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