传感器第九章光导纤维式传感器

1、传感器第九章光导纤维式传感器第1页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 光纤式传感器使用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。光纤传感器的主要特点有： (1) 电绝缘； (2) 抗电磁干扰； (3) 非侵入性； (4) 高灵敏度； (5) 容易实现对被测信号的远距离监控。第2页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日一、斯乃尔定理 当光有光密物质进入光疏物质，发生折射时入射角 小于折射角 。如图。根据斯乃尔定理有9.1 光导纤维导光的基本原理第3页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日有上式可知，当入射角 增大时，折射角 也增

2、大，且始终 。当 时，此时出射光线沿界面传播，称为临界状态。此时当 时， ，这时便发生全反射现象，其出射光不再折射而全部反射回来。二、光纤结构 光纤通常由圆柱形的玻璃纤维芯和玻璃包层两个同心圆柱的双层结构。参见图。纤芯位于光纤中心部位，纤芯的折射率比包层的折射率大。第4页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日三、光纤导光几何光学原理及数值孔径NA 光纤导光原理，参见图。由图中可知由上式得第5页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日由图知， 所以综合上面公式得第6页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日考虑空气的折射率约等于1，上式简化为当

3、时，考虑上式中 称为相对折射率差。 定义 为光纤的数字孔径NA。由以上分析只有 的入射光线才能在光纤界面上发生全反射，从而被光线传输。 第7页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日四、光纤导光波动光学解释与几何光学解释的关系 几何光学把光源看成射线源，光的传播问题就是射线的轨迹问题，完全不涉及波动的概念，随之也就不再涉及波长或波数等。 在波长与所讨论系统的空间尺寸比较起来可忽略不计时，用几何光学或射线分析来研究光学现象有形象鲜明、数学处理简单、能达到工程上满意精度的优点。射线分析的误差随着波长与系统线度比的增大而增大，所以几何光学是波动光学在波长趋于零时的极限。 参考书：光纤

4、理论与技术，曾甫泉 编著，西安交通大学出版社，1990年10月第1版；第8页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日一、光纤传感器的结构原理 传统传感器是将其它物理量转化为电量，其信号传输和处理均由金属导线连接。光纤传感器将被测物理量转换为光信号，信号的传输采用光纤完成。9.2 光纤传感器结构原理及分类第9页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日从本质上讲，光是一种电磁波，在讨论光的敏感测量时，必须考虑光的电矢量 的振动。通常电矢量可表示为 有上式知，只要使光的强度、偏振态（矢量 的方向）、频率和相位等参量之一随被测量状态变化而变化，即可完成测量过程。二、光纤

5、传感器的分类（一）根据光纤在传感器中的作用 分为功能型、非功能型和拾光型三大类。1. 功能型（全光纤型）光纤传感器第10页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。2. 非功能型（传光型）光纤传感器 光纤在其中仅起导光作用，光照在非光线型敏感元件上受被测量调制。3. 拾光型光纤传感器 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。（二）根据光受被测对象的调制形式 分为：强度调制型光纤传感器、偏振调制光纤传感器、频率调制型光纤传感器、相位调制型传感器。第11页，共50页，2022年，5月20日，21点

6、34分，星期日第12页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日一、光纤 常见光纤有阶跃型和梯度型多模及单模光纤。它们的结构参见下图。9.3 光纤传感器的主要元件第13页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日（一）光纤的数值孔径NA NA是衡量光纤聚光能力的参量。从提高光源与光纤之间耦合效率的角度看，要求采用NA大的光纤。但NA越大，光纤的模色散越严重，传输信息的容量就越小。对大多数光纤传感器应用来说，不存在信息容量的问题。因此，传感器所用光纤具有最大数字孔径为宜。一般要求：（二）光纤传输损耗 由于作为传感器的光纤其长度都很短，最多数米长，因此对光纤传输损耗要求

7、很低，一般传输损耗第22页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 对于波长大于 的光能透过半导体，而波长小于 的光将被半导体强烈吸收。 由上可知，半导体吸收光谱与禁带宽度有关，而半导体材料的禁带宽度随温度变化而变化，即对于GaAs材料，由实验得到由此可知，半导体的本征吸收波长随温度升高而增大。即透射率曲线向长波方向移动。第23页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日若采用发射光谱与半导体的 相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强将随温度的升高而减小。参见下图。第24页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 利用半导体吸收的光纤温度传感器其结

8、构如下图。2007.11. 15JGLX303-第25页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 上面简单结构的半导体光纤温度传感器，由于受到光源功率的波动、损耗变化等因素的影响，其精度受到限制。下图为带补偿的光纤温度传感器机构框图。第26页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 图中LED1为信号光源，其中心波长与半导体本征吸收波长相匹配。LED2为参考光源，其中心波长大于半导体的本征吸收波长。当温度变化时，LED1发射光通过半导体时光强随温度变化而变化，而LED2发射光的透光强度则不变。 因此，对于LED1发出的光，在两个探测器PD1和PD2上接收的光强度

9、分别表示为：第27页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 对于LED2发出的光，在两个探测器PD1和PD2上接收的光强度分别表示为：将 分别检测出来后，作如下运算第28页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日（三）荧光发光型光纤温度传感器 某些荧光物质在紫外光激励下能发出可见光，其发射光谱与温度有关。某些波长的荧光强度对温度有强烈的依存关系，而某些波长的荧光强度几乎不受温度变化的影响。因此通过检测特定波长的荧光强度即可测出温度。第29页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 此种形式的荧光光纤温度传感器能精确地测量-50-200 的温度，

10、检测精度达到0.1 。第30页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日二、压力检测（一）采用弹性元件的光纤压力传感器 此种形式的压力传感器是利用压力引起形变，利用形变完成对光强的调制。参见下图。第31页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日上图中，膜片厚度在间，对于四周固定的膜片，在小挠度的条件下( 为膜片厚度)，其中心挠度 与压力 的关系如下由上式，可见中心挠度与所加压力呈线性关系。若利用Y型光纤束位移特性的线性区，则传感器的输出光功率与待测压力呈线性关系。 用于动态测量时，传感器的固有频率为第32页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日下

11、图为改进型的膜反射式光纤压力传感器机构。图中两束输出光强比为第33页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日将上式两边取对数，在满足 时等式右边展开后取第一项，得从上式可看出，压力与两束光强之比的对数成线性关系。（二）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，从而呈现双折射现象，这种效应称为光弹效应。 出现双折射时，无论入射光是自然光还是偏振光，都将分解成两束传播速度不同、振动方向相互垂直的线偏振光。2006.12. 1JC204-第34页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日对于光弹效应晶体，两束光线的相位差其中 是光弹常数， 为元件长度， 为机

12、械应力， 为波长。第35页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日光弹式压力传感器结构参见下图。第36页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日（三）微弯式光纤压力传感器 微弯式压力传感器是基于光纤的微弯效应，通过压力引起变形器产生位移，使光纤发生微弯对光强进行调制。微弯原理参见下图光纤变形器第37页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 下面为两种微弯式光纤水听器探头结构。第38页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日三、液位、流量、流速的检测（一）液位的检测技术1.球面光纤液位传感器 球面液位光纤传感器的结构如图所示。第3

13、9页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 多个球面液位光纤传感器安装在不同高度上可以测出多个液位高度。如下图第40页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日2.斜面光纤液位传感器 结构参见下图。第41页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日3.单光纤液位传感器 结构参见下图。第42页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日（二）流量、流速的检测1.光纤涡街流量计 当一个非流线体置于流体中时，流体流动时，某些条件下会在非流线体的后方产生有规律的漩涡，这种漩涡会在该非流线体的两边交替地离开。每个漩涡产生并离开时会在物体上产生一侧

14、向力。于是物体在该力的作用下发生振动，振动频率近似与流速成正比即第43页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 光纤涡街流量计的结构参见下图。光纤涡街流量计的特点是可靠性好、对被测流体阻力小。但在流速很小时，光纤振动会消失，因此存在一定的测量下限。 第44页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日2.光纤多普勒流速计 参见下图。激光束照射到流体上，发生散射，由于流体在流动，使得光电传感器接收到的散射光发生多普勒频移。He-NeAD数据处理系统B传感光纤P1P2耦合透镜测室 A端面反射光第45页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日3.气液两相

15、流的光纤检测技术 气液两相流是气体和液体的混合流体。在透明液体中存在气泡时，可以对气泡的流速、气泡直径和气泡率等参数进行测量。检测原理参见下图。第46页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日根据菲涅尔反射定律，在上图中三种情况下，从光纤端面反射回光纤的反射光强分别可表示为 另外，在气泡和液体的界面上也要产生反射，由于气泡的运动，反射光与输入光之间存在多普勒频移。其频移为第47页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 在气泡接近光纤端部及气泡将要经过光纤端部时，光纤端面反射光与气泡端面反射光混合后形成拍频信号，光强变化频率为 和 。下图为气泡通过光纤端部时的反射光强波形。第48页，共50页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 在一定时间 内记录到多个气泡经过光纤端面时，可由下式，计算出气泡率。 将输出信号中的多普勒