第6章光纤传感器

第六章

光纤传感器光导纤维传感器（简称光纤传感器）是20世纪七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点：1.不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；2.可根据需要做成各种形状，可以弯曲；3.可以用于高温、高压,绝缘性好,耐腐蚀.基本采用石英玻璃，主要由三部分组成中心——纤芯；外层——包层；护套——尼龙料。光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯折射率n1略大于包层折射率n2（n1

＞n2

）。

6.1光纤的结构与传光原理6.1.1光纤的结构100~200μm包层玻璃纤维尼龙外层涂敷层(塑料)纤芯（玻璃，石英，塑料）外层直径1mm光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光线全部反射。只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。

6.1.2光纤的传光原理当光线以较小的入射角φ1（φ1

<φc）由光蜜媒质（折射率为n1）射入光疏媒质（折射率为n2）时，折射角φ2满足斯乃尔法则：图6-4光纤导光示意图θ1θ0φ1ABCn0n2n1dD2θ0由斯奈尔（Snell）定律：就能产生全反射。可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（n1、n2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。若满足即入射角的最大值为：将sinθ0定义为光导纤维的数值孔径,用NA表示,则NA意义讨论：

NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2θc张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。产品光纤不给出折射率n，只给数值孔径NA，一般为0.14～0.5的数值。6.1.3光纤的种类光纤按纤芯和包层材料的性质分类，有石英光纤、玻璃光纤（钠玻璃SiO2-Na2O-CaO）和塑料光纤三种类；按折射率分有阶跃型和梯度型二种。光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来分，可分为多模光纤和单模光纤两类。多模光纤多用于非功能型（NF）光纤传感器；单模光纤多用于功能型（FF）光纤传感器。模的定义：在光纤内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的平面波和沿剖面传播的平面波，沿剖面传播的平面波在纤芯和包层的界面上发生全发射。如果此波在一个往复中相位变化为2∏的整数倍，才会形成驻波。只有能形成驻波的那些以特定入射角入射的光才能被光纤传播，这些光波称为模。6.2光纤传感器的结构原理及分类6.2.1光纤传感器结构原理光纤传感器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。由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，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，最后经信号处理得到所期待的被测量。光是一种电磁波：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。可见，只要使光的强度、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，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，即可获得所需要的被测量的信息。9.2.2光纤传感器的类型光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能型传感器又称NF型光纤传感器。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功能，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。非功能型光纤传感器传光型光纤传感器的光纤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，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。6.3光纤传感器的应用例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

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。例3透射型半导体光纤温度传感器半导体的吸收光谱与半导体材料的禁带宽度Eg有关，而Eg却随温度的不同而不同。由于半导体材料的Eg随温度的上升而减小，其本征吸收波长λg随温度的上升而增大。

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即可检测温度变化。LED发光光谱半导体吸收波长T1<T2<T3T3T1T2波长半导体透射测量原理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。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4微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器DSFF变形器光纤d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，或检测由压力引起的位移等物理量。θ1θn0n2n1θ2例5斜端面光纤液位传感器斜面反射式光纤液位传感器光纤(a)(b)光纤棱镜当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤的光强减小。例6单光纤液位传感器单光纤液位传感器结构1光纤；2耦合器12当光纤处于空气中时，入射光的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。若在不同的高度安装多个探头，则能连续监视液位的变化。为了防止当探头离开液体时，由于有液滴附着在探头上，传感器不能立即响应，可作一些改变。将光纤端部的尖顶略微磨平，并镀上反射膜。这样，即使有液体附着在顶部，也不影响输出跳变。另外可在顶部镀的反射膜外粘上一突出物，将附着的液体导引向突出物的下端。可保证探头在离开液位时也能快速地响应。例7光纤涡街流量计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。因此，通过检测物体的振动频率便可测出流体的流速，由上式可知，流体的流速与涡流频率呈线性关系。光纤涡街流量计便是根据这个原理制成的，在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤，当液体或气体流经与其垂直的光纤时,光纤受到流体涡流的作用而振动,其振动频率近似与流速成正比。例8光纤多普勒流速计多普勒效应：当发射机和接收机之间的距离发生变化时，发射机发射的信号和接收机接收的信号频率不同，这一现象，称为多普勒效应。Sθ2θ1vQP观察者在Q处观察的频率为：由激光光源(氢-氦激光)发