传感器原理与应用 (第二版) 黄贤武 郑筱霞主编

x1光源光通路光电器件测量电路光量光量电量x2输出X1——被测量直接引起光源光量的变化X2——被测量在光传播过程中调制光量对光量的调制方法：光导式传感器1各种装饰性光导纤维

2一、光纤的结构

3光的反射、折射二、光纤的传光原理4光的全反射5光在光纤中的全反射6光的全反射实验7三、光纤分类1、按折射率：阶跃型和梯度型阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致。8。

梯度型：光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。92、按传输模式分单模光纤、多模光纤单模光纤单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于被传输光波的波长，光以电磁场“模”的原理在纤芯中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输。10光纤的损耗光纤在传输信号的过程中损耗应尽量小且稳定。在某些波长上，光纤的损耗非常小。可选择适当波长的电光转换元件与之匹配。11与光纤耦合的电光与光电转换器件实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极管。

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单模光纤必须采用能发射单一光谱的激光二极管，它在传导过程中的发散损耗较小，稳定性较高。激光二极管的与发光二极管的带宽及效率的比较13专用的光纤连接头及光纤插座光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。专用的连接头光纤插座141、按原理可分为功能型和非功能型利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以也称传感型光纤传感器，或全光纤传感器。利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号．所以也称为传光型传感器．或混合型传感器。功能型:非功能型:四、光纤传感器基本工作原理及类型15光纤传感器组成示意图（a）传感型；（b）传光型16将光纤自身作为敏感元件，直接接收外界的被测量。被测量可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变化，从而使得在光纤内传输的光被调制。若将光看成简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参数有四个，即：强度调制光纤传感器相位调制光纤传感器频率调制光纤传感器偏振调制光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为:2、传感型光纤传感器17（1）强度调制（a）3、光纤传感器的调制原理18(1)、强度调制（b）19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。例：微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器DSFF变形器光纤d20原来光束以大于临界角θC的角度θ1在纤芯内传输为全反射；但在微弯处θ2<θ1，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移等物理量。θ1θn0n2n1θ2θ321例1

光纤温度开关1234图水银柱式光纤温度开关1浸液；2自聚焦透镜；3光纤；4水银五、光纤传感器的应用22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。

23例3透射型半导体光纤温度传感器半导体的吸收光谱与材料的Eg有关，而Eg却随温度的不同而不同。Eg与温度t的关系可表示为：半导体材料的Eg随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波长λg随温度的上升而增大。24这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。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，即通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变化。相对发光强度透射率LED发光光谱半导体透射率T1<T2<T3T3T1T2波长图半导体透射测量原理25光纤环氧胶半导体反射膜利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式探头结构如图。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。26例4膜片反射式光纤压力传感器光源接收Y形光纤束壳体P弹性膜片Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。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。27将光纤用高温火焰烧软后对折，并将端部烧结成球形。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,由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越接近,反射光强度越小。显然,传感器处于空气中时比处于液体中时的反射光强要大。检测原理空气液体例5球面光纤液位传感器LEDPD12图球面光纤液位传感器探头结构28例6光纤涡街流量计

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光纤涡街流量计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当流体流动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时，在某些条件下会在流体的下游两侧产生有规则的旋涡。这种旋涡将会在该非流线体的两边交替地离开。当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，便会产生振动，振动频率近似地与流速成正比。29例7光纤多普勒流速计30由激光光源(氢-氦激光)发出的光(频率为fi)导入光导纤维，经过分光镜后，光线通过光纤射向振动物体，由于振动物体(被测体)振动，产生散射(频率为fs)，被测物体的运动速度与多普勒频率之间的关系为式中fi为入射光频率，fs为散射光频率；

n为发生散射介质的折射率；

λ为入射光在空气中的波长；

ν为被测物体的运动速度。31例8光纤式光电开关反射型遮断型32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例9光纤式光电开关应用33遮断型光纤光电开关出射光纤接收光纤例10光纤式光电开关应用34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35光纤图像传感器1．工业用内窥镜

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工业用内窥镜原理图

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微机控