編譯：穆心光纖在傳感方面應用的基本想法，是通過調制光纖中的光的一種或幾種特性，繼而以常規方法進行光學解調而獲得信息。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境中，不會受到不良影響。

本文編譯自《現代傳感器手冊——原理、設計和應用》（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上設計和制造光纖類傳感器產品窺知一二，進而啟迪思維，促進創新。

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表面的中空管制成。管狀波導管依據反射原理工作，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范圍之內的典型衰減。光依靠全內反射通過光纖傳播，如圖1b所示。根據公式（1），光由折射率為n的媒介傳播到空氣，受到全內反射角度的限制：

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，以保證在邊界發生全內反射。例如二氧化硅護套光纖，內芯（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。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。

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

， （3）

再次應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），我們得到全內反射能夠在內芯發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。對于數據傳輸，這是不希望出現的結果。不過在特殊設計的光纖傳感器中，最大入射角可以成為調節光強度的一種有用的方法。有時值被稱為光纖的數值孔徑。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，是其可以視應用需要形成各種幾何形狀。在設計對諸如壓力、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。光纖在傳感方面應用的基本想法，是通過調制光纖中的光的一種或幾種特性，繼而以常規方法進行光學解調而獲得信息。

激勵可以直接與光纖發生作用，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配置特殊固相試劑。該試劑與被測物發生相互作用，產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制造，遇到某些液體時，這種物質的折射率會發生改變。全內反射角度改變時，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），使用同一光纖發射激發信號并采集光學響應，傳導回處理部件。第二種模式中采用兩個或多個光纖，激發（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制。圖3示意一種位移傳感器，其中用單光纖波導發射光線至反射表面。光線經光纖傳播，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。由于發射光的圓錐形分布，距離d和返回光強度之間的準線性關系可在有限范圍內獲得。

圖 4. 光纖微彎曲應變計

可利用光纖設計所謂的微彎曲應變計，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，由于棱鏡的全內反射，發射光纖（左側）傳送的光大部分到達接收光纖（右側）。不過一些以小于全內反射角到達棱鏡反射表面的光逸出損失到環境中。當棱鏡接觸到液位，由于液體的折射率高于空氣，全內反射角發生改變。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。光強度由適當的光電轉換器轉換成電信號。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，傳輸光的強度發生改變。此探測器在曲率半徑最小的彎曲處有兩個感應區域。整個裝置封裝在5mm直徑的探頭內，具有大約0.5mm的重復誤差。請注意探頭升高至高于液位時，感應組件帶起的液滴由感應區域落下的形狀。

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）感應區域接觸液體時，光線由光纖下部穿出

3. 與光纖結合的法布里-珀羅傳感器

在惡劣環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-珀羅干涉儀本質上是個頻率濾波器，其透射頻率與共振腔長度密切相關（圖7b）。共振腔長度變化時，其透射光的頻率也相應變化。如果使一個反射鏡可移動，通過監測透射光的頻率，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的精度進行測量。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。其中包括應力、力、壓力和溫度。

a b

圖 7.（a）法布里-珀羅共振腔內的多重射線干涉。（b）光的透射頻率

因其多功能特性，以法布里-珀羅共振腔為基礎的傳感器已被廣泛使用；比如已應用于感應壓力和溫度。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（MEMS）通過減小感應組件的尺寸和成本，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點是低的光源相干性，例如發光二極管（LED）甚或白熾燈都可以用來產生干涉信號。

圖 8.（a）法布里-珀羅壓力傳感器結構；（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，隔膜向內彎曲，減小了共振腔長度L。共振腔采用微機械加工技術單片制造，反射鏡可以是介電層或金屬層，在制造過程中經淀積或蒸發形成。每層的厚度必須嚴格控制以達到傳感器的目標性能。由FISO技術公司生產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敏感度（《0.03%），外直徑為0.55mm，這使其在諸如植入式醫療裝置和其它侵入性設備等關鍵應用中表現出色。

圖 9. Roctest公司研發的法布里-珀羅傳感器的測量系統

法布里-珀羅傳感器的一種測量系統示于圖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。該系統的任務是測量波長的偏移。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。

這種感應方法的優點包括線性響應；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境中，不會受到不良影響。例如，FPI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用傳感器的現代發展，基于對所謂薩格納克效應的利用，圖10是其圖示說明。兩束由激光產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。

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

圖 11.（a）光纖環形諧振器；（b）光纖模擬線圈陀螺儀

在實踐中，光學陀螺儀的設計可以用光纖環形諧振器，也可以用由很多匝光纖形成環的光纖線圈。光學環形諧振器示于圖11a。其中包含與具有很低交叉耦合比率的光纖分束器結合的光纖環。入射光束具有光纖環的諧振頻率時，光耦合進光纖環，激發光的強度下降。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，后者監測由旋轉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成的旋轉感應傳感器具有相對較低的成本和小的尺寸，動態范圍高達10000。其應用包括偏航和傾斜測量、姿態穩定和回轉羅盤。光纖陀螺儀的主要優點是能夠工作在機械陀螺儀即便不是不可用、也較難應付的惡劣環境中。

5. 光學式光纖麥克風

在惡劣環境下的直接聲學測量，諸如渦輪噴氣發動機或火箭引擎，需要能夠抵抗高溫和強振動的傳感器。在關于計算流體動力學（CFD）的代碼驗證、結構聲學試驗，噴氣噪音消減等方面，就需要這種極端條件下的聲學測量。對于這些應用，光纖干涉式麥克風相當合適。這種設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成。干涉計監測與聲壓直接相關的平板的偏移。傳感器采用水冷，以便為光學材料提供熱保護，并穩定膜的機械性能。

圖 12. 光纖干涉式麥克風中銅膜的移動轉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，在最小錐形區域處分叉（圖12）。光纖置于外加水冷的不銹鋼管中。管子的內部空間充滿環氧樹脂，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，作為感應臂。裝置中基準臂和感應臂緊貼在一起，實現了溫度不敏感性。

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和傳感器的輸出側。朝向輸入側的部分光損失掉了，對測量沒有影響，朝向輸出側的部分光則到達探測器表面。經感應芯傳輸至右側的部分光射出光纖，照射到銅膜上。部分光經膜反射回感應光纖，和基準光一起傳輸至輸出側。取決于膜的位置，此反射光的相位會發生變化，因而與基準光的相位不同。

在一起傳輸至輸出探測器時，基準光和感應光互相發生干涉，形成光強調制。因而麥克風把膜位移轉換成了光強度。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，工作點應選擇在接近光強度的中部，那里的斜率最大，線性度最好。通過調節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的壓力產生39nm（390?）的最大中心偏移，剛好是工作波長（1300nm）的1/4之內。這種光學麥克風能夠轉換的最大聲學頻率極限大約為100kHz，剛好高于結構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制。一束光為基準，另一束光通過對溫度敏感的媒質傳播，產生與溫度有關的延遲。這導致相移并產生干涉信號的消光。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構制備，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

對于生物醫學應用，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效應（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。兩種可行的設計示于圖15b和c，其中發射和接收光纖通過二氯化鈷溶液耦合。
編輯：hfy