一文解读光纤传感器的原理和构造

编译：穆心光纤在传感方面应用的基本想法，是通过调制光纤中的光的一种或几种特性，继而以常规方法进行光学解调而获得信息。光纤传感器对各种电磁和射频干扰（EMI和RFI）不敏感，能够可靠工作在恶劣环境中，不会受到不良影响。

本文编译自《现代传感器手册——原理、设计和应用》（第四版，2010年；作者：雅各布•弗瑞登）。所谓手册者，即在偏重于实用和参考价值。希望通过本文，可以对如何在具体的细节上设计和制造光纤类传感器产品窥知一二，进而启迪思维，促进创新。

1. 可用于传感器的光纤特性

虽然光不会绕过拐角，但能通过波导的使用，沿复杂的路径传播。要工作在可见光和近红外光谱范围，可以用玻璃和聚合物纤维制作波导。对于中、远红外光谱范围，波导由特殊材料或具有高反射内表面的中空管制成。管状波导管依据反射原理工作，光束以之字形传播。光纤可用于在其它方式无法到达的区域传播光能，同时不会有任何来自光源的热传输。

把圆形或其它截面光纤的表面和末端抛光。需要的时候可添加外层保护。玻璃在热的时候，其纤维可以弯曲的曲率半径为其截面直径的20～50倍，冷却之后，则为直径的200～300倍。由聚甲基丙烯酸甲酯制造的塑料光纤，能够弯曲到比玻璃纤维小很多的半径。0.25mm的聚合物光纤，在长度上具有0.5dB/m范围之内的典型衰减。光依靠全内反射通过光纤传播，如图1b所示。根据公式（1），光由折射率为n的媒介传播到空气，受到全内反射角度的限制：

图 1. 光纤：（a）阶跃折射率多层光纤；（b）最大入射角的确定

图1a表示带有护套的单光纤的折射率曲线，护套必须具有低的折射率，以保证在边界发生全内反射。例如二氧化硅护套光纤，内芯（光纤）材料的折射率为1.5，护套的折射率为1.485。为了保护带护套光纤，典型的做法是把其封装在某种保护橡胶或塑料外套内。这种类型的光纤称为“阶跃折射率多模”光纤，其含义与折射率曲线有关。

光进入光纤时，重要的是要确定会产生全内反射的最大入射角（图1b）。如果我们把最小内反射角取为，那么可由斯涅耳定律找出最大角：

， （3）

再次应用斯涅耳定律并已知空气的折射率约等于1，我们得出

（4）

合并公式（3）和（4），我们得到全内反射能够在内芯发生的与光纤端面法线之间的最大入射角度：

。 （5）

以大于的角度进入光纤的光线，会传播到护套并损失掉。对于数据传输，这是不希望出现的结果。不过在特殊设计的光纤传感器中，最大入射角可以成为调节光强度的一种有用的方法。有时值被称为光纤的数值孔径。由于光纤特性、弯曲和偏斜路径的改变，光强度虽然不会突然降至零，但会在接近时逐渐减少至零。实践中，数值孔径定义为会导致光强度下降某个任意值（比如最大值的-10dB）的角度。

光纤传感器的有用特性之一，是其可以视应用需要形成各种几何形状。在设计对诸如压力、温度、化学浓度等等激励敏感的微型光学传感器时，这种特性十分有用。光纤在传感方面应用的基本想法，是通过调制光纤中的光的一种或几种特性，继而以常规方法进行光学解调而获得信息。

激励可以直接与光纤发生作用，或者可施加于附属在光纤外表面或抛光端面的部件，产生光学上可测的信号。要制造光纤化学传感器，可在耦合于光纤的光路内配置特殊固相试剂。该试剂与被测物发生相互作用，产生光学上可测的影响（比如改变折射率或吸收率）。光纤的护套可由化学物质制造，遇到某些液体时，这种物质的折射率会发生改变。全内反射角度改变时，光强度也改变。

图 2. 单（a）和双（b）光纤传感器

图 3. 光纤位移传感器利用反射光强度的调制

光导纤维可以用于两种模式。第一种模式中（图2a），使用同一光纤发射激发信号并采集光学响应，传导回处理部件。第二种模式中采用两个或多个光纤，激发（照明）功能和采集功能由不同的光纤完成（图2b）。最常使用的光纤传感器类型是强度传感器，即用外部激励对光强度进行调制。图3示意一种位移传感器，其中用单光纤波导发射光线至反射表面。光线经光纤传播，以圆锥形分布射向反射器。如果反射器接近光纤端面（距离d），大部分光反射进入光纤，并传播回到位于光纤另一端的光探测器。如果反射器远离，一些光线反射到光纤端面之外，返回较少的光子。由于发射光的圆锥形分布，距离d和返回光强度之间的准线性关系可在有限范围内获得。

图 4. 光纤微弯曲应变计

可利用光纤设计所谓的微弯曲应变计，把光纤挤压在两个变形组件之间，如图4所示。施加于上部变形组件的外力使光纤弯曲，影响了内部反射表面的位置。因此，通常会沿x方向反射的光束，以小于全内反射角（公式2）的角度到达光纤的下部。从而光线不是被反射，而是沿y方向折射进入光纤壁。变形组件互相离得越近，就会有越多的光线走入歧途，越少的光线沿光纤传播。

2. 用于液位测量的光纤传感器

光纤传感器能相当有效地用于接近和液位探测器。位移探测器的一个例子即如图3所示，其中反射光的强度由光纤端面至反射表面的距离d调制。

图 5. 利用折射率变化的光学液位探测器

带有两组光纤和棱镜的液位探测器示于图5。它利用了空气（或材料的气相）和待测液体之间折射率的不同。传感器高于液位时，由于棱镜的全内反射，发射光纤（左侧）传送的光大部分到达接收光纤（右侧）。不过一些以小于全内反射角到达棱镜反射表面的光逸出损失到环境中。当棱镜接触到液位，由于液体的折射率高于空气，全内反射角发生改变。这导致相当大的光强度损失，这一变化由另一端的接收光纤探测到。光强度由适当的光电转换器转换成电信号。这种传感器的另一个版本示于图6，示意一种由美国Gems Sensors公司制造的传感器。光纤是U形的，由上浸入液体时，传输光的强度发生改变。此探测器在曲率半径最小的弯曲处有两个感应区域。整个装置封装在5mm直径的探头内，具有大约0.5mm的重复误差。请注意探头升高至高于液位时，感应组件带起的液滴由感应区域落下的形状。

图 6. U形光纤液位传感器。（a）传感器高于液位时，输出端的光线最强；

（b）感应区域接触液体时，光线由光纤下部穿出

3. 与光纤结合的法布里-珀罗传感器

在恶劣环境下以高精度测量小位移，可以利用所谓的法布里-珀罗光学共振腔。共振腔包括两个互相面对的半反射镜，间隔距离为L（图7a）。共振腔由已知光源（例如激光）射进光，共振腔里的光子在两个反射镜之间来回反弹，在此过程中互相干涉。事实上共振腔是个光的存储容器。在光子的一些频率，光能够由共振腔逸出。法布里-珀罗干涉仪本质上是个频率滤波器，其透射频率与共振腔长度密切相关（图7b）。共振腔长度变化时，其透射光的频率也相应变化。如果使一个反射镜可移动，通过监测透射光的频率，就能够知道共振腔长度很小的变化。透射光的窄带宽由反比于共振腔长度的频率分隔：

（6）

其中c是光速。对于反射镜间隔在1量级的实际共振腔，的典型值在500MHz和1GHz之间。由此，通过测定透射光相对于基准光源的频率偏移，共振腔尺寸的变化就能够以与光波长相当的精度进行测量。不管是什么情况引起的共振腔尺寸变化（反射镜移动），都可作为测量的对象。其中包括应力、力、压力和温度。

a b

图 7.（a）法布里-珀罗共振腔内的多重射线干涉。（b）光的透射频率

因其多功能特性，以法布里-珀罗共振腔为基础的传感器已被广泛使用；比如已应用于感应压力和温度。这种传感器探测光程长度的变化，该变化或者由共振腔折射率的改变引起，或者由共振腔物理长度的改变引起。微机械加工技术（MEMS）通过减小感应组件的尺寸和成本，使得法布里-珀罗传感器更具吸引力。微型法布里-珀罗传感器的另一个优点是低的光源相干性，例如发光二极管（LED）甚或白炽灯都可以用来产生干涉信号。

图 8.（a）法布里-珀罗压力传感器结构；（b）FISO FOP-M压力传感器外观

一种采用法布里-珀罗共振腔的压力传感器示于图8a。压力施加于上部隔膜。在压力作用下，隔膜向内弯曲，减小了共振腔长度L。共振腔采用微机械加工技术单片制造，反射镜可以是介电层或金属层，在制造过程中经淀积或蒸发形成。每层的厚度必须严格控制以达到传感器的目标性能。由FISO技术公司生产的一种超小型压力传感器示于图8b。该传感器具有很小的温度系数敏感度（《0.03%），外直径为0.55mm，这使其在诸如植入式医疗装置和其它侵入性设备等关键应用中表现出色。

图 9. Roctest公司研发的法布里-珀罗传感器的测量系统

法布里-珀罗传感器的一种测量系统示于图9。来自白色光源的光通过一个2×2光分路器耦合至连接传感器的光纤。传感器包含法布里-珀罗干涉共振腔（FPI），其反射回来的光的波长与共振腔尺寸有关。该系统的任务是测量波长的偏移。这由包含法布里-珀罗楔形器的白光互相关器完成。楔形器实际上是尺寸上线性变化的共振腔。取决于接收光的波长，楔形器只在其特定位置让光通过。出射光在楔形器的位置可由位置敏感探测器（PSD）测定。探测器的输出与施加在FPI传感器的输入激励直接相关。

这种感应方法的优点包括线性响应；对光源或光纤传输导致的光强度变化不敏感；以相同装置测量不同激励的多功能性；宽的动态范围（1:15000）；以及高分辨率。此外，光纤传感器对各种电磁和射频干扰（EMI和RFI）不敏感，能够可靠工作在恶劣环境中，不会受到不良影响。例如，FPI传感器可在微波炉中运行。

4. 光学（激光）陀螺仪导航和控制应用传感器的现代发展，基于对所谓萨格纳克效应的利用，图10是其图示说明。两束由激光产生的光以相反方向在具有折射率为n和半径为R的光导环中传播。一束光沿顺时针（CW）方向，另一束为反时针（CCW）方向。

上式是涉及环形激光器中频率、波长和周长变化的基本公式。如果环形激光器以速度W旋转，那么由（7）式表明，光波在一个方向伸展，在另一个方向收缩，以满足激光是环的整数波长的条件。由此导致光束之间的净频率差。如果两束光搅在一起（混合），产生的信号具有频率

 

图 11.（a）光纤环形谐振器；（b）光纤模拟线圈陀螺仪

在实践中，光学陀螺仪的设计可以用光纤环形谐振器，也可以用由很多匝光纤形成环的光纤线圈。光学环形谐振器示于图11a。其中包含与具有很低交叉耦合比率的光纤分束器结合的光纤环。入射光束具有光纤环的谐振频率时，光耦合进光纤环，激发光的强度下降。线圈式光纤陀螺仪（图11b）包含光源和耦合至光纤的探测器。在探测器和第二个耦合器之间放置偏光器，以确保两个相对传播的光束在光纤线圈中走的是同一条路径。两个光束混合并进入探测器，后者监测由旋转引入的两个光束之间的相位变化导致的余弦强度变化。这种类型的光纤陀螺仪构成的旋转感应传感器具有相对较低的成本和小的尺寸，动态范围高达10000。其应用包括偏航和倾斜测量、姿态稳定和回转罗盘。光纤陀螺仪的主要优点是能够工作在机械陀螺仪即便不是不可用、也较难应付的恶劣环境中。

5. 光学式光纤麦克风

在恶劣环境下的直接声学测量，诸如涡轮喷气发动机或火箭引擎，需要能够抵抗高温和强振动的传感器。在关于计算流体动力学（CFD）的代码验证、结构声学试验，喷气噪音消减等方面，就需要这种极端条件下的声学测量。对于这些应用，光纤干涉式麦克风相当合适。这种设计之一由单模的温度不敏感迈克尔逊干涉计和平板反射膜构成。干涉计监测与声压直接相关的平板的偏移。传感器采用水冷，以便为光学材料提供热保护，并稳定膜的机械性能。

图 12. 光纤干涉式麦克风中铜膜的移动转换成探测器中的光强度

要形成入射和出射光束之间的干涉作用，把两根光纤熔接在一起，在最小锥形区域处分叉（图12）。光纤置于外加水冷的不锈钢管中。管子的内部空间充满环氧树脂，管子的末端进行抛光直到露出光纤。接下来把铝选择性淀积在熔合光纤芯之一的端面，使其表面形成镜面反射。这个光纤作为麦克风的基准臂。另一个光纤芯保持透光，作为感应臂。装置中基准臂和感应臂紧贴在一起，实现了温度不敏感性。

来自激光源（工作在接近1.3波长的激光二极管）的光进入光纤芯之一，传输至熔接末端，并耦合至另一个光纤芯。到达光纤芯末端时，基准芯中的光被铝反射镜反射至输入侧和传感器的输出侧。朝向输入侧的部分光损失掉了，对测量没有影响，朝向输出侧的部分光则到达探测器表面。经感应芯传输至右侧的部分光射出光纤，照射到铜膜上。部分光经膜反射回感应光纤，和基准光一起传输至输出侧。取决于膜的位置，此反射光的相位会发生变化，因而与基准光的相位不同。

在一起传输至输出探测器时，基准光和感应光互相发生干涉，形成光强调制。因而麦克风把膜位移转换成了光强度。理论上，这种传感器的信噪比可达到70～80dB的量级，由此形成1Å（）的平均最小可测膜位移。

图 13. 作为反射光相位的函数的光强度图

图13示意探测器中干涉光强度相对于相位的典型变化曲线。为确保线性的传递函数，工作点应选择在接近光强度的中部，那里的斜率最大，线性度最好。通过调节激光二极管的波长可改变斜率和工作点。使偏移维持在工作波长的四分之一之内以维持成比例输出十分重要。

膜由直径为1.25mm、厚度为0.05mm的箔片制造。之所以选择铜膜，是因为其良好的热传导性和相对较低的弹性模量。后一个特性使得可采用较厚的膜，提供更好的散热，同时维持合适的固有频率和偏移。1.4kPa的压力产生39nm（390Å）的最大中心偏移，刚好是工作波长（1300nm）的1/4之内。这种光学麦克风能够转换的最大声学频率极限大约为100kHz，刚好高于结构声学试验所需的工作范围。

6. 干涉式温度传感器

光学温度测量的方法之一基于两个光束干涉形成的光强度调制。一束光为基准，另一束光通过对温度敏感的媒质传播，产生与温度有关的延迟。这导致相移并产生干涉信号的消光。对于温度测量来说，可以使用薄层硅，因为其折射率随温度变化，因而调制了光的传播距离。

图 14. 薄膜光学温度传感器原理图

图14表示薄膜光学传感器的原理图。该传感器由在阶跃折射率多模光纤的末端溅射形成三层结构制备，光纤芯直径第一层为硅，然后是二氧化硅。FeCrAl层在探头末端，防止下层的硅氧化。该光纤可在高达350℃下使用；不过更为昂贵的带有金缓冲镀层的光纤能够在高达650℃下使用。此传感器采用工作在860nm范围的LED光源和显微光学分光计。

7. 热致变色溶液式温度传感器

对于生物医学应用，电磁干扰会带来问题，可用诸如二氯化钴（）这样的热致变色溶液制造温度传感器。

图 15. 热致变色溶液传感器。（a）二氯化钴溶液的吸收光谱；

（b）反射光纤耦合；（c）透射耦合

这种传感器的工作基于热致变色溶液对400～800nm的可见光范围光谱吸收的温度相关效应（图15a）。这意味着传感器要包括光源、探测器，以及与物体耦合的二氯化钴溶液。两种可行的设计示于图15b和c，其中发射和接收光纤通过二氯化钴溶液耦合。
编辑：hfy