第9章光纖傳感器.

1、第9章光纖傳感器光導(dǎo)纖維傳感器（簡稱光纖傳感器）是20世紀 七十年代迅速發(fā)展起來的一種新型傳感器。光纖 最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展.光纖傳感 卻到進一步發(fā)展。與其它傳感器相比較，光纖傳感器有如下特點:1 不受電磁干擾，防爆性能好.不會漏電打火;2可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲;3可以用于高溫、高壓，絕緣性好，耐腐蝕.9.1光纖的結(jié)構(gòu)與傳光原理9.1.1光纖的結(jié)構(gòu)基本采用石英玻璃. 主要由三部分組成 中心纖芯；外層；玻璃纖堆尼龍外層包層 z外層直徑lmm纖芯涂敷層護$_龍料光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì), 纖芯折射率略大于包層折射率隔(n. n2)9.1.2光纖的傳光原理光纖的

2、傳播基于光的全反射。當(dāng)光線以不同 角度入射到光纖端面時.在端面發(fā)生折射后 進入光纖；光線在光纖端面入射角e減小到某一角度0c時，光線全部反射只要evec,光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。圖92光纖導(dǎo)光示意圖若滿足卜就能產(chǎn)生全反射?？梢姡饫w臨界入射 角的大小是由光纖本身的性質(zhì)(nP n2)決定的，與光纖的幾何尺寸無關(guān)入射角的最大值為:將sin定義為光導(dǎo)纖維的數(shù)值孔徑，用皿 表示，則NA = sin。= Jn-n|noNA意義討論: NA表示光纖的集光能力，無論光源的發(fā)射功 率有多大，只要在20c張角之內(nèi)的入射光才能 被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍, 光線

3、會進入包層漏光。 一般NA越大集光能力越強.光纖與光源間耦 合會更容易。但NA越大光信號畸變越大，要 選擇適當(dāng)產(chǎn)品光纖不給出折射率N,只給數(shù)值孔徑NA。9.1.3光纖的種類光纖按纖芯和包層材料的性質(zhì)分類，有玻 璃光纖和塑料光纖兩類；按折射率分有階光纖的另一種分類方法是按光纖的傳播模 式來分，可分為多模光纖和單模光纖兩類。 多模光纖多用于非功能型(NF)光纖傳感 器；單模光纖多用于功能型(FF)光纖傳 感器Q9 2光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理及分類921光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理光纖傳感器是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?可測的光信號的裝置。由光發(fā)送器.敏感 元件（光纖或非光纖的）、光接收器、信 號處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)

4、成由光發(fā)送器發(fā)岀的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感 元件。這時，光的某一性質(zhì)受到被測量的 調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器, 使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng)信號處理得 到所期待的被測量。光是一種電減波：E = A sincot + cp)式中A電場E的振幅矢量；3光波的振動頻率；光相位； 光的傳播時間可見，只要使光的強度、偏振態(tài)（矢量A的方 向）、頻率和相位等參量之一隨被測量狀態(tài)的變 化而變化，或受被測量調(diào)制，那么,通過對光的 強度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進 行解調(diào)，即可獲得所需要的被測量的信息。922光纖傳感器的類型光纖傳感器一般可分為兩大類：_類是功能 型傳感器，又稱FF型光纖傳感器；另一

5、類是 非功能型傳感器又稱NF型光纖傳感器。功能型光纖傳感器傳感元件 被測對象光源 二二載 n空光敏元件這類傳感器利用光纖 本身對外界被測對象 具有敏感能力和檢測 功能，光纖不僅起到 傳光作用，而且在被測對象作用下，如光強、相位、偏振態(tài)等 光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號攜帶了 被測信息。非功能型光纖傳感器傳光型光纖傳感器的光纖傳感元件光源光敏一兀件 AT 一 n調(diào)光纖只當(dāng)作傳播光的 媒介，待測對象的調(diào) 制功能是由其它光電 轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)的，光 纖的狀態(tài)是不連續(xù)的, 光纖只起傳光作用。9.2,3光纖傳感器的發(fā)展方向光纖傳感器的發(fā)展方向主要有以下幾個方面: 以傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題作為光纖傳感器的主

6、要研究對象。 集成化光纖傳感器。 多功能全光纖控制系統(tǒng) 充分發(fā)揮光纖的低傳輸損耗特性，發(fā)展遠距 離監(jiān)測系統(tǒng)。 開辟新領(lǐng)域93光纖傳感器的調(diào)制形式傳感器光學(xué)現(xiàn)彖被測量光纖分類干涉型相位調(diào) 制光線 傳感器干涉（磁致伸縮） 干涉（電致伸縮） Sagnac效應(yīng) 光彈效應(yīng)干涉電流、磁場 電場、電壓 角速度振動、壓力、加速度、位移SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMa a a a a非干涉型制度 調(diào)溫器 度纖感 強光傳遮光板遮斷光路 半導(dǎo)體透射率的變化 熒光輻射、黑體輻射 光纖微彎損耗 振動膜或液晶的反射 氣體分子吸收 光纖漏泄膜溫度、振動、壓力、加速度、位移 溫度 溫度振動、壓力、加速度、

7、位移振動、壓力、位移氣體濃度 液位MMMMMMSMMMMMMMb b b b b b b13解器 偏制溫感法拉第效應(yīng) 泡克爾斯效應(yīng) 雙折射變化 光彈效應(yīng)電流、磁場電場、電壓、 溫度振動、壓力、加速度、位移SM MMSM MMb,ab b b制度 調(diào)溫器 率纖感 頻光傳多普勒效應(yīng) 受激喇曼散射 光致發(fā)光速度、流速、振動、加速度 氣體濃度溫度MMMMMMc b b93光纖傳感器的調(diào)制形式931強度調(diào)制圖9S強度調(diào)制原理0 =932偏振調(diào)制1普克耳(Pockels)效應(yīng)當(dāng)壓電晶體受光照射并在其正交方向上加象稱為普克耳效應(yīng)。d7mlrGU I幾0入射光異常光正常光壓電晶體95普克耳效應(yīng)2.法拉第磁光效

8、應(yīng)平面偏振光通過帶磁性的物體時，其偏振光面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第磁 光效應(yīng)。光矢量旋轉(zhuǎn)角:式中V._正常光折射率；L物質(zhì)中的光程；W 場強度光源3.光彈效應(yīng)在垂直于光波傳播方向施加壓力.材料將會 產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其強弱正比于應(yīng)力。這種現(xiàn)象稱為光彈效應(yīng)。偏振光的相位變化為(P 27ikpl/ 入式中k 質(zhì)光彈性系數(shù);光源起偏器F檢偏器應(yīng)變材料933頻率調(diào)制主要利用光學(xué)多普勒效應(yīng)實現(xiàn)頻率調(diào)制, 如圖。觀察者在0處觀察到的頻率為仏 根據(jù)多普勒原理可得L 0爲(wèi)9-3,4相位調(diào)制相位調(diào)制的基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化， 使兩束單

9、色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化, 通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相 位變化量，從而得到被測對象的信息。光信號相位的變化M與溫度變化A啲關(guān)系為0A)L+筠藝-4 -a_線膨脹系數(shù);/光纖的長度;dnldT_ 射率溫度系數(shù);n纖芯平均折射率;A自由空間光波長；勁驅(qū)_傳播常數(shù)與纖芯半徑的變化率波長調(diào)制是利用被測量改變光纖中光的波長，再 通過檢測光波長的變化來測量各種被測量。波長 調(diào)制的優(yōu)點是它對弓I起光纖或連接器的某些器件 的穩(wěn)定性不敏感，因此被廣泛應(yīng)用于液體濃度的 化學(xué)分析、磷光和熒光現(xiàn)象分析、黑體輻射分析 及法布里珀羅等光學(xué)濾波器上。其缺點是解調(diào) 技術(shù)較復(fù)雜。但采用光學(xué)濾波或雙波長檢測技術(shù) 后

10、，可使解調(diào)技術(shù)簡化94光纖傳感器的應(yīng)用圖99水銀柱式光釬溫度開關(guān)1浸液；2自聚焦換3光纖；4水銀例32遮光式光纖溫度計當(dāng)溫度升高時，雙金屬片的變形量增大， 帶動遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸 岀光強發(fā)生變化I圖9-10熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)1遮光板；2雙金屬片例90透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器半導(dǎo)體的吸收光譜與材料的禁帶寬度Eg有 關(guān).而Eg卻隨溫度的不同而不同。Eg與溫 度r的關(guān)系可半導(dǎo)體材料的島隨溫度的上升而減小，亦 即其本征吸收波長知隨溫度的上升而增大 這個性質(zhì)反映在半導(dǎo)體的透光性上則表現(xiàn)為：當(dāng)若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的為（0相匹配的發(fā)光 二極管作為光源，則透射光強度將隨著溫度的升高而 減

11、小，即通過檢測透射光的強度或透射率，即可 檢測溫度變化。波長相對發(fā)光強度利用半導(dǎo)體的吸收特性制作的光纖溫度傳感器的單端式探頭結(jié)構(gòu)如圖光纖中的入射光線經(jīng)探頭頂部的反射膜反射后返回，在光路中放入對溫度敏感的半導(dǎo)體薄片對光進行吸收，則出射光強將 隨溫度的變化而變化。光纖半導(dǎo)體環(huán)氧膠鼻燦 iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiFI，陽曲畔艸曲曲曲油垃仇w艸:工：:虛：工：淤蠶；黑二；專?:盤:士 七土，反射膜例94膜片反射式光纖壓力傳感器Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器如圖在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當(dāng)膜片受壓 變形時，使光纖束與膜片間的距

12、離發(fā)生變化,從而使輸出光強受到調(diào)制。光源接收Y形光纖束殼體彈性膜片F(xiàn) 變形器*微彎光纖壓力傳感器例9刁微彎光纖壓力傳感器 光纖被夾在一對鋸 齒板中間當(dāng)光纖 不受力時，光線從 光纖中穿過，沒有 能量損失。當(dāng)鋸齒 板受外力作用而產(chǎn) 生位移時，光纖則發(fā)生許多微彎，這時在纖芯中 傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁糠稚⑸涞桨鼘又性瓉砉馐源笥谂R界角的角度q在纖芯內(nèi)傳輸 為全反射；但在微彎處昭一部分光將逸出， 散射入包層中當(dāng)受力增加時，光纖微彎的程度 也增大，泄漏到包層的散射光隨之增加，纖芯輸 出的光強度相應(yīng)減小。因此，通過檢測纖芯或包 層的光功率，就能測得引起微彎的壓力、聲壓，或檢測 由壓力引起的位移1、7起偏器；2

13、、8 1/4波長板；3、9光彈性元件；4、10檢偏器；5光纖；6自聚焦透鏡從光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器后成為直線偏振光。當(dāng) 有與入射光偏振方向呈45啲壓力作用于晶體時.使晶體呈雙折射從而使出射光成為楠圓偏振光入射光偏振方向相 垂直方向上的光強,即可測出壓力的變化。(b)傳感器結(jié)構(gòu)板用于提供一偏置，使系統(tǒng)獲得最大靈敏度。例97球面光纖液位傳感器 將光纖用高溫火焰燒軟后對折.并將端部 燒結(jié)成球形。LEDPD何）探頭結(jié)構(gòu)光由光纖的_端導(dǎo)入，在球狀對折端部一部分光透射出去，另一部分光反射回來,由光纖的另一端導(dǎo)向探測器。反射光強的大小取決于被測介質(zhì)的折射率。被測介質(zhì)的折射率與光纖折射率越接近，反射光強度 越小

14、。顯然,傳感器 處于空氣中時比處 于液體中時的反射 光強要大。例92單光纖液位傳感器當(dāng)傳感器接儺液面時，將引起反射回另一根 光纖的光強減小。S9-21單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)1光纖；2耦合器當(dāng)光纖處于空氣中時，入射光的大部分能在端部滿足全反射條件而返回光纖。當(dāng)傳感器接觸液體時，由于液體的折射率比空氣大，使一部分光不能滿足全反射條件而折射入液體中，返回光纖的光強就減小。利用X形耦合器即可構(gòu)成具有兩個探頭的液位報警傳感器。若在不同的高度安裝多個探頭，則能連續(xù)監(jiān)視液位的變化。為了防止當(dāng)探頭離開液體時，由于有液滴附著在 探頭上，傳感器不能立即響應(yīng)，可作一些改變。 將光纖端部的尖頂略微磨平，并鍍上反射膜。這

15、 樣，即使有液體附著在頂部，也不影響輸岀跳變另外可在頂部鍍的反I I I射膜外粘上一突出物,將附著的液體導(dǎo)引向突出物的下端?？舍賜保證探頭在離開液位時也能快速地響應(yīng)O例9也光纖渦街流量計光纖夾液體流管光纖張緊重物分折記錄圖923光纖渦街流量計當(dāng)流體受到一個垂直于流動方向的非流線體阻礙時，在某些條件下會在流體的 下游兩側(cè)產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦這種旋渦將 會在該非流線體的兩邊交替地離開。當(dāng)每個旋渦產(chǎn)生并瀉下時，會在物體壁上產(chǎn)生 一側(cè)向力。周期產(chǎn)生的旋渦將使物體受到 一個周期的壓力。若物體具有彈性，便會 產(chǎn)生振動，振動頻率近似地與流速成正比。因此，通過檢測物體的振動頻率便可測出流體 的流速，由上式可知，流體的流速與渦流頻率呈線性關(guān)系光纖渦街流量計便是根據(jù)這個原 理制成的，在橫貫流體管道的中間裝有一根綢緊