昆明理工大学检测技术光纤传感器课程设计

课程设计报告光纤传感器原理、结构线路及其应用学 院: 信息工程与自动化班 级: 姓 名: 学 号: 指导老师: 陈 焰 2014 年 12 月 25 日昆明理工大学课程设计光纤传感器目 录摘 要 .11. 光纤传感器概述 .11.1 光纤传感器研究背景 .11.2 研究的目的及意义 .22. 原理 .32.1 光导纤维导光的基本原理 .32.1.1 斯乃尔定理（ Snells Law） .32.1.2 光纤结构 .42.1.3 光纤导光原理及数值孔径 NA .52.2 光纤传感器结构原理 .62.3 光纤传感器的分类 .72.3.1 根据光纤在传感器中的作用 .82.3.2 根据光受被测对象的调制形式 .93. 光纤传感器的应用 .103.1 温度的检测 .103.1.1 遮光式光纤温度计 .103.1.2 透射型半导体光纤温度传感器 .113.2 压力的检测 .123.2.1 采用弹性元件的光纤压力传感器 .123.2.2 光弹性式光纤压力传感器 .143.3 液位的检测 .163.3.1 球面光纤液位传感器 .163.3.2 斜端面光纤液位传感器 .173.3.3 单光纤液位传感器 .183.4 流量、流速的检测 .193.4.1 光纤涡街流量计 .193.4.2 光纤多普勒流速计 .20总 结 .21参考文献： .22昆明理工大学课程设计光纤传感器1摘 要光纤传感器(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。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。近年来，传感器朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能;绝缘、无感应的电气性能;耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方(如高温区或者对人有害的地区，如核辐射区)，起到人的耳目作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。关键词: 光纤 传感器 测量 结构 原理 应用 1. 光纤传感器概述1.1 光纤传感器研究背景近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区） ，或者对人有害的地区（如核辐射区） ，起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成，利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性，一个窄带的，投射或反射，滤光器或反射镜。 1978 年加拿大通信研究中心的 K O Hill 及其合作者首次从接错光纤中观察到了光子诱导光栅。Hill 的早期光纤是采用 488nm 可见光波长的氛离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来 Meltz等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。1989 年 第一支布拉格诺振波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。 光纤传感就是将被测量的变化转化为光纤中传输光参数(如光强、波长、相位以及偏振态) 的变化，通过测量光纤的输出光来确定被测量的大小。光纤传感昆明理工大学课程设计光纤传感器2技术在国际上是七十年代后期迅速发展起来的新技术。而光纤传感器就是随光纤通讯及光纤传感等相关技术而飞速发展起来的一类新型传感器。 光纤传感器与传统的传感器相比主要差别在于传统的传感器是以应变电量为基础，以电信号为转换及传输的载体，用导线传输电信号，因而使用时受到环境的限制，如环境湿度太大可能引起短路，特别是在高温和易燃、易爆环境中容易引起事故等。而光纤传感器是以光信号为变换和传输的载体，利用光纤传输信号，它具有许多独特的优点:(1)不受电磁干扰光信息在光纤中传输时，它不会与电磁场产生作用。因而，信息在传输过程中抗电磁干扰能力强，使其特别适合于电力系统。 (2)绝缘性能高。现在普遍使用的光纤是由石英玻璃制成的，是一种不导电的非金属材料，其外层的涂覆材料硅胶也不导电，很方便测量带高压电设备的各种参数。(3)防爆性能好、耐腐蚀。由于光纤内部传输的是能量很小的光信息不会产生火花、高温、漏电等不安全因素。因此，光纤传感器的安全性能好，适用于有强腐蚀性对象的参数测量。(4)导光性能好。对传输距离较短的光纤传感器来说，其传输损耗可忽略不计，目前利用这一特性制成了锅炉火焰监测器监视火焰的状态。(5)可绕，光纤细而柔软，可制成非常小巧的光纤传感器，用于测量特殊对象及场合的参数。(6)光纤传感器的载体是光，其频率数量级为从而使传感器频带范围很宽，动态范围很大。(7)便于复用，便于成网，有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络。(8)光纤材料简单，便于获得，所以成本低。1.2 研究的目的及意义光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性。而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的。这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理想的关键器件。1978 年 K.O.Hill 等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成第一只光纤光栅经过二十多年来的发展，在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景。随着光纤光栅制造技术的不断完善，光纤光敏性逐渐提高各种特种光栅相继问世，光纤光栅某些应用已达到商用化程度。光纤传感器的优越性使其在军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。目前，世界上已有光纤传感器上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。而今，光纤传感器正处于发展阶段，人们正在探索新的方法和新的结构。同时，也存在着许多问题要解决。例如，常规光纤具有偏振态漂移、模间干扰等特点，使光纤传感器的应用受到了限制，为此急需寻找新的光纤为光纤传感器注入活力，光子晶体光纤就是人们寄予希望的新型光纤昆明理工大学课程设计光纤传感器3之一。光纤传感器凭借着其大量的优点已经成为传感器家族的后起之秀，并且在各种不同的测量中发挥着自己独到的作用，是在生产实践中值得注意的一种传感器，为传感器家族中不可缺少的一员。2. 原理2.1 光导纤维导光的基本原理光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此, 采用几何光学的方法来分析。 2.1.1 斯乃尔定理（Snells Law）当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图 1，其折射角大于入射角，即 n1 n2时， r i。 n1、 n2、 r、 i之间的数学关系为n1sin i=n2sin r可见，入射角 i增大时，折射角 r也随之增大，且始终 r i。当 r=90 时， i仍90，此时，出射光线沿界面传播如图 2，称为临界状态。这时有sin rsin901 sin i0=n2/n1 i0=arcsin(n2/n1)n1n2 r i图 1光的折射示意图图 2临界状态示意图 昆明理工大学课程设计光纤传感器4式中： i0临界角当 i i0并继续增大时， r90，这时便发生全反射现象，如图 3 ，其出射光不再折射而全部反射回来。图 3光全反射示意图2.1.2 光纤结构分析光纤导光原理，除了应用斯乃尔定理外还须结合光纤结构来说明。光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包皮(包层)两个同心圆柱的双层结构组成。如图 4。图 4光纤结构昆明理工大学课程设计光纤传感器5纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤心折射率 n1比包层折射率 n2稍大些两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。 2.1.3 光纤导光原理及数值孔径 NA入射光线 AB 与纤维轴线 OO 相交角为 i，入射后折射(折射角为 j)至纤芯与包层界面 C 点，与 C 点界面法线 DE 成 k角，并由界面折射至包层，CK 与 DE 夹角为 r，如图 5。则图 5光纤导光示意图n0sin i=n1sin j n1sin k=n2sin r sin i=(n1/n0)sin j sin k=(n2/n1)sin r 因 j=90 k 所以n0为入射光线 AB 所在空间的折射率，一般为空气，故 n 1， nl为纤芯折射率， n2为包层折射率。当 n =1 时 KKki n 2010101 sicos)9s(s rrin221021201inri221ss当 r=90 的临界状态时， i= i0210nni上式 sin i0为“数值孔径” NA(Numerical Aperture)。由于 n1与 n2相昆明理工大学课程设计光纤传感器6差较小，即 n1+n22n 1,故又可因式分解为 si0其中，=( n1-n2)/n1称为相对折射率差 当 r=90 时sin i0=NA i0=arcsin NA当 r90 时，光线发生全反射，则 iNA， iarcsin NA，光线消失。这说明 arcsinNA 是一临界角,凡入射角 iarcsinNA 的那些光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反,只有入射角 iarcsinNA 的光线才可进入光纤被全反射传播 2.2 光纤传感器结构原理以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图 6。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，见图 7。图 6传统传感器 昆明理工大学课程设计光纤传感器7由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，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，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。光是一种电磁波，其波长从极远红外的 lmm 到极远紫外线的 10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量 E 的振动，即tAEsinA电场 E 的振幅矢量； 光波的振动频率； 光相位； t光的传播时间。可见，只要使光的强度、偏振态(矢量 A 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，或受被测量调制，那么，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，获得所需要的被测量的信息。 2.3 光纤传感器的分类传感器 光学现象 被测量 光纤 分类干涉型相位调制光线传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac 效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa非干强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收温度、振动、压力、加速度、位移、温度温度、振动、压力、加速度、位移MMMMMMSMMMMMbbbbbb图 7光纤传感器昆明理工大学课程设计光纤传感器8光纤漏泄膜 振动、压力、位移气体浓度、液位MM b偏振调制光纤温度传感器法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb涉型频率调制光纤温度传感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、加速度气体浓度、温度MMMMMMcbb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2.3.1 根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。1）功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为