光纖傳感器的原理及應用

葛曉靜 聶帥華

（華中師范大學信息技術系，湖北武漢430079）

1.前言

光纖是20世紀70年代發展起來的一種新興的光電子技術材料，它與激光器、半導體光電探測器一起形成了光電子學。光纖的研究最初是為了通訊的需要，后來把光纖通訊、直接信息交換和把待測量與光纖內部的導光聯系起來，形成了光纖傳感器。光纖傳感器具有靈敏度高、響應速度快、動態范圍大、抗電磁干擾能力強、超高電絕緣、防燃防爆、安全性能高、成本低、體積小、使用方便等優點。光纖傳感器可實現的傳感物理量很廣，廣泛應用于對磁、聲、力、溫度、位移、旋轉、加速度、液位、應變、光、傳像及某些化學量的測量等，應用前景十分廣闊[1]。

2.光纖的基本知識

2.1 光纖的定義及結構

光導纖維簡稱光纖，它是一種介質圓柱光波導。所謂“光波導”是指以光的形式出現的電磁波能量利用全反射的原理約束并引導光波在其內部或表面附近沿軸線方向傳播的傳輸介質。

光纖是一種特殊結構的光學纖維，是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細絲。纖芯的折射率比包層稍高，損耗比包層更低，光能量主要在纖芯內傳輸。包層為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起一定的機械保護作用。

2.2 光纖傳光原理

在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，并隨著光纖能傳送很遠的距離，光纖的傳輸是基于光的全內反射。設有一段圓柱形光纖，如下圖1所示，他的兩個端面均為光滑的平面。當光線射入端面并與圓柱的軸線成角θi時，在端面發生折射進入光纖后，又以φi角射入纖芯與包層的界面，光線有一部分透射到包層，一部分反射回纖芯。但當入射角θi小于臨界入射角θc時，光線就不會透射出界面，而全部被反射，光在纖芯和包層的界面上反復逐次全反射，呈鋸齒波形狀在纖芯內向前傳播，最后從光纖的另一端射出，這就是光纖的傳光原理[2]。

根據斯涅耳（Snell）光的折射定律，由圖1可得：

式中，n0為光纖外界介質的折射率。

圖1 光纖傳光原理

若光在纖芯和包層的界面上發生全反射，則界面上的光線臨界折射角φc=90°，即φ′≥φc=90°。而

當φ′=φc=90°時，有

所以，為滿足光在光纖中的全內反射，光入射到光纖端面的入射角θi應滿足

3.光纖傳感器

3.1 光纖傳感器的基本原理及組成

光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖或非光纖的）、光探測器、信號處理器系統以及光纖等組成。

光纖傳感器的基本原理是將來自光源的光經過光纖送入調制器，使待測量參數與進入調制區的光相互作用后，導致光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等）發生變化，成為被調制的信號光，再經過光纖送入光探測器，經解調器解調后，獲得被測參數。

3.2 光纖傳感器分類[3]

3.2.1 強度調制光纖傳感器

強度調制光纖傳感器的基本原理是：待測物理量引起光纖中傳輸光的光強變化，通過檢測光強的變化實現對待測量的測量。待測量作用于光纖敏感元件，使通過光纖的光強發生變化。設輸入光強為恒量Iin，輸出光強為Iout，即待測量對光纖中的光強度產生調制。可直接連接光探測器變成電信號（即調制的強度包括電信號）。

3.2.2 相位調制光纖傳感器

相位調制光纖傳感器的基本原理是：通過被測能量場的作用，使光纖內傳輸的光波相位發生變化，再用干涉測量技術把相位變化轉換為光強變化，從而檢測出待測的物理量。所有能夠影響光纖長度、折射率和內部應力的被測量都會引起相位變化，如應力、應變、溫度和磁場等外界物理量。但是，目前的各類光探測器都不能探測敏感光的相位變化，必須采用干涉測量技術，才能實現對外界物理量的檢測。與其他調制方式相比，相位調制技術由于采用干涉技術而具有很高的檢測靈敏度。常用的干涉儀有四種：邁克爾遜、馬赫—琴特、法布里—珀羅和薩格耐克。它們的共同點是：光源發出的光都要分成兩束或更多束的光，沿不同的路徑傳播后，分離的光束又重新匯合，產生干涉現象。

3.2.3 偏振態調制光纖傳感器

利用光波的偏振性質，可以制成偏振調制光纖傳感器。偏振調制主要是利用光纖的磁光效應、彈光效應等物理效應來實現外界信號對光纖中光波偏振的調制。磁光效應導致旋光現象，彈光效應導致雙折射。在許多光纖系統中，尤其是包含單模光纖的系統，偏振起著重要作用。光纖偏振調制技術可用于溫度、壓力、振動、機械形變、電流和電場等檢測。目前主要是用于檢測強電流。

3.2.4 分布式光纖傳感器

為獲得呈一定空間分布的場，如溫度場、壓力場、應力場等比較完整的信息，需要采用分布調制的光纖傳感系統。所謂分布調制，就是外界信號場（被測場）以一定的空間分布方式對光纖中的光波進行調制，在一定的測量域中形成測量信號譜帶，通過檢測（解調）調制信號譜帶即可測量出外界信號場的大小以及空間分布。

4.光纖傳感器的應用

4.1 光纖加速度傳感器

光纖加速度傳感器[4]的組成結構如下圖2所示。它是一種簡諧振子的結構形式，激光束通過分光板后分為兩束光，透射光作為參考光束，反射光作為測量光束。當傳感器感受加速度時，由于質量塊M對光纖的作用，從而使光纖被拉伸，引起光程差的改變。相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束匯合產生干涉效應。激光干涉儀干涉條紋的移動可由光電接收裝置轉換為電信號，經過信號處理電路處理后便可以正確地測出加速度值。

4.2 光纖溫度傳感器

光纖溫度傳感器[4]根據其工作原理可分為相位調制型、光強調制型和偏振光型。這里介紹的是一種光強調制型的半導體光吸收型光纖傳感器，其結構原理圖如下圖3所示。傳感器由半導體光吸收器、光纖、光源和包括光探測器在內的信號處理系統等組成。光纖用來傳輸信號，半導體光吸收器是光敏感元件，在一定的波長范圍內，它對光的吸收隨溫度T變化而變化。半導體材料的光透射率特性曲線隨溫度的增加向長波方向移動，如果適當的選定一種在該材料工作波長范圍內的光源，那么就可以使透過半導體材料的光強度隨溫度而變化，探測器檢測輸出光強的變化即達到測量溫度的目的。

圖2 光纖加速度傳感器結構簡圖

圖3 光強調制型的光纖溫度傳感器結構原理圖

4.3 光纖圖像傳感器

光纖圖像傳感器[3]是采用傳像束來完成的，傳像束由玻璃光纖按一定規則排列而成。在一條傳像束中，包含了數萬甚至幾十萬條直徑為10～20μm的光纖，每條光纖傳送一個像元信息。用傳像束可以對圖像進行傳遞、分解、合成和修正。傳像束式的光纖圖像傳感器在醫療、工業、軍事等部門有著廣泛應用。

4.3.1 工業用的內窺鏡

在工業生產中，經常需要檢查系統內部結構情況，而這種結構由于各種原因不能打開或不能靠近觀察，采用光纖圖像傳感器，將探頭放入系統內部，通過光束的傳輸，可以在系統外部觀察、監視系統內部情況，其原理圖如下圖4所示。它由物鏡、傳像束、傳光束、目鏡組成。光源發出的光通過光束照射到被測物體上，照明視場，通過物鏡和傳像束把內部結構圖像送出來，以便觀察或照相。

圖4 工業用內窺鏡

4.3.2醫用內窺鏡

醫用內窺鏡的示意圖如下圖5所示。它由末端的物鏡、光纖圖像導管、頂端的目鏡和控制手柄組成。照明光是通過圖象導管外層光纖照射到被觀察物體上的，反射光通過傳像束輸出。由于光纖柔軟，自由度大，末端通過手柄控制能偏轉，傳輸圖像失真小，因此，它是檢查和診斷人體內各部位疾病和進行某些外科手術的重要儀器。

圖5 醫用內窺鏡示意圖

5.結束語

本文介紹了光纖和光纖傳感器的概念等基礎知識，并重點介紹了光纖傳感器的原理及其在各方面的廣泛應用。光纖傳感器的應用遠不止于此，除了上述應用之外，纖傳感器在全光網絡安全、延長油田使用、生物傳感、物聯網等各方面也有重要應用，并且我們相信光纖傳感器還會得到進一步的發展，應用到人們生活的方方面面。

[1] 周繼明，江世明.傳感技術與應用[M].長沙：中南大學出版社，2005.

[2] 錢顯毅.傳感器原理與應用[M].南京：東南大學出版社，2008.

[3] 孟立凡，藍金輝.傳感器原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2007.

[4] 郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應用（第二版）[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.