光纤传感器的应用研究
本文介绍了光纤传感器研究的目的、意义及其发展趋势，通过分析研究各类光纤传感器的基本原理，设计出了几种功能较完善的光纤传感器。首先从研究光纤传感器的工作原理出发，分析各种光纤传感器的结构和原理，通过对原有光纤传感器的结构和控制机理的分析，结合学过的电子知识，设计光纤传感温度计、光纤传感压强计等。在整个研究过程中采取实验和理论相结合的方式。
关键词: 传感器 ；光纤通信 ；禁带宽度 ；光纤传感压强计; 光纤传感温度计。 1绪论
光纤传感器是70年代末发展起来的一种新型传感器，它具有不受电磁场影响，本质上安全防爆，体积小，耐腐蚀，灵敏度高等优点。可用在传统传感器难以涉足的极端恶劣环境，所以在军事、航空航天、生物医学、建筑施工等领域被受青睐。因此对光纤传感器的研究具有很重要的现实意义。传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能， 径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还 能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的魅力。因此，光纤传感技术应用的研究具有很好的前景。光纤传感优点：灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用
于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。
光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。
①电绝缘性能好。
②抗电磁干扰能力强。
③非侵入性。
④高灵敏度。
⑤容易实现对被测信号的远距离监控
2 光通信简介
2.1有线光通信
有线光通信的传输媒介为光纤。光纤是光导纤维的简称，是用光透射率高的电介质构成的光通路。它是一种介质圆柱光波导。所谓“光波导”是指将以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束并引导光波在光纤内部或表面附近沿轴线方向传播。
2.1.1光纤的结构
光纤的结构如图2-1所示。它是由纤芯、包层、涂敷层及套塑四部分组成。纤芯位于光纤的中心部位。它的主要成分是高纯度的二氧化硅。其纯度可达到99.99999%。其余成分为参入的极少量参杂剂，如五氧化二磷和二氧化锗。掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率，纤芯的直径2a 一般为5-50微米。包层也是含有少量掺杂剂的高纯度的二氧化硅。掺杂剂有氟或硼。这些掺杂剂的作用是降低包层的折射率。包层的直径（包括纤芯在内）2b 为125微米。包层的外面涂敷一层很薄的涂敷层。通常要进行两次涂敷，它的作用是增强光纤的机械强度。目前涂敷层的材料一般为环氧树脂或硅橡胶。涂敷层之外就是套塑。它的作用是加强
光纤的机械强度。套塑的原料大都采用尼龙或聚乙烯。
图2-1 光纤的结构
2.1.2 光纤的性能
光纤是70年代为光通信而发展的一种新型材料，它主要是用玻璃预制棒拉丝成纤维，外直径仅100-150微米，有许多独特的性能。
1．良好的传光性能。
2．光纤传输的是光，而光的频率特别高，所以能够容纳更高的带宽。这是光纤能够
同时传输大量信息的根本原因。
3．光纤电绝缘性能好，不受电磁干扰，无火花，能在易燃、易爆的环境中使用。
2.1.3 光纤通信的缺点
1光纤通信最明显的就是维护问题。其一公里上能有几个接点是有严格指标的。主要因为光缆比较娇气，弯曲半径稍小一点就会带来近乎中断。
2光纤敷设的周期较长、投资很大。
3光纤接入方式需要高额的初始投资和频谱许可证。
2.2 无线光通信
无线光通信系统（FSO ）以大气作为传输媒质来进行光信号的传送。只要在适当距离的收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，即可实现无线光通信。
2.2.1 无线光通信结构
无线光通信系统的结构如下图所示：由光源、掺铒光纤放大器、发射光学系统、接收光学系统和接收机等组成，具体仪器包括专用望远物镜、标准光收发机和高功率的ER/Yb光放大器等，其中望远物镜和光收发送机组合在一起。其关键技术是多径发射和使用放大器补偿光通道损耗。
图2-3 无线光通信系统的原理
在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工通信。系统所用的基本技术是光电转换。光发射机的光源受到的电信号的调制，通过作为天线的发射光学系统，将光信号通过大气信道传送到接收机望远镜；接收机望远镜收集接收到光信号并将它聚焦在光检测其中，光电检测器将光信号转换成电信号。
由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别，FSO 系统一般选用透过率较好的波段窗口，最常用的光学波长是近远红外光谱中的850nm ；还有一些FSO 系统使用1500nm 波长频段，可以支持更大的系统功率。
2.2.2 无线光通信系统的性能
当前，虽然无线光通信技术还有待成熟，但它以独特的方式、显著的优点，拥有者巨大的潜能。
1. 频带宽，速率高。
2. 频谱资源丰富。
3. 使用多种通信协议。
4. 部署链路快捷。
5. 传输保密性好。
2.2.3 无线光通信存在的问题
虽然无线光通信网络系统独具魅力，拥有大量潜在的应用市场，但也存在有待完善的地方。目前，其主要问题有：
1. 收发端对准问题
FSO 是一种视距宽带通信技术，发射机与接收机之间需要严格的视距传输条件才能实现通信。当通信设备安装在高楼的顶部时，风吹，或者楼宇结构中某些部分
的热涨或轻微地震等因素，有时也会导致发射机和接收机无法对准。
2. 大气媒介的影响
恶劣的天气情况会对FSO 的传播信号产生衰耗作用。空气中的散射粒子，会使光线在空间、时间和角度上产生不同程度的偏差。
3. 传输距离与信号质量的矛盾突出
FSO 传输距离越大，光束就会越宽，接收端收到的光信号质量越差。
4. 激光对人体安全问题
激光束的安全性是FSO 系统必须考虑的问题。光信号发射功率必须限制在保证人类眼睛安全的功率范围内，这也限制了FSO 的通信距离。
3光纤传感器简介
3.1光纤传感器的结构原理
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(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(光纤或非光纤的) 、光接收器、信号处理系统以及光纤构成由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。
可见, 光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。 光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm 到极远紫外线的10nm 。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E 的振动，即
A ——电场E 的振幅矢量；ω——光波的振动频率；
φ——光相位；t ——光的传播时间。
可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A 的方向) 、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。
3.2光纤传感器的分类
光纤传感器的分类有多种形式，可以根据光纤在传感器中的作用进行分类，也可以根据光受被测对象的调制形式进行分类
3.2.1根据光纤在传感器中的作用分类
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。
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，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。
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。
3.2.2根据光受被测对象的调制形式分类
（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 。
（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尔效应做成的电场、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啊，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喇曼散射构成的测量气体浓度或监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。
（4）相位调制传感器
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赛格纳克（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几种光纤传感器的设计
4.1光纤传感温度计的设计
这里我们设计的是透射型半导体光纤温度传感器。
当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长λg 的光将被半导体吸收, 而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的, λg 称为半导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时, 电子吸收光能从价带跃迁入导带, 显然, 要发生本征吸收, 光子能量必须大于半导体的禁带宽度E g ，即
h υ≥E g
h —普朗克常数；v —光频率
因λ＝c /v ，则产生本征吸收条件：
g 的光，能透过半导体，而波长小于λg 的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料具有不同的本征吸收波长，图为在室温(20℃) 时,120
μm 厚的GaAs 材料的透射率曲线。 GaAs在室温时的本征吸收波长约为880nm 左右，半导体的吸收光谱与E g 有关，而半导体材料的E g 随温度的不同而不同，E g 与温度t 的关系可表示为：
式中：E g （0）——绝对零度时半导体的禁带宽度；
α——经验常数(eV／K) ；β——经验常数(K)。
对于GaAs 材料，由实验得到 E g (0)=1. 522eV
α =5.8×10-4eV/K β=300K
由此可见，半导体材料的E g 随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长λg 随温度上升而增大。反映在半导体的透光特性上，即当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的λg(t ) 相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而减小。即通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变化。
4.2光纤传感压力计的设计
4.2.1弹性元件的光纤压力传感器。
利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就可以实现压力的检测。下图为简单的利用Y 形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。在Y 形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。
它的结构如下图所示：
Y 型光片
利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就可以实现压力的检测。下图为简单的利用Y 形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。在Y 形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。
改进型的膜片反射式光纤压力传感器, 采用了特殊结构的光纤束，光纤束的一端分成三束, 其中一束为输入光纤, 两束为输出光纤。三束光纤在另一端结合成一束, 并且在端面成同心环排列分布, 其中最里面一圈为输出光纤束1, 中间一圈为输入光纤束, 外面一圈为输出光纤束2。当压差为零时，膜片不变形, 反射到两束输出光纤的光强相等, 即I1＝I2。当膜片受压变形后, 使得处于里面一圈的光纤束, 接收到的反射光强减小, 而处于外面一圈的光纤束2接到的反射光强增大, 形成差动输出。两束输出光的光强之比为:
A —与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；
p —待测量压力。
可见，输出光强比I 2／I l
与膜片的反射率、光源强度等因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。
将上式两边取对数且满足(Ap )2≤1时, 等式右边展开后取第一项得到:
这表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。因此，若将I 1、I 2检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。若选用的光纤束中每根光纤的芯径为70μm, 包层厚度为3.5μm, 纤芯和包层折射率分别为1.52和1.62, 则该传感器可获得115dB 的动态范围, 线性度为0.25％。采用不同的尺寸、材料的膜片, 即可获得不同的测量范围。
4.2.2微弯光纤压力传感器
光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中。
微弯光纤压力传感器图
原来光束以大于临界角θC 的角度θ1在纤芯内传输为全反射；但在微弯处θ2
5光纤传感器的实验
5.1光纤端光场径向分布的测试
随着通信技术的发展，派生除了光纤传感技术及光纤传感器的应用。就外部调制型光纤传感器而言，如反射接受型、直接入射型、光闸型等等，一般由入射光源光纤、调制器件及接收光纤收集到的光强随外界物理扰动而变化，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据，大多与光纤初出射的光场相关。因而，
光
纤出射光场的场强分布对于这类传感器的分析和设计至关重要。通过纤端光场的分布的测量有助于使用者了解纤端光场的分布特点，并且对光纤传光特性有一定的定性和定量的掌握。
（一）实验目的
1. 了解“光纤传感实验仪”的基本构造和原理，熟悉各个部件，学习和掌握其正确使用方法：
2. 定性了解光纤纤端光场的分布，掌握其测量方法、步骤及计算方法并且定量的测量一种光纤的纤端光场分布，绘出纤端光场的分布图。
（二）实验仪器
光纤传感器实验仪主机、接受光纤、发射光纤、准三维调节架。
LED-光源输出插座; PIN-光探测器输入插座
（三）实验原理
沿光纤传输的光可以近似看作平面波，此平面波在纤端出射时，可等价为平面波场垂直入射到不透明屏的圆孔表面上，形成圆孔衍射。实际情况接近两者的某种混合。为方便起见，以下假设：
光纤端面：光场是由光强沿径向均匀分布的平面波和光强沿径向为高斯分布的高斯光束两部分构成的。出射光场：纤端出射光场由准平面波场的圆孔衍射和在自由空间传输的准高斯光束叠加而成的。
在以上假设下可推导出理论公式如(1):
式（1）表明，纤端出射光场场强分布是由不同权重下的高斯分布和平面波场的圆孔衍射分布叠加的结果。
纤端光场既不是纯粹的高斯光束，也不是纯粹的均匀分布的几何光束，为了更好地与实际情况符合，我们综合这两种近似情况，并引入无量纲调合参数ζ，可以给出如下结果：
实际使用过程中，对于渐变折射率光纤有时取σ=0.705;对于突变折射率分布的光纤通常采用σ=1，对于芯径较粗的多模光纤而言，衍射效应基本被平均化了，及取p ≈0,q ≈1。因而对于大芯径多模光纤，为使用方便式（1）通常取如下形式;
(四) 实验内容及操作要点
1、将光源光纤卡在纵向微动调节架上，将探测光纤卡在横向微动的调节架上，并使两光纤探头间距离调到月1mm 左右。
2、接通电源，将LED 驱动电流调到指定的电流大小（如：40mA ）
3、调整横向微动调节旋钮和光纤卡具并观察电压输出使之输出最大，此时可认为入射光纤和出射光纤已对准。
4、调整纵向微动调节架，将探测光纤推进到与光源光纤即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数，然后将纵向微动调节架向相反的方向旋转，记录每转5个小格记录的电压输出值，直至输出电压变为零。 （五）实验注意事项
1、光纤探头已固定在调节架上，未经允许不得拆卸，擅自拆卸造成损失后果自负
2、实验操作过程中切不可使光纤探头与反射镜相撞或光纤探头与光纤探头相撞，以免损坏光纤探头。 （六）实验数据及数据处理
在坐标上作出理论曲线和实验曲线，并比较二者。注（还可以改变LED 的驱动电流，然后再作曲线，以获取在不同驱动电流下的输出特性。或根据需要自行设计实验内容。）
纤端光场径向分布理论曲线如下：
纤端光场径向分布实验曲线如下:
5.2光纤端光场轴向分布的测试
光纤传感实验仪是由多种形式的光纤传感器组成的，是集教学和实验于一体的传感测量系统，它具有结构简单，灵敏度高，稳定性好，切换方便等特点 。在实验过程中，我们可以用光纤传感实验仪构成反射式光纤微位移传感器，可以测量多种可转换成位移的物理量。
（一）实验目的
1、了解一对光纤（一个发光、一个接收光）的反射接收特性曲线。
2、学习和掌握最简单、最基本的光纤位移传感器的原理和使用方法。 （二）实验仪器
光纤传感实验仪主机、反射接收光纤、准三维调节架。（光纤传感实验仪在5.1已经介绍）
（三）实验原理
采用的光纤探头由两根光纤组成，一根用于发射光，一根用于接受反射镜反射的光。系统可工作在两个区域中，前沿工作区和后沿工作区。当在后沿区域中工作时，可以获得较宽的动态范围。就外部调制非功能型光纤传感器而言，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据。该特性调制函数可借助于光纤端出射光场的场强分布函数给出：
反射式调制特性曲线 （四）实验内容和要求
1、反射式光纤位移传感器的调制特性曲线的测量
实验步骤：（1）将反射式光纤探头卡在纵向微动调节架上，对准反射器并使光纤探头与反射镜间的距离调到约0.1mm 左右; （2）接通电源，将LED 驱动电流调到指定电流; （3）调整纵向微动调节架，将探测光纤推进到与反射镜表面即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数，然后停止;(4)沿某纵向向远离反射镜的方向旋转微动调节架，每次调节0.11mm 并记录螺旋测微器的读数和电压输出值，直至5mm ；（5）在坐标纸上作出一条曲线 2、位移传感标定
由理论曲线可以看出，光纤位移传感器可工作在两个区域，既上升沿和下降沿，前沿工作区的灵敏度高但动态范围小，而后沿工作区灵敏度低而动作范围较大，可视需要而定。在作为光纤传感器使用时，对传感器需要进行标定。标定方法是：根据调制特性曲线选择线性区，然后在选好的线性区间内给出标定曲线，测试步骤类似于调制曲线测试的实验内容。每隔50µm记录下输出电压数值，作出光纤探头和反射镜间距与电压输出的特性曲线。于是，反射镜与光纤探头的距离可由曲线的多项式拟合出来。 3、实验扩展
将光纤传感器取下，自行设计一个实验，测量一个可以转换成位移的其它物理量。如长度的改变、双金属片随温度的变化、膜片随压力的变化等. (五) 实验数据
纤端光场轴向分布实验曲线
结论
本文先从光通信的原理入手，结合光通信的基本原理详细的介绍了几种不同的光纤传感器。本文设计的光纤温度传感计是透射型半导体光纤温度传感器，当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长λg 的光将被半导体吸收, 而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的, λg 称为半导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时, 电子吸收光能从价带跃迁入导带, 显然, 要发生本征吸收, 光子能量必须大于半导体的禁带宽度E g ，因此，对于波长大于λg 的光，能透过半导体，而波长小于λg 的光将被半导体吸收。半导体材料的E g 随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长λg 随温度上升而增大。若采用发射光谱与半导体的λg(t ) 相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而减小。从而实现光纤传感器对温度的检测。
传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。在这一过程中，光纤传感 器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤传感器还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务，在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的魅力。因此，光纤传感技术应用的研究具有很好的前景。
参考文献
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光纤传感器的应用研究
本文介绍了光纤传感器研究的目的、意义及其发展趋势，通过分析研究各类光纤传感器的基本原理，设计出了几种功能较完善的光纤传感器。首先从研究光纤传感器的工作原理出发，分析各种光纤传感器的结构和原理，通过对原有光纤传感器的结构和控制机理的分析，结合学过的电子知识，设计光纤传感温度计、光纤传感压强计等。在整个研究过程中采取实验和理论相结合的方式。
关键词: 传感器 ；光纤通信 ；禁带宽度 ；光纤传感压强计; 光纤传感温度计。 1绪论
光纤传感器是70年代末发展起来的一种新型传感器，它具有不受电磁场影响，本质上安全防爆，体积小，耐腐蚀，灵敏度高等优点。可用在传统传感器难以涉足的极端恶劣环境，所以在军事、航空航天、生物医学、建筑施工等领域被受青睐。因此对光纤传感器的研究具有很重要的现实意义。传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能， 径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还 能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的魅力。因此，光纤传感技术应用的研究具有很好的前景。光纤传感优点：灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用
于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。
光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。
①电绝缘性能好。
②抗电磁干扰能力强。
③非侵入性。
④高灵敏度。
⑤容易实现对被测信号的远距离监控
2 光通信简介
2.1有线光通信
有线光通信的传输媒介为光纤。光纤是光导纤维的简称，是用光透射率高的电介质构成的光通路。它是一种介质圆柱光波导。所谓“光波导”是指将以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束并引导光波在光纤内部或表面附近沿轴线方向传播。
2.1.1光纤的结构
光纤的结构如图2-1所示。它是由纤芯、包层、涂敷层及套塑四部分组成。纤芯位于光纤的中心部位。它的主要成分是高纯度的二氧化硅。其纯度可达到99.99999%。其余成分为参入的极少量参杂剂，如五氧化二磷和二氧化锗。掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率，纤芯的直径2a 一般为5-50微米。包层也是含有少量掺杂剂的高纯度的二氧化硅。掺杂剂有氟或硼。这些掺杂剂的作用是降低包层的折射率。包层的直径（包括纤芯在内）2b 为125微米。包层的外面涂敷一层很薄的涂敷层。通常要进行两次涂敷，它的作用是增强光纤的机械强度。目前涂敷层的材料一般为环氧树脂或硅橡胶。涂敷层之外就是套塑。它的作用是加强
光纤的机械强度。套塑的原料大都采用尼龙或聚乙烯。
图2-1 光纤的结构
2.1.2 光纤的性能
光纤是70年代为光通信而发展的一种新型材料，它主要是用玻璃预制棒拉丝成纤维，外直径仅100-150微米，有许多独特的性能。
1．良好的传光性能。
2．光纤传输的是光，而光的频率特别高，所以能够容纳更高的带宽。这是光纤能够
同时传输大量信息的根本原因。
3．光纤电绝缘性能好，不受电磁干扰，无火花，能在易燃、易爆的环境中使用。
2.1.3 光纤通信的缺点
1光纤通信最明显的就是维护问题。其一公里上能有几个接点是有严格指标的。主要因为光缆比较娇气，弯曲半径稍小一点就会带来近乎中断。
2光纤敷设的周期较长、投资很大。
3光纤接入方式需要高额的初始投资和频谱许可证。
2.2 无线光通信
无线光通信系统（FSO ）以大气作为传输媒质来进行光信号的传送。只要在适当距离的收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，即可实现无线光通信。
2.2.1 无线光通信结构
无线光通信系统的结构如下图所示：由光源、掺铒光纤放大器、发射光学系统、接收光学系统和接收机等组成，具体仪器包括专用望远物镜、标准光收发机和高功率的ER/Yb光放大器等，其中望远物镜和光收发送机组合在一起。其关键技术是多径发射和使用放大器补偿光通道损耗。
图2-3 无线光通信系统的原理
在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工通信。系统所用的基本技术是光电转换。光发射机的光源受到的电信号的调制，通过作为天线的发射光学系统，将光信号通过大气信道传送到接收机望远镜；接收机望远镜收集接收到光信号并将它聚焦在光检测其中，光电检测器将光信号转换成电信号。
由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别，FSO 系统一般选用透过率较好的波段窗口，最常用的光学波长是近远红外光谱中的850nm ；还有一些FSO 系统使用1500nm 波长频段，可以支持更大的系统功率。
2.2.2 无线光通信系统的性能
当前，虽然无线光通信技术还有待成熟，但它以独特的方式、显著的优点，拥有者巨大的潜能。
1. 频带宽，速率高。
2. 频谱资源丰富。
3. 使用多种通信协议。
4. 部署链路快捷。
5. 传输保密性好。
2.2.3 无线光通信存在的问题
虽然无线光通信网络系统独具魅力，拥有大量潜在的应用市场，但也存在有待完善的地方。目前，其主要问题有：
1. 收发端对准问题
FSO 是一种视距宽带通信技术，发射机与接收机之间需要严格的视距传输条件才能实现通信。当通信设备安装在高楼的顶部时，风吹，或者楼宇结构中某些部分
的热涨或轻微地震等因素，有时也会导致发射机和接收机无法对准。
2. 大气媒介的影响
恶劣的天气情况会对FSO 的传播信号产生衰耗作用。空气中的散射粒子，会使光线在空间、时间和角度上产生不同程度的偏差。
3. 传输距离与信号质量的矛盾突出
FSO 传输距离越大，光束就会越宽，接收端收到的光信号质量越差。
4. 激光对人体安全问题
激光束的安全性是FSO 系统必须考虑的问题。光信号发射功率必须限制在保证人类眼睛安全的功率范围内，这也限制了FSO 的通信距离。
3光纤传感器简介
3.1光纤传感器的结构原理
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(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(光纤或非光纤的) 、光接收器、信号处理系统以及光纤构成由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。
可见, 光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。 光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm 到极远紫外线的10nm 。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E 的振动，即
A ——电场E 的振幅矢量；ω——光波的振动频率；
φ——光相位；t ——光的传播时间。
可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A 的方向) 、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。
3.2光纤传感器的分类
光纤传感器的分类有多种形式，可以根据光纤在传感器中的作用进行分类，也可以根据光受被测对象的调制形式进行分类
3.2.1根据光纤在传感器中的作用分类
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。
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，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。
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。
3.2.2根据光受被测对象的调制形式分类
（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 。
（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尔效应做成的电场、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啊，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喇曼散射构成的测量气体浓度或监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。
（4）相位调制传感器
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赛格纳克（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几种光纤传感器的设计
4.1光纤传感温度计的设计
这里我们设计的是透射型半导体光纤温度传感器。
当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长λg 的光将被半导体吸收, 而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的, λg 称为半导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时, 电子吸收光能从价带跃迁入导带, 显然, 要发生本征吸收, 光子能量必须大于半导体的禁带宽度E g ，即
h υ≥E g
h —普朗克常数；v —光频率
因λ＝c /v ，则产生本征吸收条件：
g 的光，能透过半导体，而波长小于λg 的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料具有不同的本征吸收波长，图为在室温(20℃) 时,120
μm 厚的GaAs 材料的透射率曲线。 GaAs在室温时的本征吸收波长约为880nm 左右，半导体的吸收光谱与E g 有关，而半导体材料的E g 随温度的不同而不同，E g 与温度t 的关系可表示为：
式中：E g （0）——绝对零度时半导体的禁带宽度；
α——经验常数(eV／K) ；β——经验常数(K)。
对于GaAs 材料，由实验得到 E g (0)=1. 522eV
α =5.8×10-4eV/K β=300K
由此可见，半导体材料的E g 随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长λg 随温度上升而增大。反映在半导体的透光特性上，即当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的λg(t ) 相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而减小。即通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变化。
4.2光纤传感压力计的设计
4.2.1弹性元件的光纤压力传感器。
利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就可以实现压力的检测。下图为简单的利用Y 形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。在Y 形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。
它的结构如下图所示：
Y 型光片
利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就可以实现压力的检测。下图为简单的利用Y 形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。在Y 形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。
改进型的膜片反射式光纤压力传感器, 采用了特殊结构的光纤束，光纤束的一端分成三束, 其中一束为输入光纤, 两束为输出光纤。三束光纤在另一端结合成一束, 并且在端面成同心环排列分布, 其中最里面一圈为输出光纤束1, 中间一圈为输入光纤束, 外面一圈为输出光纤束2。当压差为零时，膜片不变形, 反射到两束输出光纤的光强相等, 即I1＝I2。当膜片受压变形后, 使得处于里面一圈的光纤束, 接收到的反射光强减小, 而处于外面一圈的光纤束2接到的反射光强增大, 形成差动输出。两束输出光的光强之比为:
A —与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；
p —待测量压力。
可见，输出光强比I 2／I l
与膜片的反射率、光源强度等因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。
将上式两边取对数且满足(Ap )2≤1时, 等式右边展开后取第一项得到:
这表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。因此，若将I 1、I 2检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。若选用的光纤束中每根光纤的芯径为70μm, 包层厚度为3.5μm, 纤芯和包层折射率分别为1.52和1.62, 则该传感器可获得115dB 的动态范围, 线性度为0.25％。采用不同的尺寸、材料的膜片, 即可获得不同的测量范围。
4.2.2微弯光纤压力传感器
光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中。
微弯光纤压力传感器图
原来光束以大于临界角θC 的角度θ1在纤芯内传输为全反射；但在微弯处θ2
5光纤传感器的实验
5.1光纤端光场径向分布的测试
随着通信技术的发展，派生除了光纤传感技术及光纤传感器的应用。就外部调制型光纤传感器而言，如反射接受型、直接入射型、光闸型等等，一般由入射光源光纤、调制器件及接收光纤收集到的光强随外界物理扰动而变化，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据，大多与光纤初出射的光场相关。因而，
光
纤出射光场的场强分布对于这类传感器的分析和设计至关重要。通过纤端光场的分布的测量有助于使用者了解纤端光场的分布特点，并且对光纤传光特性有一定的定性和定量的掌握。
（一）实验目的
1. 了解“光纤传感实验仪”的基本构造和原理，熟悉各个部件，学习和掌握其正确使用方法：
2. 定性了解光纤纤端光场的分布，掌握其测量方法、步骤及计算方法并且定量的测量一种光纤的纤端光场分布，绘出纤端光场的分布图。
（二）实验仪器
光纤传感器实验仪主机、接受光纤、发射光纤、准三维调节架。
LED-光源输出插座; PIN-光探测器输入插座
（三）实验原理
沿光纤传输的光可以近似看作平面波，此平面波在纤端出射时，可等价为平面波场垂直入射到不透明屏的圆孔表面上，形成圆孔衍射。实际情况接近两者的某种混合。为方便起见，以下假设：
光纤端面：光场是由光强沿径向均匀分布的平面波和光强沿径向为高斯分布的高斯光束两部分构成的。出射光场：纤端出射光场由准平面波场的圆孔衍射和在自由空间传输的准高斯光束叠加而成的。
在以上假设下可推导出理论公式如(1):
式（1）表明，纤端出射光场场强分布是由不同权重下的高斯分布和平面波场的圆孔衍射分布叠加的结果。
纤端光场既不是纯粹的高斯光束，也不是纯粹的均匀分布的几何光束，为了更好地与实际情况符合，我们综合这两种近似情况，并引入无量纲调合参数ζ，可以给出如下结果：
实际使用过程中，对于渐变折射率光纤有时取σ=0.705;对于突变折射率分布的光纤通常采用σ=1，对于芯径较粗的多模光纤而言，衍射效应基本被平均化了，及取p ≈0,q ≈1。因而对于大芯径多模光纤，为使用方便式（1）通常取如下形式;
(四) 实验内容及操作要点
1、将光源光纤卡在纵向微动调节架上，将探测光纤卡在横向微动的调节架上，并使两光纤探头间距离调到月1mm 左右。
2、接通电源，将LED 驱动电流调到指定的电流大小（如：40mA ）
3、调整横向微动调节旋钮和光纤卡具并观察电压输出使之输出最大，此时可认为入射光纤和出射光纤已对准。
4、调整纵向微动调节架，将探测光纤推进到与光源光纤即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数，然后将纵向微动调节架向相反的方向旋转，记录每转5个小格记录的电压输出值，直至输出电压变为零。 （五）实验注意事项
1、光纤探头已固定在调节架上，未经允许不得拆卸，擅自拆卸造成损失后果自负
2、实验操作过程中切不可使光纤探头与反射镜相撞或光纤探头与光纤探头相撞，以免损坏光纤探头。 （六）实验数据及数据处理
在坐标上作出理论曲线和实验曲线，并比较二者。注（还可以改变LED 的驱动电流，然后再作曲线，以获取在不同驱动电流下的输出特性。或根据需要自行设计实验内容。）
纤端光场径向分布理论曲线如下：
纤端光场径向分布实验曲线如下:
5.2光纤端光场轴向分布的测试
光纤传感实验仪是由多种形式的光纤传感器组成的，是集教学和实验于一体的传感测量系统，它具有结构简单，灵敏度高，稳定性好，切换方便等特点 。在实验过程中，我们可以用光纤传感实验仪构成反射式光纤微位移传感器，可以测量多种可转换成位移的物理量。
（一）实验目的
1、了解一对光纤（一个发光、一个接收光）的反射接收特性曲线。
2、学习和掌握最简单、最基本的光纤位移传感器的原理和使用方法。 （二）实验仪器
光纤传感实验仪主机、反射接收光纤、准三维调节架。（光纤传感实验仪在5.1已经介绍）
（三）实验原理
采用的光纤探头由两根光纤组成，一根用于发射光，一根用于接受反射镜反射的光。系统可工作在两个区域中，前沿工作区和后沿工作区。当在后沿区域中工作时，可以获得较宽的动态范围。就外部调制非功能型光纤传感器而言，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据。该特性调制函数可借助于光纤端出射光场的场强分布函数给出：
反射式调制特性曲线 （四）实验内容和要求
1、反射式光纤位移传感器的调制特性曲线的测量
实验步骤：（1）将反射式光纤探头卡在纵向微动调节架上，对准反射器并使光纤探头与反射镜间的距离调到约0.1mm 左右; （2）接通电源，将LED 驱动电流调到指定电流; （3）调整纵向微动调节架，将探测光纤推进到与反射镜表面即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数，然后停止;(4)沿某纵向向远离反射镜的方向旋转微动调节架，每次调节0.11mm 并记录螺旋测微器的读数和电压输出值，直至5mm ；（5）在坐标纸上作出一条曲线 2、位移传感标定
由理论曲线可以看出，光纤位移传感器可工作在两个区域，既上升沿和下降沿，前沿工作区的灵敏度高但动态范围小，而后沿工作区灵敏度低而动作范围较大，可视需要而定。在作为光纤传感器使用时，对传感器需要进行标定。标定方法是：根据调制特性曲线选择线性区，然后在选好的线性区间内给出标定曲线，测试步骤类似于调制曲线测试的实验内容。每隔50µm记录下输出电压数值，作出光纤探头和反射镜间距与电压输出的特性曲线。于是，反射镜与光纤探头的距离可由曲线的多项式拟合出来。 3、实验扩展
将光纤传感器取下，自行设计一个实验，测量一个可以转换成位移的其它物理量。如长度的改变、双金属片随温度的变化、膜片随压力的变化等. (五) 实验数据
纤端光场轴向分布实验曲线
结论
本文先从光通信的原理入手，结合光通信的基本原理详细的介绍了几种不同的光纤传感器。本文设计的光纤温度传感计是透射型半导体光纤温度传感器，当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长λg 的光将被半导体吸收, 而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的, λg 称为半导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时, 电子吸收光能从价带跃迁入导带, 显然, 要发生本征吸收, 光子能量必须大于半导体的禁带宽度E g ，因此，对于波长大于λg 的光，能透过半导体，而波长小于λg 的光将被半导体吸收。半导体材料的E g 随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长λg 随温度上升而增大。若采用发射光谱与半导体的λg(t ) 相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而减小。从而实现光纤传感器对温度的检测。
传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。在这一过程中，光纤传感 器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤传感器还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务，在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的魅力。因此，光纤传感技术应用的研究具有很好的前景。
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