第9章新型传感器 9.1光纤传感器 光导纤维传感器(简称光纤传感器)是七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤传感 器具有灵敏度高,不受电磁波干扰,传输频带宽,绝缘性能好,耐水抗腐蚀性好,体积小,柔 软等优点。目前已研制出多种光纤传感器,可用于位移、速度、加速度、液位、压力、流量、 振动、水声、温度、电压、电流;磁场、核辐射等方面的测量。应用前景十分广阔。 911光纤传感器的基础知识 9.1.1.1光纤传感器的工作原理 图9.1.1是光纤的结构示意图。它由导光的芯体玻璃(称为纤芯)和包层玻璃所组成。包层的 外面用塑料或橡胶做成外护套保护着纤芯和包层,使光纤具有一定的机械强度。纤芯由比头 发丝还细的玻璃、石英和塑料等透明度良好的电介质构成,其折射率略大于包层的折射率, 般包层直径为几微米到几十微米。 设纤芯的折射率为n1,包层的折射率为(其典型值是n1=146~1.51,n2=144-1.50),且 n1>n2。当光线从空气(折射率为n)中射入光纤的一个端面,并与其轴线的夹角为o,则在光 纤内折射成角60的光线B,然后光线B以中(中1=90°-中1)角入射到纤芯与包层的交界面上。 由于纤芯与包层的折射率不等(即n1n2),光线B的一部分光被反射,成为反射光D:另一部分 光折射成为折射光C。这时入射光线与折射光线应满足
第9章 新型传感器 9.1 光纤传感器 光导纤维传感器(简称光纤传感器)是七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤传感 器具有灵敏度高，不受电磁波干扰，传输频带宽，绝缘性能好，耐水抗腐蚀性好，体积小，柔 软等优点。目前已研制出多种光纤传感器，可用于位移、速度、加速度、液位、压力、流量、 振动、水声、温度、电压、电流；磁场、核辐射等方面的测量。应用前景十分广阔。 9.1.1 光纤传感器的基础知识 9.1.1.1 光纤传感器的工作原理 图9.1.1是光纤的结构示意图。它由导光的芯体玻璃(称为纤芯)和包层玻璃所组成。包层的 外面用塑料或橡胶做成外护套保护着纤芯和包层，使光纤具有一定的机械强度。纤芯由比头 发丝还细的玻璃、石英和塑料等透明度良好的电介质构成，其折射率略大于包层的折射率， 一般包层直径为几微米到几十微米。 设纤芯的折射率为n1，包层的折射率为 (其典型值是n1＝1.46～1.51，n2 =1.44～1.50)，且 n1> n2。当光线从空气(折射率为n0 )中射入光纤的一个端面，并与其轴线的夹角为θ0，则在光 纤内折射成角θ0的光线B，然后光线B以φ1 (φ1＝90°-φ1 )角入射到纤芯与包层的交界面上。 由于纤芯与包层的折射率不等(即n1n2 )，光线B的一部分光被反射，成为反射光D；另一部分 光折射成为折射光C。这时入射光线与折射光线应满足
n1sin中1=n2sin中 (9-1-1) 由于n1〉n2,当ψ为某值时,可使ψ2=90°,即折射光沿界面传播,此现象称为全反射。使 中2=90°的中角称为临界角,以中表示。由式(7-1)可知(因sin中2=1),其临界角为 (9-1-2) arcsin 即 n1 例如:n1=1.51,B2=1.48,则中=87.2 若继续加大入射角中1,(即中1≥中2),光不再产生折射,而形成了光的全反射,光线被限制 在纤芯中传播。于是式(9-1-2)为 sin, >22 nI 这就是光纤传光的基本工作原理。 在实际应用中,更关心的是光线以多大角度入射光纤端面时,能使折射光完全在纤芯中传播, 即如图9.1.1所示中,中0角为何值时方能使中1≥中2。当光线在A点(空气中,其折射率为n1) 入射,则有 1=n1cos(9-1 式中1=90-中1 要使入射光在纤芯与包层的交界面发生全反射,应满足式(9-1-3),而Sm=±Vl-cosg
n1sinφ1 = n2sinφ2 (9-1-1) 由于n1> n2，当φ1为某值时，可使φ2＝90°，即折射光沿界面传播，此现象称为全反射。使 φ2＝90°的φ1角称为临界角，以φ0表示。由式(7-1)可知(因sinφ2＝1)，其临界角为 (9-1-2) 即 例如：n1＝1.51，n2=1.48，则φ0＝87.2 若继续加大入射角φ1，(即φ1≥φ2)，光不再产生折射，而形成了光的全反射，光线被限制 在纤芯中传播。于是式(9-1-2)为 (9-1-3) 这就是光纤传光的基本工作原理。 在实际应用中，更关心的是光线以多大角度入射光纤端面时，能使折射光完全在纤芯中传播， 即如图9.1.1所示中，φ0角为何值时方能使φ1≥φ2。当光线在A点(空气中，其折射率为n1) 入射，则有 (9-1-4) 式中θ1＝90°-φ1。 要使入射光在纤芯与包层的交界面发生全反射，应满足式(9-1-3)，而 1 2 1 n n sin = 1 2 0 n n = arcsin 1 2 1 n n sin 0 0 1 1 1 1 n sin = n sin = n cos 1 2 1 sin = 1- cos
cos<,l-(2)2 所以 (9-1-5 将式(9-1-5)代人式(9-1-4)得 sing.< (9-1-6) 这就是能产生全反射的最大入射角范围。入射角的最大值可由式(9-1-6)求出 若仿照研究透镜那样,引入光纤的数值孔径N这个概念,则 n2-n2=N(9-1-8) N是光纤的一个基本参数,它决定了能被传播的光束的半孔径角的最大值,反映了光纤的 集光能力。可以证明 当N≤1时,集光能力与的平方成正比; 当Na≥1时,集光能力可达最大。 从式(9-1-8)可看出,纤芯与包层的折射率差值越大,数值孔径就越大,光纤的集光能力 越强。以上我们讨论光纤的传光原理时,忽略了光在传播过程中的各项损耗。实际上入射 于光纤中的光,存在有损耗(如费涅耳反射损耗、光吸收损耗、全反射损耗、弯曲损耗等) 其中一部分光在传播途中就损失了,因此光纤不可能百分之百地将入射光的能量传播出去
所以 (9-1-5) 将式(9-1-5)代人式(9-1-4)得 (9-1-6) 这就是能产生全反射的最大入射角范围。入射角的最大值可由式(9-1-6)求出 (9-1-7) 若仿照研究透镜那样，引入光纤的数值孔径Na这个概念，则 (9-1-8) Na是光纤的一个基本参数，它决定了能被传播的光束的半孔径角的最大值，反映了光纤的 集光能力。可以证明 当Na ≤1时，集光能力与的平方成正比； 当Na ≥1时，集光能力可达最大。 从式(9-1-8)可看出，纤芯与包层的折射率差值越大，数值孔径就越大，光纤的集光能力 越强。以上我们讨论光纤的传光原理时，忽略了光在传播过程中的各项损耗。实际上入射 于光纤中的光，存在有损耗(如费涅耳反射损耗、光吸收损耗、全反射损耗、弯曲损耗等)， 其中一部分光在传播途中就损失了，因此光纤不可能百分之百地将入射光的能量传播出去。 2 1 2 ) n n cos 1-( 2 2 2 1 0 0 n - n n 1 sin 2 2 2 1 0 0 n - n n 1 sin = n - n N n 1 sin 2 2 2 1 0 0 = =
9.1.1.2光纤传感器的类型 光纤传感器按其作用一般分为物性型(或称功能型)和结构型(或称非功能型)两大类 在物性型光纤传感器中,光纤不仅起传光作用,同时又是敏感元件,即是利用被测物 理量直接或间接对光纤中传送光的光强(振幅)、相位、偏振态、波长等进行调制而构成 的一类传感器。其中有光强调制型、光相位调制型、光偏振调制型等。物性型光纤传感 器的光纤本身就是敏感元件,因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度,尤其是利用 干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器,具有极高的灵敏度。制造这类传感器 的技术难度大,结构复杂,调整较困难。 结构型光纤传感器中光纤不是敏感元件,只是作为传光元件。一般是在光纤的端面或 在两根光纤中间放置光学材料及敏感元件来感受被测物理量的变化,从而使透射光或反 射光强度随之发生变化来进行检测的。这里光纤只作为光的传输回路,所以要使光纤得 到足够大的受光量和传输的光功率。这种传感器常用数值孔径和芯径较大的光纤。结构 型光纤传感器结构简单、可靠,技术上易实现,但灵敏度、测量精度一般低于物性型光 纤传感器。 光纤传感器一般由光源、光纤、光电元件等组成。根据光纤传感器的用途和光纤的 类型,对光源一般要提出功率和调制的要求。常用的光源有激光二极管和发光二极管 激光二极管具有亮度高,易调制,尺寸小等优点。而发光二极管具有结构简单和温度对 发射功率影响小等优点。除此之外,还有采用白炽灯等作光源
9.1.1.2 光纤传感器的类型 光纤传感器按其作用一般分为物性型(或称功能型)和结构型(或称非功能型)两大类。 在物性型光纤传感器中，光纤不仅起传光作用，同时又是敏感元件，即是利用被测物 理量直接或间接对光纤中传送光的光强(振幅)、相位、偏振态、波长等进行调制而构成 的一类传感器。其中有光强调制型、光相位调制型、光偏振调制型等。物性型光纤传感 器的光纤本身就是敏感元件，因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度，尤其是利用 干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器，具有极高的灵敏度。制造这类传感器 的技术难度大，结构复杂，调整较困难。 结构型光纤传感器中光纤不是敏感元件，只是作为传光元件。一般是在光纤的端面或 在两根光纤中间放置光学材料及敏感元件来感受被测物理量的变化，从而使透射光或反 射光强度随之发生变化来进行检测的。这里光纤只作为光的传输回路，所以要使光纤得 到足够大的受光量和传输的光功率。这种传感器常用数值孔径和芯径较大的光纤。结构 型光纤传感器结构简单、可靠，技术上易实现，但灵敏度、测量精度一般低于物性型光 纤传感器。 光纤传感器一般由光源、光纤、光电元件等组成。根据光纤传感器的用途和光纤的 类型，对光源一般要提出功率和调制的要求。常用的光源有激光二极管和发光二极管。 激光二极管具有亮度高，易调制，尺寸小等优点。而发光二极管具有结构简单和温度对 发射功率影响小等优点。除此之外，还有采用白炽灯等作光源
9.1.2光纤传感器的应用 9.1.2.1物性型的光纤微弯曲式传感器 光纤微弯传感器的光功率是维持在光纤内部的,这样可以免除周围环境污染的影响, 适宜在恶劣环境中使用。另外还有灵敏度高、结构简单、动态范围宽、线性度较好,性 能稳定等优点。 9.1.2.2结构型的传输光光纤传感器 在光纤本身不是敏感元件的结构型光纤传感器中,主要依据敏感元件对光强的调制 如图9.1.3所示为半导体吸收式光纤传感器测温原理图。该传感器是通过半导体光吸收 片吸收光的能量,对传输光的光强进行调制的一个实例。在图中输入光纤和输出光纤两 端面间夹一片厚度约零点几毫米的半导体光吸收片,并用不锈钢管加以固定,使半导体 与光纤成为一体。其中的半导体光吸收片是一种半导体敏感元件。由半导体物理可知, 在光源给定的情况下,通过该半导体光吸收片的透射光强随温度的增加而减小。在该图 中采用了恒流源电路激励光源。该测试系统组成时,须将光纤的一端与光电接收点固化 耦合,光纤的另一端与发光二极管固化耦合。这样构成了一个光纤耦合器。敏感元件的 夹入可看成是在耦合器的光纤中部切断置入的。系统组成并通过调试后,光源发出的稳 定光通过输入光纤传到半导体敏感元件,透射光强受到所测温度的调制,并由输出光纤 接收,传到光电探测器(如光电二极管),转换成电信号输出,从而达到测温的目的。该 系统的温度测量范围为-_20~300℃,精度约为3℃,响应时间常数约为2s,能在强电场环 境中工作。 利用光纤构成的传感器还有很多,目前真正实用化的光纤传感器尚不多。主要原因 是噪声源、检测方法、封装和光纤被覆等许多问题需要进一步解决
9.1.2 光纤传感器的应用 9.1.2.1 物性型的光纤微弯曲式传感器 光纤微弯传感器的光功率是维持在光纤内部的，这样可以免除周围环境污染的影响， 适宜在恶劣环境中使用。另外还有灵敏度高、结构简单、动态范围宽、线性度较好，性 能稳定等优点。 9.1.2.2 结构型的传输光光纤传感器 在光纤本身不是敏感元件的结构型光纤传感器中，主要依据敏感元件对光强的调制。 如图9.1.3所示为半导体吸收式光纤传感器测温原理图。该传感器是通过半导体光吸收 片吸收光的能量，对传输光的光强进行调制的一个实例。在图中输入光纤和输出光纤两 端面间夹一片厚度约零点几毫米的半导体光吸收片，并用不锈钢管加以固定，使半导体 与光纤成为一体。其中的半导体光吸收片是一种半导体敏感元件。由半导体物理可知， 在光源给定的情况下，通过该半导体光吸收片的透射光强随温度的增加而减小。在该图 中采用了恒流源电路激励光源。该测试系统组成时，须将光纤的一端与光电接收点固化 耦合，光纤的另一端与发光二极管固化耦合。这样构成了一个光纤耦合器。敏感元件的 夹入可看成是在耦合器的光纤中部切断置入的。系统组成并通过调试后，光源发出的稳 定光通过输入光纤传到半导体敏感元件，透射光强受到所测温度的调制，并由输出光纤 接收，传到光电探测器(如光电二极管)，转换成电信号输出，从而达到测温的目的。该 系统的温度测量范围为-20~300℃，精度约为3℃，响应时间常数约为2s，能在强电场环 境中工作。 利用光纤构成的传感器还有很多，目前真正实用化的光纤传感器尚不多。主要原因 是噪声源、检测方法、封装和光纤被覆等许多问题需要进一步解决