第9章光导纤维式传感器

光的全反射实验

1各种装饰性光导纤维2023/2/42上海东方明珠2023/2/43发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。理解光纤温度传感器和光纤液位传感器的原理。了解光纤压力传感器、流量、流速传感器的原理。掌握光纤的结构，光纤传感器的构成；理解光纤传感器NA的要求、传输损耗和色散等概念；理解辐射密度、耦合效率等概念45

光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物；与以电为基础的传感器相比有本质的区别：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。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。光纤传感器传统传感器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6发射光纤和接受光纤分别安装于检测物两侧。由于物体的遮挡，接受光纤端能否接受到发射端的光线从而得知物体的存在与否。实现检测有无、计数等。对射光纤15μs(入光时)的超高速响应时间。最适用于小型物体和高速移动物体的检测。检查印刷机的送纸情况7可检测到像LED一样的微弱光线电话机的LED亮灯情况被测量：温度[1]、压力[2]、流量[3]、位移[4]、振动[5]、转动[6]、弯曲[7]、液位[8]、速度[9]、加速度[10]、声场[11]、电流[12]、电压[13]、磁场[14]辐射[15等各种物理量

传感技术的应用领域工业农业国防运输能源环境建筑业9特点：电绝缘。具有良好的电绝缘性，能够用于高压供电系统及大容量电机的测试。

抗电磁干扰。极其独特的性能特征，能够用于高压大电流、强磁场噪声、强辐射等恶劣环境中。

非侵入性。由于传感头可做成电绝缘的，而且其体积可以做得最小(最小可做到只稍大于光纤的芯径)，因此，它不仅对电磁场是非侵入式的，而且对速度场也是非侵入式的，故对被测场不产生干扰。这对于弱电磁场及小管道内流速、流量等的监测特别具有实用价值。

高灵敏度。高灵敏度是光学测量的优点之一。利用光作为信息载体的光纤传感器的灵敏度很高，对某些精密测量与控制必不可少。容易实现对被测信号的远距离监控。由于光纤的传输损耗很小(目前石英玻璃系光纤的最小光损耗，可低达0.16dB/km)，可实现工业生产过程的自动控制以及对核辐射、易燃、易爆气体和大气污染等进行监测。

10§9-1光导纤维导光的基本原理光学理论几何光学波动理论在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间电磁波11

二、光纤结构要分析光纤导光原理，除了应用斯乃尔定理外还需结合光纤结构来说明。光纤呈圆柱形，它通常由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包皮(包层)两个同心圆柱的双层结构组成，如图9-2所示。

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。光纤导光原理12光线①：非全反射，能量迅速衰减，消失光线②：在纤芯-包层界面上全反射，不衰减导光原理：光线在纤芯中全反射传播n0sinθ0=n1sinθ1n1sin

1=n2sin

2

sinθ0=(n1/n0)sinθ1

sin1=(n2/n1)sin2数值孔径NA——光纤集光性能参数2023/2/413光纤端面入射角与包层中折射角之间关系数值孔径NA——光纤集光性能参数当光线发生全反射时，

2>90º，则θ0<θc=arcsinNA当

2<90º时，θ0>θc=arcsinNA，光线消失。为“数值孔径”NA(Numerical

Aperture)。光线刚好不发生折射，即：

2=90º

则临界入射角：

θc=arcsinNA

14数值孔径的意义是：无论光源发射功率有多大，只有2θc

张角之内的光功率被光纤被传播。数值孔径是反映纤芯集光性能的主要参数。15§9-3光纤传感器的主要元器件

一、光纤纤芯：玻璃纤维，折射率n1包层：与纤芯同质，折射率n2<n1护套：塑料16光纤模式§9-3光纤传感器的主要元器件

一、光纤2R2R2R2r2r2r2R2R2R2r2r2r

单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光，常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性度；但因芯小，难以制造和耦合。多模光纤允许多个模数的光在光纤中同时传播，通常纤芯直径较大，达几十微米以上。由于每一个“模”光进入光纤的角度不同，它们在光纤中走的路径不同，因此它们到达另一端点的时间也不同，这种特征称为模分散。特别是阶跃折射率多模光纤，模分散最严重。这限制了多模光纤的带宽和传输距离。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线形成递减，中心轴折射率最大，因此，光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形，如图所示，具有光自聚焦效果，故渐变折射率多模光纤又称为自聚焦光纤。因此渐变折射率多模光纤的模分散比阶跃型小得多。20(一)光纤的数值孔径NA

§9-3光纤传感器的主要元器件

一、光纤0.2≤NA<0.4

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，传感器所用光纤以具有最大孔径为宜。一般要求是:21(二)光纤传输损耗§9-3光纤传感器的主要元器件

一、光纤一般传输损耗<10dB/km的光纤均可采用，这样的光纤价格较低。22(三)色散

§9-3光纤传感器的主要元器件

一、光纤色散影响光纤信息容量。但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。光纤中传输的光信号具有一定频谱宽度。在光纤中传输的光信号的不同频率成份或不同的模式分量以不同的速度传播，到达一定距离后必然产生信号失真，称为光纤的色散。23(四)光纤的强度对通信或传感器来说，都毫无例外地要求光纤有较高的强度。§9-3光纤传感器的主要元器件

一、光纤24

二、光源

§9-3光纤传感器的主要元器件

白炽光源覆盖波长范围很宽，实际在可见光到红外波段上，其辐射密度约0.1W/(sr·cm2)。价廉、容易获得、使用方便。因其辐射密度小，只能与光纤束和粗芯阶跃光纤配合使用。稳定性较差，寿命短(通常只有几百小时)。气体激光器常见气体激光器有：氦氖激光器、二氧化碳激光器和氩离子激光器等。氦氖激光器有三个主要输出波长：0.63μm、1.15μm和3.39μm。价廉、低功率、高相干光源。易单模工作，线宽窄；辐射密度高，与单模光纤耦合效率高；噪声小；

固体激光器主要指固态钕离子激光器。体积小巧，坚固耐用；高功率，高辐射密度，辐射波长在1.06～1.35μm；发射光谱均匀且窄，容许单模工作等。相干性和频率稳定性都不如气体激光器。25具有体积小巧、坚固耐用、寿命长、可靠性高、辐射密度适中，电源简单等优点。

二、光源

§9-3光纤传感器的主要元器件

半导体激光器LEDLD辐射光的相干长度只有几μm，输出随正向偏置电流的变化接近于线性；可直接进行幅度调制是具有谐振腔、异质结构的LED，在大电流密度激励下产生激光。辐射功率大都为10mW左右，但由于其方向性相当强，故辐射密度高达108W/(sr·cm2)，工作波长在850nm～900nm，平均寿命可超过106h。是一种通用的高功率密度光源26(五)传感器用光源的选择准则

二、光源

§9-3光纤传感器的主要元器件

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。

把光信号变为电信号的作用。§9-3光纤传感器的主要元器件

三、检测器光检测器功率范围波段量子效率响应频率暗电流光电二极管(PIN)受闪烁噪声限制，一般P>100nW0.4～1.6μm视材料而定60%～90%以上，视材料而定>16HzSi-PIN100pA～1μAGe-PIN1μA～10μA微型组件(PIN-FET)受热噪声限制，一般P<100nW0.8～0.9μm最好在1.3～1.5μm超过50%>1GHz雪崩光电二极管(APD)增益为10～10时，P<100nW0.8～0.9μm也可用于1.3～1.5μm90%以上>1GHzSi-APD500pA～5AGe-APD5NA～5μA光电倍增管(PMT)能检测10-19W，通常用于<1nW功率，过高会损坏阴极0.1～1.0μm<50%～100MHz28光电检测器的选择原则选择光电检测器的主要依据是：能获得理想的光信号强度、光背景电平和所需要的信噪比等因素。而信噪比则由所要求的信号分辨力决定。为了获得足够大的信噪比，检测必须满足下列条件。

§9-3光纤传感器的主要元器件

三、检测器①在工作波段内灵敏度要高。Si-LED适用于0.8～0.9μm波段，锗器件则适用于红外波段。②由检测器引入的噪声必须最小。因此应当选用暗电流、漏电流和并联电导尽可能小的器件。③可靠性高，稳定性好。硅光电二极管的温度系数较小，是比较可靠、稳定的光检测器；而雪崩二极管和光电倍增管的增益都随偏压而变，尤其是雪崩二极管的增益是温度的函数，因此需要高度稳定的偏压和温度补偿装置。

29光就是一种电磁波，其波长范围从极远红外的1mm到极远紫外线的10nm。通常用下式表示：

E=Asin(ωt+φ)

式中A—电场E的振幅矢量；

ω—光波的振动频率；

φ—光相位；

t—光的传播时间。使光强、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或者说受被测量调制强度调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器二、光纤传感器的分类30表9-1光纤传感器的原理及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注：MM—多模光纤；SM—单模光纤；PM—偏振保持光纤。

a、b、c为图9-5所示的三类光纤传感器。31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。二、光纤传感器的分类优点：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。1.强度调制型光纤传感器光学现象被测量（1）光纤微弯损耗压力、位移、振动（2）气体分子吸收气体浓度（3）遮光板压力、位移、振动（4）荧光、黑体辐射温度（5）半导体透过率变化温度（6）反射现象压力、位移、振动（7）散射损失压力强度调制

1.光纤微弯效应光纤机械变形器强度调制

2.光强的外调制（1）发送光纤接收光纤光纤测头反射镜反射调制ABCD强度调制

2.光强的外调制（1）反射调制强度调制

2.光强的外调制（1）反射调制医学中常用的胃镜是什么？电子胃镜无光导纤维导像束，导像系统由CCD和电缆代替，不像光导纤维容易折断，更加耐用。可获得高清晰图像，通过计算机可以进行各种图像处理。光纤胃镜强度调制

2.光强的外调制（2）遮光调制发送光纤接收光纤光闸强度调制

3.折射率调制被测量38利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息的传感器。二、光纤传感器的分类2.偏振调制光纤传感器优点：可避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高。光学现象被测量法拉第效应电流、磁场普克耳效应电场、电压光弹效应压力、位移、振动被测量入射光出射光起偏器检偏器偏振态调制

1.普克耳效应入射光出射光起偏器检偏器压电晶体双折射当强电场施加于光正在穿行的各向异性晶体时，所引起的感生双折射正比于所加电场的一次方偏振态调制

2.法拉第磁光效应入射光出射光起偏器检偏器磁光材料偏振面偏转一束线偏振光在磁场作用下通过磁光材料时它的偏振面将发生旋转旋转角θ正比于磁场沿着偏振光通过材料路径的线积分偏振态调制

3.光弹效应入射光出射光起偏器检偏器应力材料双折射某些物体在自然状态下表现各向同性，在弹性形变时产生双折射。光弹效应的应用透明的环氧树脂制成模拟吊钩，通过光弹效应，了解内部应力的分布。42若应力均匀,则观察到均匀的干涉光强.若应力不均匀：各处F/S不同→各处△φ不同→各处干涉情况不同→出现干涉条纹。应力变化大的地方,条纹密;应力变化小的地方,条纹疏。43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。

二、光纤传感器的分类3.频率（波长）调制光纤传感器光学现象被测量多普勒效应速度、流速、振动光致发光温度喇曼散射气体浓度敏感材料敏感器件入射光出射光被测量光波的多普勒效应

具有波动性的光也会出现这种效应，它又被称为多普勒-斐索效应.因为法国物理学家斐索（1819-1896）于1848年独立地对来自恒星的波长偏移做了解释，指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法.光波与声波的不同之处在于,光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化.如果恒星远离我们而去,则光的谱线就向红光方向移动，称为红移；如果恒星朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移.频率调制

1.多普勒效应声波的多普勒效应一辆汽车在我们身旁急驰而过，车上喇叭的音调有一个从高到低的突然变化；站在铁路旁边听列车的汽笛声也能够发现，列车迅速迎面而来时音调较静止时为高，而列车迅速离去时则音调较静止时为低。此外，若声源静止而观察者运动，或者声源和观察者都运动，也会发生收听频率和声源频率不一致的现象。这种现象称为多普勒效应。频率调制

1.多普勒效应运动物体多普勒血流仪多普勒效应是由出生在德国的奥地利物理学家多普勒发现的，对于多普勒效应中声源频率与接收者感受到的频率之间的关系，要分三种情况考虑：（一）波源静止，观测者相对于媒质以v0向波源运动。观测者向着波源运动时，感到波是以速度u+v0向着他传来。则频率

（二）观测者静止，波源相对于媒质以v向观测者运动

（三）波源相对于媒质以vs向观测者运动，观测者相对于媒质以v0向波源运动。则易得频率调制

2.光致发光入射光出射光发光材料当材料受紫外、可见光或红外的光激发所产生的发光现象。出射的荧光参数与温度有一一对应关系。49二、光纤传感器的分类4.相位调制传感器优点：灵敏度很高，缺点：需用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。光源参考光纤工作光纤被测量利用被测对象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。光学现象被测量光弹效应声、压力或振动磁致伸缩效应电流、磁场电致伸缩电场、电压Sagnac效应旋转角速度(光纤陀螺)相位调制

5.Sagnac效应光源分光器将光束分成两束光，分别从光纤线圈两端耦合进光纤传感线圈并反向回转。从光纤线圈两端出来的光,再次经过合束分束器而复合,产生干涉。当光纤线圈静止时,从光纤线圈两端出来的两束光,相位差为零。当光纤线团旋转时,这两束光产生相位差。51根据光纤在传感器中的作用划分：(c)拾光型光纤传感器二、光纤传感器的分类(a)功能型光纤传感器(b)非功能型光纤传感器521.功能型(全光纤型)光纤传感器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。此类传感器的优点是结构紧凑、灵敏度高。但是，它需用特殊光纤和先进的检测技术，因此成本高，其典型例子如光纤陀螺、光纤水听器等。

二、光纤传感器的分类532.非功能型(或称传光型)光纤传感器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。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。目前，已实用化或尚在研制中的光纤传感器，大都是非功能型的。

二、光纤传感器的分类54

3.拾光型光纤传感器用光纤作为探头，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。二、光纤传感器的分类55§9-4光纤传感器的应用一、温度的检测(一)遮光式光纤温度计

浸液水银光纤自聚焦透镜这种光纤开关温度计可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。水银柱式遮光板双金属片56§9-4光纤传感器的应用一、温度的检测(一)遮光式光纤温度计

热双金属式温度升高时，双金属的变形量增大，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。能测量10～50℃的温度。检测精度约为0.5℃

。缺点是输出光强受壳体振动影响，且响应时间较长，一般需几分钟。57§9-4光纤传感器的应用一、温度的检测(二)透射型半导体光纤温度传感器光纤环氧胶半导体反射膜光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。58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。§9-4光纤传感器的应用一、温度的检测(二)透射型半导体光纤温度传感器产生本征吸收的条件：对于波长大于λg的光，能透过半导体，而波长小于λg的光将被半导体强烈地吸收。59下图为在室温(20℃)时，120μm厚的GaAs材料的透射率曲线。§9-4光纤传感器的应用一、温度的检测(二)透射型半导体光纤温度传感器不同种类的半导体材料具有不同的本征吸收波长。20℃时，本征吸收波长约为880nm60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：

式中Eg(0)—绝对零度时半导体的禁带宽度；

α—经验常数(eV/K)；

β—经验常数(K)。对于GaAs材料，由实验得到§9-4光纤传感器的应用一、温度的检测(二)透射型半导体光纤温度传感器Eg(0)=1.522eVα=5.8×10-4eV/Kβ=300K61一、温度的检测(二)透射型半导体光纤温度传感器§9-4光纤传感器的应用温度↑半导体材料的Eg↓本征吸收波长λg↑透射率曲线向长波方向移动若采用发射光谱与半导体的λg(t)相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而减小光源的发射光谱宽越窄，温度灵敏度越高，测温范围就越小。62其中半导体材料采用厚度为0.2mm的半绝缘GaAs材料，光源采用AlGaAsLED，其发光中心波长为880nm，光谱宽度为80nm。在

-50～200

℃范围内，该传感器的测定精度为±3

℃

，响应时间约为2s。

一、温度的检测(二)透射型半导体光纤温度传感器§9-4光纤传感器的应用

-50～200

℃相对输出功率和温度关系曲线问题：受到光源功率波动、损耗变化等因素的影响，其检测精度受到一定的限制63其中LED1为信号光源，中心波长与半导体的本征吸收波长λg相匹配。LED2为参考光源，其中心波长大于λg。当温度变化时，LED1通过半导体的透射光强随温度变化而变化，而LED2的透射光强保持不变。一、温度的检测(二)透射型半导体光纤温度传感器§9-4光纤传感器的应用补偿检测法：光纤光纤光纤光纤探头耦合器对于LED1发出的光，在两个探测器PD1和PD2上接收的光强度可分别表示为:一、温度的检测(二)透射型半导体光纤温度传感器§9-4光纤传感器的应用64光纤光纤光纤光纤探头耦合器对于LED2发出的光，两个探测器上接收的光强度分别可表示为:式中α1～α4—与各段光纤有关的综合损耗系数；

γ—两个Y形光纤耦合器的联合分光比；

M(t)—信号的调制函数，即LED1的光过

半导体的透射系数；

I1—光源LED1的光强；

I2—光源LED2的光强。65一、温度的检测(二)透射型半导体光纤温度传感器§9-4光纤传感器的应用

若将I11、I12、I21、I22分别检测出来后作如下运算

得到处理结果只与温度信号有关，而与其他所有的损耗及光源强度无关。采用了补偿法的光纤温度传感器的精度及稳定性都有很大的提高，检测精度可达0.1℃

。其中光源的开关控制及信号的检测、运算均可由微处理机系统方便地实现。

66原理：某些荧光物质在紫外光下发出可见光，荧光强度对温度有强烈的依存关系，通过检测特定波长的荧光强度即可测出温度的变化。一、温度的检测(二)荧光发光型光纤温度传感器§9-4光纤传感器的应用图中光纤探头的端部装有磷光物质(Cd0.99Eu0.01)2O2S，紫外激励光由光纤导向磷光物质，受激光发射的荧光亦由该光纤导出。磷光物质外壳光纤分束器分束器滤光片滤光片67用干涉滤光片分别检测出这a和b两条谱线的荧光强度，取它们的比值(图(a)中的曲线c)作为输出，可有效消除激励光源强度不稳定及光纤耦合、传输损耗变化等因素的影响。一、温度的检测(二)荧光发光型光纤温度传感器§9-4光纤传感器的应用波长510nm波长为630nm

二、压力的检测§9-4光纤传感器的应用(一)采用弹性元件的光纤压力传感器原理：利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。光纤探头LEDPDP反射膜片入射光纤接收光纤

二、压力的检测§9-4光纤传感器的应用(一)采用弹性元件的光纤压力传感器光纤探头P反射膜片差动式P>0P<070

两束输出光的光强之比可表示为

二、压力的检测§9-4光纤传感器的应用(一)采用弹性元件的光纤压力传感器式中A—与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数;

p—待测量压力。输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。71发自LED的入射光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈45°的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强，即可测出压力的变化。其中1/4波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。

二、压力的检测§9-4光纤传感器的应用(二)光弹性式光纤压力传感器原理：晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象，这种效应称为光弹性效应。光源起偏器1/4波长板光弹性元件检偏器72

二、压力的检测§9-4光纤传感器的应用(二)光弹性式光纤压力传感器起偏器1/4波长板光弹性元件检偏器光纤自聚焦透镜73原理：基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。

二、压力的检测§9-4光纤传感器的应用(三)微弯式光纤压力传感器聚碳酸酯薄膜可动变形板固定变形板光纤光纤DSFF变形器光纤d光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中74

二、液位、流量、流速的检测§9-4光纤传感器的应用(一)液位的检测1.球面光纤液位传感器原理：光源的光由光纤的一端导入。在球状对折端部一部分光透射出去，另一部分光反射回来。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。LEDPIN液体LEDPIN液体被测介质的折射率与光纤折射率越接近，反射光强度越小。探头处于空气中时比处于液体中时的反射光强要大。因此，该探头可用于液位报警。若以探头在空气中时的反射光强度为基准，则当探头接触水时反射光强变化-6～-7dB，接触油时变化-25～-30dB。75这种液位报警探头体积小、响应快、成本低。可用于：

液位监视、报警；两种液体分界面的监测；将多个探头安装在不同的高度，可揭示出多个液位高度。

二、液位、流量、流速的检测§9-4光纤传感器的应用(一)液位的检测76

二、液位、流量、流速的检测§9-4光纤传感器的应用(一)液位的检测光纤探头LEDPD斜端面棱镜面U型裸纤单光纤液体771.光纤涡街流量计

二、液位、流量、流速的检测§9-4光纤传感器的应用(二)流量、流速的检测f=sv/d

一个非流线体置于流体中液流的下游产生有规律的旋涡。旋涡将会在该非流线体的两边交替地离开每个旋涡产生并泻下时，会在物体壁上产生一侧向力。周期产生的旋涡将使物体受到一个周期的压力。若物体具有弹性，它便会产生振动，振动频率近似地与流速成正比。式中v—流体的流速；

d—物体相对于液流方向的横向尺寸；

s—与流体有关的无量纲常数。78在流速很小时，光纤振动会消失，因此存在一定的测量下限。光源探测器光纤夹密封胶液体流管光纤张紧重物频谱分析记录1.光纤涡街流量计

二、液位、流量、流速的检测§9-4光纤传感器的应用(二)流量、流速的检测在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤，