微电子材料与工艺讲

1、光纤传感器原理与应用,专业： 学生：,内容提要,一、光纤传感器的发展及现状 二、光导纤维的结构和导光原理 三、光纤传感器的结构原理及优点 四、光纤传感器的分类 五、光纤传感器的应用 六、光纤传感器的发展趋势 七、自己遇到的问题和今后要做的,一、光纤传感器的发展及现状,近几年，全球传感器的产量和年增长率均保持在10%以上，目前全球从事传感器生产和研制的单位达5000多家。传感技术作为当今世界迅猛发展起来的技术之一，已经成为衡量一个国家科学技术水平发展的重要标志。近年来，传感器朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化和网络化方向发展。 光纤传感技术是20世纪70年代末新兴的一项技术，在全世界成了研究热门，

2、已与光纤通信并驾齐驱。光纤传感器作为传感家族的一名新成员由于其优越的性能而备受青睐 , 其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、 测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点 ，可以构成传感网络。特别是其灵敏度比传统的传感器高几个数量级，可以测量压力、温度、应力（应变）、磁场、折射率、形变、微震动、微位移和声压等等，能用光纤传感技术测量的物理量已经达到了70多种。,二、光导纤维的结构和导光原理,1、光纤传感器结构,光导纤维是比头发丝还要细的石英玻璃丝制成的，每一根光导纤维由一个圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率。,图1 光纤结构,二、光导纤维的结构和

3、导光原理,2、导光原理,图2 光纤导光示意图,凡是入射角大于临界角的光线，进入光纤后都不能传播而在包层消失；相反，只有入射角小于临界角的安歇光线才可以进入光纤被全反射传播。,三、光纤传感器的结构原理及优点,光纤或非光纤,图3 光纤传感器示意图,以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图3（A）。 光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图3（B）。,三、光纤传感器的结构原理及优点,光纤传感器相比较传统的传感器具有的优点：

4、(1)、重量轻、结构紧凑、易多路复用 (2)、抗恶劣环境、抗电磁干扰、抗化学腐蚀 (3)、在传感点无需用电、可以长距离分布式传感 (4)、可低成本大规模生产,四、光纤传感器的分类,1、根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。 （1）功能型（全光纤型）光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。

5、,信号处理,光受信器,光纤敏感元件,光发送器,图4 传感型光纤传感器原理,四、光纤传感器的分类,（2）非功能型（或称传光型）光纤传感器 光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续，此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，而且成本低。但灵敏度也较低，主要用于对灵敏度要求不太高的场合。,图5 传光型光纤传感器原理图,四、光纤传感器的分类,（3）拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。,信号 处理,光受 信器,光发送器,光纤,耦合

6、器,图6 是光型光纤传感器原理图,四、光纤传感器的分类,2、根据光受被测对象的调制形式分为：强度调制型、偏振调制型、频率调制型、相位调制型。 （1）强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。,四、光纤传感器的分

7、类,（2）偏振调制光纤传感器 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡克尔斯效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高。 （3）频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的拉曼散射构成的测量气体浓度或监

8、测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。,四、光纤传感器的分类,其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏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。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤萨格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。,（4）相位调制传感器,四、光纤传感器的分类,光学现象,被

9、测量,光纤,干涉型,相位调制光线传感器,干涉（磁致伸缩） 干涉（电致伸缩） Sagnac效应 光弹效应 干涉,电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度,SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM,a a a a a,非 干 涉 型,强度调制光纤温度传感器,遮光板遮断光路 半导体透射率的变化 荧光辐射、黑体辐射 光纤微弯损耗 振动膜或液晶的反射 气体分子吸收 光纤漏泄膜,温度、振动、压力、加速度、位移 温度 温度 振动、压力、加速度、位移 振动、压力、位移 气体浓度 液位,MM MM MM SM MM MM MM,b b b b b b b,偏振调制光纤温度

10、传感器,法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 光弹效应,电流、磁场 电场、电压、 温度 振动、压力、加速度、位移,SM MM SM MM,b,a b b b,频率调制光纤温度传感器,多普勒效应 受激喇曼散射 光致发光,速度、流速、振动、加速度 气体浓度 温度,MM MM MM,c b b,注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型,五、光纤传感器的应用,相位调制型光纤传感器（功能型光纤传感器）,1、相位调制的原理,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有关。光纤受到物理量的作用时，这3个参数就会发生不同程度的变化，从

11、而引起光的相位角的变化。一般来说，光纤纤芯直径引起光相位的变化很小，可以忽略。由普通物理学知道，在一长为L、纤芯折射率为n1的单模光纤中，波长为 的输出光相对输入端来说。其相角为,式（1）,五、光纤传感器的应用,就这样利用光的相位检测技术测量出温度、压力、加速度、电流等物理量。由于光的频率很高，光电探测器不能跟踪以这样高的频率进行变化的瞬时值，因此光波的相位变化是不能够直接被检测到的。为此，应用干涉技术将相位调制转换成振幅调制。在光纤传感器中常采用马赫泽德 （MachZahnder） 干涉仪等几种不同的干涉测量仪。,当光纤受到物理量的作用时，则相位角的变化为,式（2）,五、光纤传感器的应用,2

12、、相位调制型光纤压力和温度传感器,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，如图7所示，激光器发出的一束相干光经过扩束以后，被分束器分成两束光，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，感受温度（或压力）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壁，再通过光纤耦合器组合起来，以便产生相互干涉，形成一系列明暗相间的干涉条纹。,图7 相位调制型光纤传感器组成原理图,五、光纤传感器的应用,当传感光纤感受温度变化时，光纤的折射率会发生变化；而且因光纤的热胀冷缩使其长度发生改变。由式（2）知，光纤的长度和折射率的变化，将会引起传播光的相位角

13、变化。这样，传感光纤和参考光纤的两束输出光的相位也发生了变化，从而使合成光强的强弱随着相位的变化而变化。通过光电探测器就可以将合成光强的强弱变化转换成电信号大小的变化，如图8为一相位调制实例。,图8 光相位变化、输出电 流与温度的关系,六、光纤传感器的发展趋势,1、全光纤微型化：传感头由光纤构成且只使用一根光纤已成为发展趋势。全光纤传感头的体积小且工作可靠 ，由于目前光纤之间的熔接耗为 01dB左右 。 这样的损耗不影响探头的正常工作 ，目前 ，光纤之间的粘接技术和光纤端面抛光、镀膜等相关技术都还在研究中。 2、多参量实时化：一只传感器同时测量多个参量既减少测量装置的元件数量，又可避免多只传感

14、器之间相互影响。因而多只参量实时监测成为研究的热点。目前已有很多研究者在研究能进行温度、应力、应变同时测量的光纤光栅类传感器，并取得 了一定的研究成果。,六、光纤传感器的发展趋势,4、阵列化，网络化，易于构成分布式检测系统：构成分布式检测系统可以大幅度提高检测效率，节约检测成本，节省时间人力物力，利用无线传输与网络进行远距离监测也可为特殊环境下的实时检测提供极大的方便。,3、高精度实用化：光纤传感器在研究过程中各组成元件都是线性理想化的，和实际应用存在一定的差距。因此，光通道中的非线性研究、实际检测动态范围的增大是实用化的基础。,七、自己遇到的问题和今后要做的,光纤传感器种类繁多，还要学习的东西也有很多，和它相关联的有材料方面、电路方面的、光谱学方面的、还有信号处理和光电学的知识，这些都需要自己去熟悉并且加以学习。最大的问题就是看到的这些传感器都不是我想要专门研究的传感器，并且传感技术牵扯的学科很多，更是增加自己学习的难度。 此外在刚接触光纤传感技