第7章上課用-光纖傳感器-(有第7章復習題)

第四節(jié)

光纖傳感器

一、概述光纖傳感器是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一門新技術,它是伴隨著光纖及光通信技術的發(fā)展而逐步形成的。光纖傳感器的優(yōu)點：不受電磁干擾,電絕緣性能好；體積小,重量輕,可撓曲,靈敏度高,耐腐蝕,易與微機連接,容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控，便于遙測等。

二、光纖傳感器的基本原理和用途光纖傳感器是利用光在光纖中傳播特性的變化來測量它所受環(huán)境的變化，即用被測量的變化來調(diào)制光纖中的光波，使光纖中的光波參量（幅度、相位、頻率）隨被測量而變化，從而得到被測信號大小。用于壓力、應變、位移、速度、加速度、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等各種物理量的測量,具有極為廣泛的應用前景。三、光纖傳感器的基本知識

1、光纖的結(jié)構(gòu)光纖是光導纖維的簡稱，形狀一般為圓柱形，結(jié)構(gòu)如下圖所示。中心的圓柱體叫纖芯,圍繞著纖芯的圓形外層叫做包層。纖芯和包層由不同摻雜的石英玻璃制成。纖芯的折射率n1略大于包層的折射率n2

；在包層外面還常有一層護套,多為尼龍材料。由護套維持光纖的機械強度。光纖的傳光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì),當滿足一定條件時，光就被“束縛”在光纖里面?zhèn)鞑ァ?、光纖的傳光原理光是沿著直線傳播的。當光纖的直徑比光的波長大很多時,可以用幾何光學的方法來說明光在光纖內(nèi)的傳播。當滿足一定條件時，光在光纖中的傳輸被限制在光纖中,并隨光纖能傳送到很遠的距離，光能夠在光纖中的傳輸條件是：光在光纖中發(fā)生全內(nèi)反射：即，只有反射沒有折射。

如圖，根據(jù)幾何光學理論，當光線以某一較小的入射角，由折射率為n1的光密物質(zhì)射向折射率為n2的光疏物質(zhì)(即n1＞n2)時，則一部分入射光以折射角折射入光疏物質(zhì)，其余部分以角度反射回光密物質(zhì)，根據(jù)折射定律(斯涅爾定律)，光折射和反射之間的關系為：

當光線的入射角增大到某一角度時，透射入光疏物質(zhì)的折射光則沿界面?zhèn)鞑?，即?0°，稱此時的入射角為臨界角。由斯涅爾定律得臨界角僅與介質(zhì)的折射率的比值有關全反射的條件當入射角＞時，光線不會透過其界面，而全部反射到光密物質(zhì)內(nèi)部，也就是說光被全反射。根據(jù)這個原理，如圖所示，只要使光線射入光纖端面的光與光軸的夾角小于一定值，則入射到光纖纖芯和包層界面的角就滿足小于臨界角的條件，光線就射不出光纖的纖芯。光線在纖芯和包層的界面上不斷地產(chǎn)生全反射而向前傳播，光就能從光纖的一端以光速傳播到另一端，這就是光纖傳光的基本原理。由上圖，可以求出從空氣中射入光纖端面的光線能夠發(fā)生全反射的入射角滿足，由于得到光線被“束縛”在光纖里面?zhèn)鞑サ臈l件是：其中稱為光纖的“數(shù)值孔徑”（計算題：P161的第8題）一般光纖所處環(huán)境為空氣,則n0=1

數(shù)值孔徑NA的意義:無論光源發(fā)射功率有多大,只有入射光處于2θc的角度范圍內(nèi),光纖才能導光。如入射角過大,超過了該角度范圍,光線經(jīng)折射后,便會從包層逸出而產(chǎn)生漏光。NA是光纖的一個重要參數(shù)。要適當選擇數(shù)值孔徑NA的值?？偨Y(jié)：光在光纖內(nèi)傳播的條件（1）對于不彎曲光纖：在滿足全反射的條件下，光線就能在纖芯和包層的界面上不斷地產(chǎn)生全反射，呈鋸齒形路線在芯內(nèi)向前傳播，從光纖的一端以光速傳播到另一端。（2）對于彎曲光纖：R—彎曲光纖曲率半徑d—光纖直徑R遠大于4d時，仍能滿足全反射條件，光纖傳輸損耗很??；R小于4d時，不滿足全反射條件，光纖傳輸損耗很大。

3．光纖的種類（1）按折射率來分類分為折射率階躍型光纖和折射率梯度型光纖，如下圖所示。階躍型光纖：纖芯和包層的折射率不連續(xù)，有突變。梯度型光纖：又稱漸變光纖，在中心軸上折射率最大，沿徑向由中心向外呈拋物線逐漸變小，纖芯和包層的交界處n1=n2

。梯度型光纖是自聚焦光纖（入射光線會自動從界面向軸心匯聚，但制造困難）3．光纖的種類（2）按光纖的傳播模式來分類根據(jù)傳輸“?！睌?shù)的不同，光纖可分為單模光纖和多模光纖。什么是光纖的傳播模式？

光纖傳輸?shù)墓獠?，可以分解為沿軸向傳播和沿徑向傳播的兩種平面波成分。后者在纖芯和包層的界面上會產(chǎn)生全反射。當它在橫向往返一次的相位變化為的整倍數(shù)時，將形成駐波。形成駐波的光線組稱為“?！?；即一定纖芯和材料的光纖只能傳輸有限個“?！钡墓?。

單模光纖纖芯直徑僅有幾微米，接近波長。其折射率分布均為階躍型。單模光纖原則上只能傳送一種模數(shù)的光，常用于光纖傳感器。這類光纖傳輸性能好，頻帶很寬，具有較好的線性度；但因芯小，難以制造和耦合。多模光纖允許多個模數(shù)的光在光纖中同時傳播，通常纖芯直徑較大，達幾十微米以上。由于每一個“?！惫膺M入光纖的角度不同，它們在光纖中走的路徑不同，因此它們到達另一端點的時間也不同，這種特征稱為模分散。特別是階躍折射率多模光纖，模分散最嚴重。這限制了多模光纖的帶寬和傳輸距離。漸變折射率多模光纖纖芯內(nèi)的折射率不是常量，而是從中心軸線開始沿徑向大致按拋物線形成遞減，中心軸折射率最大，因此，光纖在纖芯中傳播會自動地從折射率小的界面向中心會聚，光纖傳播的軌跡類似正弦波形，如圖所示，具有光自聚焦效果，故漸變折射率多模光纖又稱為自聚焦光纖。因此漸變折射率多模光纖的模分散比階躍型小得多。四、光纖傳感器在光通訊系統(tǒng)中，光纖被用作遠距離傳輸光波信號的媒質(zhì)。顯然，在這類應用中，光纖傳輸?shù)墓庑盘柺芡饨绺蓴_越小越好。但是，在實際的光傳輸過程中，光纖會受到外界因素的影響，例如溫度、壓力、電磁場等外界條件的變化將引起光纖光波參數(shù)如光強、相位、頻率、、波長等的變化。因此，如果能測出上述光波參數(shù)的變化，就可以知道導致光波參數(shù)變化的各種物理量的大小，于是產(chǎn)生了光纖傳感技術。光纖傳感器按傳感原理可分為功能型和非功能型。1．功能型光纖傳感器如圖，它利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體。功能性光纖傳感器中光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素的作用下，其光學特性(光強、相位、頻率、偏振態(tài)等)的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。這類傳感器主要使用單模光纖。功能型光纖傳感器光纖在這類傳感器中不僅作為光傳播的波導，而且具有測量的功能。由于光纖既是光電材料又是磁光材料，所以可以利用法拉第效應（即磁旋效應）等，制成測量強電流、高電壓等的傳感器；其次，可利用光纖的傳輸特性把輸入量變?yōu)檎{(diào)制的光信號。因為表征光波特性的參量，如振幅（光強）、相位和偏振態(tài)等會隨著光纖的環(huán)境（如應變、壓力、溫度、電場、射線等）而改變，故利用這些特性便可實現(xiàn)傳感測量。1、光強度調(diào)制型光強度調(diào)制光纖傳感器的基本原理：待測物理量引起光纖中傳輸光的光強變化，通過檢測光強的變化實現(xiàn)對待測量的測量。調(diào)制方法大致分為：反射式強度調(diào)制、透射式強度調(diào)制、光模式強度調(diào)制以及折射率和吸收系數(shù)強度調(diào)制等。下圖a)：光纖彎曲時，在纖芯中傳輸?shù)墓庥幸徊糠竹詈系桨鼘又?，原來光束以大于臨界角的角度在纖芯中傳播為全內(nèi)反射，但在彎曲處，光束以小于臨界角的角度入射到界面，部分光逸出，散射到包層。這種檢測原理可以實現(xiàn)對力、位移和壓強等物理量的測量。下圖b)：光纖中光強被油滴所調(diào)制的情況，這是通過改變光纖的折射率來實現(xiàn)光強調(diào)制的方法。圖7-27光強度調(diào)制型光纖傳感器原理圖a)光纖彎曲b)折射率變化2、光相位調(diào)制型其基本原理是：通過被測能量場的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再用干涉測量技術檢測相位變化，從而檢測出待測的物理量。常用的干涉儀有四種：邁克爾遜、馬赫-琴特、薩古納克、法布里-珀羅。

圖7-28馬赫-琴特干涉儀原理圖3、光偏振態(tài)調(diào)制型（偏振態(tài)：光的振動方向）被測量導致光纖中光的偏振態(tài)發(fā)生變化，并能夠建進行檢測這種光的偏振態(tài)變化的光纖傳感器屬于光偏振態(tài)調(diào)制型。如右圖，是光偏振態(tài)調(diào)制型的光纖電流傳感器的原理圖。從激光器發(fā)出的單色偏振光進入單模光纖，單模光纖環(huán)繞被測的導體（被測電流為I）N圈。在電流I產(chǎn)生的磁場的作用下，單模光纖中的光會發(fā)生偏振面的旋轉(zhuǎn)。其旋轉(zhuǎn)角度與被測電流I的關系為：(KV是磁光系數(shù))出射的光經(jīng)棱鏡被分成兩束振動方向互相垂直的偏振光，分別送入兩個光接收器，把接收光強標準化合成為P,得到：P=KK是和光纖特性有關的一個常數(shù)，就可以測出被測電流I。優(yōu)點：量程大，靈敏度高圖7-29光纖電流傳感器一、偏振現(xiàn)象取一根軟繩，一端固定在墻上，手持另一端上下抖動，就在軟繩上形成一列橫波現(xiàn)在，讓軟繩穿過一塊帶有狹縫的木板，如果狹縫與振動方向平行，則振動可以通過狹縫傳到木板的另一側(cè)（圖甲）．如果狹縫與振動方向垂直，則振動就被狹縫擋住而不能向前傳播（圖乙）腰橫別扁擔進不了城門就像：如果將這根繩換成細軟的彈簧，前后推動彈簧形成縱波，則無論狹縫怎樣放置，彈簧上的縱波都可以通過狹縫傳播到木板的另一側(cè)（如下圖）．

通光方向光是橫波,只有橫波有偏振現(xiàn)象而縱波無偏振現(xiàn)象偏振:橫波的振動方向

線偏振光（完全偏振光）

圓偏振光：電場矢量E的軌跡連線是一個圓形光振動（電場矢量E的方向）只沿某一固定方向的光。振動面偏振光（二）非功能型(傳光型)光纖傳感器這類光纖傳感器中光纖僅起導光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成，光纖在系統(tǒng)中是不連續(xù)的。此類光纖傳感器比較容易實現(xiàn)，成本低；但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。非功能型光纖傳感器使用的光纖主要是數(shù)值孔徑和芯徑大的階躍型多模光纖。傳感探針型光纖傳感器:光纖把測量對象輻射的光信號或測量對象反射、散射的光信號傳播到光電元件上,通常使用單?；蚨嗄９饫w。典型的例子有光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。1、光纖位移傳感器如右圖：從發(fā)射光纖出射的光經(jīng)過被測物體（被測量是位移）的表面被反射后，由接收光纖傳送到光電接收器件。接收到的光量和被測位移的關系見右圖（b）右圖（b）初始線性段適合測量微小位移；峰值處適合測量表面粗糙度。發(fā)射光纖和接收光纖的常見組合方式有3種：混合式、共軸內(nèi)發(fā)射式、對半分式。由右圖（b）可見：混合式的靈敏度高；對半分式的測量范圍大。圖7-30反射式光纖位移傳感器a)原理圖b)位移和輸出的關系圖7-31瞬逝波光纖位移傳感器a)原理圖b)位移與輸出的關系下圖是瞬逝波多模光纖位移傳感器的原理圖：兩光纖端面斜切，兩斜切面拋光。兩斜切面的距離小于光波的波長。則光線在接收光纖中形成全內(nèi)反射。接收光纖中耦合到的光量和被測的兩斜切面的位移

d的關系曲線見下圖b)。這種瞬逝波多模光纖位移傳感器量程范圍是光波的波長數(shù)量級，靈敏度可達到納米量級。

２．光纖溫度傳感器

光纖溫度傳感器根據(jù)工作原理可分為相位調(diào)制型、光強調(diào)制型和偏振光型等。這里介紹一種光強調(diào)制型的半導體光吸收型光纖溫度傳感器,下頁圖是這種傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖,它的敏感元件是一個半導體光吸收器,光纖用來傳輸信號。傳感器是由半導體光吸收器、光纖、發(fā)射光源和包括光控制器在內(nèi)的信號處理系統(tǒng)等組成。它體積小、靈敏度高、工作可靠,廣泛應用于高壓電力裝置中的溫度測量等特殊場合。

這種傳感器的基本原理是利用了多數(shù)半導體材料的吸收光波長將隨溫度的增加而向長波方向移動的特性,如果適當?shù)剡x定一種波長在該半導體材料工作范圍內(nèi)的光源,那么就可以使透射過半導體材料的光強隨溫度而變化,從而達到測量溫度的目的。這種光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低、便于推廣應用,可在-10℃····+300℃的溫度范圍內(nèi)進行測量,響應時間約為2秒。

3．光纖開關與定尺寸檢測裝置光纖開關與定尺寸檢測裝置是利用光纖中光強度的跳變來測出各種移動物體的極端位置，如定尺寸、定位、記數(shù)等。特別是用于小尺寸工件的某些尺寸的檢測有其獨特的優(yōu)勢。標志孔電路板標志檢測

當光纖發(fā)出的光穿過標志孔時，若無反射，說明電路板方向放置正確。

光纖耦合器傳輸光纖出射光纖遮斷型光纖開關出射光纖接收光纖

采用遮斷型光纖開關對IC芯片引腳進行檢測

遮斷型光纖開關定位檢測遮斷型光纖開關條形碼檢測

4光纖液體濃度傳感器光纖液體濃度U型敏感元件如圖所示。放入液體中的光纖部分為裸芯，此時液體起到了包層的作用，液體的折射率n2就是包層折射率n。由于折射率的改變致使光在纖芯中傳播的光束模式發(fā)生變化，部分光由低階模式轉(zhuǎn)化為高階模式，故有一部分入射光就不再滿足全反射的條件，就會在兩種媒質(zhì)的交界面處發(fā)生光的折射現(xiàn)象，致使一部分光能量損失掉。對于給定的光纖材料，出射光強I與入射光強I0之間存在著如下關系：r為彎曲半徑；為入射光波長；為衰減系數(shù)，與光纖彎曲半徑r、入射光波長及液體的折射率n2有關；l為彎曲光纖的長度。4光纖陀螺儀光源發(fā)出的光在A點分為兩束，一束為順時針傳播的光束b，另一束為逆時針傳播光束a。當系統(tǒng)角速度=0時，兩光束從A點出發(fā)，經(jīng)相同光程又回到A點。設光軌道由N匝光纖構(gòu)成，光軌道的半徑為R，光纖總長度為L。兩束光繞行一周的光程為當干涉儀相對慣性空間以角速度旋轉(zhuǎn)時，對于慣性參考系中的觀測者來說，光從點A進入干涉儀，兩束反向光束依然以真空中的光速c傳播，但經(jīng)過一段時間后分束點已從點A移動到了點A'，與干涉儀旋轉(zhuǎn)方向一致的光束的光程要長于相應的反向傳播的光束的光程。設順時針光束b繞行一周的時間為tb，則它的實際光程為：設逆時針光束a繞行一周的時間為ta，則它的實際光程為由此可得兩束光繞行一周到達分束點的時間差為則相位差為:利用光的干涉原理測出干涉光的相位變化，可知道旋轉(zhuǎn)速度。5光纖高溫測量系統(tǒng)消耗型光纖輻射溫度計系統(tǒng)構(gòu)成測量時，測量光纖插入鋼水內(nèi)部約40

cm深。光纖可采用金屬套層光纖，光纖插入鋼水瞬間，光纖被燒蝕，端面形成半圓形凹面，這時，在金屬套層被燒蝕前，光纖最前端可近似視為黑體。在測量段光纖被燒蝕前，鋼水測量點處的溫度可傳出。鋼水內(nèi)部溫度通過對光纖端面的輻射由光纖傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換及單片機處理系統(tǒng)。利用輻射式測溫原理，測溫公式為：

6光纖氣體傳感器光纖氣體傳感器是利用氣體在石英光纖透射窗口(0.8～1.7)內(nèi)的吸收峰進行測量，由氣體吸收產(chǎn)生的光強衰減，得到氣體的濃度。所依據(jù)的基本原理為比爾-朗伯定律:I為透射光的強度；I0為入射光的強度；α()為氣體吸光系數(shù)，它與光波長有關；L為吸收介質(zhì)的厚度；C為吸收介質(zhì)的濃度。測甲烷(CH4)的原理圖第7章復習題一、填空1，光電式傳感器由（輻射源）、（光學通路）和（光電器件）三部分組成。2，按照工作原理不同，人造光源可以分為（熱輻射光源）、(氣體放電光源)、(激光光源)、和(電致發(fā)光光源)等。3，光電效應有三種類型:（外光電效應)、(內(nèi)光電效應)和(光生伏特效應)。4，在光照射下，物體的導電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應稱為（光電效應）5，光電式傳感器是利用光敏元件將（光

)信號轉(zhuǎn)換為（電）信號的裝置。6，光纖的類型按折射率變化類型分類有(階躍)型折射率光纖，(漸變)型折射率光纖，按傳播模式的多少分類有(單模)光纖、(多模)光纖。7，光線在纖芯和包層的界面上不斷地產(chǎn)生全反射而向前傳播的條件是：入射角(大于)臨界角2、光敏電阻適