光纤传感器课件

1、第12章 光纤传感器光导纤维(光纤)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，如光强、相位、频率、偏振态等变化。光纤传感技术就是将温度、压力、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转换成调制的光信号。光纤传感器是20世纪70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，光纤传感器得到进一步发展。与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点：不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；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。第12章 光纤传感器（1）光纤的结构和传输原理

2、 光纤结构：基本采用石英玻璃，有不同掺杂，主要由三部分组成中心纤芯； 外层包层；护套尼龙料。性质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N1略大于包层折射率N2（N1N2）。纤芯保护套包层玻璃光纤塑料光纤石英光纤第12章 光纤传感器光纤的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减小到某一角度c时，光线全部反射。只要c，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。（1）光纤的结构和传输原理 光纤的传光原理：第12章 光纤传感器 为保证全反射，必须满足全反射条件（即c）实现全反射的临界入射角为： 空气中 可

3、见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（N1、N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。第12章 光纤传感器 （2）光纤的性能（几个重要参数） 数值孔径（NA）临界入射角c的正弦函数定义为光纤的数值孔径. 空气中： 第12章 光纤传感器NA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2c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，石英光纤的数值孔径一般为：第12章 光纤传感器光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和

4、方式，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同。模式值定义为： 式中：为纤芯半径；为入射波长。 （2）光纤的性能（几个重要参数） 光纤模式（V）第12章 光纤传感器光纤模式第12章 光纤传感器模式讨论：模式值越大，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分不同时间到达多个信号，导致合成信号畸变。模式值V小，就是值小，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、灵敏度高，但制造、连接困难。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

5、常用的普通光纤。 第12章 光纤传感器光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗。 用衰减率A表示： I1、I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传输1Km后，光强下降到入射时的1/10。 （2）光纤的性能（几个重要参数） 传播损耗（A）第12章 光纤传感器 (3) 光纤传感器的基本测量原理(1) 物性型光纤传感器原理物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。

6、因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。(1) 物性型光纤传感器原理 激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数（温度、压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。 (2) 结构型光纤传感器原理 结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。 图2 结构型光纤传感器工作原理示意图 (3)

7、 拾光型光纤传感器原理 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。 图3 拾光型光纤传感器工作原理示意图 第12章 光纤传感器(4) 光纤传感器组成光源：要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定相干光：半导体激光器等非相干光：发光二极管、白织灯等探测器（光电探测器是光电检测中不可缺少的器件，把光信号转变为电信号）：灵敏度好、响应快、线性好光电二极管、光电倍增管光敏电阻、光电池光纤功能型光纤传感器（Function Fiber Optic Sensor)，又称FF型光纤传感器）光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件更高的灵敏度

8、调整困难非功能型光纤传感器（Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器）光纤仅起传光作用灵敏度、测量精度较低有一种传感探针型光纤传感器(4) 光纤传感器分类被 测 物 理 量测量方式光的调制光 学 现 象材 料特 性 性 能电 流磁 场FF偏振法拉第效应石英系玻璃铅系玻璃电流501200A(精度0.24%)磁场强度0.84800A/m(精度2%)相位磁致伸缩效应镍68碳莫合金最小检测磁场强度810-5A/m-2(110kHz)NF偏振法拉第效应YIG系强磁体FR-5铅玻璃磁场强度0.08160A/m(精度0.5%)电 压电 场FF偏振Pockels效应

9、亚硝基苯胺-相位电致伸缩效应陶瓷振子压电元件-NF偏振Pockels效应LiNbO3,LiTaO3Bi12SiO20电压11000V电场强度0.11kV/cm(精度1%)温 度FF相位干涉现象石英系玻璃温度变化量17条/(m)光强红外线透过SiO2,CaF2,ZrF2温度25012(精度1%)FF偏振双折射变化石英系玻璃温度301200开口数折射率变化石英系玻璃-NF断路双金属片弯曲双金属片温度1050(精度0.5)断路磁性变化铁氧体开(57)关(53)水银的上升水 银40时精度0.5透射率禁带宽度变化GaAs、CdTe半导体温度080透射率变化石 蜡开(63)关(52)光强荧光辐射(Gd0.

10、99Eu0.01)2O2S-50300(精度0.1)被 测 物 理 量测量方式光的调制光 学 现 象材 料特 性 性 能速 度FF频率多普勒效应石英系玻璃流速10-4103m/sNF断路风标的旋转旋转圆盘风速60m/s振 动压 力音 响FF频率多普勒效应石英系玻璃最小振辐0.4m/(120Hz)相位干涉现象石英系玻璃压力154kPam/条光强微小弯曲损失薄膜+膜条压力0.910-2Pa以上NF光强散射损失C45H78O2+VL2255N压力040kPa断路双波长透射率变化振 子振幅0.05500m(精度1%)光强反射角变化薄 膜血压测量误差2.6103Pa射 线FF光强生成着色中心石英系玻璃铅系玻璃辐照量0.011Mrad图 像FF光强光纤束成像石英系玻璃长数米多波长传输石英系玻璃长数米非线性光学非线性光学元件长数米光的聚焦多成分玻璃长数米（5）光纤传感器的基本结构被测对象被测对象敏感元件被测对象敏感元件被测对象（6）光纤传感器的应用第12章 光纤传感器利用半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。敏感元件是一个半导体光吸收器，光纤用来传输信号。当光源的光强度经光纤达到半导体薄片时，透过薄片的光强受温度的调制温度T升高，材料吸收光波长向长波移动，半导体薄片透过的光强度变化。光纤温度传感器第12章 光纤传感器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