光纖傳感器論文—畢業(yè)論文

1、光纖傳感器原理與應(yīng)用摘要介紹了光纖傳感器的基本構(gòu)成及原理，綜述了近年來(lái)光纖傳感器技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)光纖傳感技術(shù)的研究發(fā)展方向進(jìn)行了展望。 光纖傳感器隨著光纖通信技術(shù)的實(shí)用化有了迅速發(fā)展，且以體積小、重量輕、檢測(cè)分辨率高、靈敏度高、測(cè)溫范圍寬、保密性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、抗腐蝕性強(qiáng)等明顯優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍深入至國(guó)防軍事、航天航空、土木工程、電力、能源、環(huán)保、醫(yī)學(xué)等?，F(xiàn)如今光纖傳感器已經(jīng)能夠?qū)囟?、壓力、溫度、振?dòng)、電流、電壓、磁場(chǎng)等物理量進(jìn)行測(cè)定，發(fā)展空間相當(dāng)廣闊。 關(guān)鍵詞：光纖傳感器 光纖通信 應(yīng)用范圍 發(fā)展 目 錄一、引言 4二、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)與分類 4三、光纖傳感器的原理

2、5 2、光纖的傳光原理 5 3、光纖傳感器基本原理 5四、光纖傳感器在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用 6 1、光纖傳感器用于檢測(cè)的基本結(jié)構(gòu) 6 2、光纖傳感器對(duì)位移、振動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)速的測(cè)量7 1光纖傳感器測(cè)量位移 7 2光纖傳感器測(cè)量振動(dòng)頻率 7 3光纖傳感器測(cè)量速度 7五、總結(jié) 8一、引言光纖傳感器技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)發(fā)展而形成的一門嶄新的傳感技術(shù)。光纖傳感器的傳感靈敏度要比傳統(tǒng)傳感器高許多倍，而且它可以在高電壓、大噪聲、高溫、強(qiáng)腐蝕性等很多特殊情況下正常工作，還可以與光纖遙感、遙測(cè)技術(shù)配合，形成光纖遙感系統(tǒng)和光線遙測(cè)系統(tǒng)。光纖傳感技術(shù)是許多經(jīng)濟(jì)、軍事強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)相研究的高新技術(shù)，它可以應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)

3、濟(jì)的很多領(lǐng)域。光(導(dǎo))纖(維)是20世紀(jì)70年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體探測(cè)器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造了光電子學(xué)的新天地。光纖的出現(xiàn)產(chǎn)生了光纖通信技術(shù)，特別是光纖在有線通信方面的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越突出，它為人類21世紀(jì)的通信基礎(chǔ)信息高速公路奠定了基礎(chǔ)，為多媒體通信提供了實(shí)現(xiàn)的必需條件。由于光纖具有許多新的特性，所以不僅在通信方面，在傳感器等方面也獲得了應(yīng)用。二、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)與分類光導(dǎo)纖維，簡(jiǎn)稱光纖，光纖是用光透射率高的電介質(zhì)（如石英、玻璃、塑料等）構(gòu)成的光通路。光線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1 圖2它由折射率n1較大（光密介質(zhì)）的纖芯，和折射率n2較?。ü馐杞橘|(zhì)）的包層構(gòu)成的雙層同心圓結(jié)構(gòu)。

4、如圖2光纖是一種多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱圓柱體，是用比頭發(fā)絲還細(xì)的石英玻璃絲制成的，包括纖芯、包層和涂敷層, 光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，機(jī)械強(qiáng)度取決于塑料保護(hù)外套。它的外形與結(jié)構(gòu)（如圖3）纖芯材料的主體是二氧化硅，里面摻入很微量的其他材料（如二氧化鍺、五氧化二磷），摻雜其他材料的目的是為了提高材料的光折射率。纖芯的直徑是575m。纖芯外面為包層，可以是一層、二層或者（內(nèi)外包層）更多層結(jié)構(gòu)，總直徑為100200m。包層的材料一般用二氧化硅，為了降低包層對(duì)光的折射率，也可摻入其他微量元素。外層材料對(duì)光纖起保護(hù)作用，并增加機(jī)械強(qiáng)度；外層加裝不同顏色的塑料套管，除起保護(hù)作用外，還可以方便的辨認(rèn)不

5、同的光纖型號(hào)。圖3 圖4光纖傳感器的基本組成：光纖傳感器主要包括光導(dǎo)纖維、光源、光探測(cè)器三個(gè)重要部件。光源 分為相干光源(各種激光器)和非相干光源(白熾光、發(fā)光二極管)。實(shí)際中，一般要求光源的尺寸小、發(fā)光面積大、波長(zhǎng)合適、足夠亮、穩(wěn)定性好、噪聲小、壽命長(zhǎng)、安裝方便等。光探測(cè)器 包括光敏二極管、光敏三極管、光電倍增管、光電池等。光探測(cè)器在光纖傳感器中有著十分重要的地位，它的靈敏度、帶寬等參數(shù)將直接影響傳感器的總體性能。三、 光纖傳感器的原理當(dāng)光線由光密媒質(zhì)(折射率n1)射入光疏媒質(zhì)(折射率n2，n1n2)時(shí)，若入射角大于等于臨界角sin1(n2/n1)，在媒質(zhì)界面上會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象（如圖1）。光

6、在光纖中傳播的基本原理可用光線或光波的概念來(lái)描述。光線的概念是一個(gè)簡(jiǎn)便、近似方法，可用來(lái)導(dǎo)出一些重要概念，如全反射的概念、光線截留的概念等。然而，要進(jìn)一步研究光的傳播理論，將光看作射線就不夠了，必須借助波動(dòng)理論。即需要考慮到光是電磁波動(dòng)現(xiàn)象以及光纖是圓柱形介質(zhì)波導(dǎo)等，才能研究光在圓柱形波導(dǎo)中允許存在的傳播模式，并導(dǎo)出經(jīng)常要提到的波導(dǎo)參數(shù)(v值)等概念。以階躍型多模光纖為例，在子午面內(nèi)光線從空氣(折射率n0)射入光纖端面，與軸線的夾角為0，若入射角小于某一值c，光線在纖芯和包層的界面上將發(fā)生全反射，光線射不出纖芯，從而能夠從光纖的一端傳播到另一端，這就是光纖傳光的基本原理。如圖2由snell（斯

7、涅爾）定律得則 即 若要使入射光線在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，由臨界角定義，應(yīng)滿足代入：得 能是光線在光纖內(nèi)全反射的最大入射角c可由上式求得，即式中，na稱為光纖的數(shù)值孔徑，它表示當(dāng)入射光從外部介質(zhì)射入光纖時(shí)，只有入射角小于c的光才能在光纖中傳播。na與光纖的幾何尺寸無(wú)關(guān)，僅與纖芯和包層的折射率有關(guān)，纖芯和包層的折射率差別越大，數(shù)孔直徑就越大，光纖的集光能力就越強(qiáng)。石英光纖的na=0.20.4。四、 光纖傳感器在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用1.光纖傳感器用于檢測(cè)的基本結(jié)構(gòu) 圖5 圖6光纖傳感器大致分為兩類：第一類是利用光纖的性質(zhì)隨被測(cè)物理量而變化（如圖7）；第二類是利用光線進(jìn)行傳輸?shù)膫鞲衅鳎ㄈ鐖D8、9

8、、10）。待添加的隱藏文字內(nèi)容2如將光纖置于聲場(chǎng)中，則光纖芯線的折射率隨聲壓而變化。將這種折射率的變化作為穿過(guò)光纖中的光的相位變化檢出，根據(jù)所檢出的相位變化，能過(guò)知道聲場(chǎng)的強(qiáng)度。在圖8中設(shè)置了一個(gè)光的穿透性或光的反射性隨被測(cè)物理量而變化的元件，通過(guò)該元件進(jìn)行物理量的測(cè)量與另一條光纖進(jìn)行傳輸。 圖7 圖8圖9為在光纖的一端安置物理量-光變換器，也有安裝照明器用光纖的情況。圖10為光纖僅作為傳輸線路用的情況。2.光纖傳感器對(duì)位移、振動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)速的測(cè)量1光纖傳感器測(cè)量位移光纖傳感器測(cè)量位移的原理如圖11，工作過(guò)程：光源發(fā)出的光耦合導(dǎo)入射光纖，光在光纖中傳輸?shù)焦饫w另一端并發(fā)射出去，光在千分尺側(cè)量端端面

9、被發(fā)射回來(lái)并由反射光纖照射到光電晶體管上，光電晶體管將光量變成電量輸出，將放大顯示到數(shù)字電壓表或示波器上。輸出量的大小與反射光量大小成正比，而反射光量的大小又與光纖出射端面距千分尺測(cè)量端面遠(yuǎn)近成正比。 圖11 圖122光纖傳感器測(cè)量振動(dòng)頻率 光纖傳感器測(cè)量振動(dòng)頻率的裝置如圖12，它由y形光纖光源光電探測(cè)器振動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成。這個(gè)裝置對(duì)工作時(shí)光量傳輸過(guò)程與前面位移測(cè)量基本相同，不同的是鏡面與光纖傳感器端面間距離變化手振動(dòng)機(jī)構(gòu)控制。在振幅不變情況下，改變振動(dòng)頻率，在數(shù)字電壓表上可以得到一系列與振動(dòng)頻率相對(duì)應(yīng)的電壓值。3光纖傳感器測(cè)量速度光纖傳感器測(cè)量速度的原理圖如圖13。光源發(fā)出的光由入射光纖傳輸

10、并投射到轉(zhuǎn)盤的反射鏡上，然后將光反射回光纖并出射到光電器件上。當(dāng)反射鏡隨轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，位置發(fā)生周期性變化，則光電器件的輸出信號(hào)也周期性變化，這個(gè)變化周期就是轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)速度，這樣就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速測(cè)量。圖13五、總結(jié)目前，光纖傳感器在航天（飛機(jī)及航天器各部位壓力測(cè)量、溫度測(cè)量、陀螺等）、航海（聲納等）、石油開(kāi)采（液面高度、流量測(cè)量、二相流中空隙度的測(cè)量）、電力傳輸（高壓輸電網(wǎng)的電流測(cè)量、電壓測(cè)量）、核工業(yè)（放射劑量測(cè)量、原子能發(fā)電站泄露劑量監(jiān)測(cè)）、醫(yī)療（血液流速測(cè)量、血壓及心音測(cè)量）、科學(xué)研究（地球自轉(zhuǎn)）等眾多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。光纖傳感器的迅猛發(fā)展開(kāi)始于1977年至今已經(jīng)研制出多種光纖傳感器，光纖有很多優(yōu)點(diǎn)