第4章 第4补1 光纤 激光传感器课件

光纤传感器一、光纤传感器发展概况二、光导纤维的结构和传输原理三、光纤传感器的工作原理四、光导纤维的主要参数五、光纤传感器的应用光纤传感器一、光纤传感器发展概况1光纤——光导纤维，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介质材料制成的极细的纤维，是一种理想的光传输线路。光纤传感器（FiberOpticSensor，FOS）兴起于20世纪70年代，是一类较新的光敏器件，它是利用被测量对光纤内传输的光波进行调制，使光波的一些参数，如强度、频率、波长、相位、偏振态等特性产生变化来工作。可以测量位移、加速度、压力、温度、磁、声、电等物理量。光纤传感器光纤——光导纤维，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介质材料2发展概况1977年，美国海军研究所(NRL-NationalNavalResearchLaboratory)开始执行光纤传感器系统计划。光纤传感器问世1983年起，国际光纤传感器会议定期召开，光纤传感器的研究成为世界研究热点。各个发达国家都做了大量的研究工作，具体如下：发展概况1977年，美国海军研究所(NRL-Nationa3美国

（激光核聚变计划）

FOSS(FiberOpticSensorSystem)

水声器、磁强计等水下检测设备FOG(FiberOpticGyroscope)

光纤陀螺：发展最快，取得成果最好的领域之一NRM(NuclearRadiationMonitor)

核辐射监测飞机发动机监控：

温度、叶尖故障、火焰燃烧、叶片振动、油量CRP(CivilResearchProject)

民用研究计划美国

（激光核聚变计划）FOSS(FiberOpti4英国

（阿维尔计划）1982年成立英国光纤传感器合作协会高电压光纤电流传感器--中央电气研究所光纤陀螺、水声器—伦敦大学光纤传感器的多路测试设备—曼彻斯特大学光全息技术—牛津大学特种光纤和光学测试仪器—南安普顿大学英国

（阿维尔计划）1982年成立英国光纤传感器合作协5

德国

（激光2000）光纤陀螺的研究和开发水平仅次于美国，居世界第二。西门子公司等均在光纤传感器方面有研究。1980年，西门子公司开发出了高压光纤电流传感器。德国

（激光2000）光纤陀螺的研究和开发水6第4章第4补1光纤激光传感器课件7第4章第4补1光纤激光传感器课件8市场需求光纤高温传感器。传统使用铂铑热电偶来测量高温，寿命短、成本高，而且需要停电（从而导致停产）来更换热电偶。电力系统需求。如对高压变压器和大型电动机的定子、转子的温度检测等，由于电类传感器易受强电磁场的干扰，无法使用。在石油、化工、大型电厂等系统内，需要检测各种气体的浓度、成分等，采用电类传感器达不到要求的精度。市场需求光纤高温传感器。传统使用铂铑热电偶来测量高温，寿命短9二、光纤结构与传输原理纤芯包层涂覆层护套

光纤通常由纤芯、包层及保护套组成。纤芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圆柱体，直径约为5～150μm。包层的材料也是玻璃或塑料等，但纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。（1）光纤的结构二、光纤结构与传输原理纤芯包层涂覆层护套光纤通常由纤10涂覆层在包层的外面，用环氧树脂或者硅胶等高分子材料做成，其外径一般为300μm左右。涂覆层的作用是保护光纤不受水汽和各种有害物质的侵蚀、防止光纤被划伤，同时还可增强光纤的柔韧性，提高机械强度，增加抗老化性能及延长光纤的寿命。二、光纤结构与传输原理（1）光纤的结构纤芯包层涂覆层护套涂覆层在包层的外面，用环氧树脂或者硅胶等高分子材料做成，其外11外套的材料是尼龙料，外套起保护光纤的作用。在涂覆层的外面加一层保护套，可构成一个完整的单根光纤。将多根光纤放在一个保护套内，按一定的结构排列即可构成光缆。二、光纤结构与传输原理（1）光纤的结构纤芯包层涂覆层护套外套的材料是尼龙料，外套起保护光纤的作用。在涂覆层的外面加一12传光原理：光在光纤界面内产生全反射。二、光纤结构与传输原理（2）光纤的传光原理传光原理：光在光纤界面内产生全反射。二、光纤结构与传输原理13

光的全反射

当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角θc。当入射角小于θc时，入射光线将发生全反射。光的全反射当减小入射角时，进入介质2的折射光与分14斯涅尔定理（Snell'sLaw）可见，入射角θi增大时，折射角θr也增大，且始终θr＞θi。当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图(a)，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θr＞θi。n1、n2、θr、θi之间的数学关系为

n1sinθi=n2sinθr

θi0=arcsin(n2/n1)sinθi0=n2/n1sinθr＝sin90º＝1当θr=90º时，θi＜90º，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态。这时有n1n2θrθi(a)光的折射示意图n1n2θrθi(b)临界状态示意图

n1n2θrθi(c)光全反射示意图当θi＞θi0并继续增大时，θr＞90º，便发生全反射现象，如图(c)

，其出射光不再折射而全部反射回来。式中：θi0——临界角斯涅尔定理（Snell'sLaw）可见，入射角θi增大时15光在光纤中的全反射光在光纤中的全反射16光的全反射实验

光的全反射实验171，光纤是光信号的传输媒介；2，当光信号在光纤中传播时，表征光信号的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移等)的作用而间接或直接地发生变化；3，将光纤用作传感元件来探测各种待测量(物理量、化学量和生物量等)。三、光纤传感器工作原理1，光纤是光信号的传输媒介；三、光纤传感器工作原理18光纤传感器与电类传感器比较光纤传感器与电类传感器比较19分类内容光纤传感器电类传感器调制参量振幅：吸收、反射等相位：偏振…电阻、电容、电感等敏感材料温-光敏、力-光敏、磁-光敏…温-电敏、力-电敏、磁-电敏…传输信号光电传输介质光纤、光缆电线、电缆光纤传感器是与电类传感器并行互补的一类新型传感器。光纤传感器与电类传感器比较

分类光纤传感器电类传感器调制参量振幅：吸收、反射等电阻、电20光纤传感器的特点本质防爆——适合于易燃、易爆等危险物品检测

对电绝缘——适合于高电压场合检测

无感应性——适合于强电磁场干扰环境下检测化学稳定性——适合于环保、医药、食品工业检测

时域变换性——适合于多点分布测量

低损耗、高精度、几何形状适应性强、尺寸小、重量轻

、频带宽、非接触式等

在机械、电子、航空航天、化工、生物医学、电力、交通、食品等领域的自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警以及军事等方面都有广泛应用。

光纤传感器的特点本质防爆——适合于易燃、易爆等危险物品检测21光纤传感器结构光电倍增管等光纤传感器结构光电倍增管等22θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1n0sinθi=n1sinθj；n1sinθk=n2sinθr，又θj=90º－θkn0为入射光线AB所在空间的折射率，一般为空气，故n０≈1，nl为纤芯折射率，n2为包层折射率。当n０=1时当θr=90º的临界状态时，θi=θi0数值孔径（NA）四、光导纤维的主要参数θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1n0sinθ23

数值孔径（NumericalAperture）光纤的数值孔径大小与几何尺寸无关，与纤芯—包层相对折射率有关。光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。NA越大，则光纤接收光的能力也越强。可以使光纤NA值很大而截面积很小，使得光纤柔软可以弯曲。NA太大时，光信号的畸变加大，会影响光纤的带宽。因此对光纤的数值孔径有一定的要求。通常作为传感器的光纤0.2≤NA<0.4。数值孔径（NumericalAperture）24按照光纤在传感器中的作用，通常将光纤传感器分为两种类型：非功能型（或称传光型、结构型）和功能型（或称传感型、探测型）。非功能型光纤传感器：利用其它敏感元件感受被测量，光纤仅作为传输介质，依靠光传输或光反射引起的强度调制来工作；光纤是不连续的,中断处要接上其他介质的敏感元件；多使用多模光纤。

功能型光纤传感器：把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输光的强度、相位、偏振态等进行调制，再通过解调得到被测信号；常使用单模光纤。五、光纤传感器分类按照光纤在传感器中的作用，通常将光纤传感器分为两种25功能型光纤传感器这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测能力，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高。典型例子：光纤陀螺仪、光纤水听器等。功能型光纤传感器这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感26非功能型光纤传感器这类传感器只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。非功能型光纤传感器这类传感器只当作传播光的媒介，待测对象的调27六、光纤传感器的应用强度调制型： 基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；相位调制型： 利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型： 主要是利用晶体的光弹性效应。光纤压力传感器六、光纤传感器的应用强度调制型：光纤压力传感器28例1光纤温度开关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（一）温度的检测例1光纤温度开关1234水银柱式光纤温度开关（一）温度的29热双金属式光纤温度开关1遮光板；2双金属片接收光源12例2遮光式光纤温度计当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。热双金属式光纤温度开关接收光源12例2遮光式光纤温度计当30这种形式的光纤温度计能测量10℃～50℃的温度。检测精度约为0.5℃。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。

热双金属式光纤温度开关1遮光板；2双金属片接收光源12这种形式的光纤温度计能测量10℃～50℃的温度。检测精度约为31采用弹性元件的光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器示意图

在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。若利用Y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。这种传感器结构简单、体积小、使用方便，但如果光源不稳定或长期使用后膜片的反射率下降，影响其精度。

1Y形光纤2壳体3膜片（二）压力的检测

采用弹性元件的光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器示意图32三、单光纤液位传感器单光纤液位传感器的结构如图，将光纤的端部抛光成45º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。利用X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，则能连续监视液位的变化。

单光纤液位传感器结构121光纤2耦合器三、单光纤液位传感器单光纤液位传感器结构121光纤33光纤液位传感器

光纤液位传感器34光纤式光电开关应用标志孔电路板标志检测

当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。

光纤耦合器传输光纤出射光纤以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。光纤式光电开关应用标志孔电路板标志检测当光纤发出的35光纤式光电开关应用

采用遮断型光纤光电开关对IC

芯片引脚进行检测光纤式光电开关应用采用遮断型光纤光电开关对IC芯片36光纤饰品光纤饰品37激光式传感器一、激光的本质二、激光的特点三、激光器四、激光的应用激光式传感器一、激光的本质38激光技术是近代科学技术发展的重要成果之一，目前已被成功地应用于精密计量、军事、宇航、医学、生物、气象等各领域。激光传感器虽然具有各种不同的类型，但它们都是将外来的能量(电能、热能、光能等)转化为一定波长的光，并以光的形式发射出来。激光传感器是由激光发生器、激光接收器及其相应的电路所组成的。

激光传感器的概述激光技术是近代科学技术发展的重要成果之一，目前已被成功地应用39一、激光的本质

原子在正常分布状态下，多处于稳定的低能级El状态。如果没有外界的作用，原于可以长期保持这个状态。若在外界光子的作用下，原子吸收光子的能量hγ后，由低能级El向高能级E2跃迁的过程，叫做原子的激发。原子处于激发的时间是非常短的，处于激发状态的原子能够很快地跃迁到低能级上去，同时辐射出光子。这种处于激发状态的原子自发地从高能级跃迁到低能级上去而发光，叫做原子的自发辐射，如图a所示。

如果处于高能级的原子在外界作用影响下，发射光子而跃迁到低能级上去，这种发光叫做原子的受激辐射。设原子有能量为E1和E2的两个能级，而且E2>E1。当原子处于E2能级上时，在能量为hγ入射光子影响下，这个原子可发生受激辐射而跃迁到E1能级上去，并发射出一个能量为hγ的光子，如图b所示。E1E1一、激光的本质原子在正常分布状态下，多处于稳定的40在受激辐射过程中，发射光子不仅在能量上(或频率上)和入射光子相同，它们在相位、振动方向和发射方向上也完全一样。如果这些光子再引起其他原子发生受激辐射，这些原子所发射的光子在相位、发射方向、振动方向和频率上也都和最初引起受激辐射的入射光子相同，如图a所示。这样，在一个入射光子影响下，会引起大量原子的受激辐射，它们所发射的光子在相位、发射方向、振动方向和频率上都完全一样，这一过程也称为光放大，所以在受激发射时原子的发光过程不再是互不相关的，而是相互联系的。另一方面，能量为hγ的光子在媒质中传播时，也可以被处于E1能级上的粒子所吸收；而使这粒子跃迁到E2能级上去。在此情况下，入射光子被吸收而减少，如图b所示。这个过程叫做光的吸收。

光的放大和吸收过程往往是同时进行的，总的结果可以是加强或减弱，这取决于这一对矛盾中哪一方处于支配地位。在受激辐射过程中，发射光子不仅在能量上(或频率上)和入射光子41二、激光的特点

1高方向性高方向性就是高平行度，即光束的发散角小。激光束的发散角已达到几分甚至更小。所以通常称激光是平行光。2高亮度激光在单位面积上集中的能量很高。一台较高水平的红宝石脉冲激光器亮度达比太阳的发光亮度高出很多倍。把这种高亮度的激光束会聚后能产生几百万摄氏度的高温。在这种高温下，就是最难熔的金属，在一瞬间也会熔化。

二、激光的特点1高方向性423单色性好单色光是指谱线宽度很窄的一段光波。用λ表示波长，△λ表示谱线宽度，△λ则越小，单色性越好。在普通光源中最好的单色光源是氪(Kr86)灯。它的而普通的氦氖激光器所产生的激光从上面数字可以看出：激光的谱线宽度比普通光源相比提高了几万倍，因此激光是最好的单色光源。4高相干性相干性就是指相干波在叠加区得到稳定的干涉条纹所表现的性质。普通光源是非相干光源，而激光是极好的相干光源。由于激光具有上述特点，因此利用激光可以导向；做成激光干涉仪测量物体表面的平整度、测量长度、速度、转角；切割硬质材料等。随着科学技术的发展，激光的应用会更加普遍。3单色性好43三、激光器

按其工作物质可以分为气体、液体、固体、半导体激光器。1气体激光器气体激光器通常是利用激光管中的气体放电过程来进行激励的。

氦氖激光器是应用最广泛的气体激光器。它有内腔式、外腔式两种。在放电管内充有一定气压和一定氦氖混合比的气体。氦氖激光器的转换效率较低，输出功率一般为毫瓦级。

二氧化碳(CO2)激光器是典型的分子气体激光器。它的工作物质是CO2气体，常加入氮、氨及一些其他辅助气体。最常用的激光波长是10.6的红外光。CO2激光器的能量转换效率很高，可达百分之十几到30%。它的输出功率大，可有几十到上万瓦。因此它可用于打孔、焊接、通信等方面。三、激光器按其工作物质可以分为气体、液体、固体、半导体激光442固体激光器固体激光器的工作物质主要是掺杂晶体和掺杂玻璃，最常用的是红宝石(掺铬)、钕玻璃(掺钕)、钇铝石榴石(掺钇)。在椭圆形聚光器4内密封红宝石棒2和脉冲氙灯3。红宝石棒的基质为Al2O3。掺入重量比约0.05%的铬离子Cr3+，作为增益介质，以形成受激辐射。

红宝石激光器的原理a）结构图

b）能级图1－全反射镜

2－红宝石棒

3－脉冲氙灯

4－聚光器

5－部分反射镜2固体激光器红宝石激光器的原理a）结构图b）能45第4章第4补1光纤激光传感器课件463半导体激光器半导体激光器最明显的特点是体积小、重量轻、结构紧凑。半导体激光器本身却只有针孔那么大，长度还不到lmm，将它装在一个晶体管模样的外壳内或在它的两面安装上电极，其重量不超过2g，因此使用起来十分方便。它可以做成小型激光通讯机，或做成装在飞机上的激光测距仪或装在人造卫星和宇宙飞船上作为精密跟踪和导航用激光雷达。半导体激光器的工作物质是某些性能合适的半导体材料，如砷化镓(GaAs)、砷磷化镓(GaAsP)、磷化铟(1nP)等。

图：砷化镓半导体激光器的结构3半导体激光器图：砷化镓半导体激光器的结构47

四、激光传感器的应用

激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的特点，应用于测量和加工等方面，可以实现无触点远距离的测量，而且速度高、精度高，测量范围广，抗光、电干扰能力强，因此激光得到了广泛的应用。四、激光传感器的应用激光具有高亮度、高方向性、高单色性48案例1.激光测速车速测量仪采用小型半导体砷化镓(GaAs)激光器，其发散角在0～20°间，发光波长为0.9。其光路系统如图所示，图中1是激光源；2为发射透镜；3为接收透镜；4为光敏元件。砷化镓激光器及光敏元件3DU33分别置于透镜的焦点上，砷化镓激光经发射透镜2成平行光射出，再经接收透镜3会聚于3DU33。为了保证测量精度，在发射镜前放一个宽为2mm的狭缝光阑，其测速的基本原理如下，当汽车行走的速度为v，行走的时间为t时，则其行走的距离S=vt现选取s＝l00m。使车行走时先后切割相距l00m的两束激光，测得时间间隔，即可算出速度。采用计数显示，在主振荡器振荡频率为100kHz情况下，计数器的计数值为N时，车速的表达式可写成(v以km／h为单位)案例1.激光测速车速测量仪采用小型半导体砷化镓(GaAs)激49案例2.激光测距激光测距的原理是：通过向目标发射激光信号，根据激光信号往返于测点与目标之间所用的时间而求出距离的。激光测距在军事上可用于地形测量，战场前沿测距，坦克及火炮的测距，测量云层、飞机、导弹及卫星的高度等。案例2.激光测距激光测距的原理是：通过向目标发射激光信号，根50第4章第4补1光纤激光传感器课件51案例3.激光雷达利用激光束搜索、跟踪和测量活动目标的装置叫激光雷达。激光雷达的工作原理和微波雷达相似，都是利用电磁波照射目标并接收回波的方法，发现、识别和指示目标的，只是工作波段不同。激光雷达在军事上的应用：武器鉴定试验、武器火控、跟踪识别、指挥导引、大气测量等。案例3.激光雷达利用激光束搜索、跟踪和测量活动目标的装置叫52案例4.激光制导应用激光作为跟踪目标和传输信息的手段，将导弹、炮弹、航空炸弹等导向目标的技术。激光制导具有命中精度高、抗电磁干扰能力强等优点，因而得到广泛应用，是精确制导武器的一种重要制导方式。案例4.激光制导应用激光作为跟踪目标和传输信息的手段，将导53案例5.激光武器利用激光的能量直接摧毁目标或杀伤破坏其组成部分使之丧失战斗力的武器称为激光武器。案例5.激光武器利用激光的能量直接摧毁目标或杀伤破坏其组成部54根据激光器输出功率的大小，激光武器可区分为低能激光武器和高能激光武器两大类。低能激光武器主要指激光干扰与致盲武器，它是重要的光电对抗装备，主要用于干扰和致盲敌方的光电传感器和敌方官兵的眼睛。高能激光武器也称死光武器，它是借助于激光束的热能直接摧毁目标，可用于打击导弹、卫星、坦克、飞机等。激光技术在军事的应用除上述几个方面外，还包括：激光侦察、激光核聚变、激光计算机、激光陀螺等。根据激光器输出功率的大小，激光武器可区分为低能激光武器和高能55美国激光大战想象图美国激光飞机已进入试验阶段美国激光大战想象图美国激光飞机已进入试验阶段56第4章第4补1光纤激光传感器课件57激光致盲武器“军刀”(Saber)203的激光照明系统，主要用于照明、致盲和瞄准目标。该装置采用镍镉电池供电，工作波长为670纳米，功率400毫瓦，有效照明距离300米，重1.5磅，每枚电池可连续运行30分钟，100米处的光斑尺寸可在1～10米之间变化。激光致盲武器“军刀”(Saber)203的激光照明系统，58第4章第4补1光纤激光传感器课件59所谓激光对抗，就是交战双方采取专门措施，干扰、破坏对方的激光装备，使其丧失功能和战斗力，同时保护己方的军事装备和人员免遭激光武器的攻击和伤害。激光对抗一般防护措施：一是利用地形、地物或设置遮障阻挡激光。二是在目标表面涂上对光具有强烈吸收能力的材料，使照射光束的能量被吸收。三是采用伪装、隐身、示假以及机动、规避等手段，使敌难以发现、捕捉目标。四是研制和发展特种耐高温材料的壳体，以及从技术上采取各种抗激光加固措施。对眼睛的防护：一是采用激光滤光片和护目镜；二是施放烟幕；三是采用黑挡片罩。所谓激光对抗，就是交战双方采取专门措施，干扰、破坏对方的激光60举例：战略反导激光武器举例：战略反导激光武器61中国反卫星激光武器已部署到西北内陆中国反卫星激光武器已部署到西北内陆62案例6.激光通信激光通信是把光作为传递信息的载体，通过把信息（音频信号）调制到光波上，经介质（大气、光缆等）的传输，将信息传至对方，再经接收终端解调，还原成声音而实现通信的。按照激光传播途径的不同，激光通信可分为大气激光通信，空间激光通信，水下激光通信和光导纤维通信等方式。大气激光通信是以大气为传输介质的激光通信。由于受大气吸收、散射等影响，且只能直线传播，故只适于近距离的定点或半定点通信。光纤通信是以光导纤维为传输介质的激光通信。主要用于远距离的战略、战术通信系统，中短距离的局部通信系统，以及在飞机、舰艇、雷达、导弹、卫星等军事装备和军事设施内部的信息传递和通信联络等。案例6.激光通信激光通信是把光作为传递信息的载体，通过把信息63nxSensor-I是美国nextWare公司（）最新推出的获取三维空间中不透明物体表面形状的新型传感器，是世界上最为精确的激光图象传感器之一，可广泛用于三座标测量、逆向工程、产品设计、仿形、修改和模具制造等领域。三维激光扫描传感器工作流程

案例7.nxSensor-I型三维激光扫描传感器nxSensor-I是美国nextWare公司（www.ne64是一种用于在封闭的危险区进行保护的非接触的光程传感器。案例8.SIGUARDLS4激光扫描器保护危险区的人和物

灵活和独立的调节来源于四个参数和可调节的保护区在整个190°的工作,LS4连续扫描（每40毫秒）所有的角度（每0.36°).人和物的防护半径最远可达4米

警告的半径最远可达15米是一种用于在封闭的危险区进行保护的非接触的光程传感器。案例865工作原理直径70毫米工作原理直径70毫米66应用无人值守系统的应用无轨电车的碰撞防护多区域的水平安全区防护水平安全区防护

应用无人值守系统的应用无轨电车的碰撞防护多区域的水平安全区防67光纤传感器一、光纤传感器发展概况二、光导纤维的结构和传输原理三、光纤传感器的工作原理四、光导纤维的主要参数五、光纤传感器的应用光纤传感器一、光纤传感器发展概况68光纤——光导纤维，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介质材料制成的极细的纤维，是一种理想的光传输线路。光纤传感器（FiberOpticSensor，FOS）兴起于20世纪70年代，是一类较新的光敏器件，它是利用被测量对光纤内传输的光波进行调制，使光波的一些参数，如强度、频率、波长、相位、偏振态等特性产生变化来工作。可以测量位移、加速度、压力、温度、磁、声、电等物理量。光纤传感器光纤——光导纤维，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介质材料69发展概况1977年，美国海军研究所(NRL-NationalNavalResearchLaboratory)开始执行光纤传感器系统计划。光纤传感器问世1983年起，国际光纤传感器会议定期召开，光纤传感器的研究成为世界研究热点。各个发达国家都做了大量的研究工作，具体如下：发展概况1977年，美国海军研究所(NRL-Nationa70美国

（激光核聚变计划）

FOSS(FiberOpticSensorSystem)

水声器、磁强计等水下检测设备FOG(FiberOpticGyroscope)

光纤陀螺：发展最快，取得成果最好的领域之一NRM(NuclearRadiationMonitor)

核辐射监测飞机发动机监控：

温度、叶尖故障、火焰燃烧、叶片振动、油量CRP(CivilResearchProject)

民用研究计划美国

（激光核聚变计划）FOSS(FiberOpti71英国

（阿维尔计划）1982年成立英国光纤传感器合作协会高电压光纤电流传感器--中央电气研究所光纤陀螺、水声器—伦敦大学光纤传感器的多路测试设备—曼彻斯特大学光全息技术—牛津大学特种光纤和光学测试仪器—南安普顿大学英国

（阿维尔计划）1982年成立英国光纤传感器合作协72

德国

（激光2000）光纤陀螺的研究和开发水平仅次于美国，居世界第二。西门子公司等均在光纤传感器方面有研究。1980年，西门子公司开发出了高压光纤电流传感器。德国

（激光2000）光纤陀螺的研究和开发水73第4章第4补1光纤激光传感器课件74第4章第4补1光纤激光传感器课件75市场需求光纤高温传感器。传统使用铂铑热电偶来测量高温，寿命短、成本高，而且需要停电（从而导致停产）来更换热电偶。电力系统需求。如对高压变压器和大型电动机的定子、转子的温度检测等，由于电类传感器易受强电磁场的干扰，无法使用。在石油、化工、大型电厂等系统内，需要检测各种气体的浓度、成分等，采用电类传感器达不到要求的精度。市场需求光纤高温传感器。传统使用铂铑热电偶来测量高温，寿命短76二、光纤结构与传输原理纤芯包层涂覆层护套

光纤通常由纤芯、包层及保护套组成。纤芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圆柱体，直径约为5～150μm。包层的材料也是玻璃或塑料等，但纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。（1）光纤的结构二、光纤结构与传输原理纤芯包层涂覆层护套光纤通常由纤77涂覆层在包层的外面，用环氧树脂或者硅胶等高分子材料做成，其外径一般为300μm左右。涂覆层的作用是保护光纤不受水汽和各种有害物质的侵蚀、防止光纤被划伤，同时还可增强光纤的柔韧性，提高机械强度，增加抗老化性能及延长光纤的寿命。二、光纤结构与传输原理（1）光纤的结构纤芯包层涂覆层护套涂覆层在包层的外面，用环氧树脂或者硅胶等高分子材料做成，其外78外套的材料是尼龙料，外套起保护光纤的作用。在涂覆层的外面加一层保护套，可构成一个完整的单根光纤。将多根光纤放在一个保护套内，按一定的结构排列即可构成光缆。二、光纤结构与传输原理（1）光纤的结构纤芯包层涂覆层护套外套的材料是尼龙料，外套起保护光纤的作用。在涂覆层的外面加一79传光原理：光在光纤界面内产生全反射。二、光纤结构与传输原理（2）光纤的传光原理传光原理：光在光纤界面内产生全反射。二、光纤结构与传输原理80

光的全反射

当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角θc。当入射角小于θc时，入射光线将发生全反射。光的全反射当减小入射角时，进入介质2的折射光与分81斯涅尔定理（Snell'sLaw）可见，入射角θi增大时，折射角θr也增大，且始终θr＞θi。当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图(a)，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θr＞θi。n1、n2、θr、θi之间的数学关系为

n1sinθi=n2sinθr

θi0=arcsin(n2/n1)sinθi0=n2/n1sinθr＝sin90º＝1当θr=90º时，θi＜90º，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态。这时有n1n2θrθi(a)光的折射示意图n1n2θrθi(b)临界状态示意图

n1n2θrθi(c)光全反射示意图当θi＞θi0并继续增大时，θr＞90º，便发生全反射现象，如图(c)

，其出射光不再折射而全部反射回来。式中：θi0——临界角斯涅尔定理（Snell'sLaw）可见，入射角θi增大时82光在光纤中的全反射光在光纤中的全反射83光的全反射实验

光的全反射实验841，光纤是光信号的传输媒介；2，当光信号在光纤中传播时，表征光信号的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移等)的作用而间接或直接地发生变化；3，将光纤用作传感元件来探测各种待测量(物理量、化学量和生物量等)。三、光纤传感器工作原理1，光纤是光信号的传输媒介；三、光纤传感器工作原理85光纤传感器与电类传感器比较光纤传感器与电类传感器比较86分类内容光纤传感器电类传感器调制参量振幅：吸收、反射等相位：偏振…电阻、电容、电感等敏感材料温-光敏、力-光敏、磁-光敏…温-电敏、力-电敏、磁-电敏…传输信号光电传输介质光纤、光缆电线、电缆光纤传感器是与电类传感器并行互补的一类新型传感器。光纤传感器与电类传感器比较

分类光纤传感器电类传感器调制参量振幅：吸收、反射等电阻、电87光纤传感器的特点本质防爆——适合于易燃、易爆等危险物品检测

对电绝缘——适合于高电压场合检测

无感应性——适合于强电磁场干扰环境下检测化学稳定性——适合于环保、医药、食品工业检测

时域变换性——适合于多点分布测量

低损耗、高精度、几何形状适应性强、尺寸小、重量轻

、频带宽、非接触式等

在机械、电子、航空航天、化工、生物医学、电力、交通、食品等领域的自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警以及军事等方面都有广泛应用。

光纤传感器的特点本质防爆——适合于易燃、易爆等危险物品检测88光纤传感器结构光电倍增管等光纤传感器结构光电倍增管等89θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1n0sinθi=n1sinθj；n1sinθk=n2sinθr，又θj=90º－θkn0为入射光线AB所在空间的折射率，一般为空气，故n０≈1，nl为纤芯折射率，n2为包层折射率。当n０=1时当θr=90º的临界状态时，θi=θi0数值孔径（NA）四、光导纤维的主要参数θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1n0sinθ90

数值孔径（NumericalAperture）光纤的数值孔径大小与几何尺寸无关，与纤芯—包层相对折射率有关。光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。NA越大，则光纤接收光的能力也越强。可以使光纤NA值很大而截面积很小，使得光纤柔软可以弯曲。NA太大时，光信号的畸变加大，会影响光纤的带宽。因此对光纤的数值孔径有一定的要求。通常作为传感器的光纤0.2≤NA<0.4。数值孔径（NumericalAperture）91按照光纤在传感器中的作用，通常将光纤传感器分为两种类型：非功能型（或称传光型、结构型）和功能型（或称传感型、探测型）。非功能型光纤传感器：利用其它敏感元件感受被测量，光纤仅作为传输介质，依靠光传输或光反射引起的强度调制来工作；光纤是不连续的,中断处要接上其他介质的敏感元件；多使用多模光纤。

功能型光纤传感器：把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输光的强度、相位、偏振态等进行调制，再通过解调得到被测信号；常使用单模光纤。五、光纤传感器分类按照光纤在传感器中的作用，通常将光纤传感器分为两种92功能型光纤传感器这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测能力，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高。典型例子：光纤陀螺仪、光纤水听器等。功能型光纤传感器这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感93非功能型光纤传感器这类传感器只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。非功能型光纤传感器这类传感器只当作传播光的媒介，待测对象的调94六、光纤传感器的应用强度调制型： 基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；相位调制型： 利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型： 主要是利用晶体的光弹性效应。光纤压力传感器六、光纤传感器的应用强度调制型：光纤压力传感器95例1光纤温度开关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（一）温度的检测例1光纤温度开关1234水银柱式光纤温度开关（一）温度的96热双金属式光纤温度开关1遮光板；2双金属片接收光源12例2遮光式光纤温度计当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。热双金属式光纤温度开关接收光源12例2遮光式光纤温度计当97这种形式的光纤温度计能测量10℃～50℃的温度。检测精度约为0.5℃。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。

热双金属式光纤温度开关1遮光板；2双金属片接收光源12这种形式的光纤温度计能测量10℃～50℃的温度。检测精度约为98采用弹性元件的光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器示意图

在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。若利用Y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。这种传感器结构简单、体积小、使用方便，但如果光源不稳定或长期使用后膜片的反射率下降，影响其精度。

1Y形光纤2壳体3膜片（二）压力的检测

采用弹性元件的光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器示意图99三、单光纤液位传感器单光纤液位传感器的结构如图，将光纤的端部抛光成45º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。利用X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，则能连续监视液位的变化。

单光纤液位传感器结构121光纤2耦合器三、单光纤液位传感器单光纤液位传感器结构121光纤100光纤液位传感器

光纤液位传感器101光纤式光电开关应用标志孔电路板标志检测

当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。

光纤耦合器传输光纤出射光纤以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。光纤式光电开关应用标志孔电路板标志检测当光纤发出的102光纤式光电开关应用

采用遮断型光纤光电开关对IC

芯片引脚进行检测光纤式光电开关应用采用遮断型光纤光电开关对IC芯片103光纤饰品光纤饰品104激光式传感器一、激光的本质二、激光的特点三、激光器四、激光的应用激光式传感器一、激光的本质105激光技术是近代科学技术发展的重要成果之一，目前已被成功地应用于精密计量、军事、宇航、医学、生物、气象等各领域。激光传感器虽然具有各种不同的类型，但它们都是将外来的能量(电能、热能、光能等)转化为一定波长的光，并以光的形式发射出来。激光传感器是由激光发生器、激光接收器及其相应的电路所组成的。

激光传感器的概述激光技术是近代科学技术发展的重要成果之一，目前已被成功地应用106一、激光的本质

原子在正常分布状态下，多处于稳定的低能级El状态。如果没有外界的作用，原于可以长期保持这个状态。若在外界光子的作用下，原子吸收光子的能量hγ后，由低能级El向高能级E2跃迁的过程，叫做原子的激发。原子处于激发的时间是非常短的，处于激发状态的原子能够很快地跃迁到低能级上去，同时辐射出光子。这种处于激发状态的原子自发地从高能级跃迁到低能级上去而发光，叫做原子的自发辐射，如图a所示。

如果处于高能级的原子在外界作用影响下，发射光子而跃迁到低能级上去，这种发光叫做原子的受激辐射。设原子有能量为E1和E2的两个能级，而且E2>E1。当原子处于E2能级上时，在能量为hγ入射光子影响下，这个原子可发生受激辐射而跃迁到E1能级上去，并发射出一个能量为hγ的光子，如图b所示。E1E1一、激光的本质原子在正常分布状态下，多处于稳定的107在受激辐射过程中，发射光子不仅在能量上(或频率上)和入射光子相同，它们在相位、振动方向和发射方向上也完全一样。如果这些光子再引起其他原子发生受激辐射，这些原子所发射的光子在相位、发射方向、振动方向和频率上也都和最初引起受激辐射的入射光子相同，如图a所示。这样，在一个入射光子影响下，会引起大量原子的受激辐射，它们所发射的光子在相位、发射方向、振动方向和频率上都完全一样，这一过程也称为光放大，所以在受激发射时原子的发光过程不再是互不相关的，而是相互联系的。另一方面，能量为hγ的光子在媒质中传播时，也可以被处于E1能级上的粒子所吸收；而使这粒子跃迁到E2能级上去。在此情况下，入射光子被吸收而减少，如图b所示。这个过程叫做光的吸收。

光的放大和吸收过程往往是同时进行的，总的结果可以是加强或减弱，这取决于这一对矛盾中哪一方处于支配地位。在受激辐射过程中，发射光子不仅在能量上(或频率上)和入射光子108二、激光的特点

1高方向性高方向性就是高平行度，即光束的发散角小。激光束的发散角已达到几分甚至更小。所以通常称激光是平行光。2高亮度激光在单位面积上集中的能量很高。一台较高水平的红宝石脉冲激光器亮度达比太阳的发光亮度高出很多倍。把这种高亮度的激光束会聚后能产生几百万摄氏度的高温。在这种高温下，就是最难熔的金属，在一瞬间也会熔化。

二、激光的特点1高方向性1093单色性好单色光是指谱线宽度很窄的一段光波。用λ表示波长，△λ表示谱线宽度，△λ则越小，单色性越好。在普通光源中最好的单色光源是氪(Kr86)灯。它的而普通的氦氖激光器所产生的激光从上面数字可以看出：激光的谱线宽度比普通光源相比提高了几万倍，因此激光是最好的单色光源。4高相干性相干性就是指相干波在叠加区得到稳定的干涉条纹所表现的性质。普通光源是非相干光源，而激光是极好的相干光源。由于激光具有上述特点，因此利用激光可以导向；做成激光干涉仪测量物体表面的平整度、测量长度、速度、转角；切割硬质材料等。随着科学技术的发展，激光的应用会更加普遍。3单色性好110三、激光器

按其工作物质可以分为气体、液体、固体、半导体激光器。1气体激光器气体激光器通常是利用激光管中的气体放电过程来进行激励的。

氦氖激光器是应用最广泛的气体激光器。它有内腔式、外腔式两种。在放电管内充有一定气压和一定氦氖混合比的气体。氦氖激光器的转换效率较低，输出功率一般为毫瓦级。

二氧化碳(CO2)激光器是典型的分子气体激光器。它的工作物质是CO2气体，常加入氮、氨及一些其他辅助气体。最常用的激光波长是10.6的红外光。CO2激光器的能量转换效率很高，可达百分之十几到30%。它的输出功率大，可有几十到上万瓦。因此它可用于打孔、焊接、通信等方面。三、激光器按其工作物质可以分为气体、液体、固体、半导体激光1112固体激光器固体激光器的工作物质主要是掺杂晶体和掺杂玻璃，最常用的是红宝石(掺铬)、钕玻璃(掺钕)、钇铝石榴石(掺钇)。在椭圆形聚光器4内密封红宝石棒2和脉冲氙灯3。红宝石棒的基质为Al2O3。掺入重量比约0.05%的铬离子Cr3+，作为增益介质，以形成受激辐射。

红宝石激光器的原理a）结构图

b）能级图1－全反射镜

2－红宝石棒

3－脉冲氙灯

4－聚光器

5－部分反射镜2固体激光器红宝石激光器的原理a）结构图b）能112第4章第4补1光纤激光传感器课件1133半导体激光器半导体激光器最明显的特点是体积小、重量轻、结构紧凑。半导体激光器本身却只有针孔那么大，长度还不到lmm，将它装在一个晶体管模样的外壳内或在它的两面安装上电极，其重量不超过2g，因此使用起来十分方便。它可以做成小型激光通讯机，或做成装在飞机上的激光测距仪或装在人造卫星和宇宙飞船上作为精密跟踪和导航用激光雷达。半导体激光器的工作物质是某些性能合适的半导体材料，如砷化镓(GaAs)、砷磷化镓(GaAsP)、磷化铟(1nP)等。

图：砷化镓半导体激光器的结构3半导体激光器图：砷化镓半导体激光器的结构114

四、激光传感器的应用

激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的特点，应用于测量和加工等方面，可以实现无触点远距离的测量，而且速度高、精度高，测量范围广，抗光、电干扰能力强，因此激光得到了广泛的应用。四、激光传感器的应用激光具有高亮度、高方向性、高单色性115案例1.激光测速车速测量仪采用小型半导体砷化镓(GaAs)激光器，其发散角在0～20°间，发光波长为0.9。其光路系统如图所示，图中1是激光源；2为发射透镜；3为接收透镜；4为光敏元件。砷化镓激光器及光敏元件3DU33分别置于透镜的焦点上，砷化镓激光经发射透镜2成平行光射出，再经接收透镜3会聚于3DU33。为了保证测量精度，在发射镜前放一个宽为2mm的狭缝光阑，其测速的基本原理如下，当汽车行走的速度为v，行走的时间为t时，则其行走的距离S=vt现选取s＝l00m。使车行走时先后切割相距l00m的两束激光，测得时间间隔，即可算出速度。采用计数显示，在主振荡器振荡频率为100kHz情况下，计数器的计数值为N时，车速的表达式可写成(v以km／h为单位)案例1.激光测速车速测量仪采用小型半导体砷化镓(GaAs)激116案例2.激光测距激光测距的原理是：通过向目标发