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光纤传感器传感器技术与应用论文光纤传感器班级：电科1012学号：1020108201 1020108202姓名：吴明亮 蒋凤俊指导老师：王俭 目 录一、摘要 3二、序言 3三、光导纤维的结构与分类 3四、光纤传感器的类型与原理 5 1、光纤传感器的类型 5 2、光纤的传光原理 7 3、光纤传感器基本原理 8五、光纤传感器在测量位移中的应用 16六、总结 19一、摘要给出一个应用于光纤位移传感器的电路设计实例。 叙词:电路 传感器 光纤A Practical Circuit for Photo Optic Fiber SensorsDept. of Sciences, Northern China Institute of Technology, Taiyuan 030051.Abstract: T his paper presents a practical circuit for photo optic fiber sen-sors.Key Words: Circuit, Sensor, Photo Optic Sensor. 二、序言光纤传感器技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而形成的一门崭新的传感技术。光纤传感器的传感灵敏度要比传统传感器高许多倍，而且它可以在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性等很多特殊情况下正常工作，还可以与光纤遥感、遥测技术配合，形成光纤遥感系统和光线遥测系统。光纤传感技术是许多经济、军事强国争相研究的高新技术，它可以应用于国民经济的很多领域。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。光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤在有线通信方面的优势越来越突出，它为人类21世纪的通信基础信息高速公路奠定了基础，为多媒体通信提供了实现的必需条件。由于光纤具有许多新的特性，所以不仅在通信方面，在传感器等方面也获得了应用。三、 光导纤维的结构与分类光导纤维，简称光纤，光纤是用光透射率高的电介质（如石英、玻璃、塑料等）构成的光通路。光线的结构如图1所示，图1 图2它由折射率n1较大（光密介质）的纤芯，和折射率n2较小（光疏介质）的包层构成的双层同心圆结构。如图2光纤是一种多层介质结构的对称圆柱体，是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的，包括纤芯、包层和涂敷层, 光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质，机械强度取决于塑料保护外套。它的外形与结构（如图3）纤芯材料的主体是二氧化硅，里面掺入很微量的其他材料（如二氧化锗、五氧化二磷），掺杂其他材料的目的是为了提高材料的光折射率。纤芯的直径是575m。纤芯外面为包层，可以是一层、二层或者（内外包层）更多层结构，总直径为100200m。包层的材料一般用二氧化硅，为了降低包层对光的折射率，也可掺入其他微量元素。外层材料对光纤起保护作用，并增加机械强度；外层加装不同颜色的塑料套管，除起保护作用外，还可以方便的辨认不同的光纤型号。 图3 图4光纤传感器的基本组成：光纤传感器主要包括光导纤维、光源、光探测器三个重要部件。光源 分为相干光源(各种激光器)和非相干光源(白炽光、发光二极管)。实际中，一般要求光源的尺寸小、发光面积大、波长合适、足够亮、稳定性好、噪声小、寿命长、安装方便等。光探测器 包括光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管、光电池等。光探测器在光纤传感器中有着十分重要的地位，它的灵敏度、带宽等参数将直接影响传感器的总体性能。四、 光纤传感器的类型与原理1.光纤传感器的类型一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，称为功能型传感器（或传感型光纤传感器）;如图4其原理是外界因素使得光纤中传输光波的相位发生变化进而改变出射光、干涉光的强度，以此达到测量目的。=2/0nl 式中，为光在真空中的波长0，n为光纤纤芯的折射率，l为光在光纤中传播的距离。 一般通过外界因素可改变n和l进而可改变相位,而相位和出射光光强 I密切相关，从而改变出射光光强。光纤在这类传感器中主要是用单模光纤，它不仅仅是传光元件，而且利用光纤本身的某些特性来感知外界因素的变化，所以它又是敏感元件，因此改变几何尺寸和材料性质可以改善灵敏度。传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器要简单，因为光纤是连续的，可以少用一些光耦合器件。但为了光纤能够接受外界物理量的变化，往往需要采用特殊光纤来做探头，这样就增加了传感器的制造难度。另一类是光纤仅仅起传输光波的作用，必须在光纤端部或中间加装其它敏感元件才能构成的传感器，称为传光型传感器（非功能型传感器）（如图5、6）。传光型光纤传感器主要是强度调制型光纤传感器，其基本原理是待测物理量引起光纤中传输光的光强I变化，通过检测光强 I的变化来实现对待测物理量的测量。强度调制的特点是简单、可靠、经济、强度调制方式很多，主要有反射式强度调制和透射式强度调制。 图5 图6为了获得较大的受光量和传输光的功率，在传光型光纤传感器中使用的光纤主要是数值孔径和芯径较大的阶跃型多模光纤。光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的感觉功能是依靠其他物理性质的功能元件来完成的。传感器中的光纤不是连续的，其间有中断，中断部分要接上其他介质的敏感元件来完成。传光型光纤传感器主要利用调制器中优质的敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度，传光介质是光纤，所以采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求。传传光型光纤传感器占了光纤传感器的绝大多数。2.光纤的传光原理当光线由光密媒质(折射率n1)射入光疏媒质(折射率n2，n1n2)时，若入射角大于等于临界角sin1(n2/n1)，在媒质界面上会发生全反射现象（如图1）。光在光纤中传播的基本原理可用光线或光波的概念来描述。光线的概念是一个简便、近似方法，可用来导出一些重要概念，如全反射的概念、光线截留的概念等。然而，要进一步研究光的传播理论，将光看作射线就不够了，必须借助波动理论。即需要考虑到光是电磁波动现象以及光纤是圆柱形介质波导等，才能研究光在圆柱形波导中允许存在的传播模式，并导出经常要提到的波导参数(V值)等概念。以阶跃型多模光纤为例，在子午面内光线从空气(折射率n0)射入光纤端面，与轴线的夹角为0，若入射角小于某一值c，光线在纤芯和包层的界面上将发生全反射，光线射不出纤芯，从而能够从光纤的一端传播到另一端，这就是光纤传光的基本原理。如图2由Snell（斯涅尔）定律得n1sin1 = n2sin2即 若要使入射光线在纤芯和包层的界面上发生全反射，由临界角定义，应满足代入得 能是光线在光纤内全反射的最大入射角c可由上式求得，即式中，NA称为光纤的数值孔径，它表示当入射光从外部介质射入光纤时，只有入射角小于c的光才能在光纤中传播。NA与光纤的几何尺寸无关，仅与纤芯和包层的折射率有关，纤芯和包层的折射率差别越大，数孔直径就越大，光纤的集光能力就越强。石英光纤的NA=0.20.4。3.光纤传感器基本原理光纤是利用光的全反射原理来引导光波的。当光波在光纤中传输时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)，会由于被测叁量(温度、压力、加速度、电场、磁场等)对光纤的作用而搜生变化，从而引起光波的强度、干涉效应、偏振面发生变化，使光波成为被调制的信号光，再经过光探测器和解凋器从而获得被测参量的参数。 光纤传感器可以按传感原理分为两类，一类称为功能型传感器，它的光纤对被测信号兼有敏感和传输的作用，即它具有传与感台的特点。另一类称为非功能型传感器，它的光纤仅起传输的作用，而对被测信号的感觉则是利用其他光学敏感元件来完成的。光纤传感器还可以按光波在光纤中被调制的原理分为：光强调制型、相位调制型、偏振态凋制型和波长调制型等几种形式。下面介绍这几种光纤传感器的应用原理及其基本特点。31光强调制型 这是一种利用被测量的变化引起光纤中的光强发生变化的光纤传感器。能够引起光纤中光强发生变化的因素有；改变光纤的徽弯状态，改变光纤对光波的吸收特性，改变光纤包层的折射率。下面分别讨论利用以上三个因素制成的光强调制型光纤传感器的应用原理。31 .1改变光纤的微弯状态 利用微弯效应制成的光纤位移传感器的原理如图1。它是利用多模光纤在受到弯曲时，一部分芯模能量会转化为包层模式能量这一原理，通过测包层模式能量的变化来测量位移。例如：利用这一原理制成的光纤报警器，其基本原理是光纤呈弯曲状织于地毯中，当有人站在地毯上时，地毯弯曲状加剧，引起光纤光强变化，产生报警信号。研制这类传感器的关键在于确定变形器的最佳结构，最佳结构一般通过实验确定。3.1.2 L 2改变光纤对光波的吸收特性 x射线和y射线会使光纤材料的吸收损耗增加，从而使光纤输出功率减小。利用这一原理可以制成光纤辐射传感器，用于核电站大范围的监测。与此类似的还有光纤紫外光传感器。紫外光照射会使光纤激发荧光，由荧光强弱探测紫外光强。这一类传感器的关键是要制作特殊光纤。3.1.3改变光纤包层的折射率 图2是一种全内反射光纤传感器原理图。它的光纤端面的角度被磨成恰好等于临界角。从纤芯输入的光将从端面全反射，经反射镜再沿原路返回输出。当被测参量(折射率、浓度、温度等)发生变化时，光纤端面包层的折射率发生变化，全反射的条件被破坏，因而输出光强下降。由此原理可制成光纤液体浓度传感器，光纤折射率计等。32相位调制型 这类传感器的基本原理是利用被测参量对光学敏感元件的作用，使敏感元件的折射率、传感常数或光强发生变化，从而使光的相位随被测参量而变，然后用干涉仪进行解调，即可得到被测参量的信息。用以上原理制成的光纤干涉仪可测量地震波、水压(包括水声)、温度、加速度、电流、磁场等，并可检测液体、气体的成分。这类光纤传感器的灵敏度很高，传感对象广泛(只要能对干涉仪中的光程产生影响均可以传感)，但是需要特种光纤。这主要是针对光纤干涉仪中为获得干涉效应要采用单模光纤，最好采用“双折射率”单模光纤，并且为了使光纤干涉仪对被测物理量进行“增敏”，对非被测物理量进行“去敏”，需对单模光纤进行特殊处理，以满足测量不同物理量的要求。图3是Michelson光纤干涉仪，它利用一个光纤定向耦合器构成双光束干涉仪，两光纤之一为参考臂，另一为传感臂。被测参量的变化可直接引起干涉仪中传感臂光纤的长度L(对应于光纤的弹性变形)和折射率发生变化，从而引起光纤中光波相位的变化。若把磁致伸缩材料或压电材料固定在传感臂上，则可利用它们对光纤引起的压力变化来测量弱磁场或弱电场。若在传感臂上镀上金属薄膜，则可利用电流的热效应来测量电流。33偏振态调制型 被测参量可使光纤中光波的偏振态发生变化，检测该种变化的光纤传感器称为偏振态调制型。最典型的是测量大电流用的光纤电流传感器。基本原理是利用光纤材料的法拉第效应，即光纤处于磁场中，磁场使光纤中光波的偏振面旋转，旋转角口与磁场强度H、磁场中光纤的长度L满足：e=Km，K为光纤材料系数。由长直载流导线在周围空间产生 的磁场HI2积(R是光纤与载流导线问的垂直距离)，则口一KLI2椒只要测出日，L，R即可求出导线中的电流。图4为其原理图。这种测电流的方法测量范围大、灵敏度高、与高压线无接触，使输入输出端实现了电绝缘。但是目前实际测量还存在一些问题，主要是受外界温度、压力变化等影响，光纤本身会产生双折射效应，从而引起测量误差。 光纤传感技术分为传光型光纤传感技术和传感型光纤传感技术。光纤传感技术的核心是光纤传感器，相应的光纤传感器也分为传感型光纤传感器和传光型光纤传感器。3.4传感型光纤传感器原理 传感型光纤传感器也称功能型光纤传感器，光纤既传光又传感而且还充当敏感元件 对于传感型光纤传感器而言，当光在光纤中传播时，被测对象或外界因素作用在光纤上，会使光纤中传输光的振幅相位，波长和偏振态等发生改变。此过程为光波的调制。把调制后的光波经光纤传输到光电探测器解调后转换成电信号输出，传感型光纤传感器的原理比传光型光纤传感器的原理复杂。传感型光纤传感器中应用最多的是相位调制型光纤传感器或干涉型光纤传感器。其原理是外界因素使得光纤中传输光波的相位发生变化进而改变出射光、干涉光的强度，以此达到测量目的。 式中，为光在真空中的波长 ，n为光纤纤芯的折射率，l为光在光纤中传播的距离。 一般通过外界因素可改变n和l进而可改变相位,而相位和出射光光强 I密切相关，从而改变出射光光强。 常用的干涉型光纤传感器有Michelsion干涉式光纤传感器,Mach-Zehnder干涉式光纤传感器、Fabry-perot(F-P)干涉式光纤传感器、Sagnac干涉式光纤传感器和Fizeau干涉式光纤传感器等.干涉型光纤传感器是光纤传感与测量技术高精度测量中的最佳选择。3.5传光型光纤传感器原理 传光型光纤传感器也称非功能型光纤传感器或强度调制型光纤传感器。光纤主要起传输光波的作用，在光纤中间或端部加敏感元件。其主要由光源光纤、光调制器、敏感元件、光电探测器和检测电路等组成。传光型光纤传感器主要是强度调制型光纤传感器，其基本原理是待测物理量引起光纤中传输光的光强I变化，通过检测光强 I的变化来实现对待测物理量的测量。强度调制的特点是简单、可靠、经济、强度调制方式很多，主要有反射式强度调制和透射式强度调制。3.5.1反射式强度调制型光纤传感器 图5是反射式强度调制原理示意图。 图5 反射式强度调制原理图设输入光纤输出的光强为则输出光纤接收的光强I为式中，r为输入光纤纤芯半径，d是移动反射器的反射面到输入（输出）光纤端面的距离，是输入光纤的最大出射角，为移动反射器的反射率，为光源种类及光源与光纤耦合情况有关的调制参数。 移动反射器改变，就可以改变输出光纤接收光强I的大小。3.5.2透射式强度调制型光纤传感器 图2是透射式强度调制原理示意图。图2中，通过移动接收光纤方向改变d与y来改变发送光纤与接收光纤端面重合面积的大小， 就可以改变接收光纤接收光强I的大小。式中，为光源耦合入发送光纤中的光强，d为发送光纤端面至接收光纤端面间的距离，为光纤折射率分布的相关参数，阶跃型光纤。五、 光纤传感器在测量位移中的应用光纤位移传感器中光纤采用Y型结构, 即两束光纤的一端合并为光纤探头,另一端分叉为两束,分别为光纤入射臂和光纤出射臂,光纤只起传送光信号的作用。其传感器结构如图1所示。图7 传感器结构图当光源发出光经光纤入射臂照射到位移反射体上后, 被反射的光又经光纤出射臂输出, 被光敏器件接收。其出射光强决定于反射体距光纤探头的距离, 位移改变则输出光强作相应的变化。通过对输出光强的检测而得到位移量。二、电路设计1. 设计要求在光纤传感器中电路由两部分组成, 即光源驱动电路和光接收电路。电路设计中发光光源和光接收器件的选择尤为重要。要依据3个原则:( 1) 在传感器构造设计方面 光源和光接收器件要易于和光纤耦合, 由于光纤芯径较细, 故光源和光接收器件体积要小。( 2) 在光纤输出获得的信号方面 光源要工作稳定, 亮度高。( 3) 从光在光纤中传输损耗上讲 光源的峰值波长应接近光纤的零色散波长, 光接收器件的峰值响应也应与之匹配。本电路采用近红外半 导体发光二极管 ( LED) 作为光源, 以具有电流放大作用的光敏三极管作为光接收器件。2. 光源驱动电路以半导体发光二极管 LED 作为光源, 基本工作电路有直流驱动和脉冲频率调制驱动两种形式。直流驱动电路简单, 由直流电源、 限流电阻和 LED 串联而成。LED 发光亮度的稳定性依赖于通过它的电流。在直流驱动中所用直流电源电压的不稳定将导致 LED 发光的不稳定。因此在光亮度要求稳定的光学测试中不采用直流驱动, 它仅适用于作为显示器件的场合。本文采用脉冲频率调制驱动电路, 这样不仅可使 LED 发光稳定, 而且在光接收电路设计上容易实现, 以消除周围光和光学上的外部干扰。其电路原理如图8所示。图8脉冲产生部分是以 IC 及外围阻容元件组成的方波发生器。R3 和 C1 组成有延迟的反馈网络, 电容 C1 上的电压即为反馈电压。 稳压管 Z 对输出电压起限幅作用, 同时对后边开关三极管的基极电位进行牵制, 以使集电极电流即流过 LED 的电流稳定。脉冲频率组成的方波发生器。脉冲频率由下式决定:本 文 取 f = 1000Hz, C1 为 标 称 值 0. 1F, 经计算其它元件值均标在图上。3. 光接收电路光接收电路由光电转换、前置放大和滤波三部分组成。电路原理如图下所示。选用带基极引线的光敏三极管, 有利于脉冲调制光的探测, 因为第一, 接入基极电阻 可以减小光敏三极管的发射极电阻, 改善弱光下的频率特性和响应时间, 同时对光敏三极管的温度特性进行补偿。第二, 可以使光敏三极管的