第9章光纤传感器.

1、第9章光纤传感器光导纤维传感器（简称光纤传感器）是20世纪 七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤 最早用于通讯，随着光纤技术的发展.光纤传感 却到进一步发展。与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点:1 不受电磁干扰，防爆性能好.不会漏电打火;2可根据需要做成各种形状，可以弯曲;3可以用于高温、高压，绝缘性好，耐腐蚀.9.1光纤的结构与传光原理9.1.1光纤的结构基本采用石英玻璃. 主要由三部分组成 中心纤芯；外层；玻璃纤堆尼龙外层包层 z外层直径lmm纤芯涂敷层护$_龙料光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质, 纤芯折射率略大于包层折射率隔(n. n2)9.1.2光纤的传光原理光纤的

2、传播基于光的全反射。当光线以不同 角度入射到光纤端面时.在端面发生折射后 进入光纤；光线在光纤端面入射角e减小到某一角度0c时，光线全部反射只要evec,光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。图92光纤导光示意图若满足卜就能产生全反射。可见，光纤临界入射 角的大小是由光纤本身的性质(nP n2)决定的，与光纤的几何尺寸无关入射角的最大值为:将sin定义为光导纤维的数值孔径，用皿 表示，则NA = sin。= Jn-n|noNA意义讨论: NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功 率有多大，只要在20c张角之内的入射光才能 被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围, 光线

3、会进入包层漏光。 一般NA越大集光能力越强.光纤与光源间耦 合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要 选择适当产品光纤不给出折射率N,只给数值孔径NA。9.1.3光纤的种类光纤按纤芯和包层材料的性质分类，有玻 璃光纤和塑料光纤两类；按折射率分有阶光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模 式来分，可分为多模光纤和单模光纤两类。 多模光纤多用于非功能型(NF)光纤传感 器；单模光纤多用于功能型(FF)光纤传 感器Q9 2光纤传感器的结构原理及分类921光纤传感器结构原理光纤传感器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

4、成由光发送器发岀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。光是一种电减波：E = A sincot + cp)式中A电场E的振幅矢量；3光波的振动频率；光相位； 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，即可获得所需要的被测量的信息。922光纤传感器的类型光纤传感器一般可分为两大类：_类是功能 型传感器，又称FF型光纤传感器；另一

5、类是 非功能型传感器又称NF型光纤传感器。功能型光纤传感器传感元件 被测对象光源 二二载 n空光敏元件这类传感器利用光纤 本身对外界被测对象 具有敏感能力和检测 功能，光纤不仅起到 传光作用，而且在被測对象作用下，如光强、相位、偏振态等 光学特性得到调制，调制后的信号携带了 被测信息。非功能型光纤传感器传光型光纤传感器的光纤传感元件光源光敏一兀件 AT 一 n调光纤只当作传播光的 媒介，待测对象的调 制功能是由其它光电 转换元件实现的，光 纤的状态是不连续的, 光纤只起传光作用。9.2,3光纤传感器的发展方向光纤传感器的发展方向主要有以下几个方面: 以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主

6、要研究对象。 集成化光纤传感器。 多功能全光纤控制系统 充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距 离监测系统。 开辟新领域93光纤传感器的调制形式传感器光学现彖被测量光纤分类干涉型相位调 制光线 传感器干涉（磁致伸缩） 干涉（电致伸缩） Sagnac效应 光弹效应干涉电流、磁场 电场、电压 角速度振动、压力、加速度、位移SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMa a a a a非干涉型制度 调温器 度纤感 强光传遮光板遮断光路 半导体透射率的变化 荧光辐射、黑体辐射 光纤微弯损耗 振动膜或液晶的反射 气体分子吸收 光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移 温度 温度振动、压力、加速度、

7、位移振动、压力、位移气体浓度 液位MMMMMMSMMMMMMMb b b b b b b13解器 偏制温感法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 光弹效应电流、磁场电场、电压、 温度振动、压力、加速度、位移SM MMSM MMb,ab b b制度 调温器 率纤感 频光传多普勒效应 受激喇曼散射 光致发光速度、流速、振动、加速度 气体浓度温度MMMMMMc b b93光纤传感器的调制形式931强度调制图9S强度调制原理0 =932偏振调制1普克耳(Pockels)效应当压电晶体受光照射并在其正交方向上加象称为普克耳效应。d7mlrGU I几0入射光异常光正常光压电晶体95普克耳效应2.法拉第磁光效

8、应平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转，这种现象称为法拉第磁 光效应。光矢量旋转角:式中V._正常光折射率；L物质中的光程；W 场强度光源3.光弹效应在垂直于光波传播方向施加压力.材料将会 产生双折射现象，其强弱正比于应力。这种现象称为光弹效应。偏振光的相位变化为(P 27ikpl/ 入式中k 质光弹性系数;光源起偏器F检偏器应变材料933频率调制主要利用光学多普勒效应实现频率调制, 如图。观察者在0处观察到的频率为仏 根据多普勒原理可得L 0爲9-3,4相位调制相位调制的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

9、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。光信号相位的变化M与温度变化A啲关系为0A)L+筠艺-4 -a_线膨胀系数;/光纤的长度;dnldT_ 射率温度系数;n纤芯平均折射率;A自由空间光波长；劲驱_传播常数与纤芯半径的变化率波长调制是利用被测量改变光纤中光的波长，再 通过检测光波长的变化来测量各种被测量。波长 调制的优点是它对弓I起光纤或连接器的某些器件 的稳定性不敏感，因此被广泛应用于液体浓度的 化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析 及法布里珀罗等光学滤波器上。其缺点是解调 技术较复杂。但采用光学滤波或双波长检测技术 后

10、，可使解调技术简化94光纤传感器的应用图99水银柱式光钎温度开关1浸液；2自聚焦换3光纤；4水银例32遮光式光纤温度计当温度升高时，双金属片的变形量增大， 带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输 岀光强发生变化I图9-10热双金属式光纤温度开关1遮光板；2双金属片例90透射型半导体光纤温度传感器半导体的吸收光谱与材料的禁带宽度Eg有 关.而Eg却随温度的不同而不同。Eg与温 度r的关系可半导体材料的岛随温度的上升而减小，亦 即其本征吸收波长知随温度的上升而增大 这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当若采用发射光谱与半导体的為（0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

11、小，即通过检测透射光的强度或透射率，即可 检测温度变化。波长相对发光强度利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式探头结构如图光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收，则出射光强将 随温度的变化而变化。光纤半导体环氧胶鼻灿 iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiFI，阳曲畔艸曲曲曲油垃仇w艸:工：:虚：工：淤蠶；黑二；专?:盘:士 七土，反射膜例94膜片反射式光纤压力传感器Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图在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

12、离发生变化,从而使输出光强受到调制。光源接收Y形光纤束壳体弹性膜片F 变形器*微弯光纤压力传感器例9刁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原来光束以大于临界角的角度q在纤芯内传输 为全反射；但在微弯处昭一部分光将逸出， 散射入包层中当受力增加时，光纤微弯的程度 也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输 出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包 层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测 由压力引起的位移1、7起偏器；2

13、、8 1/4波长板；3、9光弹性元件；4、10检偏器；5光纤；6自聚焦透镜从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光。当 有与入射光偏振方向呈45啲压力作用于晶体时.使晶体呈双折射从而使出射光成为楠圆偏振光入射光偏振方向相 垂直方向上的光强,即可测出压力的变化。(b)传感器结构板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。例97球面光纤液位传感器 将光纤用高温火焰烧软后对折.并将端部 烧结成球形。LEDPD何）探头结构光由光纤的_端导入，在球状对折端部一部分光透射出去，另一部分光反射回来,由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越接近，反射光强度 越小

14、。显然,传感器 处于空气中时比处 于液体中时的反射 光强要大。例92单光纤液位传感器当传感器接傩液面时，将引起反射回另一根 光纤的光强减小。S9-21单光纤液位传感器结构1光纤；2耦合器当光纤处于空气中时，入射光的大部分能在端部满足全反射条件而返回光纤。当传感器接触液体时，由于液体的折射率比空气大，使一部分光不能满足全反射条件而折射入液体中，返回光纤的光强就减小。利用X形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感器。若在不同的高度安装多个探头，则能连续监视液位的变化。为了防止当探头离开液体时，由于有液滴附着在 探头上，传感器不能立即响应，可作一些改变。 将光纤端部的尖顶略微磨平，并镀上反射膜。这

15、 样，即使有液体附着在顶部，也不影响输岀跳变另外可在顶部镀的反I I I射膜外粘上一突出物,将附着的液体导引向突出物的下端。可豳n保证探头在离开液位时也能快速地响应O例9也光纤涡街流量计光纤夹液体流管光纤张紧重物分折记录图923光纤涡街流量计当流体受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时，在某些条件下会在流体的 下游两侧产生有规则的旋涡这种旋涡将 会在该非流线体的两边交替地离开。当每个旋涡产生并泻下时，会在物体壁上产生 一侧向力。周期产生的旋涡将使物体受到 一个周期的压力。若物体具有弹性，便会 产生振动，振动频率近似地与流速成正比。因此，通过检测物体的振动频率便可测出流体 的流速，由上式可知，流体的流速与涡流频率呈线性关系光纤涡街流量计便是根据这个原 理制成的，在横贯流体管道的中间装有一根绸紧