第9章 光导纤维与光纤传感器

1、第第9章章 光导纤维与光纤传感器光导纤维与光纤传感器l光纤的基础知识l光导纤维的应用l光导纤维的分类及构成l功能型光纤传感器l非功能型光纤传感器9.1 光导纤维基础知识光导纤维基础知识图9-1 光纤的结构示意图光纤由纤芯、包层及外套组成，如图9-1所示。纤芯一般由玻璃、石英或塑料等组成，一般直径为5 150 um。包层的材料也是玻璃或塑料。外套起到保护光纤的作用。 纤芯、包层及外套的折射率关系如下： 纤芯 包层 外套 包层 依据折射率的变化规律，光纤被分为阶跃型和梯度型。阶跃阶跃 剖面剖面 n(r)a n2n1 r 纤 芯图9-2（a）阶跃型多模光纤图9-2(a)所示为阶跃型光纤，纤芯的折射率

2、n1分布均匀，固定不变，不随半径变化。包层内的折射率n2分布也大体均匀。可是纤芯与包层之间折射率的变化呈阶梯状。在纤芯内，中心光线沿光纤轴线传播。通过轴线平面的不同方向入射的光线（子午光线）呈锯齿形轨迹传播。 a n2 n1 r纤 芯图9-2（b）梯度型多模光纤 图9-2(b)所示为梯度型光纤，纤芯的折射率n1不是常数，从中心轴线开始沿径向大致按抛物线规律逐渐减小。因此光在传播中会自动地从折射率小的界面处向中心会聚。光线偏离中心轴线越远，则传播路程越长。传播的轨迹类似正弦波曲线。这种光纤又称自聚焦光纤。 右下图所示为经过轴线的子午光线传播的轨迹。9.1.3 光纤的传输模式光纤的传输模式 在纤芯

3、内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的平面波和沿半径方向（剖面方向）传播的平面波。沿半径方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上将产生反射。如果此波在一个往复（入射和反射）中相位变化为2的整数倍，就会形成驻波。只有能形成驻波的那些特定角度射入光纤的光才能在光纤内传播，这些光波就称为模。 在光纤内只能传输一定数量的模。通常纤芯直径较粗（几十微米以上）时，能传播几百个以上的模，而纤芯很细（510微米），只能传播一个模。前者称为多模光纤，后者为单模光纤。 阶跃型和梯度型光纤为多模光纤。9.1.4 光纤的传光原理光纤的传光原理图9-3(a) 1材料波导3、容量020201fffdkcfdk002fkc 光脉

4、冲的展宽程度可以用延迟时间来反映，设光源中心频率为f0,，带宽为f，某一模式光的传播常数为则总的延时量为 式中，c为真空中的光速，2fkc，。4、抗拉强度 光纤的抗拉强度取决于材料的纯度、分子结构状态、光纤的粗细及缺陷等因素。5、集光本领 光纤的集光本领与数值孔径有密切的关系。数值孔径越大，光纤的集光能力就越强。9.1.6 光纤的耦合 光纤的耦合分为强耦合和弱耦合两种。光纤强耦合是光纤纤芯间形成直通。光纤弱耦合是通过光纤的弯曲，或使其耦合处成锥状。抛磨法熔锥法腐蚀法制作过程近似模型弱耦合理论强耦合理论弱耦合理论将裸光纤固定在石英制成的弧形槽中,进行光学研磨,抛光,将经研磨后的两根光纤拼接在一起

5、, 经透过纤芯-包层界面的消逝场产生耦合将两根裸光纤扭绞一起, 高温加热熔融,同时在熔融过程中拉伸光纤形成双锥型耦合器。用化学方法将光纤腐蚀掉大部分包层, 再把两根腐蚀后的光纤扭绞在一起构成光纤耦合器。 常用的耦合器有3种结构形式。这些耦合器的制作方法如表1所示。表1 光纤耦合器制作方法9.2 光导纤维的应用9.2.1 光纤在直接导光方面的应用利用光纤柔软可弯曲的特点，可按需要制作各种导光器。1、光纤照明器、光纤照明器2、光纤束行扫描器、光纤束行扫描器图9-11 光纤束行扫描原理1-光电探测器；2-物镜；3-Z型导光管；4-转换器；5-条形光源；6-待测物 利用直线-圆环光纤转换器和Z型导光管

6、可以对移动目标实现图像信号的采集，如下图所示。9.2.1 光纤在直接导光方面的应用1、各种内窥镜、各种内窥镜 完成传像功能的光纤制品主要是光纤传像束和硬性光纤器件。医用内窥镜的示意图如图所示，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。照明光是通过图像导管外层光纤照射到被观察物体上，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。2、光纤图像转换器、光纤图像转换器光纤图像转换器原理 在许多场合需要对多处目标进行切换观察，这可采用光纤图像换向系统来实现。如下图所示。它是由目标图像采

7、集系统、图像切换系统，以及观察和记录系统等部分组成。3、光学纤维面板、光学纤维面板 光学纤维面板具有传光效率高，级间耦合损失小，传像清晰、真实，在光学上具有零厚度等特点。最典型的应用是作为微光像增强器的光学输入、输出窗口，对提高成像器件的品质起着重要作用。 光纤面板的应用主要有：像增强器、光纤平像场器、光纤扭像器和光纤锥等。各种光学纤维面板9.3 光纤传感器的分类及构成光纤传感器的分类及构成9.3.1 光纤传感器的分类 光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器；另一类是非功能型传感器。1、功能型光纤传感器、功能型光纤传感器这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不

8、仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。l优点：结构紧凑、灵敏度高。l缺点：须用特殊光纤，成本高。l典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。2、非功能型光纤传感器、非功能型光纤传感器 优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。 缺点：灵敏度较低。 非功能型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤只起传光作用。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。9.3.2 光纤传感器的基本构成 光纤传感器的基本组成除光纤以外，还有光源和光电元件。1、光源、光源 一般选择光源时，根据系统的用途和

9、所用光纤的类型，对光源还要提出功率和调制的要求2、光电元件、光电元件 光纤传感器常用如下4种光电元件作探测器：普通光电二极管、雪崩光电二极管、肖特基光电二极管、光电晶体管，有时也用电荷耦合器件、光电导体和光电倍增管等。9.3.3 光纤传感器的优点1、灵敏度很高。2、良好的安全性。3、抗电磁干扰。4、几何形状适应性强。5、传输频带宽。6、体积小，对测量现场的分布特性影响小。7、耐水性和抗腐蚀性强。8、通常既是信息探测器件，又是传递器件。9.4 功能型光纤传感器功能型光纤传感器9.4.1 相位调制型光纤传感器1、相位调制的原理、相位调制的原理 相位调制的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏

10、感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。 当一束波长为的相干光在光纤中传播时，光波的相位角与光纤的长度L、纤芯折射率n1和纤芯直径d的关系为：Ln12 当光纤受到外界物理量的作用，则光波的相位角变化为： 光光纤纤轴轴应应变变式式中中：LLnnLnLLnLL)(2)(21111利用光的相位变化可测量出温度、压力、加速度、电流等物理量。2、相位调制型、相位调制型利用马赫=泽德干涉仪测量压力或温度的相位调制型光纤传感器组成原理。激光器发出一束相干光经过扩束以后，被分束器分成两束光

11、，分别耦合到传感光纤和参考光纤中。传感光纤被置于被测对象的环境中，感受压力或温度信号；参考光纤不感受被测物理量。这两根单模光纤构成干涉仪的两个臂，在通过光纤耦合器组合起来，以便产生相互干涉，形成干涉条纹9.4.2 光强调制型光纤传感器光纤微弯对传播光的影响 当光线在光纤的直线段以大于临界角入射界面（1c）， 则光线在界面上产生全反射。当光线射入微弯曲段的界面上时，入射角将小于临界角（1c）。此时，一部分光在纤芯和包层的界面上反射；另一部分光则透射进入包层，从而导致光能的损耗。基于这一原理，研制成光纤微弯曲传感器光纤微弯曲位移（压力）传感器原理图9.5 非功能型光纤传感器9.5.1 传输光强调制

12、型光纤传感器 传输光强调制型光纤传感器，一般在输入光纤与输出光纤之间放置有机械式或光学式的敏感元件。半导体吸收式光纤温度传感器结构图 当温度发生变化时半导体光吸收片的透光率会发生变化，透过半导体的光强也会随之变化。通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变化。9.5.2 反射光强调制型光纤传感器膜片反射型光纤压力传感器 Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。 探测器光源被测面被测面传输光纤传输光纤接收光纤接收光纤反射式位移传感器反射式位移传感器 反射式位移传感器 ，其基本原理如图所示

13、。光源发出的光通过光纤射向被测物体，其反射光由接收光纤收集，送到探测器，接收光强将随着反射物体表面与光纤探头端面的距离变化。通过信号处理得到光纤端面与被测面之间距离的变化（位移）。 9.5.3 频率调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器的调制原理是光学多普勒效应 在上图中S是光源，P为运动物体，而Q是观察者所在的位置。物体P的运动速度为V，P的运动方向与PS的夹角为1， P的运动方向与PQ的夹角为2。则从S射出的频率为f1的光，经过运动物体P散射，观察者在Q处观察到的频率为f2，根据多普勒原理得V21121coscosvffc激光多普勒光纤测速系统 当激光沿着光纤投射到测速点A时，被测物体的散射光与光纤端面的反射光（起参考光作用）一起沿着光纤返回。为消除从发射透镜反射回来的光，在光电探测器前边装一块偏振片R，使光电探测器只能检测出于原来光束偏振方向相垂直的偏振光。这样，频率不同的信号光与参考光共同作用在光电探测器上，并产生差拍。形成的光电流经频谱分析处理求出频率的变化，进一步可算