武汉理工大学第九章光纤传感器

1、传感器与检测技术传感器与检测技术 纤芯材料的主体是二氧化硅塑料，制成很细的纤芯材料的主体是二氧化硅塑料，制成很细的圆柱体，其直径在圆柱体，其直径在575um内。有时在主体材内。有时在主体材料中掺入极微量的其他材料如二氧化锗或五氧料中掺入极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高光的折射率。围绕纤芯的化二磷等，以便提高光的折射率。围绕纤芯的是一层圆柱形套层（包层），包层可以是单层，是一层圆柱形套层（包层），包层可以是单层，也可以是多层结构，层数取决于光纤的应用场也可以是多层结构，层数取决于光纤的应用场所，但总直径控制在所，但总直径控制在100200范围内。包层材范围内。包层材料也为二氧化

2、硅，掺入极微量的三氧化二硼或料也为二氧化硅，掺入极微量的三氧化二硼或四氧化硅，但包层掺杂的目的却是为了降低其四氧化硅，但包层掺杂的目的却是为了降低其对光的折射率。包层外面还要涂上如硅铜或丙对光的折射率。包层外面还要涂上如硅铜或丙烯酸盐等涂料，其作用是保护光纤不受外来的烯酸盐等涂料，其作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。光纤最外层是一损害，增加光纤的机械强度。光纤最外层是一层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中各种不层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中各种不同的光纤。光缆是由多根光纤组成，并在光纤同的光纤。光缆是由多根光纤组成，并在光纤间填入阻水油膏以此保证光缆传光性能。光缆间填入阻水油

3、膏以此保证光缆传光性能。光缆主要用于光纤通信。主要用于光纤通信。传感器与检测技术当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射 （a）折射角大于入射角：）折射角大于入射角：（b）临界状态：）临界状态： （c）全反射）全反射 ：rinnsinsin21)/arcsin(120nni0ii上一页下一页返 回传感器与检测技术jinnsinsin10rknnsinsin21传感器与检测技术kj 90kkkinnnnnn2010101sin1cos)90sin()/(sinjinnsin)/(sin01rrisinnnn)sinnn(nnsin2222102120111

4、n0为入射光线为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n01rinn22221sinsin传感器与检测技术22210sinnni当当r =90的临界状态时，的临界状态时， Sin i定义为定义为“数值孔径数值孔径”NA（Numerical Aperture） 2sin10ni121/ )(nnn 相对折射率差相对折射率差 arcsinNA是一个临界角，是一个临界角，i arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；i arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。，光线才可以进入光纤被全反射传播。

5、上一页下一页返 回传感器与检测技术上一页下一页返 回上一页下一页返 回传感器与检测技术2221sinnnNAi传感器与检测技术 单模光纤 ：只能传一种模式的光 多模光纤 ：允许不同光束在一条电缆上传输 根据传输点模数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。所谓“模”是指以一定 角度进入光纤的一束光。多模光纤允许多束光在光纤中同时传播，从而形成模分散 (因为每一个“模”光进入光纤的角度不同它们到达另一端点的时间也不同， 这种特征称为模分散。)单模光纤采用固体激光器做光源；多模光纤则采用发光二极管做光源。 传感器与检测技术。/)(212221nndV希望希望V小：小：d不能太大，不能太大，n2与与n

6、1之差很小之差很小 传感器与检测技术（单位为（单位为dB） 式中式中, L光纤长度；光纤长度；A能耗能耗P1光导纤维入射端光强（功率）光导纤维入射端光强（功率）P2光导纤维出射端光强（功率）光导纤维出射端光强（功率）A=10/L lg(P1P2)传感器与检测技术传感器与检测技术光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。 传感器与检测技术光纤传感器工作原理： 光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用

7、后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位和偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。根据工作原理，光纤传感器可以分为传感型和传光型两大类。v(还有一类：探光型)传感器与检测技术光的电矢量光的电矢量E)sin(tBE被测量调制：被测量调制：光的强度、偏振态（矢量光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位的方向）、频率和相位解调：解调：光的强度解调、偏振光的强度解调、偏振解解调、频率调、频率解解调或相位调或相位解解调调上一页下一页返 回 光纤对许多外界参数有一定的效应，如电流、温度、速度和射线等。光纤光纤对许多外界参数有一定的效应，如

8、电流、温度、速度和射线等。光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应，实现对外界被测参数的传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应，实现对外界被测参数的“传传”和和“感感”的功能。光纤传感器的核心就是光被外界参数的调制原理，的功能。光纤传感器的核心就是光被外界参数的调制原理，调制的原理就能代表光纤传感器的机理。研究光纤传感器的调制器就是研调制的原理就能代表光纤传感器的机理。研究光纤传感器的调制器就是研究光在调制区与外界被测参数的相互作用，外界信号可能引起光的特性究光在调制区与外界被测参数的相互作用，外界信号可能引起光的特性（强度、波长、频率、相位、偏振态等）变化，从而构成强度、波长、频（强度

9、、波长、频率、相位、偏振态等）变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态调制原理。率、相位和偏振态调制原理。传感器与检测技术传感器传感器光学现象光学现象被测量被测量光纤光纤分类分类干干涉涉型型光纤传感器相位调制光纤传感器相位调制干涉（磁致伸缩）干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应效应光弹效应光弹效应干涉干涉电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压角速度角速度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移温度温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非非干干涉涉型型光纤传感器强度调制光纤传感器强度调制遮光板断光路遮光板断光路半导体透射率的变

10、化半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射振动膜或液晶的反射气体分子吸收气体分子吸收光纤漏泄模光纤漏泄模温度、振动、压力、加速度、位移温度、振动、压力、加速度、位移温度温度温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移振动、压力、位移气体浓度气体浓度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纤传感器偏振调制光纤传感器偏振调制法拉第效应法拉第效应泡克尔斯效应泡克尔斯效应双折射变化双折射变化光弹效应光弹效应电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移SMM

11、MSMMMb,abbb光纤传感器频率调制光纤传感器频率调制多普勒效应多普勒效应受激喇曼散射受激喇曼散射光致发光光致发光速度、流速、振动、加速度速度、流速、振动、加速度气体浓度气体浓度温度温度MMMMMMCbb注：注：MM多模光纤；多模光纤；SM单模光纤；单模光纤；PM偏振保持光纤偏振保持光纤 传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术上一页下一页返 回利用外界因素改变光纤的特征参量，从而对外界利用外界因素改变光纤的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的，称为传感型光纤因素进行计量和数据传输的，称为传感型光纤传感器，它具有传、感合一的特点，信息的获传感器，它具有传、感合一的特点，信息

12、的获取和传输都在光纤之中。取和传输都在光纤之中。传感器与检测技术上一页下一页返 回传光型光纤传感器是指利用其他敏感元件测得的特征量，由光纤进行数据传输，它的特点是充分利用现有的传感器，便于推广应用。传感器与检测技术传感器与检测技术上一页下一页返 回传感器与检测技术上一页下一页返 回传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术光纤压力传感器光纤压力传感器传感器与检测技术膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片的中心挠度膜片的中心挠度 34216)1 (3EtRy若利用若利用Y形光纤束位移特

13、性的线性区，形光纤束位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。1 Y形光纤形光纤2 壳体壳体 3 膜片膜片与所加的压力呈线性关系与所加的压力呈线性关系传感器与检测技术传感器的固有频率可表示为传感器的固有频率可表示为 pgERtfr)1 (356. 222式中式中, 膜片材料的密度；膜片材料的密度； g重力加速度。重力加速度。 结构简单、体积小、使用方便，结构简单、体积小、使用方便，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影响。其精度就要受到影响。 上一页下一页返 回

14、传感器与检测技术1输出光纤输出光纤 2输入光纤输入光纤 3输出光纤输出光纤 4胶胶 5膜片膜片 ApApII1112两束输出光的光强之比两束输出光的光强之比 A常数；常数；p待测量压力待测量压力 输出光强比输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关与膜片的反射率、光源强度等因素均无关 上一页下一页返 回传感器与检测技术将上式两边取对数，在满足将上式两边取对数，在满足(Ap)21时，得到时，得到 ApII2ln12表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。若将若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器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。即可得到线性的输出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。上一页下一页返 回传感器与检测技术1 光源光源 2、8 起偏器起偏器 3