光纤传感器技术特点及其原理

一、光纤的结构与类型及其传光原理

1.光纤的结构与类型

        光纤(OpticFiber)是光导纤维的简称,它能够将进入光纤一端的光线传送到光纤的另一端。光纤是一种多层介质结构的对称柱体光学纤维,它一般由纤芯、包层、涂覆层与护套层构成,如图5-1所示。

图5-1     光纤结构示意图
       纤芯与包层是光纤的主体,对光波的传播起着决定性作用。纤芯多为石英玻璃,直径一般为5〜75μm,材料主体为二氧化硅,其中掺杂其他微量元素,以提高纤芯的折射率。包层直径很小,一般为100〜200μm,其材料主体也为二氧化硅,但折射率略低于纤芯。涂覆层的材料一般为硅酮或丙烯酸盐,主要用于隔离杂光。护套的材料一般为尼龙或其他有机材料,用于提高光纤的机械强度,保护光纤。一般,没有涂覆层和护套的光纤,则称为裸纤。
        光纤的种类很多,从不同的角度出发,有不同的分类。一般,有以下四种分类。 
       (1)按光纤材料可分七种:石英系光纤、多组分玻璃光纤、氟化物光纤、塑料光纤、液芯光纤、晶体光纤、红外材料光纤。
       (2)按光纤横截面上折射率的分布可分二类:阶跃型(突变型)光纤、梯度型(自聚焦或渐变型)光纤。
阶跃光纤及其纤芯折射率径向分布如图5-2(a)所示,在纤芯和包层两种介质内部,折射率均匀分布,即加、均为常数,因此在纤芯与包层的分界处折射率产生阶跃变化。梯度光纤的纤芯折射率沿径向呈非线性规律递减,故亦称渐变折射率光纤。图5-2(b)为一种常见的梯度光纤及其折射率径向分布。
图5-2    光纤纤芯折射率径向分布示意图
       (3)按传输模式多少可分二类:单模光纤与多模光纤,其示意图如图5-3所示。光纤中传播的模式就是光纤中存在的电磁场场形或者光场场形(HE)。其各种场形,都是光波导中经过多次的反射和干涉的结果,而各种模式是离散的。由于驻波才能在光纤中稳定的存在,它的存在反映在光纤横截面上就是各种形状的光场,即各种光斑。如果是一个光斑,我们称这种光纤为单模光纤(SingleMode),它只传输主模,也就是说光线只沿光纤的内芯进行传输。由于单模光纤完全避免了模式色散,从而使得它的传输频带很宽,因而适用于大容量、长距离的光纤通信。一般,单模光纤使用的光波长为1310nm或1550nm0图5-3所示的单模光纤光线轨迹图。

图5-3单模与多模guangqian光纤示意图
若为两个以上光斑,我们称它为多模光纤(MultiMode),即它有多个模式在光纤中传输。由于色散或像差的关系,这种光纤的传输性能较差,频带比较窄,传输容量也比较小,所以传输距离比较短。如图5-3所示的多模光纤光线轨迹图。
       (4)按光纤工作波长可分三种:0.8〜0.9呻的短波长光纤、1-1.7gm的长波长光纤、2gm以上的超长波长光纤。
       由于光纤的材料与制造工艺的不同,使光在光纤中传输时会有一定的衰减,其衰减量一般用dB/km表示。而不同波长的光,在光纤中传播时造成的衰减是不一样的。光波长与传输损耗的关系如图5-4所示,由图可知,在以纳米(nm)表示波长的一些特定点上,其光的衰减最小。因此,光纤通信中常用的光波长,一般选用使光衰减量最小的850nm、1300nm及1550nm等波长。
图5-4  光波波长与传输损耗的关系

2.光纤的传光原理

       对于阶跃光纤,由于纤芯与包层的折射率均为常数,因此光在光纤内的传播途径为折线,如图5-5所示。
图5-5光在光纤内的传播
假设纤芯的折射率为n1,包层的折射率为n2,由折射定律可知,在纤芯与包层分界处,入射角θ1与折射角θ2存在如下关系
       由于纤芯折射率大于包层折射率,即n1>n2,因此折射角大于入射角,即θ2>θ1.随着入射角θ1的增大,折射θ2随之增大。当折射角θ2=90°时,折射消失,入射光线全部被反射,从而发生全反射。根据折射定律,满足全反射条件的最小入射角θc为
sinθc=n2/n1
当入射角θ1>θc时,光线不再进入包层,而是在光纤内不断反射并向前传播,直至从光纤的另一端射出,这就是光纤的传光原理。
由图6-5可知,光线从外界介质(如空气的折射率为n0)射入纤芯后,能够实现全反射的最大入射角θ0应满足
式中,nosinθo称为数值孔径,用NA表示:与之对应的最大入射角θo,则称为张角。
       数值孔径NA是衡量光纤集光性能的主要参数。其表征的含义在于,无论光源发射的功率多大,只有入射角处于张角θo内的光线才能被光纤接收,并在光纤内部连续发生全反射,最终传播到光纤另一端。数值孔径NA越大,表示光纤的集光能力越强。产品光纤通常不给出折射率,而只给出数值孔径NA。例如,石英光纤的数值孔径为NA=0.2〜0.4,其对应的张角为11.5°〜23.6°。
       由于光纤具有一定的柔韧性,实际工作时光纤有可能弯曲,从而使光线转弯。但是,只要仍然满足全反射条件,光线仍然能够继续前进,并到达光纤的另一端。
       由上可知,光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。一般,纤芯和包层的相对折射率差△n=(n1-n2)/n1的典型值为:单模光纤为0.3%〜0.6%,多模光纤为1%〜2%。△n越大,将光能量束缚在纤芯的能力越强,但信息传输容量却越小。

二、光纤传感器的结构与类型

       一般,光纤传感系统包含对外界被测信号的感知和传输两种功能。所谓感知功能,是指被测信息的变化,使得光纤中传输的光波的物理特征参量(如光强、波长、相位、频率及偏振态 等)发生变化,因此可以通过测量光参量的变化,来感知外界被测信号的变化,这个过程,相当于被测信息对光纤中传播的光波,实施调制。所谓传输功能,是指将外界的被测信息调制过的光波,通过光纤传输到光电探测器进行检测,将被测信息从光波中提取出来,并进行相应的数据处理,这个过程相当于对光波进行解调。因此,光纤传感技术实际上包括调制和解调两方面的内容,并且以调制为主。
       目前,光纤传感器己广泛应用于工业生产、医疗卫生、航空航天等许多领域,并可实现多种参数的测量,如测量位移、液位、震动、压力、应变、速度、加速度、电流、电压、磁场、 温度、湿度、化学物质等。

1. 光纤传感器的结构

        基于光纤技术构成的传感器统称为光纤传感器。光纤传感器的一般结构如图5-6所示,由图可知,光纤传感器主要由光源、光纤、敏感元件、光电探测器和信号处理系统等部分组成, 由光源发出的光通过传输光纤到达敏感元件(传感头),光的某一性质在此受被测量调制,已调制的光信号经光电探测器转变为电信号,最后经信号处理系统得到被测量。

图5-6   光纤传感器结构

2. 光纤传感器的类型

根据光纤在传感器中所起的作用,以及被测信息对光波参量的调制与光纤的关系,可以将光纤传感器大致分为功能型与非功能型两大类。
       (1) 功能型光纤传感器(Functional Fiber; FF)。功能型光纤传感器(FF)是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器,对于功能型光纤传感器,光纤同时起到信号感知和信号传输两种作用,此时光纤既是敏感元件,又是传输元件。
       这类传感器的优点是结构紧凑、灵敏度高,但是需要特殊光纤和先进的检测技术,因此成本较高。
       (2) 非功能型光纤传感器(Non Functional Fiber, NFF)。非功能型光纤传感器(NFF)中 的光纤仅仅起传输光的作用,也称为传光型光纤传感器。对于非功能型光纤传感器,光纤仅仅传输元件,因此必须在光纤的一端或中间加装其他敏感元件才能构成传感器。这样,只有光照在其敏感元件上才会受被测量的调制。
       这类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术,因此比较容易实现且成本较低,但灵敏度 也比较低,适用于对灵敏度要求不高的场合。目前,己实用化或尚在研制的光纤传感器大都是这种非功能型的。
       一般,NFF型传感器的制作和应用比较容易,因而目前NFF型传感器种类较多,其应用多于FF型传感器。但FF型传感器的构思和原理往往比较巧妙,可解决一些棘手的问题,在有些领域和场合是NFF型传感器所不能替代的。
       对于传光型光纤传感器,通常要求其所能传输的光量越多越好,因此传光型光纤传感器主 要由多模光纤构成;而功能型光纤传感器,主要靠被测对象调制和改变光纤的传输特性来实现 信号检测,所以功能性光纤传感器一般由单模光纤构成。
      最后值得指出的是,有的还将用光纤作为探头的光纤传感器,称为拾光型光纤传感器,它接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。 

三、光纤传感技术中的调制技术

1. 光纤传感技术的特点

由上述可知,基于光纤技术构成的传感器统称为光纤传感器。它与传统的传感技术相比, 光纤传感技术有许多突出的优点。
(1) 由于光纤传输的是光,且光易于屏蔽,外界的干扰光很难进入光纤内部,并且,其电绝缘性能好,表面耐压可达4 kV,且不受周围电磁场的干扰,因此光纤传感具有极强的抗干扰能力。
(2) 由于光纤传感系统是基于各种光学和光电效应而工作的,因此具有灵敏度高、响应快、 传输性好,且在一些特殊场合具有不可替代的作用。
(3) 由于光纤主要由各种绝缘材料构成,因而耐腐蚀,工作可靠,使用安全,适于易燃易爆场合,适于长期使用。
(4) 由于光纤体积小,直径小,一般只有几μm到几百μm,且有柔韧性,因而使用及放置方便,如可以深入机器内部或动植物体内等常规传感器不易达到的部位进行检测。
(5) 光纤传感传输频带宽,其带宽与距离之积可达30MHz km~10GHz km。
(6) 由于光纤传感器集信号敏感与信号传输于一体,因而利用它很容易构成分布式测量系统等。
由于光纤传感系统有很多突出的优点,因此发展极快,目前己广泛应用于工业生产、医疗 卫生、航空航天等许多领域,并可实现如位移、液位、振动、压力、应变、速度、加速度、电 流、电压、磁场、温度、湿度、化学物质等多种参数的测量。

2. 光纤传感技术中的调制技术

       一般,研究光纤传感的原理,实际上就是研究光波与外界被测参量的相互作用,即光波被外界参数调制的原理。外界信号可能引起光的强度、波长(颜色)、频率、相位、偏振态等性质发生变化,从而形成不同的调制方法。根据调制手段的不同,分别有强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制等技术的不同的工作原理。

       (1) 强度调制技术

强度调制是利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收率或反射率等参数的变化,从而导致光强度变化,最终实现测量。常用的强度调制方法有:利用光纤的微弯损耗效应,物质的吸收特性,振动膜或液晶的反射光强度的变化特性,物质因各种粒子射线或化学与机械的激励而发光的现象,以及物质的荧光辐射或光路的遮断效应等,最终可以构成压力、振动、温度、位移、气体等参量的光纤传感器和测量系统。其优点是结构简单、容易实现、成本低:缺点是受光源强度的波动和连接器损耗变化等因素的影响较大。

       (2) 偏振调制技术

偏振调制就是利用光的偏振态的变化来传递被测对象的信息。常见的偏振调制有:利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应制成的电流、磁场传感器:利用光在电场中的压电晶体内传播的电光效应制成的电场、电压传感器;利用物质的光弹效应构成的压力、 振动或声传感器:以及利用光纤的双折射率特性构成的温度、压力、振动等传感器。这类传感 器可以避免光源强度变化的影响,因此灵敏度高。

       (3) 频率调制技术

频率调制就是利用被测对象引起光波频率的变化来进行的检测。常见的频率调制有:利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应构成的速度、流速、振动、压力、 加速度传感器;利用物质受强光照射时的喇曼散射效应构成的测量气体浓度传感器,或检测大 气污染的气体传感器;以及利用热致发光效应的温度传感器等。

     (4)相位调制技术

相位调制是利用被测对象对敏感元件的作用,使敏感元件的折射率或传播常数发生变化,而导致光的相位变化,然后利用干涉仪来检测这种相位的变化,最终得到被测对象的信息。通常的相位调制方法有:利用光弹效应构成声、压力或振动传感器;利用磁致伸缩效应构成电流、磁场传感器;利用电致伸缩效应构成电场、电压传感器;以及利用萨格纳克效应构成旋转角速度传感器(即光纤陀螺)等。这类传感器具有很高的相位调制灵敏度, 形式灵活多样,适用于不同的测试环境,可实现电磁测量、声测量、微量蒸气元素测量及压力、 温度等多种物理量的测量。但需要保偏光纤才能获得好的干涉效果,因而成本高。

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