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Chapter 9 光纤传感器,光纤传感器,光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。 它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。 光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。,光纤传感器,优点 电绝缘性能好。 由于光纤本身是电介质，而且敏感元件也可用电介质材料制作，因此光纤传感器具有良好的电绝缘性，特别适合高压供电系统及大容量电机的测试。 抗电磁干扰能力强。 这是光纤测量及光纤传感器独特的性能特征，因此光纤传感器特别适用于大电流、强磁场噪声、强辐射等恶劣的环境中，能解决许多传统传感器无法解决的问题。,光纤传感器, 非侵入性。 由于传感头可做成电绝缘的，而且其体积可以做得很小（最小是只大于纤芯的芯径），因此，他不仅对电磁场是非侵入式的，而且对速度场也是非侵入式的，故对被测场不产生干扰。这对于弱电磁场及小管道内流速、流量等的检测特别具有使用价值。 高灵敏度。 高灵敏度是光学测量的优点之一，利用光作为信息的载体的光纤传感器的灵敏度很高，它是某些精密测量和控制必不可少的工具。,光纤传感器, 容易实现对被测信号的远距离监控。 由于光纤的传输损耗很小（目前石英玻璃系光纤的最小损耗可低达0.16dB/km，因此光纤传感器技术与遥测技术相结合，很容易实现对被测场的远距离监控。这对于工业生产过程的自动控制以及对核辐射、易燃、易爆气体和大气污染等进行监测,光纤传感器,机械 电子仪器仪表 航空航天 石油 化工 生物医学 环保 电力 冶金 交通运输 轻纺 食品 军事 生产过程自动控制 在线检测 故障诊断 安全报警 位移 速度 加速度 振动 应变 压力 流量 液位 温度 电流 电压 磁场,9.1 光导纤维导光的基本原理,光纤的结构 纤芯、包层、涂敷层、护套。 纤芯直径：5150m；石英 玻璃 塑料； 包层100200m；n1n2 涂敷层隔离杂光。 护套提高机械强度。,图1 光纤传感器结构的示意图,9.1 光导纤维导光的基本原理,斯乃尔定理 当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，其折射角大于入射角，即n1n2时，ri。 n1 n2 r i之间的数学关系为：,图2 光在不同物质分界面的传播,9.1 光导纤维导光的基本原理,入射角i增大时，折射角r也随之增大，且始终ri。 当r=90时，i仍90，此时，出射光线沿界面传播如图(b)，称为临界状态。这时有： 式中：i0临界角 当ii0并继续增大时，r90，这时便发生全反射现象，如图(c)，其出射光不再折射而全部反射回来。,i0=arcsin(n2/n1),sini0=n2/n1,sinrsin901,9.1 光导纤维导光的基本原理,图3 光纤导光示意图,9.1 光导纤维导光的基本原理,9.1 光导纤维导光的基本原理,9.1 光导纤维导光的基本原理,9.1 光导纤维导光的基本原理,数值孔径(Numerical Aperture) 数值孔径反映纤芯接收光量的多少，是标志光导纤维接收性能的一个重要参数。 其意义是无论光源发射功率有多大，只有张角之内的光功率能被光纤接收传播。 一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但数值孔径太大，光信号畸变也越严重，所以要适当选择。,9.1 光导纤维导光的基本原理,传播损耗 由于光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等影响，光信号在光纤中传播不可避免地要有损耗。 以A来表示传播损耗(单位为dB)， 则 式中， 为光纤长度； 为单位长度的衰减； I0为光导纤维输入端光强； I为光导纤维输出端光强。,9.2 光纤传感器的结构原理及分类,1. 光纤传感器结构原理 光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。 由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。,1. 光纤传感器结构原理,由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件，在这里，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号转变为电信号，最后经信号处理系统处理得到被测量的值。 传统传感器是以机电测量为基础的；光纤是以光学测量为基础的。,1. 光纤传感器结构原理,光是一种电磁波，其波长从极远红外的1mm到极远紫外线10nm。电磁波的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场引起。因此，在讨论光的敏感测量时必须考虑光的电矢量E的振动。通常用下式表示： 只要使光的强度、偏振态（矢量的方向）、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或者说受被测量调制，那么就可以通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得被测量的信息。,2. 光纤传感器的分类,(1) 根据光纤的传感器中的作用： 功能型 非功能型 拾光型 (2) 根据光受被测对象的调制形式： 强度调制型光纤传感器 偏振调制光纤传感器 频率调制光纤传感器 相位调制传感器,2. 光纤传感器的分类,功能型 光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。 光纤连续。 典型例子如光纤陀螺、光纤水听器等 。,图5 根据光纤在传感器中的作用 （a）功能型光纤传感器,2. 光纤传感器的分类,非功能型 光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。 光纤不连续。,图5 根据光纤在传感器中的作用 （b）非功能型光纤传感器,2. 光纤传感器的分类,拾光型 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。 其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。,图5 根据光纤在传感器中的作用 （c）拾光型光纤传感器,2. 光纤传感器的分类,注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型,2. 光纤传感器的分类, 强度调制型光纤传感器 利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化实现敏感测量的传感器。 光纤的微弯损耗，各物质的吸收特性，振动膜或液晶的反射光强度的变化，物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象，以及物质的荧光辐射或光路的遮断等构成压力、振动、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。 优点 结构简单、容易实现、成本低。 缺点 受光源强度的波动和连接器损耗变化等的影响较大。,2. 光纤传感器的分类,偏振调制光纤传感器 利用光的偏振态的变化传递被测对象信息的传感器。 利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器； 利用光在电场中的压电晶体内传播的泡克尔斯效应做成的电场、电压传感器； 利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器； 及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。 优点 避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高。,2. 光纤传感器的分类,频率调制光纤传感器 利用由被测对象引起的光频率的变化进行监测的传感器。 利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器； 利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器； 利用光致发光的温度传感器等。,2. 光纤传感器的分类,相位调制传感器 利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，然后用干涉仪检测这种相位变化而得到被测对象的信息。 利用光弹效应的声、压力或振动传感器； 利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器； 利用电致伸缩的电场、电压传感器； 利用Sagnac效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)； 特点：灵敏度很高，但由于需用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本很高。,9.3 光纤传感器的应用,温度的检测 遮光式光纤温度计功能型 热双金属式光纤温度开关 压力检测 采用弹性元件的光纤压力传感器 光弹性式光纤压力传感器 微弯式光纤压力传感器 液位检测 流量检测,作业件检测,颜色检测,9.3 光纤传感器的应用温度,遮光式光纤温度计 一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。,9.3 光纤传感器的应用温度,热双金属式光纤温度开关 利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。 当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。 测温范围：1050； 检测精度：0.5。 缺点 输出光强受壳体振动的影响； 响应时间较长，一般需几分钟。,9.3 光纤传感器的应用压力,采用弹性元件的光纤压力传感器 利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。,9.4 光纤传感器的应用压力,对于周边固定的膜片，在小挠度(y0.5t，t为膜片厚度)的条件下，膜片的中心挠度y为： R膜片有效半径；t膜片厚度； p外加压力；E膜片材料的弹性模量； 为膜片的泊松比。 传感器的固有频率可表示为：,9.3 光纤传感器的应用压力,光纤束的一端分成三束，其中一束为输入光纤，两束为输出光纤。 三束光纤在另一端结合成一束，并且在端面成同心环排列分布。,9.3 光纤传感器的应用压力,当压差为零时，膜片不变形，反射到两束输出光纤的光强相等，即I1I2。 当膜片受压变形后，使得处于里面一圈的光纤束，接收到的反射光强减小，而处于外面一圈的光纤束2接到的反射光强增大，形成差动输出：,9.3 光纤传感器的应用压力,若选用的光纤束中每根光纤的芯径为70m，包层厚度为3.5m，纤芯和包层折射率分别为1.52和1.62，则该传感器可获得115dB的动态范围，线性度为0.25。 采用不同的尺寸、材料的膜片，即可获得不同的测量范围。,9.3 光纤传感器的应用压力,光弹性式光纤压力传感器 晶体在受压后其折射率发生变化，呈现双折射的现象称为光弹性效应。 利用光弹性效应测量压力的原理及传感器结构如图。,偏振光,,9.3 光纤传感器的应用压力,输出光用偏振分光镜分别检测出两个相互垂直方向的偏振分量；并将这两个分量经“差和”电路处理，即可得到与光源强度及光纤损耗无关的输出。,9.3 光纤传感器的应用压力,微弯式光纤压力传感器 基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。 用于声压检测的微弯式光纤水听器的探头结构,9.3 光纤传感器的应用压力,9.3 光纤传感器的应用液位,球面光纤液位传感器 光由光纤的一端导入,在球状对折端部一部分光透射出去,而另一部分光反射回来,由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。,9.3 光纤传感器的应用液位,斜端面光纤液位传感器 反射式斜端面光纤液位传感器的两种结构。同样，当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤的光强减小。这种形式的探头在空气中和水中时，反射光强度差约在20dB以上。,9.3 光纤传感器的应用液位,单光纤液位传感器 当光纤处于空气中时，入射光大部分能在端部满足全反射条件而返回光纤。 当传感器接触液体时，由于液体 的折射率比空气大，使一部分光 不能满足全反射条件而折射入液 体中，返回光纤的光强就减小。 利用X形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感器。 若在不同的高度安装多个探头，则能连续监视液位变化。,9.3 光纤传感器的应用液位,将光纤端部的尖顶略微磨平，并镀上反射膜。 即使有液体附着在顶部，也不影响输出跳变。 进一步的改进是在顶部镀反射膜外粘上一突出物，将附着的液体导引向突出物的下端。可以保证探头在离开液位时也能快速地响应。,9.3 光纤传感器的应用流量,光纤涡街流量计 当一个非流线体置于流体中时，在某些条件下会在液流的下游产生有规律的旋涡。这种旋涡将会在该非流线体的两边交替地离开。当每个旋涡产生并泻下时，会在物体壁上产生一侧向力。这样，周期产生的旋涡将使物体受到一个周期的压力。,9.3 光纤传感器的应用流量,若物体具有弹性，它便会产生振动，振动频率近似地与流速成正比。即， v流体的流速； d物体相对于液流方向的横向尺寸； s与流体有关的无量纲常数。 通过检测物体的振动频率便可测出流体的流速。 光纤涡街流量计是根据这个原理制成，其结构如图。,fsvd,9.3 光纤传感器的应用流量,当光纤固定时,输出光斑花纹稳定。 当光纤振动时,输出光斑亦发生移动。 对于处于光斑中某个