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(jìn)行光學(xué)解調(diào)而獲得信息。光纖傳感器對(duì)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(huì)受到不良影響。

本文編譯自《現(xiàn)代傳感器手冊(cè)——原理、設(shè)計(jì)和應(yīng)用》（第四版，2010年；作者：雅各布?弗瑞登）。所謂手冊(cè)者，即在偏重于實(shí)用和參考價(jià)值。希望通過本文，可以對(duì)如何在具體的細(xì)節(jié)上設(shè)計(jì)和制造光纖類傳感器產(chǎn)品窺知一二，進(jìn)而啟迪思維，促進(jìn)創(chuàng)新。

1. 可用于傳感器的光纖特性

雖然光不會(huì)繞過拐角，但能通過波導(dǎo)的使用，沿復(fù)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(dǎo)。對(duì)于中、遠(yuǎn)紅外光譜范圍，波導(dǎo)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(dǎo)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(dá)的區(qū)域傳播光能，同時(shí)不會(huì)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(shí)候可添加外層保護(hù)。玻璃在熱的時(shí)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(hù)套的單光纖的折射率曲線，護(hù)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(hù)套光纖，內(nèi)芯（光纖）材料的折射率為1.5，護(hù)套的折射率為1.485。為了保護(hù)帶護(hù)套光纖，典型的做法是把其封裝在某種保護(hù)橡膠或塑料外套內(nèi)。這種類型的光纖稱為“階躍折射率多?！惫饫w，其含義與折射率曲線有關(guān)。

光進(jìn)入光纖時(shí)，重要的是要確定會(huì)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(jìn)入光纖的光線，會(huì)傳播到護(hù)套并損失掉。對(duì)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(jì)的光纖傳感器中，最大入射角可以成為調(diào)節(jié)光強(qiáng)度的一種有用的方法。有時(shí)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(qiáng)度雖然不會(huì)突然降至零，但會(huì)在接近時(shí)逐漸減少至零。實(shí)踐中，數(shù)值孔徑定義為會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)度下降某個(gè)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(jì)對(duì)諸如壓力、溫度、化學(xué)濃度等等激勵(lì)敏感的微型光學(xué)傳感器時(shí)，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(jìn)行光學(xué)解調(diào)而獲得信息。

激勵(lì)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(xué)上可測(cè)的信號(hào)。要制造光纖化學(xué)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(cè)物發(fā)生相互作用，產(chǎn)生光學(xué)上可測(cè)的影響（比如改變折射率或吸收率）。光纖的護(hù)套可由化學(xué)物質(zhì)制造，遇到某些液體時(shí)，這種物質(zhì)的折射率會(huì)發(fā)生改變。全內(nèi)反射角度改變時(shí)，光強(qiáng)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(qiáng)度的調(diào)制

光導(dǎo)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(hào)并采集光學(xué)響應(yīng)，傳導(dǎo)回處理部件。第二種模式中采用兩個(gè)或多個(gè)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(qiáng)度傳感器，即用外部激勵(lì)對(duì)光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制。圖3示意一種位移傳感器，其中用單光纖波導(dǎo)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(jìn)入光纖，并傳播回到位于光纖另一端的光探測(cè)器。如果反射器遠(yuǎn)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(qiáng)度之間的準(zhǔn)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(jì)

可利用光纖設(shè)計(jì)所謂的微彎曲應(yīng)變計(jì)，把光纖擠壓在兩個(gè)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(huì)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(dá)光纖的下部。從而光線不是被反射，而是沿y方向折射進(jìn)入光纖壁。變形組件互相離得越近，就會(huì)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(cè)量的光纖傳感器

光纖傳感器能相當(dāng)有效地用于接近和液位探測(cè)器。位移探測(cè)器的一個(gè)例子即如圖3所示，其中反射光的強(qiáng)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(xué)液位探測(cè)器

帶有兩組光纖和棱鏡的液位探測(cè)器示于圖5。它利用了空氣（或材料的氣相）和待測(cè)液體之間折射率的不同。傳感器高于液位時(shí)，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(dá)接收光纖（右側(cè)）。不過一些以小于全內(nèi)反射角到達(dá)棱鏡反射表面的光逸出損失到環(huán)境中。當(dāng)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(dǎo)致相當(dāng)大的光強(qiáng)度損失，這一變化由另一端的接收光纖探測(cè)到。光強(qiáng)度由適當(dāng)?shù)?a href="http://m.brongaenegriffin.com/v/tag/2800/" target="_blank">光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種傳感器的另一個(gè)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(shí)，傳輸光的強(qiáng)度發(fā)生改變。此探測(cè)器在曲率半徑最小的彎曲處有兩個(gè)感應(yīng)區(qū)域。整個(gè)裝置封裝在5mm直徑的探頭內(nèi)，具有大約0.5mm的重復(fù)誤差。請(qǐng)注意探頭升高至高于液位時(shí)，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(shí)，輸出端的光線最強(qiáng)；

（b）感應(yīng)區(qū)域接觸液體時(shí)，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(cè)量小位移，可以利用所謂的法布里-珀羅光學(xué)共振腔。共振腔包括兩個(gè)互相面對(duì)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(jìn)光，共振腔里的光子在兩個(gè)反射鏡之間來回反彈，在此過程中互相干涉。事實(shí)上共振腔是個(gè)光的存儲(chǔ)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(gè)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(shí)，其透射光的頻率也相應(yīng)變化。如果使一個(gè)反射鏡可移動(dòng)，通過監(jiān)測(cè)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(duì)于反射鏡間隔在1量級(jí)的實(shí)際共振腔，的典型值在500MHz和1GHz之間。由此，通過測(cè)定透射光相對(duì)于基準(zhǔn)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(dāng)?shù)木冗M(jìn)行測(cè)量。不管是什么情況引起的共振腔尺寸變化（反射鏡移動(dòng)），都可作為測(cè)量的對(duì)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(cè)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(jī)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(gè)優(yōu)點(diǎn)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(hào)。

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(jī)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(yán)格控制以達(dá)到傳感器的目標(biāo)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(cè)量系統(tǒng)

法布里-珀羅傳感器的一種測(cè)量系統(tǒng)示于圖9。來自白色光源的光通過一個(gè)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(cè)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(shí)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(cè)器（PSD）測(cè)定。探測(cè)器的輸出與施加在FPI傳感器的輸入激勵(lì)直接相關(guān)。

這種感應(yīng)方法的優(yōu)點(diǎn)包括線性響應(yīng)；對(duì)光源或光纖傳輸導(dǎo)致的光強(qiáng)度變化不敏感；以相同裝置測(cè)量不同激勵(lì)的多功能性；寬的動(dòng)態(tài)范圍（1:15000）；以及高分辨率。此外，光纖傳感器對(duì)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(huì)受到不良影響。例如，F(xiàn)PI傳感器可在微波爐中運(yùn)行。

4. 光學(xué)（激光）陀螺儀導(dǎo)航和控制應(yīng)用傳感器的現(xiàn)代發(fā)展，基于對(duì)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(dǎo)環(huán)中傳播。一束光沿順時(shí)針（CW）方向，另一束為反時(shí)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(gè)方向伸展，在另一個(gè)方向收縮，以滿足激光是環(huán)的整數(shù)波長的條件。由此導(dǎo)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(hào)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(shí)踐中，光學(xué)陀螺儀的設(shè)計(jì)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(xué)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(shí)，光耦合進(jìn)光纖環(huán)，激發(fā)光的強(qiáng)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(cè)器。在探測(cè)器和第二個(gè)耦合器之間放置偏光器，以確保兩個(gè)相對(duì)傳播的光束在光纖線圈中走的是同一條路徑。兩個(gè)光束混合并進(jìn)入探測(cè)器，后者監(jiān)測(cè)由旋轉(zhuǎn)引入的兩個(gè)光束之間的相位變化導(dǎo)致的余弦強(qiáng)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(duì)較低的成本和小的尺寸，動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)10000。其應(yīng)用包括偏航和傾斜測(cè)量、姿態(tài)穩(wěn)定和回轉(zhuǎn)羅盤。光纖陀螺儀的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠工作在機(jī)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(xué)式光纖麥克風(fēng)

在惡劣環(huán)境下的直接聲學(xué)測(cè)量，諸如渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或火箭引擎，需要能夠抵抗高溫和強(qiáng)振動(dòng)的傳感器。在關(guān)于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的代碼驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)聲學(xué)試驗(yàn)，噴氣噪音消減等方面，就需要這種極端條件下的聲學(xué)測(cè)量。對(duì)于這些應(yīng)用，光纖干涉式麥克風(fēng)相當(dāng)合適。這種設(shè)計(jì)之一由單模的溫度不敏感邁克爾遜干涉計(jì)和平板反射膜構(gòu)成。干涉計(jì)監(jiān)測(cè)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(xué)材料提供熱保護(hù)，并穩(wěn)定膜的機(jī)械性能。

圖 12. 光纖干涉式麥克風(fēng)中銅膜的移動(dòng)轉(zhuǎn)換成探測(cè)器中的光強(qiáng)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(jìn)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(gè)光纖作為麥克風(fēng)的基準(zhǔn)臂。另一個(gè)光纖芯保持透光，作為感應(yīng)臂。裝置中基準(zhǔn)臂和感應(yīng)臂緊貼在一起，實(shí)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(jìn)入光纖芯之一，傳輸至熔接末端，并耦合至另一個(gè)光纖芯。到達(dá)光纖芯末端時(shí)，基準(zhǔn)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(duì)測(cè)量沒有影響，朝向輸出側(cè)的部分光則到達(dá)探測(cè)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(zhǔn)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(huì)發(fā)生變化，因而與基準(zhǔn)光的相位不同。

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

圖 13. 作為反射光相位的函數(shù)的光強(qiáng)度圖

圖13示意探測(cè)器中干涉光強(qiáng)度相對(duì)于相位的典型變化曲線。為確保線性的傳遞函數(shù)，工作點(diǎn)應(yīng)選擇在接近光強(qiáng)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(diǎn)。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?yàn)槠淞己玫臒醾鲗?dǎo)性和相對(duì)較低的彈性模量。后一個(gè)特性使得可采用較厚的膜，提供更好的散熱，同時(shí)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(xué)麥克風(fēng)能夠轉(zhuǎn)換的最大聲學(xué)頻率極限大約為100kHz，剛好高于結(jié)構(gòu)聲學(xué)試驗(yàn)所需的工作范圍。

6. 干涉式溫度傳感器

光學(xué)溫度測(cè)量的方法之一基于兩個(gè)光束干涉形成的光強(qiáng)度調(diào)制。一束光為基準(zhǔn)，另一束光通過對(duì)溫度敏感的媒質(zhì)傳播，產(chǎn)生與溫度有關(guān)的延遲。這導(dǎo)致相移并產(chǎn)生干涉信號(hào)的消光。對(duì)于溫度測(cè)量來說，可以使用薄層硅，因?yàn)槠湔凵渎孰S溫度變化，因而調(diào)制了光的傳播距離。

圖 14. 薄膜光學(xué)溫度傳感器原理圖

圖14表示薄膜光學(xué)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(dá)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(dá)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(xué)分光計(jì)。

7. 熱致變色溶液式溫度傳感器

對(duì)于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，電磁干擾會(huì)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(duì)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(cè)器，以及與物體耦合的二氯化鈷溶液。兩種可行的設(shè)計(jì)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