《傳感器原理及應(yīng)用技術(shù)》課件第6章

第6章光纖傳感器6.1基礎(chǔ)知識

6.2光纖傳感器的分類及構(gòu)成

6.3功能型光纖傳感器舉例

6.4非功能型光纖傳感器舉例

思考題與習(xí)題

6.1基礎(chǔ)知識

6.1.1光纖的結(jié)構(gòu)

光纖的結(jié)構(gòu)很簡單，通常由纖芯、包層及外套組成(如圖6.1所示)。纖芯位于光纖的中心部位，它是由玻璃、石英或塑料等制成的圓柱體，一般直徑約為5～150μm。光主要通過纖芯傳輸。圍繞著纖芯的那一層叫包層，材料也是玻璃或塑料等。纖芯和外層材料的折射率不同，纖芯的折射率n1稍大于包層的折射率n2。由于纖芯和包層構(gòu)成了一個同心圓雙層結(jié)構(gòu)，所以光纖具有使光功率封閉在里面?zhèn)鬏數(shù)墓δ?。外套起保護(hù)光纖的作用。通常人們又把較長的或多股的光纖稱為光纜。圖6.1由纖芯、包層及外套組成的光纖的結(jié)構(gòu)示意圖6.1.2光纖的種類

根據(jù)纖芯到包層的折射率的變化規(guī)律，光纖可分為階躍型和梯度型兩種。

階躍型光纖如圖6.2(a)所示。纖芯的折射率n1分布均勻，固定不變，包層內(nèi)的折射率n2分布也大體均勻，但纖芯到包層的折射率變化呈臺階狀。在纖芯內(nèi)，中心光線沿光纖軸線傳播，通過軸線的子午光線(光的射線永遠(yuǎn)在一個平面內(nèi)運(yùn)動，這種光線稱為子午光線)呈鋸齒形軌跡。梯度型光纖纖芯內(nèi)的折射率不是常數(shù)，從中心軸線開始沿徑向大致按拋物線規(guī)律變化，中心軸處的折射率最大，因此，光在傳播中會自動地從折射率小的界面處向中心會聚。光線傳播的軌跡類似于正弦波曲線。這種光纖又稱為自聚焦光纖。圖6.2(b)示出了經(jīng)過軸線的子午光線傳播的軌跡。

根據(jù)光纖的傳輸模式分類，可以把光纖分為多模光纖和單模光纖兩類。階躍型和梯度型為多模光纖，而圖6.2(c)所示的為單模光纖。圖6.2光纖的種類和光傳播形式6.1.3光纖的傳光原理

討論光纖的傳光原理，首先要從光線在分層媒質(zhì)中的傳播開始，由此引出光的全反射概念。我們知道，在幾何光學(xué)中當(dāng)光線以較小的入射角φ1(φ1＜φc,φc為臨界角)由光密媒質(zhì)(折射率為n1)射入光疏媒質(zhì)(折射率為n2)時(如圖6.3(a)所示)，折射角φ2滿足Snell法則：

n1sinφ1=n2sinφ2 (6.1)

根據(jù)能量守恒定律，反射光與折射光的能量之和等于入射光的能量。若逐漸加大入射角φ1，一直到φc，則折射光就會沿著分層媒質(zhì)的交界面?zhèn)鞑ィ凵浣铅?=90°，如圖6.3(b)所示。此時的入射角φ1=φc，于是式(6.1)可寫為

臨界角φc可由式(6.2)決定。

若繼續(xù)加大入射角φ1(即φ1＞φc)，則光不再產(chǎn)生折射，而只有光密媒質(zhì)中的反射，即形成了光的全反射現(xiàn)象，如圖6.3(c)所示。因為φ1＞φc，在0°～90°，有sinφ1＞sinφc，所以(6.3)(6.2)圖6.3光線入射角小于、等于和大于臨界角時界面上發(fā)生的反射光的全反射現(xiàn)象是光纖傳光原理的基礎(chǔ)。下面我們以階躍型多模光纖為例，進(jìn)一步說明光纖的傳光原理。

階躍型多模光纖的基本結(jié)構(gòu)如圖6.4所示。圖6.4階躍型多模光纖中子午光線的傳播圖6.4(a)中，設(shè)光線在A點入射，根據(jù)Snell法則，有

n0sinθ0=n1sinθ1=n1cosφ1 (6.4)

要使入射光線在界面發(fā)生全反射，應(yīng)滿足式(6.3)：

由三角函數(shù)公式 ，有

將式(6.5)代入式(6.4)可得(6.5)(6.6)這就是能產(chǎn)生全反射的最大入射角范圍。入射角的最大值θc可由式(6.6)求出,即

若仿照研究透鏡那樣,引入光纖的數(shù)值孔徑NA這個概念,則(6.8)(6.7)

NA是光纖的一個基本參數(shù)，它決定了能被傳播的光束的半孔徑角的最大值θc，反映了光纖的集光能力。可以證明，當(dāng)NA≤1時，集光能力與NA的平方成正比；當(dāng)NA≥1時，集光能力達(dá)到最大。從式(6.8)可以看出，纖芯與包層的折射率差值越大，數(shù)值孔徑就越大，光纖的集光能力就越強(qiáng)。產(chǎn)品光纖通常不給出折射率，而只給出NA。石英光纖的NA=0.2～0.4。

上面我們在討論光纖的傳光原理時，忽略了光在傳播過程中的各種損耗。實際上入射于光纖中的光，由于存在著費(fèi)涅耳反射損耗、光吸收損耗、全反射損耗以及彎曲損耗等，其中一部分在途中就損失了，因此，光纖不可能百分之百地將入射光的能量傳播出去。6.1.4光纖的特性

1.損耗

設(shè)光纖入射端與出射端的光功率分別為Pi和Po，光纖長度為L(單位為km)，則光纖的損耗a(單位為dB／km)可以用下式計算：

光纖損耗可歸結(jié)為吸收損耗和散射損耗兩類。物質(zhì)的吸收作用將使傳輸?shù)墓饽茏兂蔁崮?，造成光能的損失。光纖對于不同波長光的吸收率不同，石英光纖材料SiO2對光的吸收發(fā)生在波長0.16μm附近和8～12μm的范圍內(nèi)。散射損耗是由于光纖材料中折射率不均勻或其幾何尺寸的缺陷引起的。例如，瑞利散射就是由于材料的缺陷引起折射率隨機(jī)性變化所致。瑞利散射按1／λ4變化，因此它隨波長的減小而急劇增加。

光纖的彎曲也會造成散射損耗。這是由于光纖邊界條件的變化，使光在光纖中無法進(jìn)行全反射傳輸所致。光纖的彎曲半徑越小，造成的散射損耗越大。

2.色散

光纖的色散是表征光纖傳輸特性的一個重要參數(shù)。特別是在光纖通信中，它反映傳輸帶寬，關(guān)系到通信信息的容量和質(zhì)量。在光纖傳感器的某些應(yīng)用場合，有時也需要考慮信號傳輸?shù)氖д鎲栴}。

所謂光纖的色散，就是輸入脈沖在光纖傳輸過程中，由于光波的群速度不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象。光纖色散使傳輸?shù)男盘柮}沖發(fā)生畸變，從而限制了光纖的傳輸帶寬。光纖色散有以下幾種。

(1)材料色散。材料的折射率隨光波長λ的變化而變化,使光信號中各波長分量的光的群速度vg不同而引起的色散稱為材料色散(又稱為折射率色散)。

(2)波導(dǎo)色散。由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不同，某一波導(dǎo)模式的傳播常數(shù)β隨著信號角頻率ω變化而引起的色散稱為波導(dǎo)色散(有時也稱為結(jié)構(gòu)色散)。

(3)多模色散。在多模光纖中，由于各個模式在同一角頻率ω下的傳播常數(shù)不同、群速度不同而產(chǎn)生的色散稱為多模色散。

采用單色光源(如激光器)可有效地減小材料色散的影響。多模色散是階躍型多模光纖中脈沖展寬的主要根源。多模色散在梯度型光纖中大為減少，因為在這種光纖中不同模式的傳播時間幾乎彼此相等。在單模光纖中起主要作用的是材料色散和波導(dǎo)色散。

3.容量

輸入光纖的可能是強(qiáng)度連續(xù)變化的光束，也可能是一組光脈沖，由于存在光纖色散現(xiàn)象，因此會使脈沖展寬，造成信號畸變，從而限制了光纖的信息容量和品質(zhì)。

光脈沖的展寬程度可以用延遲時間來反映。設(shè)光源的中心頻率為f0，帶寬為Δf，某一模式光的傳播常數(shù)為β，則總的延遲增量Δτ為

4.抗拉強(qiáng)度

可以彎曲是光纖的突出優(yōu)點。光纖的彎曲性與光纖的抗拉強(qiáng)度有關(guān)。抗拉強(qiáng)度大的光纖不僅強(qiáng)度高，可撓性也好，同時，其環(huán)境適應(yīng)性能也強(qiáng)。

光纖的抗拉強(qiáng)度取決于材料的純度、分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)、光纖的粗細(xì)及缺陷等因素。

5.集光本領(lǐng)

光纖的集光本領(lǐng)與數(shù)值孔徑有密切的關(guān)系。如圖6.5所示，光纖的數(shù)值孔徑NA定義為當(dāng)光從空氣中入射到光纖端面時的光錐半角的正弦，即

NA=sinθc

圖6.5光纖的接收角錐數(shù)值孔徑只決定了光纖的折射率，與光纖的尺寸無關(guān)。這樣，光纖就可以做得很細(xì)，使之柔軟，可以彎曲。這是一般光學(xué)系統(tǒng)無法做到的。

當(dāng)光纖的數(shù)值孔徑最大時，光纖的集光本領(lǐng)也最大。

由前面的推導(dǎo)可知，對于階躍型光纖，其數(shù)值孔徑可表示為

當(dāng)光信號從空氣中射入光纖時，數(shù)值孔徑可表示為6.1.5光纖的耦合

光纖耦合器是使光信號能量實現(xiàn)分路／合路的器件。耦合分為強(qiáng)耦合和弱耦合兩種。光纖強(qiáng)耦合是指光纖纖芯間形成直通，傳輸模直接進(jìn)入耦合臂。光纖弱耦合是指通過光纖的彎曲，或使其耦合處成錐狀，于是，纖芯中的部分傳導(dǎo)模變?yōu)榘鼘幽＃儆砂鼘舆M(jìn)入耦合臂中的纖芯，形成傳導(dǎo)模。

常用的耦合器有如下三種結(jié)構(gòu)形式。

(1)將每根光纖埋入玻璃塊的弧形槽中，在光纖側(cè)面進(jìn)行研磨拋光，使光纖耦合處的包層厚度達(dá)到一定的要求，然后將兩根光纖拼接在一起，如圖6.6(a)所示。圖6.6搭接光纖耦合器

(2)將兩根光纖稍加扭絞，用微火炬對耦合部位進(jìn)行加熱，在熔融過程中拉伸光纖，最后拉細(xì)成型，如圖6.6(b)所示。此時，在兩根光纖的耦合部位形成雙錐區(qū)，兩根光纖包層合并在一起，纖芯變細(xì)，形成了一個新的合成光波通路，從而構(gòu)成弱耦合。

(3)將要耦合的光纖的局部外套去掉，扭絞在一起，浸蝕光纖的耦合部位，腐蝕掉大部分包層，并將兩根光纖的纖芯緊緊接觸在一起，然后進(jìn)行加固，如圖6.7所示。此外，還可通過控制扭力或張力，調(diào)節(jié)光纖間距，以達(dá)到調(diào)節(jié)光纖耦合強(qiáng)弱的目的。圖6.7腐蝕光纖耦合器

6.2光纖傳感器的分類及構(gòu)成

6.2.1分類

通常按照在傳感器中的作用，光纖傳感器可分為兩種類型：功能型(也稱傳感型、探測型)和非功能型(也稱傳光型、結(jié)構(gòu)型、強(qiáng)度型、混合型)。光纖傳感器的分類如表6.1所示。表6.1光纖傳感器的分類功能型光纖傳感器如圖6.8(a)所示。這種類型主要使用單模光纖。光纖不僅起傳光作用，又是敏感元件，即光纖本身同時具有傳、感兩種功能。功能型光纖傳感器是利用光纖本身的傳輸特性受被測物理量的作用而發(fā)生變化，使光纖中波導(dǎo)光的屬性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)、波長等)被調(diào)制這一特點而構(gòu)成的一類傳感器。其中有光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型等數(shù)種。其典型例子有：利用光纖在高電場下的Pockels效應(yīng)的光纖電壓傳感器，利用光纖法拉第效應(yīng)的光纖電流傳感器，利用光纖微彎效應(yīng)的光纖位移(壓力)傳感器等。功能型傳感器的特點是：由于光纖本身是敏感元件，因此加長光纖的長度可以得到很高的靈敏度。尤其是利用各種干涉技術(shù)對光的相位變化進(jìn)行測量的光纖傳感器具有極高的靈敏度。這類傳感器的缺點是：技術(shù)難度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整較困難。

非功能型光纖傳感器中，光纖不是敏感元件。它在光纖的端面或在兩根光纖中間放置光學(xué)材料、機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件來感受被測物理量的變化，從而使透射光或反射光強(qiáng)度隨之發(fā)生變化。在這種情況下，光纖只是作為光的傳輸回路，如圖6.8(b)、(c)所示。為了得到較大的受光量和傳輸?shù)墓夤β?，使用的光纖主要是數(shù)值孔徑和芯徑大的階躍型多模光纖。這類光纖傳感器的特點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠，技術(shù)上易實現(xiàn)，應(yīng)用前景廣闊，但其靈敏度、測量精度一般低于功能型光纖傳感器。

在非功能型光纖傳感器中，也有并不需要外加敏感元件的情況，光纖把測量對象所輻射、反射的光信號傳播到光電元件(如圖6.8(d)所示)。這種光纖傳感器也叫探針型光纖傳感器。該類傳感器中通常使用單模光纖或多模光纖。典型的例子有光纖激光多普勒速度傳感器、光纖輻射溫度傳感器和光纖液位傳感器等，其特點是：為非接觸式測量，而且具有較高的精度。圖6.8光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)原理示意圖6.2.2構(gòu)成部件

1.光源

正確了解光的產(chǎn)生機(jī)理，對于光纖傳感器的光源選擇是非常有利的。根據(jù)系統(tǒng)的用途和所用光纖的類型，對光源一般要提出功率和調(diào)制的要求。在實際應(yīng)用中，人們希望能研制出一種適合于各種系統(tǒng)的光源。激光二極管和發(fā)光二極管(LED)的發(fā)射波段是0.8～0.9μm和1.0～1.1μm，在這兩個波段光纖的損耗最小。特別是激光二極管具有亮度高、易于進(jìn)行上吉赫的直接調(diào)制、尺寸小等優(yōu)點，一直受到人們的關(guān)注。為了正確理解激光二極管和LED及其運(yùn)行的實際情況，應(yīng)對它們的PN結(jié)進(jìn)行分析。砷化鎵(GaAs)結(jié)晶材料是一種重要的室溫LED和半導(dǎo)體激光器材料。如果把一種受主材料摻雜到GaAs中，則可形成一個P型半導(dǎo)體區(qū)域。把一個施主材料摻雜到GaAs中，就可形成一個N型半導(dǎo)體區(qū)域。當(dāng)把它們結(jié)合時，P型和N型區(qū)域間的空間間隙就是PN結(jié)。我們知道，如果在P區(qū)加偏置電壓的正極，在N區(qū)加偏置電壓的負(fù)極，則電子就被迫進(jìn)入N型區(qū)域，并在P型區(qū)域里形成空穴。當(dāng)足夠多的電子的能級升高到導(dǎo)帶能級時，它們的電子能級就超過勢壘能量，并且電子橫越結(jié)進(jìn)入P區(qū)域。在P型和N型區(qū)域間的空間(復(fù)合層)里，電子能夠自發(fā)地與空穴復(fù)合而產(chǎn)生光子，光子朝各個方向運(yùn)動，這就形成了LED。在LED中,向各個方向發(fā)出的光是自發(fā)發(fā)射的。為了產(chǎn)生激光，必須限制和引導(dǎo)復(fù)合層里的光子，使光強(qiáng)增加到產(chǎn)生受激發(fā)射的程度。例如，在復(fù)合層里加入一些鋁，可使光子的波長得到調(diào)節(jié)，復(fù)合層的折射率增高，在復(fù)合層里所形成的光子傾向于來回多次反射，于是光強(qiáng)在復(fù)合層里得到加強(qiáng)。光強(qiáng)足夠高時，就開始受激發(fā)射。當(dāng)能量增益和能量損耗相匹配時，在復(fù)合層內(nèi)對逸出的每個光子都形成一個或更多的光子，因此導(dǎo)致復(fù)合率不斷增加和光子不斷產(chǎn)生，最終在復(fù)合層里形成了比自發(fā)發(fā)射高幾個數(shù)量級的光強(qiáng)。這就是構(gòu)成激光二極管的簡單原理。在激光二極管中，發(fā)出的光是受激發(fā)射的。

LED在室溫下的典型光譜寬度為30～40nm，比激光二極管發(fā)射的光譜寬度大一個數(shù)量級，因而增大了色散，與低數(shù)值孔徑光纖的耦合效率也低。但LED具有結(jié)構(gòu)簡單和溫度對發(fā)射功率影響小的優(yōu)點。為了提高光源與光纖的耦合效率，在設(shè)計和制造LED或激光二極管時，常常依靠復(fù)雜工藝，以實現(xiàn)光源與光纖的緊密結(jié)合。例如在GaAs襯底上腐蝕一個坑，以便與光纖對接。目前常用的二極管大部分是GaAs和AlGaAs器件。除了上述光源外，還可采用白熾燈等作為光源。

2.光電元件

圖6.8中的光電元件也稱為光探測器。光纖傳感器中多用半導(dǎo)體光電二極管作為光探測器，偶爾也用電荷耦合器件、光導(dǎo)體和光電倍增管等。這里只介紹將光功率轉(zhuǎn)換成電流的光電探測器。光電探測器的原理是利用入射光子的能量在半導(dǎo)體中激發(fā)電子-空穴對形成的電流進(jìn)行測量。光探測實質(zhì)上是光子測量過程，即利用光子計數(shù)的某種統(tǒng)計特性。光電探測器都是平方律器件，即輸入光功率被轉(zhuǎn)換成電子流所探測到的電功率正比于光功率的平方。

目前常用的有如下四種光電元件。

1)光電二極管

在外形尺寸要求嚴(yán)格的光纖傳感器系統(tǒng)中，采用微型半導(dǎo)體光電二極管更合適、更經(jīng)濟(jì)。PN結(jié)光電二極管的工作原理如圖6.9所示。它的特點是具有一個高電場耗盡區(qū)和一個吸收光子的吸收區(qū)。耗盡區(qū)是由PN結(jié)的N區(qū)束縛正電荷施主原子和P區(qū)束縛負(fù)電荷受主原子所形成的。吸收區(qū)的位置和寬度與入射光的波長及二極管的材料有關(guān)。當(dāng)吸收區(qū)吸收光子后，電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，因此產(chǎn)生了電子-空穴對,在外加電場的作用下產(chǎn)生位移電流。設(shè)計者通過減少摻雜濃度來增大耗盡區(qū)的長度。結(jié)果N層摻雜濃度很低，可把它看做本征半導(dǎo)體，歸結(jié)為PI結(jié)，如圖6.10所示。圖6.9

PN結(jié)光電二極管的工作原理圖6.10

PIN光電二極管的工作原理為了得到低阻歐姆接觸，在PI結(jié)外再加上一層重?fù)诫sN層，形成所謂的PIN結(jié)構(gòu)。PIN光電二極管常用量子效率(吸收光的百分比)和響應(yīng)速度來評價，要求吸收區(qū)短和載流子速率高。典型的光電二極管連接電路如圖6.11所示。響應(yīng)速度與偏壓的強(qiáng)弱、二極管的結(jié)構(gòu)和光波的波長等有關(guān)。當(dāng)光入射在二極管上時，電流正比于響應(yīng)速度。圖6.11光電二極管的典型連接電路

2)雪崩光電二極管

雪崩光電二極管的原理是：為了降低放大器噪聲，采用雪崩增益這一機(jī)理，在放大之前，增大光電二極管的輸出電流。雪崩光電二極管的偏置電路如圖6.12所示。溫度變化時,雪崩光電二極管的擊穿電壓隨之變化，因而為保持固定的雪崩增益，偏壓值必須在適當(dāng)范圍內(nèi)變化。雪崩光電二極管的優(yōu)點是靈敏度高，可接收微弱信號；其缺點是動態(tài)范圍小，入射光變大時，線性會被破環(huán)。圖6.12雪崩光電二極管的偏置電路

3)肖特基光電二極管

肖特基光電二極管是在N型基底上涂上一層金屬，加上其他工藝而做成的光電二極管。它的特點是能傳播藍(lán)光和紫外光，在該波段靈敏度很高。

4)光電晶體管

光電晶體管是類似于雪崩二極管的另一種光電器件。它對PN結(jié)光電流有很好的放大作用。其連線和結(jié)構(gòu)如圖6.13所示。它的響應(yīng)特性與雪崩二極管一樣。光電晶體管的特點是具有內(nèi)部放大作用；其缺點是當(dāng)弱光照射時，基極電流很小，頻率響應(yīng)差(一般小于200kHz)。圖6.13

NPN型光電晶體管的連線與結(jié)構(gòu)

6.3功能型光纖傳感器舉例

6.3.1相位調(diào)制型光纖傳感器

1.相位調(diào)制的原理

當(dāng)一束波長為λ的相干光在光纖中傳播時，光波的相位角與光纖的長度L、纖芯折射率n1和纖芯直徑d有關(guān)。光纖受到物理量的作用時，這三個參數(shù)就會發(fā)生不同程度的變化，從而引起光相移。一般說來，光纖長度和折射率的變化引起的光相位變化要比纖芯直徑引起的光相位變化大得多，因此纖芯直徑引起的光相位變化可以忽略。由普通物理學(xué)可知，在一段長為L的單模光纖(纖芯折射率為n1)中，波長為λ的輸出光相對于輸入端來說，其相位角為

當(dāng)光纖受到物理量的作用時，相位角變化為

式中：Δf——光波相位角的變化量；

ΔL——光纖長度的變化量；

Δn1——光纖纖芯折射率的變化量；

εL——光纖軸向應(yīng)變(εL=ΔL／L)。

因此，可以應(yīng)用光的相位檢測技術(shù)來測量溫度、壓力、加速度、電流等物理量。(6.10)(6.9)由于光的頻率很高(約為1014Hz)，光電探測器不能跟蹤以這樣高頻率進(jìn)行變化的瞬時值，因此，光波的相位變化是不能夠直接被檢測到的。為此，應(yīng)該應(yīng)用光學(xué)干涉測量技術(shù)將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成振幅(強(qiáng)度)調(diào)制。在光纖傳感器中常采用馬赫-澤德(Mach-Zehader)干涉儀等幾種不同的干涉測量儀。它們有一個共同之處，即光源的輸出光都被分束器(棱鏡或低損耗光纖耦合器)分成光功率相等的兩束光(也有分成幾束光的)，并分別耦合到兩根或幾根光纖中。在光纖的輸出端再將這些分離光束匯合起來，輸?shù)揭粋€光電探測器。在干涉儀中，采用鎖相零差、合成外差等解調(diào)技術(shù)，就可以檢測出相位調(diào)制信號。

2.相位調(diào)制型光纖壓力和溫度傳感器

利用馬赫-澤德干涉儀測量壓力或溫度的相位調(diào)制型光纖傳感器的組成原理圖如圖6.14所示。He-Ne(氦-氖)激光器發(fā)出的一束相干光經(jīng)過擴(kuò)束以后，被分束器分成兩束光，分別耦合到傳感光纖和參考光纖中。傳感光纖被置于被測對象的環(huán)境中，感受壓力(或溫度)信號；參考光纖不感受被測物理量。這兩根單模光纖構(gòu)成干涉儀的兩個臂。這兩根光纖再通過光纖耦合器組合起來，以便產(chǎn)生相互干涉，形成一系列明暗相間的干涉條紋。圖6.14用馬赫-澤德干涉儀測量壓力或溫度的相位調(diào)制型光纖傳感器的組成原理圖當(dāng)傳感光纖感受到溫度變化時，光纖的折射率會發(fā)生變化，而且因光纖的熱脹冷縮使其長度發(fā)生改變。由式(6.10)知，光纖的長度和折射率變化將會引起傳播光的相位角變化。這樣，傳感光纖和參考光纖的兩束輸出光的相位也發(fā)生了變化，從而使合成光強(qiáng)隨著相位的變化而變化(增強(qiáng)或減弱)。于是，通過光電探測器，就可以將合成光強(qiáng)的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換成電信號的大小變化，如圖6.15所示。圖6.15隨著溫度T的上升，光相位變化與輸出電流的關(guān)系6.3.2光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器

光纖微彎曲位移和壓力傳感器是光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器的一個典型例子。它是基于光纖微彎而產(chǎn)生的彎曲損耗原理制成的。微彎曲損耗的機(jī)理可用圖6.16所示的光纖微彎對傳播光的影響來說明。圖6.16光纖微彎對傳播光的影響假如光線在光纖的直線段以大于臨界角射入界面(φ1＞φc)，則光線在界面上產(chǎn)生全反射。在理想情況下，光將無衰減地在纖芯內(nèi)傳播。當(dāng)光線射入微彎曲段的界面上時，入射角將小于臨界角(φ1＞φc)。這時，一部分光在纖芯和包層的界面上反射；另一部分光則透射進(jìn)入包層，從而導(dǎo)致光能的損耗。基于這一原理，人們研制成了光纖微彎曲傳感器(如圖6.17所示)。該傳感器由兩塊波形板(變形器)構(gòu)成,圖6.17光纖微彎曲位移(壓力)傳感器的原理圖其中一塊是活動板，另一塊是固定板。波形板一般采用尼龍、有機(jī)玻璃等非金屬材料制成。一根階躍型多模光纖(或漸變型多模光纖)從一對波形板之間通過。當(dāng)活動板受到微擾(位移或壓力)作用時，光纖就會發(fā)生周期性微彎曲，引起傳播光的散射損耗，使光在芯模中重新分配：一部分光從芯模(傳播模)耦合到包層模(輻射模)；另一部分光反射回芯模。當(dāng)活動板的位移或壓力增加時，泄漏到包層的散射光隨之增大；相反，光纖芯模的輸出光強(qiáng)度減小，如圖6.18所示，于是光強(qiáng)就受到了調(diào)制。通過檢測泄漏出包層的散射光強(qiáng)度或光纖芯透射光強(qiáng)度就能測出位移(或壓力)信號。圖6.18光纖芯透射光強(qiáng)度與外力的關(guān)系6.3.3偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器

偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器的典型應(yīng)用之一是輸電線電流的測量。偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器的測試原理如圖6.19所示。圖6.19偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器的測試原理根據(jù)法拉第旋光效應(yīng)，由電流所形成的磁場會引起光纖中線偏振光的偏轉(zhuǎn)。檢測偏轉(zhuǎn)角的大小，就可得到相應(yīng)的電流值。如圖6.19所示，從激光器發(fā)出的激光經(jīng)起偏器變成線偏振光，再經(jīng)顯微物鏡(×10)聚焦耦合到單模光纖中。為了消除光纖中的包層模，可把光纖浸在折射率高于包層的油中，再將單模光纖以半徑R繞在高壓載流導(dǎo)線上。設(shè)通過其中的電流為I，由此產(chǎn)生的磁場H滿足安培環(huán)路定律。對于無限長直導(dǎo)線，有由磁場H產(chǎn)生的法拉第旋光效應(yīng)引起光纖中線偏振光的偏轉(zhuǎn)角為

受磁場作用的光束由光纖出端經(jīng)顯微物鏡耦合到偏振棱鏡，并分解成振動方向相互垂直的兩束偏振光，分別進(jìn)入光探測器，再經(jīng)信號處理后輸出信號：由此可見，只要系統(tǒng)的V和N確定，就可通過輸出信號P的大小獲得被測輸電線上的電流值。

對大多數(shù)光纖材料，費(fèi)爾德常數(shù)V隨著波長的增長而減小。另外，當(dāng)波長較小(如為0.5μm)時，材料的吸收系數(shù)又急劇增加。因此，為了獲得較高的信噪比，光源激光器應(yīng)在波長0.55～0.9μm范圍內(nèi)選擇。

另外，應(yīng)注意到光纖中雙折射現(xiàn)象的影響(例如，光纖中的應(yīng)力、光纖在輸電線上環(huán)繞時的彎曲、光纖橫截面具有一定的橢圓度等因素都會造成雙折射現(xiàn)象)，并盡量予以減少。

偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器適用于高壓輸電線大電流的測量，測量范圍為0～1000A。

6.4非功能型光纖傳感器舉例

6.4.1傳輸光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器

傳輸光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器一般是在輸入光纖與輸出光纖之間放置機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件，如6.2.1節(jié)中圖6.8(a)所示。敏感元件在物理量的作用之下，對傳輸?shù)墓鈴?qiáng)進(jìn)行調(diào)制，如吸收光的能量、遮斷光路、改變光纖之間的相對位置等。

現(xiàn)在我們來看一個通過吸收光的能量對傳輸?shù)墓鈴?qiáng)進(jìn)行調(diào)制的半導(dǎo)體吸收式光纖傳感器實例。圖6.20為其系統(tǒng)電原理圖。圖6.20半導(dǎo)體吸收式光纖傳感器測溫系統(tǒng)的原理圖由圖6.20可以看出，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。在圖示輸入光纖和輸出光纖兩端面間夾一片厚度約零點幾毫米的半導(dǎo)體光吸收片，并用不銹鋼管加以固定，使半導(dǎo)體與光纖成為一體。它的關(guān)鍵部件是半導(dǎo)體光吸收片。由半導(dǎo)體物理學(xué)可知，半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg隨溫度T的增加近似線性地減小，如圖6.21所示。圖6.21半導(dǎo)體的禁帶寬度與溫度的關(guān)系由圖6.22可以看出，半導(dǎo)體引起的光吸收隨著吸收邊波長λg的變短而急劇增加(在T一定時)，即透過率急劇下降，直至光幾乎不能穿透半導(dǎo)體；反之，隨著吸收邊波長λg的變長，半導(dǎo)體的透光率增大。由圖6.22可以看到，在光源λ一定的情況下，通過半導(dǎo)體的透射光強(qiáng)隨溫度T的增加而減小。圖6.22半導(dǎo)體的透射光強(qiáng)與溫度的關(guān)系6.4.2反射光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器

圖6.23為光纖動態(tài)壓力傳感器的原理圖。整個系統(tǒng)由光源、壓力膜片、光敏二極管、Y形光纖束和放大器等組成。光的反射面是壓力敏感元件膜片，它是用不銹鋼等材料制成的圓形平膜片，通過一定工藝制作在傳感頭端面上。膜片的內(nèi)表面進(jìn)行了拋光處理，以提高光反射率。如果在內(nèi)表面再蒸鍍一層反射膜，則反射效率會更高。Y形光纖束約由3000根直徑為50μm的階躍型多模光纖(NA=0.603)集束而成。它被分成纖維數(shù)目大致相等、長度相同的兩束：發(fā)送光纖束和接收光纖束。為了補(bǔ)償光源光功率的波動以及光敏二極管的噪聲，系統(tǒng)增加了一根補(bǔ)償光纖束。圖6.23光纖動態(tài)壓力傳感器的原理圖該系統(tǒng)用于動態(tài)壓力測量，因此，膜片感受到的壓力有壓力流場的平均壓力和脈動壓力兩種。于是，當(dāng)系統(tǒng)工作時，光敏二極管接收的反射光光強(qiáng)也由兩部分組成：恒定光強(qiáng)和隨壓力變化的光強(qiáng)。為此，在膜片設(shè)計時，既要考慮平均壓力的大小，又要考慮脈動壓力的最大值。也就是說，當(dāng)膜片在動態(tài)壓力作用下時，應(yīng)保證膜片的最大位移不超過如圖6.24所示的AB段工作范圍，故系統(tǒng)的偏置工作點選擇在AB段的中點M。圖6.24光纖動態(tài)壓力傳感器的膜片反射光強(qiáng)與距離的關(guān)系曲線由膜片的撓度理論知，周邊固定的圓形平膜片其中心位移與壓力成正比。當(dāng)壓力增加(或減小)時，膜片與光纖端面之間的距離將線性地減小(或增加)。這樣，光纖接收的反射光強(qiáng)度就將隨壓力變化而線性變化。此時，隨壓力變化的光信號被光敏二極管接收，變成相應(yīng)的微弱光電流，經(jīng)放大、濾波后輸出與壓力成正比的電壓信號。

該系統(tǒng)的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)；頻率響應(yīng)好，脈動壓力的頻率在0～18kHz的范圍內(nèi)變化，傳感器的靈敏度幾乎不變；輸出幅度大，放大后的輸出信號可達(dá)幾伏。其缺點是：精度不高，在一般情況下，非線性、遲滯、重復(fù)性等誤差為1%～2%。光纖動態(tài)壓力傳感器雖不如高精度靜態(tài)壓力傳感器，但還是能滿足動態(tài)壓力測量的需要的。6.4.3頻率調(diào)制型光纖傳感器

頻率調(diào)制并不通過改變光纖的特性來實現(xiàn)調(diào)制。在這種調(diào)制中，光纖往往只起著傳輸光信號的作用，而不作為敏感元件。頻率調(diào)制型光纖傳感器屬于非功能型光纖傳感器，目前主要利用光學(xué)多普勒效應(yīng)來實現(xiàn)頻率調(diào)制。其基本原理是光學(xué)多普勒效應(yīng)，即由于觀察者和目標(biāo)的相對運(yùn)動，觀察者接收到的光波頻率會發(fā)生改變。

下面先從無線電波發(fā)射與接收來解釋多普勒效應(yīng)。

假如有一臺發(fā)射機(jī)和一臺接收機(jī)在工作，接收機(jī)收到的信號頻率等于發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號頻率。若發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離在不斷發(fā)生變化，則發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號頻率與接收機(jī)收到的信號頻率不同，這一現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。該現(xiàn)象是由多普勒首先發(fā)現(xiàn)的。

當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在同一地點時，兩者無相對運(yùn)動，而被測物體以速度v向發(fā)射機(jī)和接收機(jī)運(yùn)動，此時，可以把被測物體對信號的反射現(xiàn)象看成是一個發(fā)射機(jī)。這樣，接收機(jī)和被測物體之間因為有相對運(yùn)動，所以就產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)。

現(xiàn)在從被測物體與檢測點接近的情況來進(jìn)一步說明多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生過程。

發(fā)射機(jī)發(fā)射出的無線電波向被測物體輻射，被測物體以速度v向發(fā)射機(jī)運(yùn)動，如圖6.25(a)所示。當(dāng)把被測物體看做接收機(jī)時，它接收到的信號頻率為圖6.25多普勒效應(yīng)產(chǎn)生過程示意圖若把f1看成新的發(fā)射機(jī)向與發(fā)射機(jī)同地點的接收機(jī)發(fā)射的信號(如圖6.25(b)所示)，則接收機(jī)接收到的信號頻率為

由于被測物體的運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于電磁波的傳播速度，因此可認(rèn)為λ0=λ1，于是有

由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻率之差稱為多普勒頻率，即上式說明，被測物體的運(yùn)動速度v可以用多普勒頻率來描述。

光學(xué)多普勒效應(yīng)可用圖6.26來加以說明。圖中，S為光源，P為運(yùn)動物體，Q是觀察者所處的位置。如果物體P的運(yùn)動速度為v，P的運(yùn)動方向與PS的夾角為q1，P的運(yùn)動方向與PQ的夾角為q2，則從S射出的頻率為f1的光經(jīng)過運(yùn)動物體P散射，觀察者在Q處觀察到的頻率為f2。根據(jù)多普勒原理可得

采用光纖多普勒測量系統(tǒng)對研究流體流動特別有效，尤其是對微小流量范圍的介質(zhì)流動的測量。圖6.27所示是一個典型的激光多普勒光纖測速系統(tǒng)。圖中，激光沿著光纖投射到測速點A上，然后，被測物的散射光與光纖端面的反射光(起參考光作用)一起沿著光纖返回。為消除從發(fā)射透鏡和光纖前端面B反射回來的光，在光電探測器前邊裝一塊偏振片R，使光電探測器只能檢測出與原來光束偏振方向相垂直的偏振光。這樣，頻率不同的信號光與參考光共同作用在光電探測器上，并產(chǎn)生差拍，光電流經(jīng)頻譜分析器處理，求出頻率的變化，即可推知速度。圖6.27激光多普勒光纖測速系統(tǒng)6.4.4光纖液位傳感器

下面介紹一個光纖液位傳感器的例子。圖6.28所示為基于全內(nèi)反射原理制成的光纖液位傳感器。它由LED光源、光的接收元件光電二極管、多模光纖等組成。其結(jié)構(gòu)特點是：在光纖測頭端有一個圓錐體反射器。當(dāng)測頭置于空氣中沒有接觸到液面時，光線在圓錐體內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射而返回到光電二極管。當(dāng)測頭接觸到液面時，由于液體的折射率與空氣的折射率不同，因此全內(nèi)反射被破壞，將部分光線透入液體內(nèi)，而使返回到光電二極管的光強(qiáng)變