第9章光导纤维式传感器

第9章光导纤维式传感器

光纤传感器用光而不用电来作为敏感信息的载体；用光纤而不用导线来作为传递敏感信息的媒质。特点：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。主要内容9.1光导纤维导光的基本原理9.2光纤传感器结构原理及分类9.3光纤传感器的主要元器件9.4光纤传感器的应用9.1光导纤维导光的基本原理1、斯乃尔定理(Snell'sLaw)

当光由光密物质(折射率大)射出至光疏物质(折射率小)时，发生折射，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

图9-1光在不同物质分界面的传播

(a)光的折射示意图(b)临界状态示意图(c)光全反射示意图9.1光导纤维导光的基本原理

结论：

入射角θi增大时，折射角θr也随之增大，且始终θr>θi。当θr=90°时，θi仍小于

90°，此时，出射光线沿界面传播，称为临界状态。这时有

sinθr=sin90°=1sinθi0=n2/n1

θi0=arcsin(n2/n1)

当θi>θi0时，θr>90°，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。9.1光导纤维导光的基本原理2、光纤结构

光纤呈圆柱形，它通常由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包层两个同心圆柱的双层结构组成。

纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤芯折射率n1比包层折射率n2稍大些，两层之间形成良好的光学界面。光线在这个界面上反射传播。图9-2光纤结构9.1光导纤维导光的基本原理3、光纤导光原理及数值孔径NA

入射光线AB与纤维轴线OO相交角为θi，入射后折射(折射角为θj)至纤芯与包层界面C点，与C点界面法线DE成θk角，并由界面折射至包层，CK与DE夹角为θr。图9-3光纤导光示意图9.1光导纤维导光的基本原理

n0sinθi=n1sinθjsinθi=(n1/n0)sinθj

θj=90°-θk

n1sinθk=n2sinθrsinθk=(n2/n1)sinθr

9.1光导纤维导光的基本原理结论：（1）θr=90°时，光线掠射，sinθi0=NA或θi0=arcsinNA；（2）θr>90°时，光线发生全反射θi<θi0=arcsinNA；（3）θr<90°时，sinθi>NA，θi>arcsin

NA，光线进入包层消失。数值孔径（NA）：例9-1试计算n1=1.46和n2=1.45的阶跃折射率光纤的数值孔径是多少？如果外部是空气n0=1，求这种光纤的最大入射角是多少？解：根据光纤数值孔径NA定义为入射角θi0的正弦得9.2光纤传感器结构原理与分类1、光纤传感器结构原理

以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及传输信息均用金属导线组成。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。图9-4传统传感器与光纤传感器示意图

(a)传统传感器(b)光纤传感器9.2光纤传感器结构原理与分类

工作原理：由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。在这里，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理系统处理得到我们所期待的被测量。

差别：光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础光纤传感器则以光学测量为基础9.2光纤传感器结构原理与分类2、光纤传感器的分类

(1)根据光被调制的参数

光是一种电磁波，其波长范围从极远红外的1mm到极远紫外线的10nm。电磁波的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，在讨论光的敏感测量时必须考虑光的电矢量E的振动。通常用下式表示

E=Asin(ωt+φ)

1）光的强度调制型光纤传感器；

2）光的偏振态(矢量A的方向)调制型光纤传感器；

3）光的频率调制型光纤传感器；

4）光的相位调制型光纤传感器。9.2光纤传感器结构原理与分类1)强度调制型光纤传感器原理：利用被测对象的变化引起敏感元件的折射、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。改变光强的方法：光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象，以及物质的荧光辐射或光路的遮断等。测量对象：压力、振动、温度、位移、气体等。优点：结构简单、容易实现、成本低。缺点：受光源强度的波动和连接器损耗变化等的影响较大。9.2光纤传感器结构原理与分类2)偏振调制型光纤传感器原理：利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息的传感器。改变偏振的方法：光在磁场中媒质内传播的法拉第效应；光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应；物质的光弹效应；利用光纤的双折射性。测量对象：电流、磁场、电场、电压、声、温度、压力、振动等。优点：可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高。3)频率调制型光纤传感器原理：利用由被测对象引起的光频率的变化来进行监测的传感器。改变频率的方法：运动物体反射光和散射光的多普勒效应；物质受强光照射时的喇曼散射；光致发光。测量对象：速度、流速、振动、压力、加速度、气体浓度温度。9.2光纤传感器结构原理与分类4)相位调制型光纤传感器原理：利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。改变相位的方法：光弹效应；磁致伸缩效应；电致伸缩；Sagnac效应。测量对象：声、压力、振动、电流、磁场、电压、旋转角速度等。优点：灵敏度很高。缺点：但由于需用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。9.2光纤传感器结构原理与分类传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相光位纤调传制感器干涉(磁致伸缩)干涉(电致伸缩)Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaaa非干涉型强光度纤调传制感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄模温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏光振纤调传制感器法拉第效应泡尔效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频光率纤调传制感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、加速度气体浓度温度MMMMMMcbb表9-1光纤传感器原理及分类9.2光纤传感器结构原理与分类(2)根据光纤的作用1)功能型光纤传感器

2)非功能型光纤传感器

3)拾光型光纤传感器图9-4光纤传感器的分类

9.2光纤传感器结构原理与分类1）功能型(全光纤型)光纤传感器光纤作用：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。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：需用特殊光纤和先进的检测技术，因此成本高。典型：光纤陀螺、光纤水听器等。2）非功能型(或称传光型)光纤传感器

光纤作用：光纤在其中仅起导光作用，光照在非光纤型敏感元件上受被测量调制。

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：灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。

典型：光纤温度传感器，光纤压力传感器等。3）拾光型光纤传感器

光纤作用：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。

典型：光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。9.3光纤传感器的主要元器件1、光纤(1)分类阶跃型梯度型多模光纤单模光纤图9-5光常用光纤的结构及其折射率分布的剖面图(a)阶跃型多模(单模)光纤

(b)梯度型多模光纤9.3光纤传感器的主要元器件(2)光纤的数值孔径NANA是衡量光纤聚光能力的参量。

0.2≤NA<0.4(3)光纤传输损耗传感器用光纤，尤其是作为敏感元件用特殊光纤，可放宽其传输损耗的要求。一般传输损耗<10dB/km的光纤均可采用，这样的光纤价格较低。(4)色散这是影响光纤信息容量的重要参量。但正如前面指出的，对大多数传感器来说，不存在信息容量的问题，因而可以放宽对光纤色散的要求。(5)光纤的强度要求光纤有较高的强度。9.3光纤传感器的主要元器件2、光源(1)白炽光源(2)气体激光器(3)固体激光器(4)半导体激光器

1)发光二极管(LED)2)半导体激光二极管(LD)(5)传感器用光源的选择准则

1)根据系统要求，选择辐射强度足够大的光源，而且要求在敏感元件的工作波长上有最大的辐射功率；

2)光源必须与光纤相匹配，以便获得最好的耦合效率；

3)光源的稳定性要好，能长期在室温下工作。9.3光纤传感器的主要元器件3、检测器(1)半导体光电检测器(2)光电倍增管(3)光电检测器的选择原则

1)在工作波段内灵敏度要高。

2)由检测器引入的噪声必须最小。

3)可靠性高，稳定性好。9.3光纤传感器的主要元器件>1GHz超过50%0.8～0.9μm最好在1.3～1.5μm受热噪声限制，一般P<100nW微型组件（PIN-FET）Si-PIN100pA～1μAGe-PIN1μA～10μA>16Hz60%～90%以上，视材料而定0.4～1.6μm视材料而定受闪烁噪声限制，一般P>100nW光电二极管（PIN）暗电流响应频率量子效率波段功率范围光检测器～100MHz<50%0.1～1.0μm能检测10-19W，通常用于<1nW功率，过高会损坏阴极光电倍增管(PMT)Si-APD500pA～5AGe-APD5NA～5μA>1GHz90%以上

0.8～0.9μm也可用于1.3～1.5μm增益为10～100时，P<100nW雪崩光电二极管(APD)表9-2各种光电检测器件的性能9.4光纤传感器的应用1、温度的检测（1）遮光式光纤温度计

图9-7水银柱式光纤温度开关1—浸液2—自聚焦透镜3—光纤4—水银图9-8热双金属式光纤温度开关1—遮光板2—双金属片9.4光纤传感器的应用（2）透射型半导体光纤温度传感器当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长λg的光将被半导体吸收而高于该波长的光将透过半导体。这种现象主要是由于半导体的本征吸收引起的，λg称为半导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时，电子吸收光能从价带跃迁入导带，显然，要发生本征吸收，光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg。

hυ≥Egλ=c/υ本证吸收的条件图9-9GaAs的光谱透射率曲线9.4光纤传感器的应用

半导体的吸收光谱与Eg有关，而半导体材料的Eg随温度的不同而不同，Eg与温度t的关系可表示为

GaAs材料：Eg(0)=1.522eV；α=5.8×10-4

eV/K；β=300K。图9-10半导体透射测温原理9.4光纤传感器的应用利用半导体吸收的光纤温度传感器的基本结构（双端式）三种单端式探头的结构图9-11半导体光纤温度计的基本结构图9-12三种单端式温度探头的结构1—光纤2—环氧胶3—外壳4、6、8—半导体5、7、9—反射膜9.4光纤传感器的应用1）半导体材料采用厚度为0.2mm的半绝缘GaAs材料；2）光源采用AlGaAsLED，其发光中心波长为880nm，光谱宽度为80nm；3）测温范围：

-50～200

℃；4）测定精度为±3

℃

；5）响应时间约为2s。图