光纤传感器课件

光纤传感器8.2.1概述

光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。◆功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。◆非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质。8.2光纤传感器◆光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径通常为2~12μm，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持一种模式传播，一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。◆为了满足特殊要求，出现了保偏光纤、低双折射光纤、高双折射光纤等。所以采用新材料研制特殊结构的专用光纤是光纤传感技术发展的方向。8.2光纤传感器8.2.2光纤的结构和传输原理1．光纤的结构◆光导纤维简称为光纤，目前基本上是采用比头发丝还细的石英玻璃丝所制成的，其结构示于图8-40。图8-40光纤的结构图8.2光纤传感器2．光纤的传输原理◆

众所周知，光在空

间是直线传播的。

在光纤中，光的传

输限制在光纤中，

并随光纤能传送到

很远的距离，光纤

的传输是基于光的

全内反射。图8-41光纤的传光原理◆当光纤的直径比光的波长大很多时，可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播。如图8－41所示。8.2光纤传感器图8-42光纤发射电路3．光纤发射器◆光纤发射器包括缓冲器，驱动器和光源，本例用振荡器产生光源信号，如图8-42所示。发射光源是接近红外线的LED，其波长约为820nm。此光源人类眼睛能看到。8.2光纤传感器图8-43光纤接收电路4．光纤接收器◆光纤接收器含有三个单元：检测器/预放大，放大器及数字化。图8-43为光纤接收电路。8.2光纤传感器8.2.3光纤传感器的调制原理◆光纤传感器的核心就是光被外界参数调制的原理，调制的原理就能代表光纤传感器的机理。◆研究光纤传感器的调制器就是研究光在调制区与外界被测参数的相互作用，外界信号可能引起光的特性（强度、波长、频率、相位、偏振态等）变化，从而构成强度、波长、频率、相位、偏振态调制原理。下面将介绍几种常用的调制原理。8.2光纤传感器1．强度调制◆光源发射的光经入

射光纤传输到调制

器——它由可动反

射器等组成，经反

射器把光反射到出

射光纤，通过出射图8-44三种强度调制原理示意图

光纤传输到光电接收器。而可动反射器的动作受到被测信号的控制，因此反射器射出的光强是随被测量变化的。光电接收器接收到光强变化的信号，经解调得到被测物理量的变化。当然还可采用可动透视调制器或内调制型——微弯调制等。图8-44为三种强度调制原理示意图。8.2光纤传感器2．相位调制原理◆光纤相位调制是光

纤比较容易实现的

调制形式，所有能

够影响光纤长度、

折射率和内部应力

的被测量都会引起

相位变化，例如压图8-45马赫-琴特干涉仪原理图

力、应变、温度和磁场等。相位调制型光纤传感器比强度型复杂一些，一般采用干涉仪检测相位的变化，因此，这类传感器灵敏度非常高。常用的干涉仪有四种：迈克尔逊（Mich1son）、马赫-琴特（Mach-Zehnder）、萨古纳克（Sagnac）、法布里-珀罗（Fabry-perot）。图8-45表示马赫-琴特干涉仪原理图。8.2光纤传感器3．频率调制原理◆单色光照射到运动物体上后，反射回来时，由于多普勒效应，其移后的频率为：（8-13）◆式中f为单色光频率；c为光速；v为运动物体的速度。◆将此频率的光与参考光共同作用于光探测器上，并产生差拍，经频谱分析器处理求出频率变化，即可推知速度。8.2光纤传感器4．偏振调制◆外界因素作用下，使光的某一方向振动比其它方向占优势。这种调制方式为偏振调制。◆根据电磁场理论，光波是一种横波；光振动的电场矢量E和磁场矢量H始终与传播方向垂直。当光波的电场矢量E和磁场矢量H的振动方向在传播过程中保持不变，只是它的大小随香味改变，这种光称为线偏振光。◆在光的传播过程中，如果E和H的大小不变，而振动方向绕传播轴均匀地转动，矢量端点轨迹为一个圆，这种光称为圆偏振光。如果矢量轨迹为一个椭圆，这种光称为8.2光纤传感器椭圆偏振光；如果自然光在传播过程中，受到外界的作用而造成各个振动方向上强度不等，使某一个方向上的振动比其他方向占优势，所造成的这种光称为部分偏振光；如果外界作用使自然光的振动方向只有一个，造成的光称为完全偏振光。偏振调制正是利用了光波的这些偏振性质。光纤传感器中的偏振调制器常用电光、磁光、光弹等物理效应进行调制。8.2光纤传感器8.2.4光纤传感器的应用◆光纤微位移测量仪是光纤传感器的一个应用。◆光纤和光纤传感器其电绝缘性极好，抗电场和无线电波干扰，灵敏度高，利用光纤作为信号传输和敏感元件来测量微小位移或距离，其分辨率可达l微米。。◆给入射光纤输入一个稳定的光强I0，这就需要给发光器（例如灯泡或激光）一个稳定的