光纤传感技术

光学传感技术自20世纪70年代美国corning公司制造出第一根低损耗光纤至今，光纤传感技术伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。光波不怕电磁干扰，易为各种光探测器件接收，可方便的进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配。1光纤技术基础光纤是光导纤维的简称。它是工作在光波波段的一种介质波导。它把以光的形式出现的电磁波能量，利用全反射的原理束缚在其界面内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的传输特性由其结构和材料决定。1.1光纤的结构和种类光纤由称为“纤芯”和“包层”的两同心圆形双层结构组成，具有使光功率圭寸闭在里面传输的光波导机能，其工作原理如图1-1所示。纤芯位于光纤的中心部分，纤芯外面由包层围绕着。纤芯折射率n0比包层折射率n稍大一点，因此0 c如果把光照在纤维端面上，传播角0比临界角0小的光线就会在纤芯与包层的C交界面上反复全反射而在纤芯中曲折地向前传播。久一最大接收角皿一临界角图1-1光纤的基本结构体现光纤这种基本性质的结构参数有:光纤尺寸 纤芯直径2a和包层外径2d。数值孔径和相对折射率差一一数值孔径NA的意义是光纤可能接受外来入射光的最大接受角％的正弦，它是与显微镜物镜的数值孔径具有相同物理意义的常数。其大小用光纤中光线的零界角Oc,纤芯和包层的折射率n0和nc来表示：INA=nsin0=n2一n20 cv0c相对折射率差A是表示纤芯和包层之间相对折射率差的一个参数，由下式给出：*n-n

A=—0cn0纤芯和包层折射率差很小，通常只有1%左右，所以n0~n，结果NA和将0c有如下关系:N如"归一化频率 归一化频率是表征有多少个模式能在光纤中传播的一个参数，用符号V表示。其表达式如下：2兀a 2兀aV=NA=n2A

九 九0式中：九为传播的光波波长。折射率分布一一上面的分析都是假定整个纤芯中的折射率为常数n0,但是为了增大光纤的传输带宽，长使纤芯截面的径向折射率呈渐变分布。此时如果用下式来表示折射率分布就很方便。n(T)=n{1-2A(T)a}t0 a式中：n0为纤芯中心点的折射率；T为纤芯内任意一点到中心的距离；a为纤芯半径；A为相对折射率差；a为折射率分布指数。这样，按光纤的结构就可分为三类：阶跃型多模光纤；渐变型光纤；单模光纤。1.2光纤的基本特点1.2.1光纤的传输特性通过光纤中心轴的任何平面都称为子午面。位于子午面内的光线则称为子午光线。根据光的反射定律，入射光线，反射光线和分界面的法线均在同一平面，光线在光纤的纤芯-包层分界面反射时，其分界面法线就是纤芯的半径。因此，子午光线的入射光线，反射光线和分界面的法线三者均在子午面内。这就是子午光线传播的特点。光纤中不在子午面内的光线都是斜光线。他和光纤的轴线既不平行也不相交，其光路轨迹是空间螺旋折线。1.2.2光纤的特性参量如果要真正了解光纤技术，它的一些参数是非常重要的。光纤的损耗，色散,偏振对于光纤通信，光纤传感，光纤非线性效应研究都是十分重要的特性参量。（1）光纤的损耗：一是光纤本身的损耗，二是传输时使用条件产生的损耗。前一种又可分为光纤的原材料方面的损耗，光纤几何结构不完整所产生的损耗。后一种有连接损耗，弯曲损耗以及放射线辐射是光纤变黑使吸收增加所产生的损耗等。图1-2为传输损耗示意图。在纤维光学传感器中常应用弯曲等损耗，使通过光纤的光强发生变化进行精密测量。光纤微弯引起光纤中传输模式的变换，弯曲半径越小，损耗越大，光纤连接时存在错位或间隙也会增大损耗。不规则弯曲汀一连接损耗曲一整体弯曲损耗图1-2光纤传输损耗示意图（2）在光纤中传输的光脉冲，收到由光纤的折射率分布，光纤材料的色散特性,光纤中的模式分布以及光源的光谱宽度等因素决定的“延迟畸变”使该脉冲波形在通过光纤后发生展宽。这一效应称作“光纤的色散”在光纤中一般把色散分为一下四种：多模色散，波导色散，材料色散，偏振色散。2光纤传感器2.1光纤传感器的定义和分类光纤传感器可以分为传感型与传光型两大类。利用外界物理因素改变光纤中光的强度（振幅），相位，偏振态或波长（频率）从而对外界因素改变测量和数据传输的，成为传感型光纤传感器。2.2光纤传感器的特点与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点是：（1） 抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全（2） 灵敏度高（3） 重量轻，体积小，外形可变（4） 测量对象广泛（5） 对被测介质影响小（6） 便于复用，便于成网（7） 成本低3光纤传感器的应用3.1国内外光纤传感器的发展情况美国是最早研制光纤传感器并投资最大的国家并且取得很大成就。从1977开始由美国海军研究所主持的光纤传感器系统共有5个公司参加，主要研究方向是水声器、磁强计和其它水下检测有关设备。1980年开始研究，1984年进行飞行实验的现代数字光纤控制系统（ADOSS），采用光纤译码的光纤传感器系统代替直升飞机驾驶员的控制，最终将实现用光纤液压传动系统代替电源。另外，光纤陀螺（FOG）计划、核辐射监控（NRM）计划、飞机发动机监控（AEM）计划、民用研究计划（CRP）使光纤传感器技术迅猛发展，在军事、民用、电力、监控、桥梁、医学生物检测等方面得到广泛应用。3.2光纤传感器的应用光纤传感器的应用非常广泛，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活。在现代信息社会中，传感器技术迅猛发展，其中光纤传感器以其独特的优点应用非常广泛，包括工业、军事、医疗、通讯、过程控制以及恶劣环境下物理量的测量,如光纤传感器在石油领域中的应用、光纤传感器在军事领域的应用、光纤传感器在医学中的应用、光纤传感器在土木工程中的应用、光纤传感器在环境监控中的应用、光纤传感器在飞机上的应用、在电力系统上的应用、光纤传感器的发展动态与研究方面等。“中国2010年远景规划”已将传感器列为重点发展的产业之一，随着我国加入世界贸易组织，传感器的市场需求和发展空间的潜力是非常大的。可以预见，随着制作技术的日益成熟和器件性能的不