 ， 因而使 通过光纤的 光强 度也发 生 变化 ， 从 而达 到压 力检测 的 目的 图 ， 关于 这一点我们可 以 由如 下简要分析 看 出 由光纤与发光体 藕合效 率 刀 二 一二 了 、 八 ， 当处于 空气介质 中时 。 · 】 刀 。 亿 圣一 孟 图 盖一 由公式可见 当折射率 ， 发生变化时 刀将发生 变 化 ， 从 而使光纤末端 输出的光强 以 及便光 电辐合元件 电信 号输出发生变化

2.反射入射式（图6） 这种检测方法是将光通过光纤射出，并由被测物体表面反射之后，再由光纤传输回来从 而达到检测的目的，其用途有 (1)转速检测（图7） 入 射 图6 图7 其检测方法是在被测旋转物体的表面，贴上一块对入射波长具有高反射率的物质，物体 旋转时，每当高反射率物质与光纤前端面相遇时，便反射回一束强反射光，从而使光电耦合 输出一脉冲信号，这样每转一圈便输出一个脉冲，从而通过检测脉冲便可以测得转速。 (2)位移检测（图8） 这种检测方法是利用反射光强度的变化，来反应光纤探头与被测物表面的距离。 反射光强度W与距离L之间的关系存在一个峰值（图9），当测量的输出在达到某一峰 值之前与距离成正比，超过这个峰值之后，输出与距离成反比。 峰值的位置决定于照明用光纤与受光用光纤的排列方式，如图10所示照明用及受光用两 种光纤相间排列每四根为一组时，时出曲线的斜率最大。 W 输 峰值 出 照明用 受光用 wnmn 光纤 被测物 距离L 图8 图9 图10 利用这种方法还可以作搬动测量与板型扫描检测。 (3)二相流动中颗粒速度的测量： 在利用多普勒效应的激光测速中，往往对于密闭管道的光传输以及光准直的问题上都是 一个较难解决的问题，然而利用光导纤维与多普勒效应相结合，就能很好地解决这一问题。 另外，利用光导纤维进行二相流颗粒速度测量时，还可用三支光纤并排安装[刀，光源 从中间一支光纤射入，当颗粒通过时，旁边三支光纤便能接收到反射光，经光电转换后可以 94

反射入射式 图 这种检测 方 法是将 光通 过 光纤射 出 ， 并由被 测物体 表面反 射之后 ， 再 由光纤传输 回来从 而达 到检 测 的 目的 ， 其用途有 转速检测 图 入 射 其检测方法是在被测旋 转物体的表面 ， 贴 上一块 对入 射波长具有高反射率 的物质 ， 物体 旋 转时 ， 每肖高反射率 物质 与 光纤前端面 相遇 时 ， 便反 射 回一 束强反 射光 ， 从而使 光 电藕合 输出一脉冲信号 ， 这样每 转一圈便输出一个脉 冲 ， 从 而通过检 测脉 冲便 可 以测得 转速 。 位移检 测 图 这种检测方法是利用反 射光强 度的 变 化 ， 来反应 光纤探头 与被 测物表面 的距 离 。 反射光 强 度 与距 离 之 间 的关系存在一 个峰值 图 ， 当测 量 的输出在 达 到某一峰 值 之前与距 离成正 比 ， 超过这个峰值 之后 ， 输出与距 离成反 比 。 妹值 的位 置 决定 于照 明用 光纤与受 光用 光纤的排列 方式 ， 如 图 所示 照 明用 及受 光用 两 种光纤相 间排列每 四根为一组 时 ， 一 俞出曲线的斜率最 大 。 峰值 输出 被 测 物 距 离 图 图 图 利用这种 方法还 可 以 作振动洲 与板 型 扫描 检侧 。 二相 流动 中颗 粒速度 的 测 量 在利用 多普 勒效应 的激光 测速 中 ， 往往 对于 密 闭管道 的 光传输以 及光准直 的问题 上都 是 一个较难解决 的问题 ， 然 而利用 光 导纤维 与多普勒效应 相 结合 ， 就 能很好地解决这 一问题 。 另外 ， 利用光导纤维进 行二 相 流颗 粒速度测量 时 ， 还可 用三 支光纤并排 安装 〔 ， 光源 从 中间一支光纤射入 ， 当颗粒通过 时 ， 旁 边三 支光 纤便能接 收 到反射 光 ， 经光 电转换后 可 以

求得其频谱图像，依照其相关性，可以求得渡越时间τ，再由反射光纤的间矩L,可求得速度“ 。 由于所使用光纤维直径可以很小，如100~2004m,这样距离L便可以精确地测量，因 而可以大大提高颗粒速度的测量精度。 用这种方法还可以对在滚道上跑动的冷、热轧钢坯进行非接触式速度测量。 (4)微压（压差）测量 微压及微压差力的测量，在检测技术中一直是一个难题，特别是为获得其相应的灵敏度 及可靠性方面存在一些难以解决的问题，采用 光导纤维测量方法可以获得较好的效果。其采 ■4一光源 用的方法是：将一个具有一定反射率且质地柔 PLAP) 入射 光纤 软的反射镜，贴在承受微压（压差）的膜片上， 反射镜 反射 当微压（差）力使膜片发生微小变形时，便会 山射 改变反射镜所反射入光纤的光强，从而测得其 微压（差）力（图11） 图11 据有关资料介绍，这种方法可以得到较高灵敏度。 传像检测技术 光导纤维的传像技术，在军工、医疗器械等方面已有许多广泛的用途，如军工中密码传 输、高空侦察，医疗中的内窥镜等都是光导纤维传像特性的典型应用例子。 在工业过程参数检测方面应用光导纤维的可能性也 是很多的，如像用于： 1.内部结构探测：在工业生产中，我们往往需要 检查一个系统部件的内部结构，而这种系统的内部，由 于各种原因而不能打开直接观察，这时，我们便可以采 用传像纤维束，将其探头放到系统内部须要检测的位 置，另一端为分义的二股纤维束，其中一根为观察时输 入光源，另一根供观察使用（图12）这样我们就能对系 图12 统内部欲观测目标的情况在外部进行监察与照相。 ★ 用上述方法还可以将光导纤维传像束与工业电视 录像机结合起来，以显示某二相流动中腋粒的直径分 摄象机 布71，其方法如图13。这种方法可以通过摄像机获得 光纤 电视标准视频信号，并根据需要由录像机保存信息，这 种时基信号保存了象素的强度和扫描的二维位置信息， 因而可以为用计算机进行综合分析处理提供图像识别信 号，这时摄像管不仅是起图像的放大和再现作用，而且 工业电视 录象机 可以从视频信号中提取特征信息而构成测量电视系统。 二相流 2.物体位移控制：如机械工业中仿形机的跟踪系 图13 95

求得 其频谱 图像 ， 依 照 其相关 性 ， 可 以 求得渡越 时 间 ， 再 由反射光 纤的 间矩 ， 可求得速度 由于所使 用光纤维 直径可 以－很 小 ， 如 件 ， 这 样距 离 便 可 以精确地 测 最 ， 因 而可 以大大提高颗粒 速度的 测 量 精度 。 用这种方法还可 以 对在 滚道 上跑动 的 冷 、 热 轧钢 坯进 行 非接触式璐度训 ， 。 微压 压 差 测量 微压及微压 差力的测 量 ， 在检 测技 术 中一直是一个难题 ， 特 别 是为获得 其 相应 的 灵敏度 及可靠性方面存在一些难 以解决 的 问题 ， 采 用 光导纤维 测量 方法可 以 获得较好 的效果 。 其 采 用 的 方 法是 将 一个具有一定反射率且 质地柔 软 的反 射镜 ， 贴在承受微压 压差 的膜 片上 ， 当微压 差 力使膜片发 生微 小变形 时 ， 便会 改 变反射镜所反 射入 光纤的光 强 ， 从 而测得 其 微压 差 力 图 心 光 抓 图 据有关 资料介绍 ， 这种方 法可 以得 到较高灵敏度 。 传像位沉技 术 光 导纤维 的 传像技术 ， 在 军工 、 医疗器械 等方面 巳有许多广 泛 的 用途 ， 如 军工 中密码传 输 、 高空侦察 ， 医疗 中的 内窥镜等都是光导纤维 传像特 性的典型应 用例 子 。 在工 业过程 参数检测方面应 用光导纤维 的可能 性也 是很 多的 ， 如 像 用 于 内部结 构探 测 在工 业生产 中 ， 我们 往往需要 检 查 一个系统 部件 的 内部结构 ， 而这种 系统 的 内部 ， 由 于 各种原 因而 不 能打 开 直接观察 ， 这 时 ， 我们 便可 以 采 用 传像 纤维 束 ， 将 其探 头放 到系统 内部 须要检测 的 位 置 ， 另一端为分义 的二 股 纤维 束 ， 其 中一根为观察时 输 入光源 ， 另一根 供 观察使用 图 这样 我们 就 能 对系 统 内部欲 观测 目标 的情 况在外部进 行 监察 与照 相 。 ， 妙 ‘弃 图 用 上述方 法 还可 以将 光导纤维 传 像 束与工 业 电视 录像机结 合起来 ， 以 显示 某 二相流动 中 城较 的 径 分 布 ， 其方 法如 图 。 这种 方 法可 以 通 过摄像机获得 电视 标 准视 频信 号 ， 并根 据需要 由录像 机保存信 息 ， 这 种时基信 号保存 了 象素 的强度和扫描 的二维位 置信 息 ， 因而可 以 为用 计 算机进 行综 合 分析 处理提供 图像 识 别信 号 ， 这 时摄像管 不仅是起 图像 的放大 和再现作用 ， 而且 可 以从视 频信 号 中提取特 征信 息而构成 测 量 电视 系统 。 物体位 移 控 制 如机械工 业 中仿形机 的跟踪 系 ’ 鱿戈 、 。 呵’ 图

统，如图14。 在二元研磨操作中，用纤维镜的一端跟踪表示加工轨迹的加工图，另一端的输出由棱镜 加工图 放大器 镜 差 比较 纤维躯动装置 放大器 凯宋 同服机构 图14 等分，送至偏差比较器比较光量后再反馈至扫描头，使纤维镜的顶端始终沿着图纸的轨迹运 动，并经伺服机构驱动机床上的刀具。 光信息传输 当代，激光通信技术的发展，已经是相当迅速与成功，如何将光通信中的光纤传输技术 应用于自动化系统中，确是一个有趣而又值得研究的题目。我们知道任何一个系统或参数的 调节控制过程都可以看成是一种信息的处理与传递的过程，现代调节系统所进行的完全是电 量的变换与电信息的传输，而且发展得相当成熟与可靠，但是随着大系统与远距离测量技术 的发展，这种电信息传输也遇到了难以克服的困难，如传输过程中的电磁干扰就是一个令人 十分头痛的问题，然而采用光导纤维光信息传输不但可以完全抵抗电磁干扰而且速度之快也 是电信息所比拟不了的。 利用光导纤维作光信息传输，大致可以分为二种类型： 1.近距离传输：如调节系统中各单元间的信息传递等等，由于目前集成光学的发展， 还不能对光信息进行直接处理，因而在实现这种传输过程时，还必须附加以电光转换器件， 其结果是成为电信息处理和光信息传输两者相结合而成的系统。显而易见，这种系统只对于 那些电磁干扰比较严重或需要高速度传输的场合是必要的，相反，就显得多此一举了。但 是，对于直接进行光能检测的仪表，实施这种技术还是十分有利的，譬如对于轧制系统中的 热金属检测器以及辐射式红外测温仪表等。 2.远距离传输：现代化大型企业中，各工段车间距离中央控制室都比较远，有时作为 自动检测用的信号传输线可以长达数公里、数十公里，如电网，输油管线、水利灌漑系统 等，因而采用光导纤维实现远距离信息传输就显得十分必要与可能，实现这种方法完全可以 借鉴于光通信技术中的成功经验，并且不但可以进行一种参数变量的传输而且可以对多种参 量用一条光缆集中实施多路传输，用光导纤维作传输线具有许多优点，诸如频带宽、容量 大、重量轻、截面积小、无电磁感应、质地柔软可以适当弯曲、耐腐蚀防水防潮，原料丰富 节约金属等等。同时，现代低损耗光纤在波长为1.55μm附近其传输损耗为0.2dB/每公里， 容许中继距离为200公里，由此可见在大系统控制及远距离测量技术中用光传输信息是完全 可以立即实现的。 96

统 ， 如 图 。 在二元研磨操作 中 ， 用 纤 维镜的一端 跟踪表示加工 轨迹 的加工 图 ， 另一端 的输出由棱 镜 加 工 图 放大器 机床 伺服机构 图 等分 ， 送至偏 差比较器比较光量后 再反馈 至扫 描头 ， 使纤维镜 的顶端始终沿 着图纸 的轨迹运 动 ， 并经伺服机构驱 动机床上 的 刀具 。 光信息传翰 当代 ， 激 光通信 技术的发展 ， 已经是相 当迅速 与成功 ， 如 何将 光通信 中的光纤传输技术 应 用 于 自动 化系统 中 ， 确是一个有趣而 又值得研 究 的题 目 。 我们 知道 任何一个 系统 或参数 的 调 节控 制过程都 可 以 看成 是 一种信 息的处理 与传递 的过程 ， 现代调 节 系统所进 行的完 全是 电 里 的 变换 与 电信 息的传输 ， 而且发展得 相 当成熟与可靠 ， 但 是 随 着大 系统 与远距 离测量技术 的发展 ， 这种 电信 息传输也遇到 了难以 克服 的 困难 ， 如 传输过程 中的 电磁干扰 就是一个令人 十分头痛的 问题 ， 然而采用 光导纤维 光信 息传输不但可 以完 全抵抗 电磁干扰而且速度之快也 是 电信息所 比拟不 了的 。 利用光导纤维作光信 息传输 ， 大致可 以分为二种 类型 近距 离传输 如 调节系统 中各单元 间的信息传递 等等 ， 由于 目前集成光学的发展 ， 还 不 能对光信息进 行直接处理 ， 因而在实现这种传输过程 时 ， 还 必须 附加 以 电光 转换 器件 ， 其结果 是成为 电信 息处理和光信息传输两者相 结合而成 的 系统 。 显而易见 ， 这种 系统 只对 于 那 些 电磁干 扰 比较 严 重 或需要高速度传 输的 场 合是必 要 的 相反 ， 就显得 多此 一举 了 。 但 是 ， 对于直 接进 行光能检测 的俘表 ， 实施这种技术还 是十 分有利 的 ， 譬如对于轧制 系统 中的 热金 属检 测器 以 及 辐射式 红外测温仪 表 等 。 远距 离传输 现代化大型企 业 中 ， 各工 段车间距 离中央控 制室都 比较远 ， 有时 作为 自动检测用 的信 号传输线 可 以 长达数公里 、 数 十公 里 ， 如 电网 ， 输油管 线 、 水利 灌溉 系统 等 ， 因而采用光导纤维实现远距 离信 息传输就显得十 分 必要 与可能 ， 实现这种 方法完全 可 以 借鉴于光通信技术 中的成功 经验 ， 并且 不 但可 以进 行 一种 参数 变量 的 传输而且可 以 对多种 参 量 用一条光缆集 中 实施多路传输 ， 用 光导纤 维作传输线 具有许 多优点 ， 诸如 频带 宽 、 容量 大 、 重最 轻 、 截面 积 小 、 无 电磁 感应 、 质地柔 软可 以适 当弯曲 、 耐腐蚀 防水防潮 ， 原料丰富 节约金属等等 。 同时 ， 现代低 损耗光纤在 波长为 林 附近 其传输损耗为。 每公 里 ， 容许 中继距 离为 公 里 ， 由此 可见在 大 系统 控 制及远距 离测量技术 中用 光传输信 息是 完 全 可 以立即实 现 的

三、对发展光纤检测的一点看法 应用纤维光学于自动检测技术中的首要条件是发展光导纤维的制造技术，笔者对国内几 家光导纤维制造单位进行了初步调研认为，从国内光导纤维的发展的情况看，已完全具备研 制某些类型检测仪表的可能，如热金属检测，温度检测及微压（差）力、位移检测等。然而 要想进一步获得更广泛更可靠的用途，还有待于如下几方面的发展： 1.应发展塑料纤维的制造：目前国内对于光学塑料及塑料光导纤维的发展还是一个空 白。塑料光纤的最大优点是重量轻，不易破碎，易于加工成形，而且其质地柔软易弯曲程度 是各种石英玻璃光纤绝对比不了的，如一根250μm的塑料光纤弯成曲率半径为0.45mm时 也不会断裂，而一根100μum的玻璃纤维弯曲成10mm的曲率半径时，就断了！。此外，塑 料光纤价格低廉还具有一定的防放射性辐射的能力。 事实可以证明，应用塑料光纤于自动检测技术中，会对各种特殊要求的加工成形带来极 大的方便。同时，塑料光纤与石英玻璃光纤相结合，可以获得价格低廉易于数设的优良光传 输线。 2.应发展长波长红外光纤的制造：发展长波长低损耗光纤的研究，不仅有利于光通讯 技术中实现长距离大容量传输，而且在自动化检测技术中也是十分有利的，我们以测温技术 为例说明这一问题： 众所周知，普郎克公式为如下形式 W,=C1λ-8(e1r-1)-1 其中，W:黑体光谱辐射通量密度， 入，波长影 ci,c2:常数， T:绝对温度。 当e下》1时可以简化为 W,≈c1X-e器 这时W:随温度T的变化率为 dw. C2 dT 入=c ≈W,AT2 dW, 9W1 1.0 dT入=c 与入T乘积的关系，用图15表示[1。 2T 从图15分析可以看到光谱辐射通量密度随温度的变 化率峰值所对应之入eT=2411。 对最大值 0.3 如果取 相对于最大变化率比值大于 入=c 0.1 60%,则入T乘积应为： 入T=1500~3500(μm·k) 这时如果被测温度为2000k,则红外测温仪表所选 10002000300040005000 取工作波段的最佳范围应为： 入T(μmK) 1=0.75~1,75μm 图15 97

三 、 对发展 光纤检 测 的一 点看法 应 用 纤维 光学 于 自动 检测技术 中的 首要 条件是发展 光导纤维 的 制造技术 ， 笔者对国 内几 家光导 纤维 制造 单位进 行 了初 步调 研认为 ， 从 国 内光导 纤维 的发展 的情况看 ， 巳完全具备研 制 某些 类型 检 测仪表 的可能 ， 如热金属检测 ， 温 度检测及 微压 差 力 、 位移检测等 。 然 而 要想进 一 步获得 更广泛 更可靠的用途 ， 还 有待 于如 下几 方面 的发展 ， · 应发展 塑 料纤维 的 制清 目前国 内对于 光学塑 料及塑 料光导纤维 的发展还 是一个空 白 。 塑 料光 纤的最 大 优点是重 量轻 ， 不 易破碎 ， 易于加工 成形 ， 而且其质地柔 软易弯 曲程 度 是各种石英玻璃光 纤绝对比 不 了的 ， 如 一根 卜 的塑 料光纤弯成曲率半径为 。 时 也不 会断裂 ， 而一根 林 的玻璃纤维弯曲成 的 曲率半径 时 ， 就 断 了 里 。 此外 ， 塑 料光纤价格低廉还具有一定 的防放射性辐射 的 能力 。 事实可 以证 明 ， 应 用塑 料光纤于 自动 检测技 术 中 ， 会对 各种特 殊要求的加工 成形带来极 大 的 方 便 。 同时 ， 塑 料光纤与石英玻璃光纤 相 结 合 ， 可 以 获得价格低 廉易 于敷设 的 优 良光传 输线 。 应 发展 长 波长红外 光纤 的 制造 发展 长 波长低 损耗光纤 的研究 ， 不仅 有利于光通 讯 技术 中实现长距 离大容量传输 ， 而且在 自动 化检 测技术 中也是十分有利 的 ， 我们 以 测 温技术 为例说 明这 一问题 众所周知 ， 普 郎克公式为如 下形式 ‘ 一 入一 “ 万 一 一 其 中 、 久 ， 二 当 幻 》 黑体光谱 辐射通量 密度， 波长 ， 常数， 绝对温度 。 时可 以简 化为 ， 入 娜 入一 几 这 时 随 温 度 的 变 化率为 、 久 岛 人 久 赞州相最对大他 铡 与 二乘积 的关 系 ， 用 图 表示 ， 二 入 从图 分析可 以看 到光谱辐射通量 密度随 温 度的 变 化率 峰值所对应 之 入 。 如果 取 、 入 相对于 最大 变 化率 比值大 于 ， 则 入 乘 积应为 入 二 协 一 这 时如 果被测 温度为 ， 则红外测 温仪 表所选 取工作波段 的最佳范围应为 久 ， 协 认 卜 图

由上述分析可以得出结论，高温测量的工作波段应偏于较短波长的近红外区，低温测量 则应偏于较长波长的中红外区。因而，要想使光导纤维应用于低温测量，必须发展长波长光 纤。 当前，国内发展的光纤，只有短波长的使用价值，现以国内某光纤为例说明这一情况： (图16)由图16可以看出，衰耗小于3dB/km之波段范围为0.81.35(um)和1.45~1.75 (μm),因而只适于作2000k左右高温测量用，在长波长区域其衰耗之大已经没有使用价 值。 dB 0.5 0.60.81.0·1.21.41.6长μm 图16 发展长波长的红外光纤还有其他用途，笔者不再一一赘言。 总之，纤维光学的全面发展与应用，会对工业与自动化技术代来极为深远的影响。 参考文献 〔1)大越孝散，光学纤维基础，人民邮电出版社，1979 〔2)纤维光学编写组，纤维光学，国防工业出版社，1974 〔3)长尾和美，光学纤维，邮电532厂技术情报室译，1980 (4)W.B.Allen,Fibre optics Theory and practice London.plen- um,1973 〔5)R.D.Hudson.JR,红外系统原理，国防工业出版社，1975 〔6)郝天佑，自动化技术，5，(1980)，11 〔7)秦绍宗、刘广源，化工学报，2，(1980) (8)M.J,Ho wes,D.V.Morgan,Optical Fibra Com munications Jo HN WILFY&SoNs,1980 〔9)北京钢院自动化仪表教研室，自动检测技术，1979 (10)郝天佑，冶金自动化，6，(1981)，23 98

由上述 分析可 以得 出结论 ， 高温测 量 的工 作 波段应偏 于较短 波长的近红外 区 ， 低 温测里 则应偏 于较长 波长 的 中红外 区 。 因而 ， 要 想使 光导纤维应 用 于低温测 量 ， 必须发展长 波长光 纤 。 当前 ， 国 内发展 的光纤 ， 只有短 波长 的使用价值 ， 现 以 国 内某 光纤为例 说 明这一情 况 图 由图 一 可 以看 出 ， 衰 耗小于 之 波段 范围为 和 林 ， 因而只适 于作 左右高温测量 用 ， 在长 波长 区域其衰耗之大 巳经没有使用价 值 。 衰 胜 戈 … 洲。 ， 卜‘ 一 波长 林 图 发展 长 波长 的红外 光纤还 有其他用 途 ， 笔者 不再一一赞言 。 总之 ， 纤维 光学的全面发展 与应用 ， 会对工 业 与 自动 化技术代来 极为深远 的影 响 。 参 考 文 献 、 ‘ 沪气、胜、沪、 二， 矛、护、沙产‘卫 刀沪、尹月矛产‘、气 、 、工、子沪、胜 〔 〕 〕 大越孝敬 ， 光学纤维 基础 ， 人 民邮 电出版 社 ， 纤维 光学编写组 ， 纤维 光学 ， 国防工 业出版 社 ， 长尾 和 美 ， 光学纤维 ， 邮 电 厂技术情 报室译 ， ， ， ， 红外 系统原理 ， 国防工业 出版社 ， 郝天佑 ， 自动 化技术 ， ， ， 秦绍宗 、 刘广 源 ， 化工学报 ， ， ， ， ， ， 北京钢 院 自动 化仪 表教研室 ， 自动检测技术 ， 郝天佑 ， 冶金 自动 化 ， ，