光纤传感器的原理及应用

葛晓静 聂帅华

（华中师范大学信息技术系，湖北武汉430079）

1.前言

光纤是20世纪70年代发展起来的一种新兴的光电子技术材料，它与激光器、半导体光电探测器一起形成了光电子学。光纤的研究最初是为了通讯的需要，后来把光纤通讯、直接信息交换和把待测量与光纤内部的导光联系起来，形成了光纤传感器。光纤传感器具有灵敏度高、响应速度快、动态范围大、抗电磁干扰能力强、超高电绝缘、防燃防爆、安全性能高、成本低、体积小、使用方便等优点。光纤传感器可实现的传感物理量很广，广泛应用于对磁、声、力、温度、位移、旋转、加速度、液位、应变、光、传像及某些化学量的测量等，应用前景十分广阔[1]。

2.光纤的基本知识

2.1 光纤的定义及结构

光导纤维简称光纤，它是一种介质圆柱光波导。所谓“光波导”是指以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束并引导光波在其内部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质。

光纤是一种特殊结构的光学纤维，是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。

2.2 光纤传光原理

在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤能传送很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。设有一段圆柱形光纤，如下图1所示，他的两个端面均为光滑的平面。当光线射入端面并与圆柱的轴线成角θi时，在端面发生折射进入光纤后，又以φi角射入纤芯与包层的界面，光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。但当入射角θi小于临界入射角θc时，光线就不会透射出界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端射出，这就是光纤的传光原理[2]。

根据斯涅耳（Snell）光的折射定律，由图1可得：

式中，n0为光纤外界介质的折射率。

图1 光纤传光原理

若光在纤芯和包层的界面上发生全反射，则界面上的光线临界折射角φc=90°，即φ′≥φc=90°。而

当φ′=φc=90°时，有

所以，为满足光在光纤中的全内反射，光入射到光纤端面的入射角θi应满足

3.光纤传感器

3.1 光纤传感器的基本原理及组成

光纤传感器由光源、敏感元件（光纤或非光纤的）、光探测器、信号处理器系统以及光纤等组成。

光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测量参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（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。

3.2 光纤传感器分类[3]

3.2.1 强度调制光纤传感器

强度调制光纤传感器的基本原理是：待测物理量引起光纤中传输光的光强变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。待测量作用于光纤敏感元件，使通过光纤的光强发生变化。设输入光强为恒量Iin，输出光强为Iout，即待测量对光纤中的光强度产生调制。可直接连接光探测器变成电信号（即调制的强度包括电信号）。

3.2.2 相位调制光纤传感器

相位调制光纤传感器的基本原理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传输的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。所有能够影响光纤长度、折射率和内部应力的被测量都会引起相位变化，如应力、应变、温度和磁场等外界物理量。但是，目前的各类光探测器都不能探测敏感光的相位变化，必须采用干涉测量技术，才能实现对外界物理量的检测。与其他调制方式相比，相位调制技术由于采用干涉技术而具有很高的检测灵敏度。常用的干涉仪有四种：迈克尔逊、马赫—琴特、法布里—珀罗和萨格耐克。它们的共同点是：光源发出的光都要分成两束或更多束的光，沿不同的路径传播后，分离的光束又重新汇合，产生干涉现象。

3.2.3 偏振态调制光纤传感器

利用光波的偏振性质，可以制成偏振调制光纤传感器。偏振调制主要是利用光纤的磁光效应、弹光效应等物理效应来实现外界信号对光纤中光波偏振的调制。磁光效应导致旋光现象，弹光效应导致双折射。在许多光纤系统中，尤其是包含单模光纤的系统，偏振起着重要作用。光纤偏振调制技术可用于温度、压力、振动、机械形变、电流和电场等检测。目前主要是用于检测强电流。

3.2.4 分布式光纤传感器

为获得呈一定空间分布的场，如温度场、压力场、应力场等比较完整的信息，需要采用分布调制的光纤传感系统。所谓分布调制，就是外界信号场（被测场）以一定的空间分布方式对光纤中的光波进行调制，在一定的测量域中形成测量信号谱带，通过检测（解调）调制信号谱带即可测量出外界信号场的大小以及空间分布。

4.光纤传感器的应用

4.1 光纤加速度传感器

光纤加速度传感器[4]的组成结构如下图2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，由于质量块M对光纤的作用，从而使光纤被拉伸，引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束汇合产生干涉效应。激光干涉仪干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号，经过信号处理电路处理后便可以正确地测出加速度值。

4.2 光纤温度传感器

光纤温度传感器[4]根据其工作原理可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型。这里介绍的是一种光强调制型的半导体光吸收型光纤传感器，其结构原理图如下图3所示。传感器由半导体光吸收器、光纤、光源和包括光探测器在内的信号处理系统等组成。光纤用来传输信号，半导体光吸收器是光敏感元件，在一定的波长范围内，它对光的吸收随温度T变化而变化。半导体材料的光透射率特性曲线随温度的增加向长波方向移动，如果适当的选定一种在该材料工作波长范围内的光源，那么就可以使透过半导体材料的光强度随温度而变化，探测器检测输出光强的变化即达到测量温度的目的。

图2 光纤加速度传感器结构简图

图3 光强调制型的光纤温度传感器结构原理图

4.3 光纤图像传感器

光纤图像传感器[3]是采用传像束来完成的，传像束由玻璃光纤按一定规则排列而成。在一条传像束中，包含了数万甚至几十万条直径为10～20μm的光纤，每条光纤传送一个像元信息。用传像束可以对图像进行传递、分解、合成和修正。传像束式的光纤图像传感器在医疗、工业、军事等部门有着广泛应用。

4.3.1 工业用的内窥镜

在工业生产中，经常需要检查系统内部结构情况，而这种结构由于各种原因不能打开或不能靠近观察，采用光纤图像传感器，将探头放入系统内部，通过光束的传输，可以在系统外部观察、监视系统内部情况，其原理图如下图4所示。它由物镜、传像束、传光束、目镜组成。光源发出的光通过光束照射到被测物体上，照明视场，通过物镜和传像束把内部结构图像送出来，以便观察或照相。

图4 工业用内窥镜

4.3.2医用内窥镜

医用内窥镜的示意图如下图5所示。它由末端的物镜、光纤图像导管、顶端的目镜和控制手柄组成。照明光是通过图象导管外层光纤照射到被观察物体上的，反射光通过传像束输出。由于光纤柔软，自由度大，末端通过手柄控制能偏转，传输图像失真小，因此，它是检查和诊断人体内各部位疾病和进行某些外科手术的重要仪器。

图5 医用内窥镜示意图

5.结束语

本文介绍了光纤和光纤传感器的概念等基础知识，并重点介绍了光纤传感器的原理及其在各方面的广泛应用。光纤传感器的应用远不止于此，除了上述应用之外，纤传感器在全光网络安全、延长油田使用、生物传感、物联网等各方面也有重要应用，并且我们相信光纤传感器还会得到进一步的发展，应用到人们生活的方方面面。

[1] 周继明，江世明.传感技术与应用[M].长沙：中南大学出版社，2005.

[2] 钱显毅.传感器原理与应用[M].南京：东南大学出版社，2008.

[3] 孟立凡，蓝金辉.传感器原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2007.

[4] 郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用（第二版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.