電氣測試技術(shù)第4版課件3.12光纖式傳感器

March22,2023《電氣測試技術(shù)（第4版）》

萬頻林德杰李學(xué)聰March22,20233.12光纖式傳感器3.12.1概述3.12.2光纖及光在其中的傳輸3.12.3常用光纖傳感器March22,20233.12.1概述光纖傳感技術(shù)是隨著光纖通信和集成光學(xué)技術(shù)而發(fā)展起來的一門新型傳感技術(shù)，例如，靈敏度高，響應(yīng)速度快，抗電磁干擾，耐腐蝕，電絕緣性好，防燃防爆，可以柔性繞屈，適于遠(yuǎn)距離傳輸，便于與計(jì)算機(jī)連接以及與光纖傳輸系統(tǒng)組成遙控、遙測等。因此，光纖傳感器發(fā)展異常迅速。光纖傳感器可以檢測許多物理量，從原理上講，幾乎所有物理量都可以用光纖傳感器來檢測。通常按被測對象不同，可分為壓力、溫度、流量、速度、加速度、振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)動(dòng)、電壓、電流、磁場、應(yīng)變及化學(xué)量、生物量等光纖傳感器。光纖傳感器一般可分為兩大類，一類是利用光纖本身的某些特性或功能制成的傳感器，稱為功能型傳感器；另一類是光纖僅起傳輸光波的作用，必須在光纖端面加裝其他敏感元件才能構(gòu)成傳感器，稱為傳光型傳感器。功能型傳感器是利用被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾哪承┨匦匀鐝?qiáng)度、相位、頻率和偏振態(tài)等發(fā)生變化，這種已被調(diào)制的光信號，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)信號放大或處理后，以被測量的單位和數(shù)值表示出來?？梢?，光源、光的傳輸、光電變換和電信號的處理是光纖傳感器的基本要素。光纖傳感器的光源，常用發(fā)光二極管和激光器。光電轉(zhuǎn)換元件常用光電二極管、光電三極管、光電倍增管等。March22,20233.12.2光纖及光在其中的傳輸1.光纖的結(jié)構(gòu)

光纖的結(jié)構(gòu)見圖3-127，它由具有很小直徑的分層玻璃或塑料圓柱體構(gòu)成。2.光纖的類型

按照光從纖芯到包層的折射率的變化規(guī)律，光纖可分為階躍型、漸變型和單模型三種，見圖3-128。圖3-127光纖的結(jié)構(gòu)圖3-128光纖的類型March22,20233.光在光纖中的傳輸

光線以各種不同入射角射到纖芯并射至纖芯與包層的交界面時(shí)，光線在該交界面處有一部分透射入包層，一部分反射見圖3-129。數(shù)值孔徑：可見，某種光纖的臨界入射角是由光纖的纖芯折射率和包層折射率決定的。數(shù)值孔徑是向光纖入射信號光波難易程度的參數(shù)。光纖的越大，表示該光纖可以在較大入射角范圍內(nèi)輸入全反射光，并保證此光波能沿纖芯向前傳輸。圖3-129光線在階躍光纖中的傳輸March22,20233.12.3常用光纖傳感器光纖傳感器的種類很多，工作原理各不相同，但都離不開光的調(diào)制和解調(diào)兩個(gè)環(huán)節(jié)。光調(diào)制就是把某一被測信息加載到傳輸光波上，這種承載了被測信息的調(diào)制光再由光探測系統(tǒng)解調(diào)，便可獲得所檢測的信息。常用的光調(diào)制有強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制和偏振態(tài)調(diào)制等幾種。每一種類的傳感器都可利用上述的各種調(diào)制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，而每一種具體的調(diào)制技術(shù)又有很多方法來實(shí)現(xiàn)。因此，這是光纖傳感器中非?；钴S的研究領(lǐng)域。March22,2023光纖壓力傳感器

1.強(qiáng)度調(diào)制

強(qiáng)度調(diào)制的原理是以被測參數(shù)所引起的光強(qiáng)度的變化來實(shí)現(xiàn)對被測參數(shù)的檢測的。把一根多模光纖夾持在兩塊具有周期性波紋的微彎板（變形器）之間，見圖3-130。圖3-130光纖的微彎效應(yīng)March22,20232.光纖壓力傳感器

圖3-131為基于全內(nèi)反射破壞原理，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制的一種高靈敏度光纖壓力傳感器結(jié)構(gòu)。圖3-131光纖壓力傳感器的結(jié)構(gòu)1－膜片2－光吸收層3－墊圈4－光導(dǎo)纖維5－橋式光接收器6－發(fā)光二極管7－殼體8－棱鏡9－上蓋

March22,2023光纖溫度傳感器1.相位調(diào)制

相位調(diào)制的基本原理是通過被測量場的作用，使置于被測量場中的一段單模光纖的光波相位發(fā)生變化，再用干涉測量技術(shù)把相位變化變換為光強(qiáng)度的變化，從而求得被測物理量。2.光纖溫度傳感器引起光纖長度和折射率變化的因素主要有：溫度、壓力、張力、振動(dòng)、位移等物理量，因此利用相位調(diào)制也可以制造各種各樣的傳感器。

利用馬赫－澤德干涉儀的光纖溫度傳感器見圖3-132。它由激光器、擴(kuò)束器、分束器、兩個(gè)顯微物鏡、兩根單模光纖（一根為測量臂，另一根為參考臂）、光電探測器等組成。圖3-132利用馬赫－澤德干涉儀的光纖溫度傳感器March22,2023圖3-133利用法布里－珀羅干涉儀的光纖溫度傳感器這種干涉儀利用光纖內(nèi)多次反射所形成的光束產(chǎn)生干涉。為增加反射率，光纖的兩個(gè)端面均拋光并鍍有多層介質(zhì)。光纖的一部分繞在加有50Hz正弦電壓的壓電變換器上，因而光纖的長度受到調(diào)制。只有在產(chǎn)生干涉的各光束通過光纖后出現(xiàn)相位差（是整數(shù)）時(shí)，輸出才達(dá)到最大，光電探測器獲得周期性的連續(xù)光脈沖。當(dāng)被測溫度變化使光纖中的光波相位發(fā)生變化時(shí)，輸出脈沖峰值的位置將發(fā)生變化，據(jù)此就可反映出溫度變化的規(guī)律。March22,2023光纖振動(dòng)傳感器1.偏振調(diào)制

偏振調(diào)制的基本原理是利用某些物質(zhì)的電光效應(yīng)、磁致旋光效應(yīng)和光彈性效應(yīng)等，使經(jīng)過這些物質(zhì)的光的偏振態(tài)發(fā)生變化，從而反映出作用在這些物質(zhì)上的電、磁及作用力等的大小，實(shí)現(xiàn)對各種物理量的測量。2.光纖振動(dòng)傳感器

該傳感器是一種振動(dòng)加速度測量系統(tǒng)，利用光彈性效應(yīng)引起被調(diào)制光強(qiáng)度變化，通過檢測被調(diào)制后光強(qiáng)的變化測量加速度。圖3-134光纖振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)1－光源2－光探測器3－起偏器4－光彈元件5－振動(dòng)方向6－質(zhì)量塊7－檢偏器8－微透鏡

March22,2023光纖血流傳感器1.頻率調(diào)制

前述的強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制主要應(yīng)用于功能型光纖傳感器中。頻率調(diào)制主要應(yīng)用于非功能型光纖傳感器中，調(diào)制環(huán)節(jié)在光纖的外面，光纖僅起傳輸光波的作用。

圖3-135多普勒效應(yīng)頻率調(diào)制的原理是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)，即由于觀察者和目標(biāo)的相對移動(dòng)，觀察者接受到的光波頻率要發(fā)生改變。March22,20232.光纖血流傳感器

光纖血流計(jì)是根據(jù)多普勒