光纤传感器论文21448.docVIP

一、小绪 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。 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5~75μm。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100~200μm。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。 ①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。 ②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。 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。 Φ=2π/λ0?nl 式中，为光在真空中的波长λ0，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Φ,而相位Φ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，n1＞n2)时，若入射角大于等于临界角Φ＝sin－1(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