編譯：穆心光纖在傳感方面應(yīng)用的基本想法，是通過調(diào)制光纖中的光的一種或幾種特性，繼而以常規(guī)方法進行光學解調(diào)而獲得信息。光纖傳感器對各種電磁和射頻干擾（EMI和RFI）不敏感，能夠可靠工作在惡劣環(huán)境中，不會受到不良影響。

本文編譯自《現(xiàn)代傳感器手冊——原理、設(shè)計和應(yīng)用》（第四版，2010年；作者：雅各布?弗瑞登）。所謂手冊者，即在偏重于實用和參考價值。希望通過本文，可以對如何在具體的細節(jié)上設(shè)計和制造光纖類傳感器產(chǎn)品窺知一二，進而啟迪思維，促進創(chuàng)新。

1. 可用于傳感器的光纖特性

雖然光不會繞過拐角，但能通過波導的使用，沿復雜的路徑傳播。要工作在可見光和近紅外光譜范圍，可以用玻璃和聚合物纖維制作波導。對于中、遠紅外光譜范圍，波導由特殊材料或具有高反射內(nèi)表面的中空管制成。管狀波導管依據(jù)反射原理工作，光束以之字形傳播。光纖可用于在其它方式無法到達的區(qū)域傳播光能，同時不會有任何來自光源的熱傳輸。

把圓形或其它截面光纖的表面和末端拋光。需要的時候可添加外層保護。玻璃在熱的時候，其纖維可以彎曲的曲率半徑為其截面直徑的20～50倍，冷卻之后，則為直徑的200～300倍。由聚甲基丙烯酸甲酯制造的塑料光纖，能夠彎曲到比玻璃纖維小很多的半徑。0.25mm的聚合物光纖，在長度上具有0.5dB/m范圍之內(nèi)的典型衰減。光依靠全內(nèi)反射通過光纖傳播，如圖1b所示。根據(jù)公式（1），光由折射率為n的媒介傳播到空氣，受到全內(nèi)反射角度的限制：

圖 1. 光纖：（a）階躍折射率多層光纖；（b）最大入射角的確定

圖1a表示帶有護套的單光纖的折射率曲線，護套必須具有低的折射率，以保證在邊界發(fā)生全內(nèi)反射。例如二氧化硅護套光纖，內(nèi)芯（光纖）材料的折射率為1.5，護套的折射率為1.485。為了保護帶護套光纖，典型的做法是把其封裝在某種保護橡膠或塑料外套內(nèi)。這種類型的光纖稱為“階躍折射率多模”光纖，其含義與折射率曲線有關(guān)。

光進入光纖時，重要的是要確定會產(chǎn)生全內(nèi)反射的最大入射角（圖1b）。如果我們把最小內(nèi)反射角取為，那么可由斯涅耳定律找出最大角：

， （3）

再次應(yīng)用斯涅耳定律并已知空氣的折射率約等于1，我們得出

（4）

合并公式（3）和（4），我們得到全內(nèi)反射能夠在內(nèi)芯發(fā)生的與光纖端面法線之間的最大入射角度：

。 （5）

以大于的角度進入光纖的光線，會傳播到護套并損失掉。對于數(shù)據(jù)傳輸，這是不希望出現(xiàn)的結(jié)果。不過在特殊設(shè)計的光纖傳感器中，最大入射角可以成為調(diào)節(jié)光強度的一種有用的方法。有時值被稱為光纖的數(shù)值孔徑。由于光纖特性、彎曲和偏斜路徑的改變，光強度雖然不會突然降至零，但會在接近時逐漸減少至零。實踐中，數(shù)值孔徑定義為會導致光強度下降某個任意值（比如最大值的-10dB）的角度。

光纖傳感器的有用特性之一，是其可以視應(yīng)用需要形成各種幾何形狀。在設(shè)計對諸如壓力、溫度、化學濃度等等激勵敏感的微型光學傳感器時，這種特性十分有用。光纖在傳感方面應(yīng)用的基本想法，是通過調(diào)制光纖中的光的一種或幾種特性，繼而以常規(guī)方法進行光學解調(diào)而獲得信息。

激勵可以直接與光纖發(fā)生作用，或者可施加于附屬在光纖外表面或拋光端面的部件，產(chǎn)生光學上可測的信號。要制造光纖化學傳感器，可在耦合于光纖的光路內(nèi)配置特殊固相試劑。該試劑與被測物發(fā)生相互作用，產(chǎn)生光學上可測的影響（比如改變折射率或吸收率）。光纖的護套可由化學物質(zhì)制造，遇到某些液體時，這種物質(zhì)的折射率會發(fā)生改變。全內(nèi)反射角度改變時，光強度也改變。

圖 2. 單（a）和雙（b）光纖傳感器

圖 3. 光纖位移傳感器利用反射光強度的調(diào)制

光導纖維可以用于兩種模式。第一種模式中（圖2a），使用同一光纖發(fā)射激發(fā)信號并采集光學響應(yīng)，傳導回處理部件。第二種模式中采用兩個或多個光纖，激發(fā)（照明）功能和采集功能由不同的光纖完成（圖2b）。最常使用的光纖傳感器類型是強度傳感器，即用外部激勵對光強度進行調(diào)制。圖3示意一種位移傳感器，其中用單光纖波導發(fā)射光線至反射表面。光線經(jīng)光纖傳播，以圓錐形分布射向反射器。如果反射器接近光纖端面（距離d），大部分光反射進入光纖，并傳播回到位于光纖另一端的光探測器。如果反射器遠離，一些光線反射到光纖端面之外，返回較少的光子。由于發(fā)射光的圓錐形分布，距離d和返回光強度之間的準線性關(guān)系可在有限范圍內(nèi)獲得。

圖 4. 光纖微彎曲應(yīng)變計

可利用光纖設(shè)計所謂的微彎曲應(yīng)變計，把光纖擠壓在兩個變形組件之間，如圖4所示。施加于上部變形組件的外力使光纖彎曲，影響了內(nèi)部反射表面的位置。因此，通常會沿x方向反射的光束，以小于全內(nèi)反射角（公式2）的角度到達光纖的下部。從而光線不是被反射，而是沿y方向折射進入光纖壁。變形組件互相離得越近，就會有越多的光線走入歧途，越少的光線沿光纖傳播。

2. 用于液位測量的光纖傳感器

光纖傳感器能相當有效地用于接近和液位探測器。位移探測器的一個例子即如圖3所示，其中反射光的強度由光纖端面至反射表面的距離d調(diào)制。

圖 5. 利用折射率變化的光學液位探測器

帶有兩組光纖和棱鏡的液位探測器示于圖5。它利用了空氣（或材料的氣相）和待測液體之間折射率的不同。傳感器高于液位時，由于棱鏡的全內(nèi)反射，發(fā)射光纖（左側(cè)）傳送的光大部分到達接收光纖（右側(cè)）。不過一些以小于全內(nèi)反射角到達棱鏡反射表面的光逸出損失到環(huán)境中。當棱鏡接觸到液位，由于液體的折射率高于空氣，全內(nèi)反射角發(fā)生改變。這導致相當大的光強度損失，這一變化由另一端的接收光纖探測到。光強度由適當?shù)?a href="http://www.3532n.com/v/tag/2800/" target="_blank">光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號。這種傳感器的另一個版本示于圖6，示意一種由美國Gems Sensors公司制造的傳感器。光纖是U形的，由上浸入液體時，傳輸光的強度發(fā)生改變。此探測器在曲率半徑最小的彎曲處有兩個感應(yīng)區(qū)域。整個裝置封裝在5mm直徑的探頭內(nèi)，具有大約0.5mm的重復誤差。請注意探頭升高至高于液位時，感應(yīng)組件帶起的液滴由感應(yīng)區(qū)域落下的形狀。

圖 6. U形光纖液位傳感器。（a）傳感器高于液位時，輸出端的光線最強；

（b）感應(yīng)區(qū)域接觸液體時，光線由光纖下部穿出

3. 與光纖結(jié)合的法布里-珀羅傳感器

在惡劣環(huán)境下以高精度測量小位移，可以利用所謂的法布里-珀羅光學共振腔。共振腔包括兩個互相面對的半反射鏡，間隔距離為L（圖7a）。共振腔由已知光源（例如激光）射進光，共振腔里的光子在兩個反射鏡之間來回反彈，在此過程中互相干涉。事實上共振腔是個光的存儲容器。在光子的一些頻率，光能夠由共振腔逸出。法布里-珀羅干涉儀本質(zhì)上是個頻率濾波器，其透射頻率與共振腔長度密切相關(guān)（圖7b）。共振腔長度變化時，其透射光的頻率也相應(yīng)變化。如果使一個反射鏡可移動，通過監(jiān)測透射光的頻率，就能夠知道共振腔長度很小的變化。透射光的窄帶寬由反比于共振腔長度的頻率分隔：

（6）

其中c是光速。對于反射鏡間隔在1量級的實際共振腔，的典型值在500MHz和1GHz之間。由此，通過測定透射光相對于基準光源的頻率偏移，共振腔尺寸的變化就能夠以與光波長相當?shù)木冗M行測量。不管是什么情況引起的共振腔尺寸變化（反射鏡移動），都可作為測量的對象。其中包括應(yīng)力、力、壓力和溫度。

a b

圖 7.（a）法布里-珀羅共振腔內(nèi)的多重射線干涉。（b）光的透射頻率

因其多功能特性，以法布里-珀羅共振腔為基礎(chǔ)的傳感器已被廣泛使用；比如已應(yīng)用于感應(yīng)壓力和溫度。這種傳感器探測光程長度的變化，該變化或者由共振腔折射率的改變引起，或者由共振腔物理長度的改變引起。微機械加工技術(shù)（MEMS）通過減小感應(yīng)組件的尺寸和成本，使得法布里-珀羅傳感器更具吸引力。微型法布里-珀羅傳感器的另一個優(yōu)點是低的光源相干性，例如發(fā)光二極管（LED）甚或白熾燈都可以用來產(chǎn)生干涉信號。

圖 8.（a）法布里-珀羅壓力傳感器結(jié)構(gòu)；（b）FISO FOP-M壓力傳感器外觀

一種采用法布里-珀羅共振腔的壓力傳感器示于圖8a。壓力施加于上部隔膜。在壓力作用下，隔膜向內(nèi)彎曲，減小了共振腔長度L。共振腔采用微機械加工技術(shù)單片制造，反射鏡可以是介電層或金屬層，在制造過程中經(jīng)淀積或蒸發(fā)形成。每層的厚度必須嚴格控制以達到傳感器的目標性能。由FISO技術(shù)公司生產(chǎn)的一種超小型壓力傳感器示于圖8b。該傳感器具有很小的溫度系數(shù)敏感度（《0.03%），外直徑為0.55mm，這使其在諸如植入式醫(yī)療裝置和其它侵入性設(shè)備等關(guān)鍵應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

圖 9. Roctest公司研發(fā)的法布里-珀羅傳感器的測量系統(tǒng)

法布里-珀羅傳感器的一種測量系統(tǒng)示于圖9。來自白色光源的光通過一個2×2光分路器耦合至連接傳感器的光纖。傳感器包含法布里-珀羅干涉共振腔（FPI），其反射回來的光的波長與共振腔尺寸有關(guān)。該系統(tǒng)的任務(wù)是測量波長的偏移。這由包含法布里-珀羅楔形器的白光互相關(guān)器完成。楔形器實際上是尺寸上線性變化的共振腔。取決于接收光的波長，楔形器只在其特定位置讓光通過。出射光在楔形器的位置可由位置敏感探測器（PSD）測定。探測器的輸出與施加在FPI傳感器的輸入激勵直接相關(guān)。

這種感應(yīng)方法的優(yōu)點包括線性響應(yīng)；對光源或光纖傳輸導致的光強度變化不敏感；以相同裝置測量不同激勵的多功能性；寬的動態(tài)范圍（1:15000）；以及高分辨率。此外，光纖傳感器對各種電磁和射頻干擾（EMI和RFI）不敏感，能夠可靠工作在惡劣環(huán)境中，不會受到不良影響。例如，F(xiàn)PI傳感器可在微波爐中運行。

4. 光學（激光）陀螺儀導航和控制應(yīng)用傳感器的現(xiàn)代發(fā)展，基于對所謂薩格納克效應(yīng)的利用，圖10是其圖示說明。兩束由激光產(chǎn)生的光以相反方向在具有折射率為n和半徑為R的光導環(huán)中傳播。一束光沿順時針（CW）方向，另一束為反時針（CCW）方向。

上式是涉及環(huán)形激光器中頻率、波長和周長變化的基本公式。如果環(huán)形激光器以速度W旋轉(zhuǎn)，那么由（7）式表明，光波在一個方向伸展，在另一個方向收縮，以滿足激光是環(huán)的整數(shù)波長的條件。由此導致光束之間的凈頻率差。如果兩束光攪在一起（混合），產(chǎn)生的信號具有頻率

圖 11.（a）光纖環(huán)形諧振器；（b）光纖模擬線圈陀螺儀

在實踐中，光學陀螺儀的設(shè)計可以用光纖環(huán)形諧振器，也可以用由很多匝光纖形成環(huán)的光纖線圈。光學環(huán)形諧振器示于圖11a。其中包含與具有很低交叉耦合比率的光纖分束器結(jié)合的光纖環(huán)。入射光束具有光纖環(huán)的諧振頻率時，光耦合進光纖環(huán)，激發(fā)光的強度下降。線圈式光纖陀螺儀（圖11b）包含光源和耦合至光纖的探測器。在探測器和第二個耦合器之間放置偏光器，以確保兩個相對傳播的光束在光纖線圈中走的是同一條路徑。兩個光束混合并進入探測器，后者監(jiān)測由旋轉(zhuǎn)引入的兩個光束之間的相位變化導致的余弦強度變化。這種類型的光纖陀螺儀構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)傳感器具有相對較低的成本和小的尺寸，動態(tài)范圍高達10000。其應(yīng)用包括偏航和傾斜測量、姿態(tài)穩(wěn)定和回轉(zhuǎn)羅盤。光纖陀螺儀的主要優(yōu)點是能夠工作在機械陀螺儀即便不是不可用、也較難應(yīng)付的惡劣環(huán)境中。

5. 光學式光纖麥克風

在惡劣環(huán)境下的直接聲學測量，諸如渦輪噴氣發(fā)動機或火箭引擎，需要能夠抵抗高溫和強振動的傳感器。在關(guān)于計算流體動力學（CFD）的代碼驗證、結(jié)構(gòu)聲學試驗，噴氣噪音消減等方面，就需要這種極端條件下的聲學測量。對于這些應(yīng)用，光纖干涉式麥克風相當合適。這種設(shè)計之一由單模的溫度不敏感邁克爾遜干涉計和平板反射膜構(gòu)成。干涉計監(jiān)測與聲壓直接相關(guān)的平板的偏移。傳感器采用水冷，以便為光學材料提供熱保護，并穩(wěn)定膜的機械性能。

圖 12. 光纖干涉式麥克風中銅膜的移動轉(zhuǎn)換成探測器中的光強度

要形成入射和出射光束之間的干涉作用，把兩根光纖熔接在一起，在最小錐形區(qū)域處分叉（圖12）。光纖置于外加水冷的不銹鋼管中。管子的內(nèi)部空間充滿環(huán)氧樹脂，管子的末端進行拋光直到露出光纖。接下來把鋁選擇性淀積在熔合光纖芯之一的端面，使其表面形成鏡面反射。這個光纖作為麥克風的基準臂。另一個光纖芯保持透光，作為感應(yīng)臂。裝置中基準臂和感應(yīng)臂緊貼在一起，實現(xiàn)了溫度不敏感性。

來自激光源（工作在接近1.3波長的激光二極管）的光進入光纖芯之一，傳輸至熔接末端，并耦合至另一個光纖芯。到達光纖芯末端時，基準芯中的光被鋁反射鏡反射至輸入側(cè)和傳感器的輸出側(cè)。朝向輸入側(cè)的部分光損失掉了，對測量沒有影響，朝向輸出側(cè)的部分光則到達探測器表面。經(jīng)感應(yīng)芯傳輸至右側(cè)的部分光射出光纖，照射到銅膜上。部分光經(jīng)膜反射回感應(yīng)光纖，和基準光一起傳輸至輸出側(cè)。取決于膜的位置，此反射光的相位會發(fā)生變化，因而與基準光的相位不同。

在一起傳輸至輸出探測器時，基準光和感應(yīng)光互相發(fā)生干涉，形成光強調(diào)制。因而麥克風把膜位移轉(zhuǎn)換成了光強度。理論上，這種傳感器的信噪比可達到70～80dB的量級，由此形成1?（）的平均最小可測膜位移。

圖 13. 作為反射光相位的函數(shù)的光強度圖

圖13示意探測器中干涉光強度相對于相位的典型變化曲線。為確保線性的傳遞函數(shù)，工作點應(yīng)選擇在接近光強度的中部，那里的斜率最大，線性度最好。通過調(diào)節(jié)激光二極管的波長可改變斜率和工作點。使偏移維持在工作波長的四分之一之內(nèi)以維持成比例輸出十分重要。

膜由直徑為1.25mm、厚度為0.05mm的箔片制造。之所以選擇銅膜，是因為其良好的熱傳導性和相對較低的彈性模量。后一個特性使得可采用較厚的膜，提供更好的散熱，同時維持合適的固有頻率和偏移。1.4kPa的壓力產(chǎn)生39nm（390?）的最大中心偏移，剛好是工作波長（1300nm）的1/4之內(nèi)。這種光學麥克風能夠轉(zhuǎn)換的最大聲學頻率極限大約為100kHz，剛好高于結(jié)構(gòu)聲學試驗所需的工作范圍。

6. 干涉式溫度傳感器

光學溫度測量的方法之一基于兩個光束干涉形成的光強度調(diào)制。一束光為基準，另一束光通過對溫度敏感的媒質(zhì)傳播，產(chǎn)生與溫度有關(guān)的延遲。這導致相移并產(chǎn)生干涉信號的消光。對于溫度測量來說，可以使用薄層硅，因為其折射率隨溫度變化，因而調(diào)制了光的傳播距離。

圖 14. 薄膜光學溫度傳感器原理圖

圖14表示薄膜光學傳感器的原理圖。該傳感器由在階躍折射率多模光纖的末端濺射形成三層結(jié)構(gòu)制備，光纖芯直徑第一層為硅，然后是二氧化硅。FeCrAl層在探頭末端，防止下層的硅氧化。該光纖可在高達350℃下使用；不過更為昂貴的帶有金緩沖鍍層的光纖能夠在高達650℃下使用。此傳感器采用工作在860nm范圍的LED光源和顯微光學分光計。

7. 熱致變色溶液式溫度傳感器

對于生物醫(yī)學應(yīng)用，電磁干擾會帶來問題，可用諸如二氯化鈷（）這樣的熱致變色溶液制造溫度傳感器。

圖 15. 熱致變色溶液傳感器。（a）二氯化鈷溶液的吸收光譜；

（b）反射光纖耦合；（c）透射耦合

這種傳感器的工作基于熱致變色溶液對400～800nm的可見光范圍光譜吸收的溫度相關(guān)效應(yīng)（圖15a）。這意味著傳感器要包括光源、探測器，以及與物體耦合的二氯化鈷溶液。兩種可行的設(shè)計示于圖15b和c，其中發(fā)射和接收光纖通過二氯化鈷溶液耦合。
編輯：hfy