光导纤维检测技术的探讨

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1982.03.009 北京钢铁学院学报 1982年第3期 光导纤维检测技术的探讨 自动化仪表教研室郝天佑 摘 要 本文从工业过程参数检测的角度叙述了光导纤维在测温、测压、测速及位移检 测方面的应用：文章简要地分析了用光导纤维作为拉测元件时的基本原理和方法， 并从使用的角度对其优点作了扼要的叙述。文章对光导纤维在自动控制系统中作光 信息传输元件进行了初步的介绍，并着重提出在信息传输中抗电磁干扰的突出优 点。同时，从国内光导纤维发展的状况，提出了应进一步发展塑料光纤及红外光纤 的看法。结论指出纤维光学的进一步发展，必将对工业与自动化技术带来极为深远 的影响。 一、前言 光导纤维在激光通信技术中的应用已为众所周知，但是在自动化技术中，作为一种新型 检测元件还不为大家所熟习。本文打算从温度、压力、位移、速度等参数检测方面，对其应 用原理和方法略作论述。 大家知道，光导纤维的种类是很多的，但从材料性质分类，可以简单地分为玻璃纤维与 塑料纤维两大类，从性能角度讲，又可以分为传光和传像两种光纤维。 在研究与分析光导纤维中的光波传播现象时，采用波动理论是一种标准的方法，然而我 们知道，在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间是完全可以采用“光线”（几何光学） 的原理来处理光波的传播现象，因此对于多模纤维（折射率突变型和梯度折射率型），应用 几何光学来分析其导光原理是一种既简便而又有一定精度的分析方法，这样，我们便可以进 行如下的讨论： :依据斯乃尔定律(Snell's1aw)可以看到，光之所以能在光导纤维中传播，是由于 其全反射的原理而实现的。 现以圆柱型纤维平端面子午 光线（即与纤维轴线在同-一 平面内的入射线)入射时的 情形为例，如图1。其中： (n>nz)n:（芯层折射 率)大于nz(包层折射)。 当中角大于Snell定律所规 定的临界角中。时，其出射 图1 91

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 光 导 纤 维 检 侧 技 术 的 探 讨 自动化 仪 表教研 室 郝天佑 摘 要 本 文从 工 业过 程参数 检测 的角度叙述 了光 导 纤维在测 温 、 测 压 、 测速 及 位 移 检 测 方 面 的应 用 文章简要地分 析 了用 光导纤维作为 检 测 元件时的墓 本原 理 和 方 法 ， 并从使 用 的角度对其 优 点作 了扼 要 的叙述 。 文章对光 导纤维在 自动控 制系统 中作 光 信 息传 输元件 进 行 了初 步的介 绍 ， 并着重 提 出在 信 息 传 输 中抗 电滋 干 扰 的 突出 优 点 。 同 时 ， 从 国 内光 导纤维 发展 的状 况 ， 提 出 了应 进 一 步发展 塑料 光纤 及 红 外光 纤 的看 法 。 结论 指出纤维光 学的进 一 步发展 ， 必 将对工 业 与 自动化技术 带来极为深 远 的影 响 。 一 、 前 言 光 导纤维在 激 光通信 技术 中的应 用 巳为众所周 知 ， 但是在 自动 化技术 中 ， 作为一种 新型 检 测元 件还 不为大家所熟 习 。 本文打算从温度 、 压 力 、 位 移 、 速度等参数检 测方面 ， 对其应 用原理 和方 法 略作论 述 。 大 家知道 ， 光导纤维 的种 类 是很 多 的 ， 但从材料性质 分 类 ， 可 以 简单地 分为玻璃 纤维 与 塑 料纤维 两大 类， 从性能 角度讲 ， 又可 以 分为传光和 传像 两种光纤维 。 在研 究 与分析光 导 纤维 中的光 波传播 现象时 ， 采 用 波动 理论是一种 标准的方 法 ， 然 而我 们 知道 ， 在 尺 寸远大于 波长而拆射 率 变化缓 慢 的空 间是完 全可 以 采 用 “ 光 线 ” 几何 光学 的原理来 处理光 波 的传播 现 象 ， 因此 对于多模 纤维 折射率 突 变型 和梯度折射率 型 ， 应 用 几何光学来 分析 其导光原理是一种 既简便 而 又有一定 精度 的 分析方法 ， 这 样 ， 我们 便可 以进 行如下 的讨论 依据斯乃尔定律 ‘ 可 以 看 到 ， 光之所 以 能在光 导 纤维 中传播 ， 是 由于 其全反 射 的原 理 而实 现 的 。 现 以 圆柱型 纤 维 平端 面子 午 光线 即 与纤 维 轴线在 同一 平面 内的 入 射 线 入 射 时 的 情 形为例 ， 如 图 。 其 中 丁 ， 芯层 折 射 率 大 于 包 层 折射率 。 当中角 大 于 定律所 规 定的临界 角 小 。 时 ， 其 出射 月尸 】 曰洲门尸 一 ， 口尸 ，‘ ， ‘ 口 一 、 ，‘ 一 勺 斥叮 门 一一二二 图 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．03．009

光（虚线）全部成为反射光，因而光波即在光导纤维内（芯层）传播 由临界角中。可以推得子午光线在平端面的入射角： ind,mco 一般定义： n。ain0。=√/n-ni=NA· 称N·A·为光导纤维的数值孔径(Nu merical Aperture))。由数值孔径的定义可以 得出如下结论，即只有那些入射角小于0，=arei加：正的子午光线才有可能在光纤 中传播。 以上原理是应用光导纤维于检测技术中的基本依据。 二、光导纤维检测技术 根据光导纤维传光与传象的原理，可以将其分为光纤传光检测和光纤传象检测技术两大 类，本文重点讨论传光检测技术。 传光检测技术 传光检测技术主要是利用光导纤维与被测物发光体耦合，直接传输其光强，并使之与光 电元件耦合，通过光电元件电信号输出的改变反应出被测物光辐射性能的改变。 传光检测技术又可以分为直接入射式与反射入射式两种： 1.直接入射式（图2） 这种方法是直接利用光导纤 入.付针 维传播被测物所发之光波，其用 途有 (1)温度检测（图3） 出射招射 这是一种非接触式的辐射测 温方法，是利用被测物表面辐射 图2 能随温度变化而改变的特性，利用光纤将光（红外）辐射能量传输到温度敏感元件上，在那 里经过处理，再转变成可供记录 和显示的电讯号。 用光导纤维作测温仪表时， 一般可以分为三个部份，即（图 0000 3)光耦合器，光传输及光电耦 合器等。 实践证明，光耦合器与被测 发光表面的耦合效率和光传输是 被测表面 仪表的二个关键部份。 从理论上可以推出【1，光 图3 导纤维前端与被测表面的耦合效率为 92

光 虚线 全 部成为反射 光 ， 因而光 波即在 光导纤维 内 芯层 传播 由临界角小 。 可 以推得 子午光线在平端面 的入 射 角 八 日 。 二 － 日中 。 一 记五 一 般定义 。 苗 。 二 侧 轰一 盖 。 称 。 为光导纤维 的数值孔径 。 由数值孔径 的定义可 以 一端一 得 出如 下结论 即只 有那些 入射 角 小于 。 中传播 。 · 心 的子午光线才有可能在光纤 以 上原理是应 用 光导纤维 于检测技术 中的基 本依 据 。 二 、 光导纤维检测 技术 根据 光 导纤维传光与传象的原理 ， 可 以将其 分为光纤传光检测 和光纤传象检测技术两大 类 ， 本文 重 点讨论传光检测 技术 。 传光检洲 技术 传光检测技术主要 是利 用 光 导纤维 与被测物发光体 藕合 ， 直接传输其 光强 ， 并使 之 与光 电元件辐合 ， 通过光 电元件 电信号输出的改 变反应 出被测物光辐射性能 的改变 。 传光检测技术又可 以 分为直接入射式 与反射入射式 两种 接入射 式 图 这种方 法是直接利用 光导纤 维传播被测 物所发之光 波 ， 其 用 途有 温度检测 图 这 是一种非接触 式 的 辐射测 温方 法 ， 是利 用被测物表面 辐射 少 、 扮离哥吃 能随 温 度变化而改 变的特 性 ， 利用 光纤将光 红外 辐射能量传输到温度敏感元 件上 ， 在那 里 经过处理 ， 再转变成可供 记 录 和显示的 电讯 号 。 用光导纤维 作测 温仪 表 时 ， 一 般可 以 分为三个部份 ， 即 图 光藕合 器 ， 光传输及光 电藕 合器 等 。 实践证 明 ， 光祸合器 与被测 发 光表面 的 藕合效 率 和 光传输是 仪表 的二个关键部份 。 从 理论上 可 以 推 出 〔 ’ ， 光 ’ 一 一 可 一 一 厂 一一 认 时 ， ， 被 测色巴 － 二』 ‘ 生且 竺到 图 导纤维 前端与被测 表面 的祸合效率为

(NA.) n:空气折射率 因而适当增大数值孔径N·A·的数值，有利于耦合效率的提高。 又从光在光纤内部传播时的透过率τ[3！ T=e-as 其中： α：材料吸收系数可表示为入射波长入的函数I2] S:光在光纤中传播轨迹的长度 S=- L U cos a=- V1-(ain0/n。)2 (图4) 当n。=1时 t=c-a-L cos0 可以看出：不适当地加 n 长光纤长度L会增加光辐射 能量的衰减。同时当日=0 时，即垂直入射的光，在同 样条件下衰减最小。 但日角度的大小是受到 n: 光纤数值孔径的限制，即日 的上限为： 图4 0≤0，=arcain N·A no 由前分析可知，增大N·A·可以提高其耦合效率，但是那些入射角0大的光波其传输中 的衰减也会增加。 采用光导纤维进行温度检测具有许多独特的优点，它可以很好地克服一般辐射测温技术 中的干扰，并由于其直径小，可弯曲，因而对于许多工艺有特殊要求的地方，都可以进行准 确地测量。 (2)压力测量： 用光导纤维作压力测量时，一般的方法是通过压力作用于光纤上，使光纤内部的折射率 发生改变，因而使通过光纤的光强度也发生变化，从而达到压力检测的目的（图5），关于 这一点我们可以由如下简要分析 看出： 由光纤与发光体耦合效率 入 光 n=含(NA) 图5 当处于空气介质中时n。=1 n=(NA-)2=√ni-n=ni-n 由公式可见当折射率1，z发生变化时n将发生变化，从而使光纤末端输出的光强以 及使光电耦合元件电信号输出发生变化。 93

。 一 子 一 卫 。 空 气折射率 因而适 当增大数值孔径 · · 的数值 ， 有利于藕合效 率 的提高 。 又从 光在光纤 内部传播时 的透 过 率 丫 一 。 其 中 材料吸 收 系数可表示为入 射波长 入的 函数 【 ’ 光在光纤 中传播轨迹的长 度 生一 二 一一 一一一 一 朋 训 一 日 －。 名 图 当 。 时 一 吃‘ 一 ，入 可 以看 出 不适 当地 加 长光纤长度 会 增加光辐射 能 量 的衰减 。 同时 当 时 ， 即垂直入 射的 光 ， 在 同 样条件下衰减最小 。 但 角度的大 小是受 到 光纤数值孔径 的 限 制 ， 即 的 上限为 图 · 板 。 由前分析可知 ， 增大 · · 可 以提高其辐－合效 率 ， 但 是那些 入 射 角 大 的光 波其传 输中 的 衰减 也会增加 。 采用 光 导纤维进 行 温度检测具有许多独特 的优点 ， 它可以很好地克服一 般辐射测温技术 中的干扰 ， 并 由于其直径 小 ， 可弯 曲 ， 因而对于许 多工 艺有特 殊要求的地 方 ， 都可 以进 行 准 确地测量 。 压力测量 用 光导纤维 作压力测量 时 ， 一 般的 方 法 是通过压力作 用 于 光纤上 ， 使 光 纤 内部 的折射率 发生改 变 ， 因而使 通过光纤的 光强 度也发 生 变化 ， 从 而达 到压 力检测 的 目的 图 ， 关于 这一点我们可 以 由如 下简要分析 看 出 由光纤与发光体 藕合效 率 刀 二 一二 了 、 八 ， 当处于 空气介质 中时 。 · 】 刀 。 亿 圣一 孟 图 盖一 由公式可见 当折射率 ， 发生变化时 刀将发生 变 化 ， 从 而使光纤末端 输出的光强 以 及便光 电辐合元件 电信 号输出发生变化

2.反射入射式（图6） 这种检测方法是将光通过光纤射出，并由被测物体表面反射之后，再由光纤传输回来从 而达到检测的目的，其用途有 (1)转速检测（图7） 入 射 图6 图7 其检测方法是在被测旋转物体的表面，贴上一块对入射波长具有高反射率的物质，物体 旋转时，每当高反射率物质与光纤前端面相遇时，便反射回一束强反射光，从而使光电耦合 输出一脉冲信号，这样每转一圈便输出一个脉冲，从而通过检测脉冲便可以测得转速。 (2)位移检测（图8） 这种检测方法是利用反射光强度的变化，来反应光纤探头与被测物表面的距离。 反射光强度W与距离L之间的关系存在一个峰值（图9），当测量的输出在达到某一峰 值之前与距离成正比，超过这个峰值之后，输出与距离成反比。 峰值的位置决定于照明用光纤与受光用光纤的排列方式，如图10所示照明用及受光用两 种光纤相间排列每四根为一组时，时出曲线的斜率最大。 W 输 峰值 出 照明用 受光用 wnmn 光纤 被测物 距离L 图8 图9 图10 利用这种方法还可以作搬动测量与板型扫描检测。 (3)二相流动中颗粒速度的测量： 在利用多普勒效应的激光测速中，往往对于密闭管道的光传输以及光准直的问题上都是 一个较难解决的问题，然而利用光导纤维与多普勒效应相结合，就能很好地解决这一问题。 另外，利用光导纤维进行二相流颗粒速度测量时，还可用三支光纤并排安装[刀，光源 从中间一支光纤射入，当颗粒通过时，旁边三支光纤便能接收到反射光，经光电转换后可以 94

反射入射式 图 这种检测 方 法是将 光通 过 光纤射 出 ， 并由被 测物体 表面反 射之后 ， 再 由光纤传输 回来从 而达 到检 测 的 目的 ， 其用途有 转速检测 图 入 射 其检测方法是在被测旋 转物体的表面 ， 贴 上一块 对入 射波长具有高反射率 的物质 ， 物体 旋 转时 ， 每肖高反射率 物质 与 光纤前端面 相遇 时 ， 便反 射 回一 束强反 射光 ， 从而使 光 电藕合 输出一脉冲信号 ， 这样每 转一圈便输出一个脉 冲 ， 从 而通过检 测脉 冲便 可 以测得 转速 。 位移检 测 图 这种检测方法是利用反 射光强 度的 变 化 ， 来反应 光纤探头 与被 测物表面 的距 离 。 反射光 强 度 与距 离 之 间 的关系存在一 个峰值 图 ， 当测 量 的输出在 达 到某一峰 值 之前与距 离成正 比 ， 超过这个峰值 之后 ， 输出与距 离成反 比 。 妹值 的位 置 决定 于照 明用 光纤与受 光用 光纤的排列 方式 ， 如 图 所示 照 明用 及受 光用 两 种光纤相 间排列每 四根为一组 时 ， 一 俞出曲线的斜率最 大 。 峰值 输出 被 测 物 距 离 图 图 图 利用这种 方法还 可 以 作振动洲 与板 型 扫描 检侧 。 二相 流动 中颗 粒速度 的 测 量 在利用 多普 勒效应 的激光 测速 中 ， 往往 对于 密 闭管道 的 光传输以 及光准直 的问题 上都 是 一个较难解决 的问题 ， 然 而利用 光 导纤维 与多普勒效应 相 结合 ， 就 能很好地解决这 一问题 。 另外 ， 利用光导纤维进 行二 相 流颗 粒速度测量 时 ， 还可 用三 支光纤并排 安装 〔 ， 光源 从 中间一支光纤射入 ， 当颗粒通过 时 ， 旁 边三 支光 纤便能接 收 到反射 光 ， 经光 电转换后 可 以

求得其频谱图像，依照其相关性，可以求得渡越时间τ，再由反射光纤的间矩L,可求得速度“ 。 由于所使用光纤维直径可以很小，如100~2004m,这样距离L便可以精确地测量，因 而可以大大提高颗粒速度的测量精度。 用这种方法还可以对在滚道上跑动的冷、热轧钢坯进行非接触式速度测量。 (4)微压（压差）测量 微压及微压差力的测量，在检测技术中一直是一个难题，特别是为获得其相应的灵敏度 及可靠性方面存在一些难以解决的问题，采用 光导纤维测量方法可以获得较好的效果。其采 ■4一光源 用的方法是：将一个具有一定反射率且质地柔 PLAP) 入射 光纤 软的反射镜，贴在承受微压（压差）的膜片上， 反射镜 反射 当微压（差）力使膜片发生微小变形时，便会 山射 改变反射镜所反射入光纤的光强，从而测得其 微压（差）力（图11） 图11 据有关资料介绍，这种方法可以得到较高灵敏度。 传像检测技术 光导纤维的传像技术，在军工、医疗器械等方面已有许多广泛的用途，如军工中密码传 输、高空侦察，医疗中的内窥镜等都是光导纤维传像特性的典型应用例子。 在工业过程参数检测方面应用光导纤维的可能性也 是很多的，如像用于： 1.内部结构探测：在工业生产中，我们往往需要 检查一个系统部件的内部结构，而这种系统的内部，由 于各种原因而不能打开直接观察，这时，我们便可以采 用传像纤维束，将其探头放到系统内部须要检测的位 置，另一端为分义的二股纤维束，其中一根为观察时输 入光源，另一根供观察使用（图12）这样我们就能对系 图12 统内部欲观测目标的情况在外部进行监察与照相。 ★ 用上述方法还可以将光导纤维传像束与工业电视 录像机结合起来，以显示某二相流动中腋粒的直径分 摄象机 布71，其方法如图13。这种方法可以通过摄像机获得 光纤 电视标准视频信号，并根据需要由录像机保存信息，这 种时基信号保存了象素的强度和扫描的二维位置信息， 因而可以为用计算机进行综合分析处理提供图像识别信 号，这时摄像管不仅是起图像的放大和再现作用，而且 工业电视 录象机 可以从视频信号中提取特征信息而构成测量电视系统。 二相流 2.物体位移控制：如机械工业中仿形机的跟踪系 图13 95

求得 其频谱 图像 ， 依 照 其相关 性 ， 可 以 求得渡越 时 间 ， 再 由反射光 纤的 间矩 ， 可求得速度 由于所使 用光纤维 直径可 以－很 小 ， 如 件 ， 这 样距 离 便 可 以精确地 测 最 ， 因 而可 以大大提高颗粒 速度的 测 量 精度 。 用这种方法还可 以 对在 滚道 上跑动 的 冷 、 热 轧钢 坯进 行 非接触式璐度训 ， 。 微压 压 差 测量 微压及微压 差力的测 量 ， 在检 测技 术 中一直是一个难题 ， 特 别 是为获得 其 相应 的 灵敏度 及可靠性方面存在一些难 以解决 的 问题 ， 采 用 光导纤维 测量 方法可 以 获得较好 的效果 。 其 采 用 的 方 法是 将 一个具有一定反射率且 质地柔 软 的反 射镜 ， 贴在承受微压 压差 的膜 片上 ， 当微压 差 力使膜片发 生微 小变形 时 ， 便会 改 变反射镜所反 射入 光纤的光 强 ， 从 而测得 其 微压 差 力 图 心 光 抓 图 据有关 资料介绍 ， 这种方 法可 以得 到较高灵敏度 。 传像位沉技 术 光 导纤维 的 传像技术 ， 在 军工 、 医疗器械 等方面 巳有许多广 泛 的 用途 ， 如 军工 中密码传 输 、 高空侦察 ， 医疗 中的 内窥镜等都是光导纤维 传像特 性的典型应 用例 子 。 在工 业过程 参数检测方面应 用光导纤维 的可能 性也 是很 多的 ， 如 像 用 于 内部结 构探 测 在工 业生产 中 ， 我们 往往需要 检 查 一个系统 部件 的 内部结构 ， 而这种 系统 的 内部 ， 由 于 各种原 因而 不 能打 开 直接观察 ， 这 时 ， 我们 便可 以 采 用 传像 纤维 束 ， 将 其探 头放 到系统 内部 须要检测 的 位 置 ， 另一端为分义 的二 股 纤维 束 ， 其 中一根为观察时 输 入光源 ， 另一根 供 观察使用 图 这样 我们 就 能 对系 统 内部欲 观测 目标 的情 况在外部进 行 监察 与照 相 。 ， 妙 ‘弃 图 用 上述方 法 还可 以将 光导纤维 传 像 束与工 业 电视 录像机结 合起来 ， 以 显示 某 二相流动 中 城较 的 径 分 布 ， 其方 法如 图 。 这种 方 法可 以 通 过摄像机获得 电视 标 准视 频信 号 ， 并根 据需要 由录像 机保存信 息 ， 这 种时基信 号保存 了 象素 的强度和扫描 的二维位 置信 息 ， 因而可 以 为用 计 算机进 行综 合 分析 处理提供 图像 识 别信 号 ， 这 时摄像管 不仅是起 图像 的放大 和再现作用 ， 而且 可 以从视 频信 号 中提取特 征信 息而构成 测 量 电视 系统 。 物体位 移 控 制 如机械工 业 中仿形机 的跟踪 系 ’ 鱿戈 、 。 呵’ 图