第9章光導(dǎo)纖維式傳感器

第9章光導(dǎo)纖維式傳感器

光纖傳感器用光而不用電來作為敏感信息的載體；用光纖而不用導(dǎo)線來作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。特點：①電絕緣；②抗電磁干擾；③非侵入性；④高靈敏度；⑤容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。主要內(nèi)容9.1光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理9.2光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理及分類9.3光纖傳感器的主要元器件9.4光纖傳感器的應(yīng)用9.1光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理1、斯乃爾定理(Snell'sLaw)

當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大)射出至光疏物質(zhì)(折射率小)時，發(fā)生折射，其折射角大于入射角，即n1>n2時，θr>θi。

n1、n2、θr、θi之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為

圖9-1光在不同物質(zhì)分界面的傳播

(a)光的折射示意圖(b)臨界狀態(tài)示意圖(c)光全反射示意圖9.1光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理

結(jié)論：

入射角θi增大時，折射角θr也隨之增大，且始終θr>θi。當(dāng)θr=90°時，θi仍小于

90°，此時，出射光線沿界面?zhèn)鞑?，稱為臨界狀態(tài)。這時有

sinθr=sin90°=1sinθi0=n2/n1

θi0=arcsin(n2/n1)

當(dāng)θi>θi0時，θr>90°，這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，其出射光不再折射而全部反射回來。9.1光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理2、光纖結(jié)構(gòu)

光纖呈圓柱形，它通常由玻璃纖維芯(纖芯)和玻璃包層兩個同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。

纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖芯折射率n1比包層折射率n2稍大些，兩層之間形成良好的光學(xué)界面。光線在這個界面上反射傳播。圖9-2光纖結(jié)構(gòu)9.1光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理3、光纖導(dǎo)光原理及數(shù)值孔徑NA

入射光線AB與纖維軸線OO相交角為θi，入射后折射(折射角為θj)至纖芯與包層界面C點，與C點界面法線DE成θk角，并由界面折射至包層，CK與DE夾角為θr。圖9-3光纖導(dǎo)光示意圖9.1光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理

n0sinθi=n1sinθjsinθi=(n1/n0)sinθj

θj=90°-θk

n1sinθk=n2sinθrsinθk=(n2/n1)sinθr

9.1光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理結(jié)論：（1）θr=90°時，光線掠射，sinθi0=NA或θi0=arcsinNA；（2）θr>90°時，光線發(fā)生全反射θi<θi0=arcsinNA；（3）θr<90°時，sinθi>NA，θi>arcsin

NA，光線進入包層消失。數(shù)值孔徑（NA）：例9-1試計算n1=1.46和n2=1.45的階躍折射率光纖的數(shù)值孔徑是多少？如果外部是空氣n0=1，求這種光纖的最大入射角是多少？解：根據(jù)光纖數(shù)值孔徑NA定義為入射角θi0的正弦得9.2光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理與分類1、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理

以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的電信號的裝置。電源、敏感元件、信號接收和處理系統(tǒng)以及傳輸信息均用金屬導(dǎo)線組成。光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y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)成。圖9-4傳統(tǒng)傳感器與光纖傳感器示意圖

(a)傳統(tǒng)傳感器(b)光纖傳感器9.2光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理與分類

工作原理：由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件。在這里，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)信號處理系統(tǒng)處理得到我們所期待的被測量。

差別：光纖傳感器與以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器相比較，在測量原理上有本質(zhì)的差別。傳統(tǒng)傳感器是以機—電測量為基礎(chǔ)光纖傳感器則以光學(xué)測量為基礎(chǔ)9.2光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理與分類2、光纖傳感器的分類

(1)根據(jù)光被調(diào)制的參數(shù)

光是一種電磁波，其波長范圍從極遠紅外的1mm到極遠紫外線的10nm。電磁波的物理作用和生物化學(xué)作用主要因其中的電場而引起。因此，在討論光的敏感測量時必須考慮光的電矢量E的振動。通常用下式表示

E=Asin(ωt+φ)

1）光的強度調(diào)制型光纖傳感器；

2）光的偏振態(tài)(矢量A的方向)調(diào)制型光纖傳感器；

3）光的頻率調(diào)制型光纖傳感器；

4）光的相位調(diào)制型光纖傳感器。9.2光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理與分類1)強度調(diào)制型光纖傳感器原理：利用被測對象的變化引起敏感元件的折射、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。改變光強的方法：光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動膜或液晶的反射光強度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機械的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象，以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等。測量對象：壓力、振動、溫度、位移、氣體等。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、成本低。缺點：受光源強度的波動和連接器損耗變化等的影響較大。9.2光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理與分類2)偏振調(diào)制型光纖傳感器原理：利用光的偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象信息的傳感器。改變偏振的方法：光在磁場中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)；光在電場中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡爾效應(yīng)；物質(zhì)的光彈效應(yīng)；利用光纖的雙折射性。測量對象：電流、磁場、電場、電壓、聲、溫度、壓力、振動等。優(yōu)點：可以避免光源強度變化的影響，因此靈敏度高。3)頻率調(diào)制型光纖傳感器原理：利用由被測對象引起的光頻率的變化來進行監(jiān)測的傳感器。改變頻率的方法：運動物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)；物質(zhì)受強光照射時的喇曼散射；光致發(fā)光。測量對象：速度、流速、振動、壓力、加速度、氣體濃度溫度。9.2光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理與分類4)相位調(diào)制型光纖傳感器原理：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，然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息。改變相位的方法：光彈效應(yīng)；磁致伸縮效應(yīng)；電致伸縮；Sagnac效應(yīng)。測量對象：聲、壓力、振動、電流、磁場、電壓、旋轉(zhuǎn)角速度等。優(yōu)點：靈敏度很高。缺點：但由于需用特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本高。9.2光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理與分類傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測量光纖分類干涉型相光位纖調(diào)傳制感器干涉(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、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaaa非干涉型強光度纖調(diào)傳制感器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模溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏光振纖調(diào)傳制感器法拉第效應(yīng)泡爾效應(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SMMMSMMMb,abbb頻光率纖調(diào)傳制感器多普勒效應(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MMMMMMcbb表9-1光纖傳感器原理及分類9.2光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理與分類(2)根據(jù)光纖的作用1)功能型光纖傳感器

2)非功能型光纖傳感器

3)拾光型光纖傳感器圖9-4光纖傳感器的分類

9.2光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理與分類1）功能型(全光纖型)光纖傳感器光纖作用：光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點：需用特殊光纖和先進的檢測技術(shù)，因此成本高。典型：光纖陀螺、光纖水聽器等。2）非功能型(或稱傳光型)光纖傳感器

光纖作用：光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在非光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。

優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。

缺點：靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。

典型：光纖溫度傳感器，光纖壓力傳感器等。3）拾光型光纖傳感器

光纖作用：用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。

典型：光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。9.3光纖傳感器的主要元器件1、光纖(1)分類階躍型梯度型多模光纖單模光纖圖9-5光常用光纖的結(jié)構(gòu)及其折射率分布的剖面圖(a)階躍型多模(單模)光纖

(b)梯度型多模光纖9.3光纖傳感器的主要元器件(2)光纖的數(shù)值孔徑NANA是衡量光纖聚光能力的參量。

0.2≤NA<0.4(3)光纖傳輸損耗傳感器用光纖，尤其是作為敏感元件用特殊光纖，可放寬其傳輸損耗的要求。一般傳輸損耗<10dB/km的光纖均可采用，這樣的光纖價格較低。(4)色散這是影響光纖信息容量的重要參量。但正如前面指出的，對大多數(shù)傳感器來說，不存在信息容量的問題，因而可以放寬對光纖色散的要求。(5)光纖的強度要求光纖有較高的強度。9.3光纖傳感器的主要元器件2、光源(1)白熾光源(2)氣體激光器(3)固體激光器(4)半導(dǎo)體激光器

1)發(fā)光二極管(LED)2)半導(dǎo)體激光二極管(LD)(5)傳感器用光源的選擇準則

1)根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇輻射強度足夠大的光源，而且要求在敏感元件的工作波長上有最大的輻射功率；

2)光源必須與光纖相匹配，以便獲得最好的耦合效率；

3)光源的穩(wěn)定性要好，能長期在室溫下工作。9.3光纖傳感器的主要元器件3、檢測器(1)半導(dǎo)體光電檢測器(2)光電倍增管(3)光電檢測器的選擇原則

1)在工作波段內(nèi)靈敏度要高。

2)由檢測器引入的噪聲必須最小。

3)可靠性高，穩(wěn)定性好。9.3光纖傳感器的主要元器件>1GHz超過50%0.8～0.9μm最好在1.3～1.5μm受熱噪聲限制，一般P<100nW微型組件（PIN-FET）Si-PIN100pA～1μAGe-PIN1μA～10μA>16Hz60%～90%以上，視材料而定0.4～1.6μm視材料而定受閃爍噪聲限制，一般P>100nW光電二極管（PIN）暗電流響應(yīng)頻率量子效率波段功率范圍光檢測器～100MHz<50%0.1～1.0μm能檢測10-19W，通常用于<1nW功率，過高會損壞陰極光電倍增管(PMT)Si-APD500pA～5AGe-APD5NA～5μA>1GHz90%以上

0.8～0.9μm也可用于1.3～1.5μm增益為10～100時，P<100nW雪崩光電二極管(APD)表9-2各種光電檢測器件的性能9.4光纖傳感器的應(yīng)用1、溫度的檢測（1）遮光式光纖溫度計

圖9-7水銀柱式光纖溫度開關(guān)1—浸液2—自聚焦透鏡3—光纖4—水銀圖9-8熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)1—遮光板2—雙金屬片9.4光纖傳感器的應(yīng)用（2）透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器當(dāng)一束白光經(jīng)過半導(dǎo)體晶體片時，低于某個特定波長λg的光將被半導(dǎo)體吸收而高于該波長的光將透過半導(dǎo)體。這種現(xiàn)象主要是由于半導(dǎo)體的本征吸收引起的，λg稱為半導(dǎo)體的本征吸收波長。電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶引起的吸收稱為本征吸收。當(dāng)一定波長的光照射到半導(dǎo)體上時，電子吸收光能從價帶躍遷入導(dǎo)帶，顯然，要發(fā)生本征吸收，光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg。

hυ≥Egλ=c/υ本證吸收的條件圖9-9GaAs的光譜透射率曲線9.4光纖傳感器的應(yīng)用

半導(dǎo)體的吸收光譜與Eg有關(guān)，而半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度的不同而不同，Eg與溫度t的關(guān)系可表示為

GaAs材料：Eg(0)=1.522eV；α=5.8×10-4

eV/K；β=300K。圖9-10半導(dǎo)體透射測溫原理9.4光纖傳感器的應(yīng)用利用半導(dǎo)體吸收的光纖溫度傳感器的基本結(jié)構(gòu)（雙端式）三種單端式探頭的結(jié)構(gòu)圖9-11半導(dǎo)體光纖溫度計的基本結(jié)構(gòu)圖9-12三種單端式溫度探頭的結(jié)構(gòu)1—光纖2—環(huán)氧膠3—外殼4、6、8—半導(dǎo)體5、7、9—反射膜9.4光纖傳感器的應(yīng)用1）半導(dǎo)體材料采用厚度為0.2mm的半絕緣GaAs材料；2）光源采用AlGaAsLED，其發(fā)光中心波長為880nm，光譜寬度為80nm；3）測溫范圍：

-50～200

℃；4）測定精度為±3

℃

；5）響應(yīng)時間約為2s。圖