《新兴传感器》第5章 新型传感器

第5章新型传感器 51光纤传感器 光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之一,它与激光 器、半导体探测器一起构成了新的光学技术,创造了光电子学 的新天地(领域)。光纤的出现产生了光纤通信技术,特别是光 纤在有线通信广的优势越来越突出,它为人类21世纪的通信基 础 信息髙速公路奠定了基础,为多媒体(符号、数字、语 音、图形和动态图像通信提供了实现的必需条件。由于光纤只 有许多新的特性,所以不仅在通信方面,而且在其他方面也提 出了许多新的应用方法。例如,把待测量与光纤内的导光联系 起来就形成光纤传感器。光纤传感器始于1977年,经过20余年 的研究,光纤传感器取得了十分重要的进展,目前正进入研究 和实用并存的阶段。它对军事、航天航空技术和生命科学等的 发展起着十分重要的作用。随着新兴学科的交叉渗透,它将会 出现更广阔的应用前景

第 5 章 新型传感器 5.1 光纤传感器 光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光 器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学 的新天地(领域)。光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光 纤在有线通信广的优势越来越突出，它为人类21世纪的通信基 础一——信息高速公路奠定了基础，为多媒体(符号、数字、语 音、图形和动态图像)通信提供了实现的必需条件。由于光纤只 有许多新的特性，所以不仅在通信方面，而且在其他方面也提 出了许多新的应用方法。例如，把待测量与光纤内的导光联系 起来就形成光纤传感器。光纤传感器始于1977年，经过20余年 的研究，光纤传感器取得了十分重要的进展，目前正进入研究 和实用并存的阶段。它对军事、航天航空技术和生命科学等的 发展起着十分重要的作用。随着新兴学科的交叉渗透，它将会 出现更广阔的应用前景

光纤结构和传光原理 光纤结构十分简单,它是一种多层介质结构的圆柱体,圆柱体由纤 芯、包层和护层组成。 纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料,制成根细的圆柱体,其直径在 5~75mm内。有时在主体材料中掺人极微量的其他材料如二氧化锗或五 氧化二磷等,以便提高的折射率。围绕纤芯的是一层圆柱形套层(包层) 包层可以是单层,也可以是多层结构,层数取决于光纤的应用场所,但 总直径控制在100~200μm范围内。包层材料一船为SO2,也有的掺人极 微量的三氧化二硼或四氧化硅。与纤芯掺杂的目的不同,包层掺杂的目 的是为了降低其对光的折射率。包层外面还更涂一些涂料,其作用是保 护光纤不受外来的损害,增加光纤的机械强度。光纤最外层是一层塑料 保护管,其颜色用以区分光缆中各种不同的光纤。光缆是内多 根光纤组成。并在光纤间填入阻 玻璃纤维 尼龙外层 水油膏以此保证光缆传光性能。 光缆主要用于光纤通信。我们知 包层 道,光纤是利用光的内全反射规0=m】 律,将入射光传递到另一端的。 外层直径mm 它的具体结构和传光原理已在 纤芯 《光纤通信基础》课程中作过详 涂败层 细介绍,本课程不再重复 光纤结构

一、光纤结构和传光原理 光纤结构十分简单，它是一种多层介质结构的圆柱体，圆柱体由纤 芯、包层和护层组成。 纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料，制成根细的圆柱体，其直径在 5～75μm内。有时在主体材料中掺人极微量的其他材料如二氧化锗或五 氧化二磷等，以便提高的折射率。围绕纤芯的是一层圆柱形套层(包层)， 包层可以是单层，也可以是多层结构，层数取决于光纤的应用场所，但 总直径控制在100～200μm范围内。包层材料一船为SiO2，也有的掺人极 微量的三氧化二硼或四氧化硅。与纤芯掺杂的目的不同，包层掺杂的目 的是为了降低其对光的折射率。包层外面还更涂一些涂料，其作用是保 护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。光纤最外层是一层塑料 保护管，其颜色用以区分光缆中各种不同的光纤。光缆是内多 根光纤组成。并在光纤间填入阻 水油膏以此保证光缆传光性能。 光缆主要用于光纤通信。我们知 道，光纤是利用光的内全反射规 律，将入射光传递到另一端的。 它的具体结构和传光原理已在 《光纤通信基础》课程中作过详 细介绍，本课程不再重复

光纤分类 根据光纤的折射率、光纤材料、传输模式、光纤用途和制造工艺,有 如下几种分类方法 1.阶跃型和梯度型光纤 根据光纤的折射率分布函数,普通光纤可分为阶跃型和梯区型两类 阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的,即纤芯内的折射率分 布大体上是均匀的,包层内的折射率分布也大体均匀,均可视为常数, 但是纤芯和包层的折射率不同,在界面上发生突变,如下图(a)所示。光 线的传播,依靠光在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。 梯度光纤纤芯内的折射率不是常量,而是从中心轴线开始沿径向大 致按抛物线形状递 减,中心轴折射率 最大。因此,光纤 在纤芯中传播时会 自动地从折射率小 的界面向中心会聚, 光纤传播的轨迹类 似正弦波形。梯度 光纤又称为自聚焦 (a)阶跃型 )梯度型 光纤。 两种折射率分布曲线

二、光纤分类 根据光纤的折射率、光纤材料、传输模式、光纤用途和制造工艺，有 如下几种分类方法： 1．阶跃型和梯度型光纤 根据光纤的折射率分布函数，普通光纤可分为阶跃型和梯区型两类。 阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，即纤芯内的折射率分 布大体上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数， 但是纤芯和包层的折射率不同，在界面上发生突变，如下图 (a)所示。光 线的传播，依靠光在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。 梯度光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大 致按抛物线形状递 减，中心轴折射率 最大。因此，光纤 在纤芯中传播时会 自动地从折射率小 的界面向中心会聚， 光纤传播的轨迹类 似正弦波形。梯度 光纤又称为自聚焦 光纤

2.按材料分类 1)高纯度石英(SiO2)玻璃纤维。 这种材料的光损耗比较小,在波长λ=1.2μm时、最低损耗约为 0.47dB/km。 (2)多组分玻璃光纤 用常规玻璃制成,损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤,在波长λ 0.84μm时,最低损耗为34dB/km (3)塑料光纤。 用人工合成导光塑料制成,其损耗较大。当λ=0.63m时,损耗高达 100~200dB/km;但重量轻,成本低,柔软性好,适用于短距离导光。 3.按传榆模数分类 (1)单模光纤 单模光纤纤芯直径仅有几微米,接近光的波长。单模光纤通常是指跃变 光纤中,内芯尺寸很小,光纤传输模数很少,原则上只能传送一种模数的光 纤,常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好、频带很宽,具有较好的线性 度;但因内芯尺寸小,难以制造和耦合 (2)多模光纤。 多模光纤纤芯直径约为50um,纤芯直径远大于光的波长。通常是指跃 变光纤中,内芯尺寸较大,传输模数很多的光纤。这类光纤性能较差,带宽 较窄;但由于芯子的截面积大,容易制造、连接耦合比较方便,也得到了广 泛应用

2．按材料分类 (1) 高纯度石英(SiO2 )玻璃纤维。 这种材料的光损耗比较小 ， 在波长 λ＝ 1.2μm时 、 最低损耗约为 0.47dB/km。 (2) 多组分玻璃光纤 用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长λ＝ 0.84μm时，最低损耗为3.4dB/km。 (3) 塑料光纤。 用人工合成导光塑料制成，其损耗较大。当λ＝0.63μm时，损耗高达 100～200 dB/km；但重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。 3．按传榆模数分类 (1)单模光纤 单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近光的波长。单模光纤通常是指跃变 光纤中，内芯尺寸很小，光纤传输模数很少，原则上只能传送一种模数的光 纤，常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好、频带很宽，具有较好的线性 度；但因内芯尺寸小，难以制造和耦合。 (2)多模光纤。 多模光纤纤芯直径约为50μm，纤芯直径远大于光的波长。通常是指跃 变光纤中，内芯尺寸较大，传输模数很多的光纤。这类光纤性能较差，带宽 较窄；但由于芯子的截面积大，容易制造、连接耦合比较方便，也得到了广 泛应用

4.按用途分类 (1)通信光纤 用于光通信系统,实际使用中大多使用光缆(多根光纤组成的线 缆),是光通信的主要传光介质。 (2)非通信光纤 这类光纤有低双折射光纤、高双折射光纤、涂层光纤、液芯光纤和 多模梯度光纤等几类。 四、光纤传感器基本工作原即及类型 1.光纤传感器基本工作原理 光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器,使 待测参数与输入调制区的光相互作用后,导致光的某些特性(如光的强 度、波长、频率、相 训划髻 位、偏振态等)发生变光浙 入射光纤 出射光纤 输出 化,成为被调制的信 号光,再经过光纤送 入光探测器,经解调 光谐 多誉动 度遮 角态 器解调后获得被测参 化学、党光、 光2粒于 光 射究等 最动 数 传光型光纤传感器

4．按用途分类 (1)通信光纤。 用于光通信系统，实际使用中大多使用光缆（多根光纤组成的线 缆），是光通信的主要传光介质。 (2)非通信光纤。 这类光纤有低双折射光纤、高双折射光纤、涂层光纤、液芯光纤和 多模梯度光纤等几类。 四、光纤传感器基本工作原即及类型 1．光纤传感器基本工作原理 光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使 待测参数与输入调制区的光相互作用后，导致光的某些特性(如光的强 度、波长、频率、相 位、偏振态等)发生变 化，成为被调制的信 号光，再经过光纤送 入光探测器，经解调 器解调后获得被测参 数

光纤传感器的类型 光纤传感器按其传感器原理分为两大类:一类是传光型,也称为非 功能型光纤传感器;另一类是传感型,或称为功能型光纤传感器。前者 多数使用多模光纤,后者常使用单模光纤。 在传光型光纤传感器中,光纤仅作为传播光的介质,对外界信息的 “感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续 的,其间有中断,中断的部分要接上其他介质的敏感元件。调制器可能是 光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。光纤在传感器中仅起传光作用 传光型光纤传感器主要利用已有的其他敏感材料,作为其敏感元件 这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。传 光介质是光纤 训划暑 所以来用通信光光 ※ 入射光纤 出射光奸 输出 纤甚至普通的多 模光纤就能满足 要求 光诺 多普动 传光型光纤传 化学党光、 光_魈予 光 光 光 感器占据了光纤 射乳等 运动 传感器的绝大多 数 传光型光纤传感器

2．光纤传感器的类型 光纤传感器按其传感器原理分为两大类：一类是传光型，也称为非 功能型光纤传感器；另一类是传感型，或称为功能型光纤传感器。前者 多数使用多模光纤，后者常使用单模光纤。 在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的 “感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续 的,其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件。调制器可能是 光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。光纤在传感器中仅起传光作用。 传光型光纤传感器主要利用已有的其他敏感材料，作为其敏感元件， 这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。传 光介质是光纤， 所以来用通信光 纤甚至普通的多 模光纤就能满足 要求。 传光型光纤传 感器占据了光纤 传感器的绝大多 数

传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光 纤(或特殊光纤)作传感元件,将“传”和“感”合为一体的传感器。在 这类传感器中,光纤不仅起传光的作用,同时利用光纤在外界因素(弯曲 相变)的作用下,使其某些光学特性发生变化,对输入的光产生某种调制 作用,使在光纤内传输的光的强度、相位、偏振态等特性发生变化,从 而实现传和感的功能。因此,传感器中的光纤是连续的。 传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单,传感型光纤 传感器的光纤是连续的,可以少用一些光耦合器件。但是,为了光纤能 接受外界物理量的变化,往往需要采用特殊光纤来作探头,这样就增加 了传感器制造 调制器 的难度。随着此愿 入射光纤 出射光纤 ~>→输出 对光纤传感器 基本原理的深 入研究和各种 持殊光纤的大 微奇曲 相位变化 偏据态 量问世,高灵 敏度的功能型 B 光纤传感器必 将得到更广泛 的应用。 传感型光纤传感器

传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光 纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。在 这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，同时利用光纤在外界因素(弯曲、 相变)的作用下，使其某些光学特性发生变化，对输入的光产生某种调制 作用，使在光纤内传输的光的强度、相位、偏振态等特性发生变化，从 而实现传和感的功能。因此，传感器中的光纤是连续的。 传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单，传感型光纤 传感器的光纤是连续的，可以少用一些光耦合器件。但是，为了光纤能 接受外界物理量的变化，往往需要采用特殊光纤来作探头，这样就增加 了传感器制造 的难度。随着 对光纤传感器 基本原理的深 入研究和各种 持殊光纤的大 量问世，高灵 敏度的功能型 光纤传感器必 将得到更广泛 的应用

3.光纤传感器的特点 光纤传感器有以下三大特点,因而得到广泛的应用 (1)光纤传感器具有优良的传光性能,传光损耗小。 (2)光纤传感器频带宽,可进行超高速测量,灵敏度和线性度好。 (3)光纤传感器体积很小,重量轻,能在恶劣环境下进行非接触式 非破坏性以及远距离测量。 五、光纤传感器的调制器原理 光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应,实现对外界被 测参数的“传”和“感”的功能。从图124和图125可知,光纤传感器 的核心就是光被外界输入参数的调制。研究光纤传感器的调制器,就是 研究光在调制区与外界被测参数的相互作用。外界信号可能引起光的某 些特性(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)变化,从而构成强度 波长、频率、相位和偏振态等调制。下面将分别介绍几种常用的调制原 理

3．光纤传感器的特点 光纤传感器有以下三大特点，因而得到广泛的应用。 (1)光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗小。 (2)光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。 (3)光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、 非破坏性以及远距离测量。 五、光纤传感器的调制器原理 光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应，实现对外界被 测参数的“传”和“感”的功能。从图12-4和图12-5可知，光纤传感器 的核心就是光被外界输入参数的调制。研究光纤传感器的调制器，就是 研究光在调制区与外界被测参数的相互作用。外界信号可能引起光的某 些特性(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)变化，从而构成强度、 波长、频率、相位和偏振态等调制。下面将分别介绍几种常用的调制原 理

1.强度调制 利用被测量的作用改变光纤中光的强度,再通过光强的变化来测量 被测量,称为强度调制。其原理如图12-6所示。 恒定光源的光波Ⅰn注入调制区,在外力场强Is的作用下,输 出光波的强度被Is所调制,载有外力场信息的出射光our的包络线与l 形状相同,光(强度)探测器的输出电流L(或电压)也反映出了作用力 场。同理,可以利用其他各种对光强的调制方式,如光纤位移、光栅、 反射式、微弯、模斑、斑图、辐射等来调制入射光,从而形成相应的调 制器。强度调制 是光纤传感器使 用最早的调制方光源 本 信号 法,其特点是技 入射光I D探测器 术简单可靠、价 强度调制 格低廉。可采用 多模光纤,光纤 的连接器和耦合 强度调制息理 器均已商品化。光源可采用LED和白炽灯等非相干光源,探测器一般用 光电二极管、三极管和光电池等

1．强度调制 利用被测量的作用改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量 被测量，称为强度调制。其原理如图12-6所示。 当一恒定光源的光波I IN注入调制区，在外力场强Is的作用下，输 出光波的强度被Is所调制，载有外力场信息的出射光 IOUT 的包络线与Is 形状相同，光（强度）探测器的输出电流ID (或电压)也反映出了作用力 场。同理，可以利用其他各种对光强的调制方式，如光纤位移、光栅、 反射式、微弯、模斑、斑图、辐射等来调制入射光，从而形成相应的调 制器。强度调制 是光纤传感器使 用最早的调制方 法，其特点是技 术简单可靠、价 格低廉。可采用 多模光纤，光纤 的连接器和耦合 器均已商品化。光源可采用LED和白炽灯等非相干光源，探测器一般用 光电二极管、三极管和光电池等

1)微小的线性位移和角位移调制方法 这种调制方法使用两根光纤,一根为光的入射光纤,另一根为光被 调制后的出射光纤,如下图所示。两根光纤的间距为2~3m,端面为平 面,两者对置。通常入射光纤固定,外界作用(如压力、张力等)使得 出射光纤作横向或纵向位移或转动,于是出射光纤输出的光强被其位移 所调制。 若入射和出射光纤均采用相同性能的单模光纤,径向位移d与功率 耦合系数T之间存在下列关系: T=C 0 式中S为光纤 横向 纵向 中的光斑尺寸; T和d的关系为s 高斯型曲线。O s○ △D 这种调制方法 角度 差动 可以测量10um 以内的位移量。 光强小位移调制

(1)微小的线性位移和角位移调制方法 这种调制方法使用两根光纤，一根为光的入射光纤，另一根为光被 调制后的出射光纤，如下图所示。两根光纤的间距为2～3μm，端面为平 面，两者对置。通常入射光纤固定，外界作用（如压力、张力等）使得 出射光纤作横向或纵向位移或转动，于是出射光纤输出的光强被其位移 所调制。 若入射和出射光纤均采用相同性能的单模光纤，径向位移 d 与功率 耦合系数 T 之间存在下列关系： 2 0 2 S d T = c 式中S0为光纤 中的光斑尺寸； T和d的关系为 高斯型曲线。 这种调制方法 可以测量10μm 以内的位移量