光纤感技术及其应用12次课ppt课件

1、t形耦合器形耦合器星形耦合器星形耦合器定向耦合器定向耦合器波分复用器波分复用器wdm/解复用器解复用器耦合器类型耦合器类型耦合器基本结构的分类耦合器基本结构的分类 光纤型光纤型 微器件型微器件型 波导型波导型波导型耦合器将是耦合器的发展的主要方向波导型耦合器将是耦合器的发展的主要方向偏振器隔离器的工作原理 法拉弟旋转器偏振器反射光阻塞入射光sop腔1腔3腔2反射介质1212c1c2输入波导输出波导阵列波导输入耦合器输出耦合器1n1nn1n2n2n1n2纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套开发某种目的新型开发某种目的新型光纤传惑器时，首光纤传惑器时，首先要掌握关于光纤先要掌握关于光纤本身本身 的

2、基础知识的基础知识 n0200n2n12221sinnnana光纤按纤芯和包层材料性质非类，有玻璃光纤和塑料光纤两类；按折射率分有阶跃型和梯度型二种按光纤的传播模式来分，可分为多模光纤和单模光纤二类。n2n1多模阶跃光纤nr多模梯度光纤n2n1单模梯度光纤上一页下一页返 回上一页下一页返 回2221sinnnnai。/)(212221nndv希望希望v小：小：d不能太大，不能太大，n2与与n1之差很小之差很小 iigala0101传播损耗（单位为传播损耗（单位为db） 式中式中, i光纤长度；光纤长度； a单位长度的衰减；单位长度的衰减； i0光导纤维输入端光强；光导纤维输入端光强； i光导纤

3、维输出端光强。光导纤维输出端光强。光纤传感器的工作原理，可以归纳为这样一个过光纤传感器的工作原理，可以归纳为这样一个过程：通过置程：通过置 于光路中的光调制器，将一个携带着于光路中的光调制器，将一个携带着待测信息待测信息( (被测对象被测对象) )的信的信 号叠加到载波光波上，号叠加到载波光波上，承载信息的调制光波在光纤中传输，最后承载信息的调制光波在光纤中传输，最后 由光探由光探测系统解调，经信号处理后检测出所需要的待侧测系统解调，经信号处理后检测出所需要的待侧信号。信号。光纤传感器结构原理及分类光纤传感器结构原理及分类 1 1、光纤传感器结构原理、光纤传感器结构原理以电为基础的传统传感器是

4、一种把测量的状态转变为可以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。信号处理电 源信号接收敏感元件（a）传统传感器 导线光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光纤传感器则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、敏感元件光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光光纤或非光纤的纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见、光接收

5、器、信号处理系统以及光纤构成，见图图(b)。光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器 光是一种电磁波，其波长从极远红外的光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远到极远紫外线的紫外线的10nm。它的。它的物理作用物理作用和和生物化学作用生物化学作用主要因其主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量的电矢量e的振动，即的振动，即a电场电场e的振幅矢量；的振幅矢量；光波的振动频率；光波的振动频率；光相位；光相位；t光的传播时间。光的传播时间。可见，只要使光的可见，只要使光的强度强度、偏振态偏振态( (矢量矢量a的

6、方向的方向) )、频率频率和和相位相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被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，获得所需要的被测量的率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。信息。 taesin电 量电量检测电类传感器被测参量光 源光量检测光纤传感器被测参量以以机机电测电测量量为基础为基础以以光学测量光学测量为基础为基础 控控 制制 室室光光 纤纤各类油罐各类油罐参数检测参数检测压力容器压力容器参数检测参数检测核工业环境核工业环境参数检测参数检测煤矿

7、中煤矿中ch4等参数检测等参数检测控控 制制 室室光光 纤纤高压高压变压器变压器高压高压电动机电动机强电磁干扰强电磁干扰电气设备电气设备微波微波设备设备取样取样送检送检样品样品光谱仪光谱仪被测物被测物光纤光纤光纤光谱仪光纤光谱仪被测物被测物传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光纤传感器干涉（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、位移温度sm、pmsm、pmsm、pmsm、pmsm、pmaaaaa 非 干 涉 型 强度调制光纤温度传感器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

8、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、位移振动、压力、位移气体浓度液位mmmmmmsmmmmmmmbbbbbbb偏振调制光纤温度传感器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smmmsmmmb,abbb频率调制光纤温度传感器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mmmmmmcbb注：mm多模；sm单模；pm偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型光纤传感器的分类光纤传感器的分类 1 1）功能型（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤

9、利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特或特殊光纤殊光纤)作传感元件，将作传感元件，将“传传”和和“感感”合为一体的传合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素素(弯曲、相变弯曲、相变)的作用下，其光学特性的作用下，其光学特性(光强、相位、偏光强、相位、偏振态等振态等)的变化来实现的变化来实现“传传”和和“感感”的功能。因此，的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。可提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器 2 2）非功能型（或

10、称传光型）光纤传感器）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只光纤仅起导光作用，只“传传”不不“感感”，对外界信息的，对外界信息的“感觉感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。敏度要求不太高的场合。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤被测对象信号处理光受信器光发送器光纤耦合器1 1）强度调制型光纤传感器）强度调制型光纤传感器可

11、以概括为：通过检测被可以概括为：通过检测被 测对象所引起的光强变化来测对象所引起的光强变化来实现对被测对象的监测和控制。主要分为光源、调制区、实现对被测对象的监测和控制。主要分为光源、调制区、光探测器三光探测器三 大部分大部分优点优点：结构简单、容易实现，成本低。：结构简单、容易实现，成本低。缺点缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。传感过程实际上分为两个阶段使被传感过程实际上分为两个阶段使被 测对象与光强度测对象与光强度调制器发生相互作用；进而把信号传递给载波光调制器发生相互作用；进而把信号传递给载波光 波，波，并进行探测。强度调制型光纤

12、传感器的特点是：技并进行探测。强度调制型光纤传感器的特点是：技术上比较术上比较 容易实现，所采用光纤多为光通信用多模容易实现，所采用光纤多为光通信用多模光纤而相关的光纤接光纤而相关的光纤接 头和耦合器等部件国内已有产头和耦合器等部件国内已有产品供应。品供应。 2 2）偏振调制光纤传感器）偏振调制光纤传感器在许多光学系统中，尤其是包含有单模光纤的在许多光学系统中，尤其是包含有单模光纤的系统中，光波的偏振特性起着重要作用。理解光系统中，光波的偏振特性起着重要作用。理解光纤系统中的偏振现象是讨论光纤偏振元件和传感纤系统中的偏振现象是讨论光纤偏振元件和传感器的中心问题。许多物理效应都会影响或改变光器的

13、中心问题。许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态。的偏振状态。光纤传感器中的偏振调制器普通采用的物理效光纤传感器中的偏振调制器普通采用的物理效应有旋光效应、磁光效应、普克尔效应、克尔效应有旋光效应、磁光效应、普克尔效应、克尔效应及光弹效应等应及光弹效应等偏振调制光纤传感器是一种利用光偏振态变化偏振调制光纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。来传递被测对象信息的传感器。 4 4）相位调制传感器）相位调制传感器 相位调制是光纤传感中最重要的传感技术，其相位调制是光纤传感中最重要的传感技术，其基本的传感机基本的传感机 理是，在待测场能量的作用下，理是，在待测场能量的作用下，使光纤

14、中传播的光波发生相位变使光纤中传播的光波发生相位变 化，再以干涉化，再以干涉测量技术把相位变化变换为振幅变化，实现对测量技术把相位变化变换为振幅变化，实现对待测待测 物理量的捡测。物理量的捡测。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（格纳克（sagnac）效应的旋转角速度传感器效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须

15、用特殊光纤及高精度检测系统，因此但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。成本高。 010ma0 5v光电变换计算机电 阻电 容光纤传输网络电 感电脉冲光参量ledpin光纤光纤ledpin液体液体ledpin液体液体ledpin光纤光纤砷化镓片砷化镓片光纤光纤t2it3 t1led ledpinn1n2n2n2pin1pin2智能智能仪表仪表cld2sagnac 效应效应 光纤光纤参考频率参考频率ledpin锁相放大器锁相放大器光纤光纤传感头传感头参考频率参考频率ledpin锁相放大器锁相放大器ti光纤陀螺光纤陀螺式中，式中，l为光纤环总长度，为光纤环总长度，d为光纤环直径，为为光纤环

16、直径，为工作波长，工作波长，c为真空中光速，为真空中光速，为角速度。为角速度。p是光纤环的周长，是光纤环的周长， 干涉仪式光纤陀螺仪按光路组成可以分为干涉仪式光纤陀螺仪按光路组成可以分为：l消偏型l全光纤保偏型l集成光学型 光纤陀螺仪分类光纤陀螺仪分类 美国美国l1976年美国犹他大学提出光纤陀螺的概念并首先研制出试验装置年美国犹他大学提出光纤陀螺的概念并首先研制出试验装置l九十年代开始低、中精度的光纤陀螺开始应用于飞机航姿系统、导弹姿态与航向参考系统、战术导弹惯导系统 和gps/ins组合导航系统 等。l九十年代开始精度迅速提高，每五年提高一个数量级光纤陀螺仪发展状况光纤陀螺仪发展状况 日本

17、日本 1991年用于日产汽车作为速度传感器用于汽车组合导航俄罗斯俄罗斯 全光纤型全光纤型集成光学型集成光学型 光纤陀螺的互易性光纤陀螺的互易性光在线性介质中传播的互易性是光纤陀螺能实际应用的前提光在线性介质中传播的互易性是光纤陀螺能实际应用的前提 1、装置的互易性、装置的互易性l同光路同光路l同模式同模式l同偏振态同偏振态 干涉式光纤陀螺分类干涉式光纤陀螺分类 光纤陀螺按光路系统可分为全光纤陀螺和集成光学光纤陀螺光纤陀螺按光路系统可分为全光纤陀螺和集成光学光纤陀螺 1全光纤陀螺全光纤陀螺全光纤陀螺是指构成光纤陀螺光路的所有器件都由光纤构成，并串接在一根光全光纤陀螺是指构成光纤陀螺光路的所有器件

18、都由光纤构成，并串接在一根光纤上，即由光源到探测器组成一个光纤闭环光路。纤上，即由光源到探测器组成一个光纤闭环光路。 干涉式光纤陀螺分类干涉式光纤陀螺分类 2集成光学光纤陀螺集成光学光纤陀螺 集成光学光纤陀螺，利用集成光学波导技术，将光纤陀螺用的功能器件，集成光学光纤陀螺，利用集成光学波导技术，将光纤陀螺用的功能器件，包括分路器、偏振器和调制器都集成在一块铌酸锂波导芯片上，使光纤陀螺的包括分路器、偏振器和调制器都集成在一块铌酸锂波导芯片上，使光纤陀螺的光路系统简化成由光源、探测器、光纤圈及波导芯片构成。光路系统简化成由光源、探测器、光纤圈及波导芯片构成。 光纤器件介绍光纤器件介绍 光纤陀螺按光

19、路系统可分为全光纤陀螺和集成光学光纤陀螺光纤陀螺按光路系统可分为全光纤陀螺和集成光学光纤陀螺 1光源光源 l半导体激光器（半导体激光器（ld）l发光二极管（发光二极管（led）l超辐射发光二极管（超辐射发光二极管（sld） l掺铒光纤光源 2探测器探测器pin光电二极管作为光纤陀螺光路系统的接收器件 光纤器件介绍光纤器件介绍 光纤陀螺按光路系统可分为全光纤陀螺和集成光学光纤陀螺光纤陀螺按光路系统可分为全光纤陀螺和集成光学光纤陀螺 3光纤定向耦合器光纤定向耦合器 光纤器件介绍光纤器件介绍 4光纤偏振器光纤偏振器光纤偏振器在光纤陀螺干涉光路中发挥起偏器和检偏器的作用可分为：光纤偏振器在光纤陀螺干涉

20、光路中发挥起偏器和检偏器的作用可分为：（1）一种是利用光纤小直径弯曲时引起偏振分量损耗差制成的光纤圈型偏振器 ；（2）研磨光纤包层直至几乎将纤芯裸露，再将此研磨面镀以金属或双折射晶体，而制成的研磨型光纤偏振器。光纤偏振器。 光纤器件介绍光纤器件介绍 5光纤消偏器光纤消偏器 消偏器是一种造成非偏振态光的光纤器件消偏器是一种造成非偏振态光的光纤器件 光纤器件介绍光纤器件介绍 6光纤及光纤圈光纤及光纤圈 通常使用的光纤，要求损耗低并具有良好的物理性能和机械性能通常使用的光纤，要求损耗低并具有良好的物理性能和机械性能 光纤器件介绍光纤器件介绍 7.集成光学芯片集成光学芯片 光纤陀螺用的多功能集成光学芯

21、片（光纤陀螺用的多功能集成光学芯片（ioc）是利用钛扩散技术和质）是利用钛扩散技术和质子交换技术，将偏振器、分束合束器和相位调制器都集成在子交换技术，将偏振器、分束合束器和相位调制器都集成在linbo3晶片上。晶片上。光 刻 、 显 影腐 蚀波 导光 刻 胶甩 胶铝 膜衬 底镀 铝 膜清 洗 基 片去 胶质 子 交 换 、 退 火laserc1c3c4c2cwccwao2ao1prrd2d1集成光学陀螺是在光波导基片上，实现包括窄带线宽激光器、3db分束器、声表面波声光移频器,低损耗环形谐振器在内的功能元件的集成化，用声表面波声光移频技术对sagnac相移(频差)，进行跟踪与测量，实现iog闭

22、环检测.环形谐振器是集成光学陀螺的核心敏感部件，其性能直接影响光学陀螺系统的性能，是此种陀螺设计与制造的关键技术。lnsf4c为定向耦合器，如果光从p1输入，则被耦合进p4。环绕一周后经p2一部分光将被耦合进p3，另一部分进入p4，从而形成光的闭合回路。在稳定状态下，从p1-p3和p2-p4光将会达到一个动态的稳定状态，即谐振状态。当环中的谐振建立起来时, 定向耦合器的作用就是补偿由于耦合器的插入损耗, 波导损耗造成的能量损失。 由上式可知在n确定后fsr只由来确定，f由和k来确定，f与k为反比关系，同时k通过硅基plc技术可精确控制，即腔性能很大的依赖于谐振环总传输损耗 ，而谐振环总传输损耗

23、由直波导的传输损耗，圆弧波导损耗和定向耦合器的损耗构成 环形谐振器材料考虑在si基衬底除集成环形波导谐振腔和定向耦合器，研究者们已进行陀螺的开环演示实验并给出试验结果。工艺流程:（1)采用热氧化法制备二氧化硅下包层。（2)用pecvd沉积芯层：在pecvd生长室进行sio2薄膜ge掺杂，（3)制作掩模。（4)光刻。（5)rie刻蚀。 (6)用pecvd沉积上包层。 (7）退火工艺。光纤传感器的应用光纤传感器的应用 （一）温度的检测（一）温度的检测 光纤温度传感器有功能型和传光型两种。光纤温度传感器有功能型和传光型两种。 1 1、遮光式光纤温度计、遮光式光纤温度计 下图为一种简单的利用水银柱升降

24、温度的光纤温度下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变 1234水银柱式光纤温度开关1 浸液 2 自聚焦透镜 3 光纤 4 水银 下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。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出光强发生变化。这种形式的直方向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤温度计能测量光纤温度计能测量1050的温度。检测精度约为的温度。检测精度约为0.5。它

25、的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。应时间较长，一般需几分钟。 光源接收热双金属式光纤温度开关121 遮光板 2 双金属片 2 2、透射型半导体光纤温度传感器、透射型半导体光纤温度传感器 当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长长g的光将被半导体吸收的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的导体。这是由于半导体的本征吸收引起的,g称为称为半导半导体的本征吸收波长体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收。电子从

26、价带激发到导带引起的吸收称为称为本征吸收本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时。当一定波长的光照射到半导体上时,电电子吸收光能从价带跃迁入导带子吸收光能从价带跃迁入导带,显然显然,要发生本征吸收要发生本征吸收,光光子能量必须大于半导体的禁带宽度子能量必须大于半导体的禁带宽度eg，即，即gehggehc因因c/v，则产生本征吸收条件，则产生本征吸收条件h 普朗克常数；普朗克常数；v 光频率光频率因此，对于波长大于因此，对于波长大于g的光，能透过半导体，而波长的光，能透过半导体，而波长小于小于g的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料具 有 不 同 的 本

27、 征 吸 收 波 长 ， 图具 有 不 同 的 本 征 吸 收 波 长 ， 图 为为 在 室 温在 室 温 ( ( 2 0 ) )时时,120m厚的厚的gaas材料的透射率曲线。材料的透射率曲线。 由图看出，由图看出，gaas在室温时在室温时的 本 征 吸 收 波 长 约 为的 本 征 吸 收 波 长 约 为880nm左右左右，半导体的吸，半导体的吸收光谱与收光谱与eg有关，而半导有关，而半导体材料的体材料的eg随温度的不同随温度的不同而不同，而不同，eg与温度与温度t的关系的关系可表示为可表示为 ttetegg20式中：式中：e eg g（0 0）绝对零度时半导体的禁带宽度；绝对零度时半导体

28、的禁带宽度； 经验常数经验常数(evevk k)；经验常数经验常数(k)(k)。 850800900 950 1000010203040t=20波长/nmgaas的光谱透射率曲线透射率(%) eveg522. 10 对于对于gaas材料，由实验得到材料，由实验得到 =5.810-4ev/k =300k 2 2、透射型半导体光纤温度传感器、透射型半导体光纤温度传感器 当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长长g的光将被半导体吸收的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的导体。这是由于半

29、导体的本征吸收引起的,g称为称为半导半导体的本征吸收波长体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收。电子从价带激发到导带引起的吸收称为称为本征吸收本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时。当一定波长的光照射到半导体上时,电电子吸收光能从价带跃迁入导带子吸收光能从价带跃迁入导带,显然显然,要发生本征吸收要发生本征吸收,光光子能量必须大于半导体的禁带宽度子能量必须大于半导体的禁带宽度eg，即，即gehggehc因因c/v，则产生本征吸收条件，则产生本征吸收条件h 普朗克常数；普朗克常数；v 光频率光频率因此，对于波长大于因此，对于波长大于g的光，能透过半导体，而波长的光，能透过半导体，而波长

30、小于小于g的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料具 有 不 同 的 本 征 吸 收 波 长 ， 图具 有 不 同 的 本 征 吸 收 波 长 ， 图 为为 在 室 温在 室 温 ( ( 2 0 ) )时时,120m厚的厚的gaas材料的透射率曲线。材料的透射率曲线。 由此可见，半导体材料的由此可见，半导体材料的eg随温度上升而减小，亦即其随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长本征吸收波长g随温度上升而增大。反映在半导体的随温度上升而增大。反映在半导体的透光特性上，即当温度升高时，其透射率曲线将向长波透光特性上，即当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动

31、。若采用发射光谱与半导体的方向移动。若采用发射光谱与半导体的g(t)相匹配的相匹配的发光二极管作为光源，如图，则透射光强度将随着温度发光二极管作为光源，如图，则透射光强度将随着温度的升高而减小。的升高而减小。led发光光谱半导体透射率t1t20p=0p0(a)传感器结构 (b)探头截面结构 (c)测量原理pi2i1i02(外圈)1 (内圈)i1i0i2i1i0i2i1i0i23 (输入)可见，输出光强比可见，输出光强比i2il与膜片的与膜片的反射率反射率、光源强度光源强度等等因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。 将上式两边取对数且满足将上式两

32、边取对数且满足(ap)21时时,等式右边展开后等式右边展开后取第一项，得到取第一项，得到这表明待测压力与输出光强比的这表明待测压力与输出光强比的对数呈线性对数呈线性关系。因此，关系。因此，若将若将i1、i2检出后分别经对数放大后，再通过减法器即检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。可得到线性的输出。 若选用的光纤束中每根光纤的芯径为若选用的光纤束中每根光纤的芯径为70m,包层厚度包层厚度为为3.5m,纤芯和包层折射率分纤芯和包层折射率分别为别为1.52和和1.62, ,则该传感则该传感器可获得器可获得115db的动态范围的动态范围, ,线性度为线性度为0.25。采用不同。采用

33、不同的尺寸、材料的膜片的尺寸、材料的膜片, ,即可获得不同的测量范围。即可获得不同的测量范围。 apapii1112apii2ln12两束输出光的光强之比为两束输出光的光强之比为a与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；p待测量压力。待测量压力。 2、光弹性式光纤压力传感器、光弹性式光纤压力传感器 晶体在受压后其折射率发生变化，呈现晶体在受压后其折射率发生变化，呈现双折射双折射的现的现象称为象称为光弹性效应光弹性效应。利用光弹性效应测量压力的原理及。利用光弹性效应测量压力的原理及传感器结构如图。发自传感器结构如图。发自led的入射光经

34、起偏器后成为直的入射光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈线偏振光。当有与入射光偏振方向呈45的压力作用于晶的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强，由检偏器检测出与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。其中即可测出压力的变化。其中1/ /4波长板用于提供一偏置，波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。使系统获得最大灵敏度。 (b)传感器结构12345p(a)检测原理 p6789 10111 光源 2、8 起偏器 3、9 1/4波长板 4、10

35、光弹性元件5、11 检偏器 6 光纤 7 自聚焦透镜偏振光偏振光线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光 为了提高传感器的精度和稳定性，下图为了提高传感器的精度和稳定性，下图为为另一种检另一种检测方法的结构。输出光用偏振分光镜分别检测出两个测方法的结构。输出光用偏振分光镜分别检测出两个相相互垂直互垂直方向的偏振分量；并将这两个分量经方向的偏振分量；并将这两个分量经“差和差和”电路处理，即可得到与光源强度及光纤损耗无关的输出。电路处理，即可得到与光源强度及光纤损耗无关的输出。该传感器的测量范围为该传感器的测量范围为10103 3papa10106 6papa，精度为，精度为1 1，理，理论上分辨力可

36、达论上分辨力可达1.4pa1.4pa。 这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度。也可用于测量振动、加速度。 输出前置放大前置放大i2i1i2+i1驱动123 4 56i1i2pd1pd2光弹性式光纤压力传感器的另一种结构1 光纤 2 起偏器 3 光弹性元件 4 1/4波长板 5 偏振分光镜 6 反射镜 p （三）液位、流量、流速的检测（三）液位、流量、流速的检测1、液位的检测技术、液位的检测技术 （1）球面光纤液位传感器）球面光纤液位传感器 12(a)探头结构 (b) )检测原理空气液体ledpd光由光纤的一端导入光由光

37、纤的一端导入,在球状在球状对折端部一部分光透射出去对折端部一部分光透射出去,而另一部分光反射回来而另一部分光反射回来,由光由光纤的另一端导向探测器。反纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越接近射率与光纤折射率越接近,反反射光强度越小。显然射光强度越小。显然,传感器传感器处于空气中时比处于液体中处于空气中时比处于液体中时的反射光强要大。因此时的反射光强要大。因此,该该传感器可用于液位报警。若传感器可用于液位报警。若以探头在空气中时的反射光以探头在空气中时的反射光强度为基准，则当接触水时强度为基准，

38、则当接触水时反射光强变化反射光强变化6db7db,接接触油时变化触油时变化25db30db。 （2）斜端面光纤液位传感器）斜端面光纤液位传感器 下图为反射式斜端面光纤液位传感器的两种结构。下图为反射式斜端面光纤液位传感器的两种结构。同样，当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤同样，当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤的光强减小。这种形式的探头在空气中和水中时，反射的光强减小。这种形式的探头在空气中和水中时，反射光强度差约在光强度差约在20db以上。以上。 斜面反射式光纤液位传感器(a)123(b)1、2 光纤 3 棱镜 （3）单光纤液位传感器）单光纤液位传感器 单光纤液位传感器的结构

39、如图，将光纤的端部抛光单光纤液位传感器的结构如图，将光纤的端部抛光成成45 的圆锥面。当光纤处于空气中时，入射光大部分的圆锥面。当光纤处于空气中时，入射光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。足全反射条件而折射入液体中，返回光纤的光强就减小。利用利用x形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感器。同样，若在不同的高度安装多个探头，则能连续监器。同

40、样，若在不同的高度安装多个探头，则能连续监视液位的变化。视液位的变化。 单光纤液位传感器结构121 光纤 2 耦合器 上述探头在接触液面时能快速响应，但在探头离开上述探头在接触液面时能快速响应，但在探头离开液体时，由于有液滴附着在探头上，故不能立即响应。液体时，由于有液滴附着在探头上，故不能立即响应。为了克服这个缺点，可将探头的结构作一些改变，如图。为了克服这个缺点，可将探头的结构作一些改变，如图。将光纤端部的尖顶略微将光纤端部的尖顶略微磨平磨平，并镀上反射膜。这样，即，并镀上反射膜。这样，即使有液体附着在顶部，也不影响输出跳变。进一步的改使有液体附着在顶部，也不影响输出跳变。进一步的改进是在顶部镀反射膜外粘上一进是在顶部镀反射膜外粘上一突出物突出物，将附着的液体导，将附着的液体导引向突出物的下端。这样，可以保证探头在离开液位时引向突出物的下端。这样，可以保证探头在离开液位时也能快速地响应。也能快速地响应。 改进的光纤液位探头 2、流量、流速的检测、流量、流速的检测 （1）光纤涡街流量计）光纤涡街流量计 当一个非流线体置于流体中时，在某些条件下会在当一个非流线体置于流体中时，在某些条件下会在液流的下游产生有规律的旋涡。这种旋涡将会在该