第十讲光纤传感器

第十讲光纤传感器第一页，共四十九页，编辑于2023年，星期五光导纤维传感器（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.第二页，共四十九页，编辑于2023年，星期五基本采用石英玻璃，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

）。10.1光纤的结构与传光原理10.1.1光纤的结构100~200μm包层玻璃纤维尼龙外层涂敷层纤芯外层直径1mm第三页，共四十九页，编辑于2023年，星期五

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。10.1.2光纤的传光原理第四页，共四十九页，编辑于2023年，星期五图2光纤导光示意图θ1θ0φ1ABCn0n2n1dD2θ0第五页，共四十九页，编辑于2023年，星期五由斯奈尔（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第六页，共四十九页，编辑于2023年，星期五入射角的最大值为：将sinθ0定义为光导纤维的数值孔径,用NA表示,则第七页，共四十九页，编辑于2023年，星期五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。一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA。第八页，共四十九页，编辑于2023年，星期五10.1.3光纤的种类光纤按纤芯和包层材料的性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两类；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。第九页，共四十九页，编辑于2023年，星期五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：第十页，共四十九页，编辑于2023年，星期五式中

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，或受被测量调制，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。第十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期五10.2.2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。第十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期五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。功能型光纤传感器第十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期五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。第十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期五10.2.3光纤传感器的发展方向光纤传感器的发展方向主要有以下几个方面：①以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象。②集成化光纤传感器。③多功能全光纤控制系统。④充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系统。⑤开辟新领域。第十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期五10.3光纤传感器的调制形式10.3.1强度调制光源发射的光经入射光纤传输到传感头，经传感头把光反射到出射光纤，通过出射光纤传输到光电接收器。传感头又称调制器，通过调制器把被测量的变化转变为光的强度变化，即对光强度进行调制，光电接收器接收到强度变化的光信号，最后解调出被测量的变化。第十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期五输出ID入射光强度调制IDtt光源出射光IS信号光探测器图4强度调制原理IOtIit10.3光纤传感器的调制形式10.3.1强度调制第十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期五10.3.2偏振调制1.普克耳（Pockels）效应当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高压，晶体将呈现双折射现象，这种现象称为普克耳效应。在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为：第十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期五图5普克耳效应入射光正常光异常光压电晶体第十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期五2.法拉第磁光效应平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转，这种现象称为法拉第磁光效应。光矢量旋转角:式中V——正常光折射率；

L——物质中的光程；

H——磁场强度。第二十页，共四十九页，编辑于2023年，星期五图6法拉第磁光效应磁场偏振光片磁光材料Lθ检偏片光源第二十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期五3.光弹效应在垂直于光波传播方向施加压力，材料将会产生双折射现象，其强弱正比于应力。这种现象称为光弹效应。偏振光的相位变化为式中k——物质光弹性系数；

P——施加在物体上的压强；

l——光波通过的材料长度。第二十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期五图7光弹效应实验装置应变材料F检偏器光源F起偏器补偿器第二十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期五10.3.3频率调制主要利用光学多普勒效应实现频率调制，如图。观察者在O处观察到的频率为fs。根据多普勒原理可得vPLOθ1Θ2第二十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期五10.3.4相位调制相位调制的基本原理是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，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。第二十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期五光信号相位的变化Δ

与温度变化ΔT的关系为——线膨胀系数；

l——光纤的长度；n/T——折射率温度系数；n——纤芯平均折射率；0——自由空间光波长；/ε——传播常数与纤芯半径的变化率。第二十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期五10.3.5波长调制波长调制是利用被测量改变光纤中光的波长，再通过检测光波长的变化来测量各种被测量。波长调制的优点是它对引起光纤或连接器的某些器件的稳定性不敏感，因此被广泛应用于液体浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析及法布里-珀罗等光学滤波器上。其缺点是解调技术较复杂。但采用光学滤波或双波长检测技术后，可使解调技术简化。第二十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期五10.4光纤传感器的应用例10.1光纤温度开关1234图9水银柱式光纤温度开关1浸液；2自聚焦透镜；3光纤；4水银第二十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期五图10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。第二十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期五例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。过量增益(EG)过量增益（EG）[1]是评价传感器工作可靠性的重要指标，它表示接收器接收的光能量能否能使传感器动作，也表示使传感器产生动作所需要最小的光强度。其计算公式如下：

EG=接收器接收的实际光强度/接收器产生的输出门槛值第三十页，共四十九页，编辑于2023年，星期五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12半导体透射测量原理第三十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期五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。第三十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期五例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。第三十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期五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5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第三十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期五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。θ1θn0n2n1θ2θ3第三十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期五例6光弹式光纤压力传感器图17光弹性式光纤压力传感器1、7起偏器；2、81/4波长板；3、9光弹性元件；4、10检偏器；5光纤；6自聚焦透镜线偏振光光源1234P圆偏振光椭圆偏振光第三十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期五从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈45º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。(b)传感器结构P5678910第三十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期五例7球面光纤液位传感器图19球面光纤液位传感器(a)探头结构将光纤用高温火焰烧软后对折，并将端部烧结成球形。LEDPD12第三十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期五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。(b))检测原理空气液体第三十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期五例8斜端面光纤液位传感器图20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。第四十页，共四十九页，编辑于2023年，星期五例9单光纤液位传感器图21单光纤液位传感器结构1光纤；2耦合器12第四十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期五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。第四十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期五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。第四十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期五例10光纤涡街流量计图23光纤涡街流量计光源探测器光纤夹