第十二章 光导纤维传感器

1、p光纤传感器是光纤传感器是2020世纪世纪7070年代中期发展起来的一门新技术，光年代中期发展起来的一门新技术，光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。一步发展。p光导纤维光导纤维( (光纤光纤) )受到外界环境因素的影响，如温度、压力、受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等环境条件变化，将引起其传输的光波量，如光电场、磁场等环境条件变化，将引起其传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。强、相位、频率、偏振态等变化。p光纤传感技术就是将温度、压力、电场、磁场的变化转化为光纤传感技术就是将温度、压力、

2、电场、磁场的变化转化为光波量的变化的技术。光纤传感器通过光导纤维把输入变量光波量的变化的技术。光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。转换成调制的光信号。p光纤传感器有如下特点：光纤传感器有如下特点： 不受电磁干扰，高灵敏度；可根据需要做成各种形状，可以不受电磁干扰，高灵敏度；可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。弯曲；可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。是非功能传感器是非功能传感器1 1）光纤的结构）光纤的结构光的全反射13。光线将光线将不再折射入介质不再折射入介质2 2，依据斯涅尔依据斯涅尔(Snell)(Snell)定律定律2112si

3、nsinnn12c/sinnnn 只要只要c c，光在纤，光在纤芯和包层界面上经若芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。最后从另一端面射出。n光纤光纤“数值孔径数值孔径”2221sinnnNAc 数值孔径数值孔径为保证全反射，必须满足全反射条件（即为保证全反射，必须满足全反射条件（即cc） 光纤传播模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同光纤传播模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同。涉产生的强度分布也不同。 模式值定义为：模式值定义为

4、： NAaV02模式值越大模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同分不同时间时间到达多个信号，导致合成信号畸变。到达多个信号，导致合成信号畸变。模式值模式值V V小小，就是，就是值小，即纤芯直径小，只能传播一种模式，值小，即纤芯直径小，只能传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。灵敏度高，但制造、连接困难。u除单模光纤外，还有多

5、模光纤（阶跃多模、梯度多除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。普通光纤。 适宜于远距离传输。适宜于远距离传输。 调制器调制器采用光纤多普勒测量系统对研究流采用光纤多普勒测量系统对研究流体流动特别有效，尤其是微小流量体流动特别有效，尤其是微小流量范围内的介质流动，如医学上血液范围内的介质流动，如医学上血液流动的测量，能不干扰流体流动情流动的测量，能不干扰流体流动情形下实现高精度测量。形下实现高精度测量。光纤传感器同样是将被测量（光纤传感器同样是将被测量（等）等）转换成光的某些参数（转换成光

6、的某些参数（等）的变化来进行等）的变化来进行测量的传感器。测量的传感器。其基本原理是将光从光源经过光纤传到光调制器（敏感元件其基本原理是将光从光源经过光纤传到光调制器（敏感元件），在光被调制后，再经过光纤进入光探测器，最后经信号），在光被调制后，再经过光纤进入光探测器，最后经信号处理获得与被测量呈确定关系的电量处理获得与被测量呈确定关系的电量. .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

7、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、

8、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SMMMSMMMb,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反射型反射型遮断型遮断型反射镜反射型反射镜反射型标志孔标志孔电路板标志检测电路板标

9、志检测 当光纤发出当光纤发出的光穿过标志孔的光穿过标志孔时，若无反射，时，若无反射，说明电路板方向说明电路板方向放置正确。放置正确。 光纤光纤 耦合器耦合器传输光纤传输光纤出射光纤出射光纤遮断型光纤遮断型光纤光电开关光电开关出射光纤出射光纤接收光纤接收光纤 采 用 遮采 用 遮断型光纤光断型光纤光电开关对电开关对IC 芯片引脚进芯片引脚进行检测行检测将两根同样芯径的光纤端面靠近并装配到一起，光从一根光纤将两根同样芯径的光纤端面靠近并装配到一起，光从一根光纤输出通过空隙进入另一根光纤。如果两根光纤的中心轴为同轴输出通过空隙进入另一根光纤。如果两根光纤的中心轴为同轴，光在连接处的损失很小，但当两根

10、光纤产生错位时，其损耗，光在连接处的损失很小，但当两根光纤产生错位时，其损耗就增加。光纤输出的光通量变化反应了光轴的错开距离就增加。光纤输出的光通量变化反应了光轴的错开距离. .光强度位移变化曲线光强度位移变化曲线 利用光纤实现无接触位移测量。利用光纤实现无接触位移测量。 光源经一束多股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物光源经一束多股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤传送到体上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤传送到光敏元件上。光敏元件上。 被测物体与光纤间距离变化，反射到接受光纤上，光通量被测物体与光纤间距离变化，反射到接受光纤上，光通量发生变化。再通过光电传感器检测出距离的变化。发生变化。再通过光电传感器检测出距离的变化。 微米微米级的级的位移位移测量。测量。精度要求不高的测量精度要求不高的测量液体折射率液体