《电气测试技术第5版》 课件 3.12 光纤式传感器

02December20243.12光纤式传感器3.12.1概述3.12.2光纤及光在其中的传输3.12.3常用光纤传感器02December20243.12.1概述光纤传感技术是随着光纤通信和集成光学技术而发展起来的一门新型传感技术，例如，灵敏度高，响应速度快，抗电磁干扰，耐腐蚀，电绝缘性好，防燃防爆，可以柔性绕屈，适于远距离传输，便于与计算机连接以及与光纤传输系统组成遥控、遥测等。因此，光纤传感器发展异常迅速。光纤传感器可以检测许多物理量，从原理上讲，几乎所有物理量都可以用光纤传感器来检测。通常按被测对象不同，可分为压力、温度、流量、速度、加速度、振动、位移、转动、电压、电流、磁场、应变及化学量、生物量等光纤传感器。光纤传感器一般可分为两大类，一类是利用光纤本身的某些特性或功能制成的传感器，称为功能型传感器；另一类是光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤端面加装其他敏感元件才能构成传感器，称为传光型传感器。功能型传感器是利用被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的某些特性如强度、相位、频率和偏振态等发生变化，这种已被调制的光信号，经光电转换成电信号，再经信号放大或处理后，以被测量的单位和数值表示出来。可见，光源、光的传输、光电变换和电信号的处理是光纤传感器的基本要素。光纤传感器的光源，常用发光二极管和激光器。光电转换元件常用光电二极管、光电三极管、光电倍增管等。02December20243.12.2光纤及光在其中的传输1.光纤的结构

光纤的结构见图3-127，它由具有很小直径的分层玻璃或塑料圆柱体构成。2.光纤的类型

按照光从纤芯到包层的折射率的变化规律，光纤可分为阶跃型、渐变型和单模型三种，见图3-128。图3-127光纤的结构图3-128光纤的类型02December20243.光在光纤中的传输

光线以各种不同入射角射到纤芯并射至纤芯与包层的交界面时，光线在该交界面处有一部分透射入包层，一部分反射见图3-129。数值孔径：可见，某种光纤的临界入射角是由光纤的纤芯折射率和包层折射率决定的。数值孔径是向光纤入射信号光波难易程度的参数。光纤的越大，表示该光纤可以在较大入射角范围内输入全反射光，并保证此光波能沿纤芯向前传输。图3-129光线在阶跃光纤中的传输02December20243.12.3常用光纤传感器光纤传感器的种类很多，工作原理各不相同，但都离不开光的调制和解调两个环节。光调制就是把某一被测信息加载到传输光波上，这种承载了被测信息的调制光再由光探测系统解调，便可获得所检测的信息。常用的光调制有强度调制、相位调制、频率调制和偏振态调制等几种。每一种类的传感器都可利用上述的各种调制技术来实现，而每一种具体的调制技术又有很多方法来实现。因此，这是光纤传感器中非常活跃的研究领域。02December2024光纤压力传感器

1.强度调制

强度调制的原理是以被测参数所引起的光强度的变化来实现对被测参数的检测的。把一根多模光纤夹持在两块具有周期性波纹的微弯板（变形器）之间，见图3-130。图3-130光纤的微弯效应02December20242.光纤压力传感器

图3-131为基于全内反射破坏原理，实现光强度调制的一种高灵敏度光纤压力传感器结构。图3-131光纤压力传感器的结构1－膜片2－光吸收层3－垫圈4－光导纤维5－桥式光接收器6－发光二极管7－壳体8－棱镜9－上盖

02December2024光纤温度传感器1.相位调制

相位调制的基本原理是通过被测量场的作用，使置于被测量场中的一段单模光纤的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化变换为光强度的变化，从而求得被测物理量。2.光纤温度传感器引起光纤长度和折射率变化的因素主要有：温度、压力、张力、振动、位移等物理量，因此利用相位调制也可以制造各种各样的传感器。

利用马赫－泽德干涉仪的光纤温度传感器见图3-132。它由激光器、扩束器、分束器、两个显微物镜、两根单模光纤（一根为测量臂，另一根为参考臂）、光电探测器等组成。图3-132利用马赫－泽德干涉仪的光纤温度传感器02December2024图3-133利用法布里－珀罗干涉仪的光纤温度传感器这种干涉仪利用光纤内多次反射所形成的光束产生干涉。为增加反射率，光纤的两个端面均抛光并镀有多层介质。光纤的一部分绕在加有50Hz正弦电压的压电变换器上，因而光纤的长度受到调制。只有在产生干涉的各光束通过光纤后出现相位差（是整数）时，输出才达到最大，光电探测器获得周期性的连续光脉冲。当被测温度变化使光纤中的光波相位发生变化时，输出脉冲峰值的位置将发生变化，据此就可反映出温度变化的规律。02December2024光纤振动传感器1.偏振调制

偏振调制的基本原理是利用某些物质的电光效应、磁致旋光效应和光弹性效应等，使经过这些物质的光的偏振态发生变化，从而反映出作用在这些物质上的电、磁及作用力等的大小，实现对各种物理量的测量。2.光纤振动传感器

该传感器是一种振动加速度测量系统，利用光弹性效应引起被调制光强度变化，通过检测被调制后光强的变化测量加速度。图3-134光纤振动传感器的结构1－光源2－光探测器3－起偏器4－光弹元件5－振动方向6－质量块7－检偏器8－微透镜

02December2024光纤血流传感器1.频率调制

前述的强度调制、相位调制和偏振调制主要应用于功能型光纤传感器中。频率调制主要应用于非功能型光纤传感器中，调制环节在光纤的外面，光纤仅起传输光波的作用。

图3-135多普勒效应频率调制的原理是利用光学多普勒效应，即由于观察者和目标的相对移动，观察者接受到的光波频率要发生改变。02December20242.光纤血流传感器

光纤血流计是根据多普勒频移