第八章光纖傳感器

第八章光纖傳感器第一頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期四本章學習要求：1.掌握傳感器工作原理——全反射2.掌握光纖傳感器的性能參數(shù)、種類、特點3.了解傳感器的應用——光纖渦流流量計第二頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期四8.1光導纖維及其傳光原理光纖是一種光信號的傳輸媒介。光纖的結(jié)構：最內(nèi)層的纖芯是一種截面積很小、質(zhì)地脆、易斷裂的光導纖維，制造材料可以是石英、玻璃或塑料。纖芯的外層由折射率比纖芯小的材料制成。由于纖芯與包層之間存在著折射率的差異，光信號得以通過全反射在纖芯中不斷向前傳播。光纖的最外層是起保護作用的外套。通常是將多根光纖扎成束并裹以保護層制成多芯光纜。一、光纖結(jié)構和種類

第三頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期四光纖的種類：1）按纖芯和包層的材質(zhì)：玻璃光纖、塑料光纖。2）按折射率的變化：階躍型、漸變型（聚焦光纖）。3）按傳播模式：單模光纖、多模光纖。單模光纖直徑較小，只能傳輸一種模式。其優(yōu)點是：信號畸變小、信息容量大、線性好、靈敏度高；缺點：纖芯較小，制造、連接、耦合較困難。多模光纖直徑較大，傳輸模式不只一種。其缺點是：性能較差。優(yōu)點：纖芯面積較大，制造、連接、耦合容易。2R2rn2n1n0光纖結(jié)構n2n1纖芯包層第四頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期四光纖傳輸?shù)膬?yōu)點：1）頻帶寬：光纖支持很寬的帶寬（1014～1015HZ），覆蓋了紅外線和可見光的頻譜。2）速率高：單模光纖的傳輸速率能達到幾Gb/s。3）抗干擾能力強：抗電磁干擾能力強，且光束本身又不向外輻射，適用于長距離的信息傳輸及安全性要求較高的場合。4）光纖衰減較小，中繼器的間距較大。光纖的缺點：系統(tǒng)成本較高、不易安裝與維護、易斷裂等。

第五頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期四二、光導纖維傳光的基本原理

1、斯乃爾定理（Snell‘sLaw）（折射定律）n1n2ba(a)光的折射示意圖

可見，入射角a增大時，折射角b也隨之增大，且始終a

﹤b。n1、n2、a、b之間的數(shù)學關系為n1sina=n2sinb

當光由光密物質(zhì)(折射率大)入射至光疏物質(zhì)時發(fā)生折射，如圖(a)，其折射角大于入射角，即n1＞n2時，b＞a。當b=90o時，a仍＜90o，此時，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D（b），稱為臨界狀態(tài)。這時有n1n2bac(b)臨界狀態(tài)示意圖

光進入纖芯在纖芯和包層的界面發(fā)生全反射，全反射是光纖傳光的基礎。sinb＝sin90o＝1sinac

=n2/n1ac

=arcsin(n2/n1)ac——臨界角第六頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期四當a＞ac并繼續(xù)增大時，b＞90o，這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖(c)，其出射光不再折射而全部反射回來。n1n2ba(c)光全反射示意圖2、光纖結(jié)構及傳光原理分析光纖導光原理，除了應用斯乃爾定理外還須結(jié)合光纖結(jié)構來說明。光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯和玻璃包層兩個同心圓柱的雙層結(jié)構組成。

2R2rn2n1n0光纖結(jié)構n2n1纖芯包層

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界面，光線在這個界面上反射傳播。

第七頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期四3、光纖的數(shù)值孔徑NAθjθcacABCDEFGKOOn0n2n1光纖導光示意圖光纖的孔徑角：當光照射光纖的端面時，光纖端面的臨界入射角2θc。表示光纖能接收光的范圍。為圓錐角sinθc定義為光纖的數(shù)值孔徑，用NA(NumericalAperture)表示。表示光纖的聚光能力。N0sinθc=n1sinθjn1sinac=n2sin900因θj=90o－ac，得：

在光纖端面，無論發(fā)射功率有多大，只有在2θc張角之內(nèi)的入射角才能被光纖接收傳播。NA越大，光纖的聚光能力越強，光纖與光源之間的耦合越容易。但NA越大，光信號的畸形越大。一般要求：0.2≤NA<0.4sinθc=第八頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期四4、色散、傳播損耗色散：光脈沖信號在光纖的輸出端被展寬，出現(xiàn)明顯失真，這種現(xiàn)象稱為色散。材料色散：纖芯的折射率隨波長的變化而引起。模間色散：各種模式不同的傳播速度引起（多模光纖）。波導色散：光纖的傳輸常數(shù)與波長間的非線性引起。光信號在光纖中的傳播不可避免地存在著損耗。光纖傳輸損耗主要有材料吸收損耗（因材料密度及濃度不均勻引起）、散射損耗（因光纖拉制時粗細不均勻引起）、光波導彎曲損耗（因光纖在使用中可能發(fā)生彎曲引起）。傳播損耗第九頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期四光纖傳感器的特點：極高的靈敏度和精度抗電磁干擾高絕緣強度耐腐蝕集傳感與傳輸于一體能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等光纖傳感器受到世界各國的廣泛重視。光纖傳感器已用于位移、振動、轉(zhuǎn)動、壓力、速度、加速度、電流、磁場、電壓、溫度等70多個物理量的測量。在生產(chǎn)過程自動控制、在線檢測、故障診斷、安全報警等方面有廣泛的應用前景。8.2光纖傳感器的工作原理與組成第十頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期四8.2光纖傳感器的工作原理與組成1、基本工作原理

外界因素（溫度、壓力、振動等）對光纖的作用，會引起光波特征參量（振幅、相位、頻率、偏振態(tài)）發(fā)生變化。由光源、光纖耦合器、光纖、光探測器等組成。光源

體積盡量小，以利于它與光纖耦合；光源發(fā)出的光波長應合適，減少光在光纖中傳輸?shù)膿p失；光源要有足夠亮度，以便提高傳感器的輸出信號。另外還要求光源穩(wěn)定性好、噪聲小、安裝方便和壽命長等。2、傳感器的組成第十一頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期四光探測器光探測器的作用是把傳送到接收端的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，以便作進一步的處理。它和光源的作用相反，常用的光探測器有光敏二極管、光敏三極管、光電倍增管等。8.2光纖傳感器的工作原理與組成光纖傳感器使用的光源種類很多，按照光的相干性可分為相干光和非相干光。非相干光源有白熾光、發(fā)光二極管；相干光源包括各種激光器，如氦氖激光器、半導體激光二極管等。第十二頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期四8.2光纖傳感器的工作原理與組成1）功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對外界信息具有敏感檢測能力的光纖作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學特性(光強、相位、偏振態(tài)等)的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。信號處理光探測器光纖敏感元件光發(fā)送器光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三大類。3、傳感器的分類(按照光纖在傳感器中的作用)第十三頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期四優(yōu)點：結(jié)構緊湊、靈敏度高。缺點：須用特殊光纖，成本高。典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。干涉型光纖水聽器結(jié)構第十四頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期四8.2光纖傳感器的工作原理與組成3、傳感器的分類(按照光纖在傳感器中的作用)2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器

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。光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術，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。信號處理光探測器敏感元件光發(fā)送器光纖第十五頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期四優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現(xiàn)，成本低。缺點：靈敏度較低。典型例子：光纖溫度計實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。第十六頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期四8.2光纖傳感器的工作原理與組成3、傳感器的分類(按照光纖在傳感器中的作用)3）拾光型光纖傳感器

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。其典型例子如光纖激光多普勒速度計等。信號處理光受信器光發(fā)送器光纖耦合器被測對象第十七頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期四8.2光纖傳感器的工作原理與組成3、傳感器的分類按照光波調(diào)制原理強度調(diào)制型相位調(diào)制型頻率調(diào)制型波長調(diào)制型偏振態(tài)調(diào)制型按照測量對象的不同光纖位移傳感器光纖溫度傳感器光纖流量傳感器光纖圖像傳感器第十八頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期四8.3光纖傳感器的應用1、光纖壓力傳感器

利用彈性體的受壓變形，將壓力信號轉(zhuǎn)換成位移信號，從而對光強進行調(diào)制。下圖為簡單的利用Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當膜片受壓變形時，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強受到調(diào)制。膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖光源接收121