傳感器及實(shí)用檢測技術(shù)（第三版）光纖傳感器

光纖傳感器主要內(nèi)容概述光纖傳光基本原理光纖傳感器基本原理光纖傳感器分類主要應(yīng)用領(lǐng)域一、概述光纖的定義光纖是一種介質(zhì)圓柱光波導(dǎo)，所謂“光波導(dǎo)”是指能夠約束并導(dǎo)引光波在其內(nèi)部或表面附近沿其軸線方向傳播的傳輸介質(zhì)。結(jié)構(gòu)：由纖芯、包層、涂敷層、護(hù)套構(gòu)成。光纖傳感器:特點(diǎn):以光波為信息載體,以光纖為傳輸媒質(zhì)優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高;抗電磁干擾；耐惡劣環(huán)境;質(zhì)輕體小;安全可靠;傳輸容量大應(yīng)用范圍:可用于七十多個物理量的測量光纖通訊的歷史1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)-光纖新概念的論文1970年，美國康寧(Corning)以及貝爾研制成功損耗20dB/km的石英光纖1976年，日本電報電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2μm)。1980年，美國標(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用1989年，第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4

海底光纜通信系統(tǒng)建成

光纖傳感器(FOS-FiberOpticalSensor)是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)的區(qū)別。

光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳輸敏感信息的媒質(zhì)。由于它同時具有光纖和光學(xué)測量的特點(diǎn)，因此經(jīng)過三十多年的發(fā)展，已經(jīng)研究和開發(fā)出上百種各種類型的光纖傳感器。二、光纖的結(jié)構(gòu)對稱柱體光學(xué)纖維多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)纖芯：石英玻璃，直徑5-75微米，材料以二氧化硅為主，摻雜微量元素,提高n。包層：直徑100-200微米，折射率略低于纖芯,SiO2。涂敷層：硅酮或丙烯酸鹽---用于隔離雜光。護(hù)套：尼龍或其他有機(jī)材料---提供光纖機(jī)械強(qiáng)度,保護(hù)光纖。特殊場合：沒有涂敷層和護(hù)套---裸纖三、光纖的分類1.按折射率變化類型分類按纖芯到包層折射率變化：階躍折射率光纖漸變折射率光纖2.按傳播模式種類來分單模光纖多模光纖纖芯直徑小只能傳送一種模式傳輸性能好制造、連接、耦合困難纖芯直徑較大傳播模式較多性能較差，帶寬較窄制造容易，耦合容易3.按材料分類高純度石英玻璃纖維：光損耗比較小多組分玻璃光纖：用常規(guī)玻璃制成，損耗也很低塑料光纖：用人工合成導(dǎo)光塑料制成，其損耗較大，但重量輕，成本低，柔軟性好結(jié)論：傳導(dǎo)模：在纖芯中傳輸?shù)墓廨椛淠＃哼M(jìn)入包層的光要求：進(jìn)入光纖中的光要能在纖芯中傳輸，而不要溢出纖芯。即：傳導(dǎo)模盡可能大，輻射模盡可能小，從而獲得最小的傳輸損耗。利用石英玻璃等高透射率電介質(zhì)材料制作的光纖，是可見光至近紅外光最理想的傳輸媒體。四、光在光纖中的傳播4.數(shù)值孔徑（NA）反映纖芯接收光量的多少，標(biāo)志光纖接收性能。意義：無論光源發(fā)射功率有多大，只有2θi張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。如入射角過大，光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。光纖的NA越大，表明它的集光能力越強(qiáng)，一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于提高耦合效率；但數(shù)值孔徑過大，會造成光信號畸變。所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值，如石英光纖數(shù)值孔徑一般為0.2~0.4。

數(shù)值孔徑（NA）定義為功能型非功能型拾光型五.光纖傳感器分類(a)功能型（全光纖型）光纖傳感器

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(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。

缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高，

典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。(b)非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器

光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。 優(yōu)點(diǎn)：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。

缺點(diǎn)：靈敏度較低。 實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。(c)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。

典型例子： 光纖激光多普勒速度計(jì) 輻射式光纖溫度傳感器光纖傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域軍事傳感器光纖制導(dǎo)武器、光纖陀螺、光纖水聽器、光纖加速度計(jì)、光纖壓力傳感器、光纖靈巧蒙皮、光纖戰(zhàn)地化學(xué)傳感器。智能系統(tǒng)光纖機(jī)器人、智能制造與柔性加工、電力繼電保護(hù)與火災(zāi)報警、發(fā)動機(jī)內(nèi)部故障診斷、智能大廈醫(yī)用傳感器胃鏡、神經(jīng)修復(fù)、外科手術(shù)監(jiān)測。六、光纖傳感器的應(yīng)用

(1)球面光纖液位傳感器

光由光纖的一端導(dǎo)入，在球狀對折端部一部分光透射出去，而另一部分光反射回來，由光纖的另一端導(dǎo)向探測器。反射光強(qiáng)的大小取決于被測介質(zhì)的折射率。被測介質(zhì)的折射率與光纖折射率越接近,反射光強(qiáng)度越小。顯然,傳感器處于空氣中時比處于液體中時的反射光強(qiáng)要大。因此，該傳感器可用于液位報警。若以探頭在空氣中時的反射光強(qiáng)度為基準(zhǔn)，則當(dāng)接觸水時反射光強(qiáng)變化–6dB～–7dB，接觸油時變化–25dB～–30dB。

利用光纖實(shí)現(xiàn)無接觸位移測量。光源經(jīng)一束多股光纖將光信號傳送至端部，并照射到被測物體上。另一束光纖接受反射的光信號，并