光纤传感器的应用与特点

1.光纤的结构、种类和原理

(1)光纤的结构

光纤通常由纤芯、包层及外套组成。如图3.39所示,纤芯处于光纤的中心部位,由玻璃、石英、塑料等材料制成,为圆柱体,直径约为5～150μm。围绕的纤芯的那一层称为包层,它的材料是玻璃、塑料等,其折射率小于纤芯。纤芯和包层构成同心圆双层结构,故光纤具有使光功率封闭在里面传输的功能。光纤的外套起到支撑和保护的作用。

光纤传感器

图3.39　光纤的结构

(2)光纤的种类

按光纤纤芯折射率分布可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤。阶跃型光纤如图3.40(a)所示,纤芯和包层的折射率都是常数,且呈突变分布。这种光纤的带宽较窄,适用于小容量、短距离传输。纤芯到薄层的折射率变化呈台阶状,在纤芯内,中心光线沿光纤轴向传播,通过轴线的子午光线呈锯齿形轨迹。渐变型光纤如图3.40(b)所示,这类光纤带宽较宽,适用于中容量、中距离的传输。中心轴的折射率最大,因此光在传播中会自动从折射率小的界面处向中心汇聚,光线传播的轨迹和正弦波曲线类似,这种光纤又称为自聚焦光纤。

图3.40　阶跃型光纤和渐变型光纤折射率分布

(3)光纤的传光原理

光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。依据光的折射和反射的斯涅尔(Snell)定理,当光由光密物质出射至光疏物质时,会发生折射。图3.41(a)展示的是折射角大于入射角,此时有n1sinθi=n2sinθr;图3.41(b)展示的是临界状态,全射角θi0=arcsin(n2/n1);图3.41(c)展示的是全反射,图中的θi＞θi0。

图3.41　光纤的传光原理

图3.42是光纤的导光原理图。设光从空气(折射率为n0)射入纤芯(折射率为n1)端面,包层的折射率为n2。根据斯涅尔定律可得n0sinθi=n1cos(90°-θ′)=n1cosφi,光在光纤中传输需满足n1sinφi≥n2,由上述两个关系式可得因此,入射角的最大值为

图3.42　光纤的导光原理图

(4)光纤的主要参数

①数值孔径

数值孔径的定义:光从空气入射到光纤输入端面时,处在某一角锥内的光线一旦进入光纤,则将被截留在纤芯中,此光锥半角θ的正弦称为数值孔径。

数值孔径NA 反映了光纤对入射光的接收能力。NA 越大,说明光纤能够使光线全反射的入射角范围越大,即接收能力越强。

②光纤模式

光纤模式是指光波传播的途径和方式。对于不同入射角度的光线,在界面反射的次数是不同的,传递光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的,这就是传播模式不同。在光纤中传播模式很多不利于光信号的传播,因为同一种光信号采取很多模式传播将使一部分光信号分为在多个不同时间到达接收端的小信号,从而导致合成信号的畸变,因此希望光纤信号传播模式数量要少。(www.xing528.com)

③传输损耗

光纤传输损耗主要来源于材料吸收损耗、散射损耗和光波导弯曲损耗等。

其中,I0为入射光强,I为距光纤入射段1 km 处的光强。

2.光纤传感器的工作原理、分类和组成

(1)光纤传感器的工作原理

光传输的过程中,外界因素(压力、温度、振动、电磁场等)对光纤的作用会引起光纤光波特征参数(如光强、相位、频率、偏振及波长)的变化。如果能测出光波特征参数的变化,就可以得到被测量的大小。

(2)光纤传感器的分类

光纤传感器可以分为两大类:一类是功能型(传感型)传感器;另一类是非功能型(传光型)传感器。

功能型传感器利用光纤本身的特性,把光纤作为敏感元件,被测量对光纤内传输的光进行调制,使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化,然后传感器通过对被调制过的信号进行解调,从而得出被测信号。非功能型传感器利用其他敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为信息的传输介质。

(3)光纤传感器的组成

光纤传感器主要由光源、光纤耦合器、光探测器、光纤等几个基本部分组成。

①光源。为了保证光纤传感器的性能,对光源的特性和结构有一定的要求。一般要求光源的体积尽量小,以便于它与光纤耦合。

②光纤耦合器。光纤耦合器主要是将光源射出的光束分别耦合进两根以上的光纤,这种分束及耦合的过程采用光纤耦合器完成。同理,将两束光纤的出射光同时耦合进探测器也是由光纤耦合器完成的。

③光探测器。光探测器的作用是把传送到接收端的光信号转换成电信号,即将电信号“解调”出来,然后对电信号进行放大和处理。它的性能既影响被测物理量的变换准确度,又关系到光探测接收系统的质量。

3.光纤传感器的应用

(1)光纤加速度传感器

光纤加速度传感器的结构简图如图3.43所示。它是一种简谐振子的结构形式。激光束通过分光板后分为两束光,透射光作为参考光束,反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时,质量块对光纤的作用使光纤被拉伸,从而引起光程差的改变。相位改变的激光束(由单模光纤射出)与参考光束会合,产生干涉效应。激光干涉仪的干涉条纹的移动可以由光电接收装置测量并转换为电信号,该电信号经过处理电路处理后便可正确地测出加速度。

图3.43　光纤加速度传感器的结构简图

(2)光纤温度传感器

光纤温度传感器利用的是多数半导体的能带随温度升高而减小的特性,图3.44是光纤温度传感器的结构简图。材料的吸收光波长将随温度的增加而向长波方向移动,如果适当地选定一种波长在该材料工作范围内的光源,那么就可以使透射过半导体材料的光强随温度变化而变化,从而达到测温的目的。

图3.44　光纤温度传感器的结构简图