光纤传感器

光纤传感器 光纤温度传感器 

2.1         概论

2.1.1  概况

2.1.1.1            光纤传感器技术的概况及其特点

1.       概况：1977美国海军研究所开始执行光纤传感器系统的研究计划，美国发展最快。目前 主要在以下方面开展研究：光纤传感器系统、现代数字光纤控制系统、光纤陀螺、核辐射监控、航空航天发动机监控、民用研究计划。英国在特殊光纤方面卓有成效。日本投入巨额资金开发用于大型工厂的生产过程的检测、传输和控制光纤传感器。

2.       发展方向：

1)       特殊光纤研制。

2)       提高元器件的性能核稳定性，逐步达到商品化。

3)       多点检测、遥测、分布式光纤传感器系统。

4)       新型原理的光纤传感器。

3.       特点：灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、不受电磁干扰、易于屏蔽、光路可绕曲、易于与微机连接、便于遥测、结构简单、体积小、重量轻、耗电少。

2.1.1.2            光纤传感器的组成和分类

1.       组成：光源、光纤、光探测器件

2.       分类：

1)     按光纤所起的作用：功能型传感器、传光型传感器。

光纤传感器在传感器家族中是后起之秀，它凭借着光纤的优异性能而得到广泛的应用，是在生产实践中值得注意的一种传感器

随着密集波分复用 DWDM 技术、掺铒光纤放大器 EDFA 技术和光时分复用 OTDR 技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，已迅速成长为年成交额超过 10 亿美金，并预计将于 2010 年拥有超过 50 亿美金市场的产业。每年由美国光学工程师学会 (OSA) 主办的光纤传感国际会议（ OFS ）及时报道着光纤传感领域的最新进展，并对光纤传感及其相应技术进行有益的研讨。

当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术的原理性研究仍处于相当重要的位置。由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已相当成熟，可靠性和成本已得到公认，并已经被广泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知的。而 那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势， FBG 和其它的光栅类传感器就是一个最好的例证。当前的原理性研究热点集中于光纤光栅（ FBG 和 LPG ）型传感器和分布式光纤传感系统两大板块。

FBG 型光纤传感器自发明之日起，已走过了原理性研究和实验论证的百家争鸣阶段。目前成熟的 FBG 制作工艺已可形成小批量生产能力，而研究的焦点也转向解决高精度应用，完善解调和复用技术，以及降低成本等几个方向上。另一方面，由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性，使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件，因此，分布式传感成为光纤传感器与生俱来的优点。

 2)     调制手段：强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制、波长调制。

3)     被测量：位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动、应变、电压、电流、磁场、化学量、生物量。

2.1.2  光纤传感器基础

2.1.2.1            光纤及光在其中的传输

l         光纤的结构和基本原理：

光纤结构：纤芯n₁、包层n₂、护套。n₁ >n₂

l   光纤的传输特性

n₀sinθ₀=n₁sinθ₁

数值孔径：NA=sinθ_c=

          θ_c:临界入射角

归一化频率：v=2πaNA/λ

2.1.2.2            光源、光探测器

l   光纤传感器的光源：大多采用相干光源（激光器）

半导体激光器

氦氖激光器

固体激光器

l   光纤传感器用光探测器

光电子发射效应（外光电效应）：发射电流与阴极所吸收的光通量成正比；发射出的光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大。光电管、光电倍增管。

光导效应（内光电效应）：本征光电导；杂质光电导。光敏电阻。

光生伏特效应：势垒效应产生的光生伏特效应；体积光生伏特效应。光电池、太阳电池、光敏二极管（光导和光生伏特的联合）、光敏三极管（光敏二极管和普通三极管的结合）。

2.1.3   光调制技术

2.1.3.1            光强度调制型：用被测对象引起光纤中光强度的变化实现对被测对象的检测。

分为内调制型和外调制型两种

外调制型：光纤仅起传光作用，光纤本身特性不改变，调制过程发生在光纤以外的环节。属于传光型传感器。动光纤式、动光闸式、反射式等。

内调制型：调制过程发生在光纤内部，是通过光纤本身特性的改变来实现光强度的调制，属于功能型光纤传感器。有两种途径：

1)       改变光纤的几何形状，从而改变光线的传播入射角。

2)       改变光纤纤芯或包层的折射率。如采用电光材料、磁光材料、光弹性材料等。微弯效应等

2.1.3.2            光相位调制型：

被测量（温度、压力、张力、磁场等）通过影响光纤（一般采用单模光纤）长度、折射率和内部应力引起光的相位变化，需采用光的干涉技术（干涉仪）检测相位变化。如：光纤干涉仪悬臂梁测试装置、相位调制型光纤电流传感器、相位调制型光声气体探测光纤传感器、相位调制型位移探测光纤传感器。

干涉测量技术：3dB耦合器：将光纤中的光能分为两个相等的部分，并将每一部分耦合进一根单独的光纤中去，在设计上是把输入功率的50%分配给每一条输出通道。常用的有四种干涉仪。

迈克尔逊干涉仪(Michelson)：

马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnder)：

萨格纳克干涉仪(Sagnac)：

法布里-泊罗干涉仪(Fabry-Perot)：

2.1.3.3            光偏振态调制型：

被测量引起（单模）光纤中的偏振光的偏振状态发生变化。如：应用（法拉第）磁旋效应做成的高压传输线用的光纤电流传感器、电压传感器、磁感应传感器。应用的效应有：

法拉第（Faraday）效应：平面偏振光通过带磁性的透光物体或通过在纵向磁场（磁场方向与光传播方向平行）作用下的非旋光物质时，其偏振光面发生偏转的现象。从物体端面射出的合成偏振光的偏转角度θ=KHl

磁光克尔（Kerr）效应：平面偏振光垂直入射于抛光的强电磁铁的磁极表面，所产生的反射光是一束椭圆偏振光，且偏振面偏转角度随磁场强度而变化。

科顿-蒙顿(Cotton-Mouton)效应：当光线垂直于磁场的方向照射液体时，液体分子在外磁场的作用下形成一定规律的排列，而呈现双折射特性，即一束入射光变为寻常和非常两束出射光。⊿n=C′λH².

泡克耳斯（Pockels）效应：平面偏振光沿着处在外电场内的压电晶体的光轴传播时发生双折射现象（称为电致双折射），两个主折射率之差与外电场强度成正比。25*10⁹Hz。

电光克尔（Kerr）效应：光照具有各向同性的透明物质，在与入射光垂直的方向上加以高电压将发生双折射现象，即一束入射光变成正常和异常两束出射光，⊿n=KE²,10^-8s.

光弹性效应：弹性体产生应变时，弹性体的折射率发生变化，呈双折射性质。

2.1.3.4            光频率调制型：

一般为传输型传感器。主要应用多谱勒现象。应用有医学上的血液流动测量。

光（波）的多普勒（Doppler）效应：当光波源或观察者（光接收者）相对于介质（或散射体、反射器）运动时，观察者所接收到的光波频率不同于光波源的频率，两者接近时，接收到的频率增大，反之，则减少的现象

f=f₀(1±v/c cosθ)   c>>v时

2.1.3.5            光波长（颜色）分布调制型：

外界物理量通过传感元件，使光纤中光的波长发生相应变化的过程。应用较少，一般需分光仪。

2.1.3.6            时分调制型：

外界物理量通过不同传感元件，使光纤中的基带频谱的延迟时间及幅度发生相应变化的过程。主要用于分布式光纤传感器中的位置分布检测。

2.2         光纤位移传感器

2.2.1   光纤开关

2.2.2  移动球镜光纤位移传感器

2.2.3  光幕式位移传感器

2.2.4  全反射式位移传感器和液位传感器

2.2.5  天线式位移传感器

2.2.6  微弯式位移传感器阵列

2.2.7光纤干涉型位移传感器

迈克尔逊光纤干涉仪：采用氦氖激光器，有很好的相干性，可进行远距离的位移测量。

2.3         光纤速度、加速度传感器

2.3.1光纤速度传感器：1）通过位移检测，进行转换后可得物体运动的速度或角速度；2）利用多谱勒效应进行速度检测。

2.3.2光纤加速度传感器：

利用一定质量的物体在加速度作用下产生惯性力，将这惯性力转变为位移、转角、变形等变量，通过对这些量的测量，就可以得出加速度的数值。可以采用强度调制或相位调制。如：马赫-泽德干涉仪的光纤加速度传感器、倾斜镜式光纤加速度计等。

2.4         光纤振动传感器

对光纤振动传感器的要求：

1.       应能在未经精加工的工件上进行测量。

2.       传感器的带宽和量程应满足测量的要求（一般:20-200HZ；10^-2-10⁰μm）。

3.       光纤探头应尽量实现全光化。

4.       对于传输中由于环境噪声对测量精度的影响，必须采用各种方法进行隔离和消除。

一般现在大多采用的是传输型光纤。

2.4.1光纤振动振幅测量传感器

全反射式、微弯型、相位调制型等。

2.4.2光纤振动加速度测量传感器

各种加速度传感器、光弹性效应振动传感器等

2.4.3声压传感器

2.5         光纤温度传感器

2.5.1  功能型温度传感器

利用光纤温度变化，引起光纤的长度、直径、折射率、偏振、热辐射等产生相应变化的原理。即采用相位调制、强度调制、偏振调制等方法。如：马赫-泽德干涉仪和法布里-泊罗干涉仪的相位调制型光纤温度传感器、热辐射光纤温度传感器等。

2.5.2  传光型温度传感器

与其他光纤传感器有相同的基本特点。如：半导体光吸收型光纤温度传感器、荧光衰变型光纤温度传感器、变色液晶光纤温度传感器、红外线接收型光纤温度传感器。

2.6         光纤流量、流速传感器

通过流速的测量可以得出流量值，流速测量当前主要采用多谱勒效应和涡流振动原理。如：光纤旋涡流量计、光纤激光多谱勒测速计等

2.7         光纤压力传感器

与温度传感器一样，利用压力的变化，也可使光纤的长度、直径、折射率、偏振等产生相应变化，因此与光纤温度传感器相同也可得到多种光纤压力传感器，在该传感器中特别需要考虑温度变化对传感器测量的不良影响。另外还可以将压力转化为位移，采用位移测量的方法对压力进行测量。

2.8         光纤电流、电压、磁场传感器

光纤电流、电压传感器在高压电力领域有非常突出优点，电流、磁场光纤传感器主要采用法拉第效应（磁致光旋转效应）、磁致伸缩效应和电流热效应。电压光纤传感器主要采用压电效应、泡克耳斯效应、电光克尔效应等。

2.9         光纤医用传感器

用来测量人体和生物体内部有关医疗诊断等医学参量的光纤传感器。主要有：体温、体压、血液含氧量、Ph值等。光纤传感器有体积小、安全可靠、电绝缘和抗电磁性能好等优点。光纤氧饱和度传感器（强度调制）采用反射的光强进行测量，光纤血流计（频率调制）：采用多谱勒效应，光纤pH值传感器（传光型），光纤体压计（传光型），光纤体温计。

2.10     分布式光纤传感技术

运用光纤的一维特性进行测量的技术，它把被测量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的测量，为工业和研究领域提供同时获取被测物理参量的空间分布状态和随时间变化信息的手段。当前主要是针对温度场和压力场的测量开展研究，典型的空间分辨率为几米，典型的响应时间为几十秒。大多数还没有得到实用。

分布式光纤传感器的特点：

1.       敏感元件为光纤；

2.       一次测量就可以获得整个光纤区域内的被测量的一维分布图；

3.       空间分辨率当前为米级；

4.       测量精度与空间分辨率相互制约

5.       信号处理系统需有较高的信噪比；当前实现一次完整的测量需较长的时间。

有四类：

1.       利用后向瑞利散射的光纤传感技术；

2.       利用喇曼效应

3.       利用布利渊散射效应

4.       利用前向传输模偶合