《传感技术与应用》(第二版)第11章光纤传感器.ppt

传感技术与应用（第二版） 第11章 光纤传感器 把光纤通讯、直接信息交换和把待测量与光纤内 部的导光联系起来，形成了光纤传感器。 光纤传感器具有灵敏度高、响应速度快、动态范 围大、抗电磁干扰能力强、超高电绝缘、防燃、 防爆、安全性能高、耐腐蚀、材料资源丰富、成 本低、体积小、灵巧轻便、使用方便等优点。 光纤传感器可实现的传感物理量很广，广泛应用 于对磁、声、力、温度、位移、旋转、加速度、 液位、扭矩、转矩、应变、光、电流、电压、传 像及某些化学量测量等，应用前景十分广阔。 一、光纤的基本知识 （一）什么是光纤 能传输光线的纤维就叫做光导纤维，现在简称光纤 ，在光学技术上又叫做光波导。 （二） 光纤的结构 光纤是一种多层介质 结构的对称圆柱体， 通常由纤芯、包层和 外套组成。 （三） 光纤的种类 1、按其工作原理分类 利用其它敏感元件测得的物理量，由光纤进行传输的，称为传输型（非功能 型）光纤传感器。 利用外界物理因素，改变光纤中光的强度、相位偏振态或波长，从而对外界 参数进行检测的，称为敏感型（功能型）光纤传感器。 2、按照传输信息型式分类 （1）光强（振幅）调制型。这是利用光通过光纤时，光强的变化来检测各种 物理量。 （2）相位干涉型。是利用外界因素对光纤中光波相位的变化不定期检测各种 物理量。 （3）偏振态调制型。是利用外界因素对光纤中横向偏振发生变化来检测各种 物理量。 （4）波长调制型。是利用外界因素对光纤中传播光波波长发生变化来检测各 种物理量。 （5）频率调制型。利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率变化来测 量外界物理量。 3、按光纤折射率变化规律分类 （1）阶跃型 （2）梯度型 4、按光纤传输模数分类 （1）单模光纤 （2）多模光纤 5、按制成光纤材料分类 （1）高纯度石英（SiO2）玻璃光纤 （2）多组分玻璃光纤 （3）塑料光纤 6、按用途分类 有通讯光纤和非通讯光纤 （四） 光纤的传光原理 1、光的反 射规律。光 线全部反射 回光密媒质 内部，称为 光被全反射 2、阶跃型 多模光纤的 传光过程。 （五） 光纤的 主要参数 1、传播损耗。 2、光纤强度。 3、色散。 （1）材料色散。 （2）波导色散。 （3）多模色散。 4、容量。 5、抗拉强度。 6、数值孔径。 二、 光纤传感器的基本原理、分类及结构 （一）、光纤传感器的基本原理 光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤 送入调制器，使待测量参数与进入调制区的光相互作用 后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相 位、偏振态等）发生变化，成为被调制信号光，再经过 光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。 （二）、光纤传感器分类 （1）传光型 （2）传感型 2、根据光受被测对 象调制形式分类 （1）强度调制型光纤传感器 （2）偏振调制型光纤传感器 （3）频率调制型光纤传感器 （4）相位调制传感器 （5）波长调制传感器 （三）、光纤传感器的特点 （1）电绝缘。因为光纤本身是电介质，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，特别适用于高压供电系统及大容量 电机的测试。 （2）抗电磁干扰。这是光纤测量及光纤传感器极其独特的性能特征，因此光 纤传感器特别适用于高压大电流、强磁场噪声、强辐射等恶劣环境中，能解 决许多传感器无法解决的问题。 （3）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。因 此，它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。 （4）高灵敏度。高灵敏度是光学测量的优点之一。利用光作为信息载体的光 纤传感器的灵敏度很高。它是某些精密测量与控制的必不可少的工具。 （5）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，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。 除此之外，光纤传感器还具有以下三大特点。 （1）光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗很小，目前损耗能达到 0.2dB/Km的水平。 （2）光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。 （3）光纤传感器体积小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏及 远距离测量。 （四）、光纤传感器的结构 1、光源：（1）白炽光源。 （2）气体激光器。 （3）晶体激光器。（4）固态光源。（5）光源选择准则。 光纤传感器由光源、光纤、光电元件三部分构成。光纤传感器由光源、光纤、光电元件三部分构成。 2、光电元件 （1）光电二极管 （2）雪崩光电二极管 （3）肖特基光电二极管 （4）光电晶体管 三、光纤传感器的应用 （一） 光纤传感 器的应用特点 1、电学性质好。 2、光学性质好。 3、机械性质好。 4、化学性质好。 （二）光纤传感 器基本构成 （1）发送检测部分。 （2）信号传输部分。 （3）接收处理部分。 （四）功能型光纤传感器举例 （一） 相位调制型光纤传感器 1、相位调制的原理 2、相位调制型光纤压力和传感器 （二） 光强调制型光纤传感器 光纤微弯曲位移和压力传感器是光强调制型光纤传感器的典型例子。 n光纤微弯曲传感器的一个突出优点是光功率维持在光纤内部，这样就 可以免除周围环境污染的影响，适宜在恶劣环境中使用。另外，它还有 灵敏度高（能检测小至100Pa的压力变化）、结构简单、动态范围宽、 线性度较好、性能稳定等优点。 （三）偏振态调制型光纤传感器 偏振态调制型光纤传感器的典型应用例子之一是输电线 电流的测量。 根据法拉弟旋光效应，由电流所形成的磁场会引起光纤 中线偏振光的偏转。检测偏转角的大小 ，就可得到相应 的电流值。 （四） 光纤磁场传感器 一种方式是利用导光的光纤本 身的法拉弟效应测量磁场，即 将单模光纤绕在镍圆柱体上， 放在磁场里。磁场改变通过光 纤传播的光的偏振状态。 另一种方式是用全玻璃光纤 马赫-泽德干涉仪测定由磁 致伸缩材料护套引起的光纤 纵向应变，由于磁致伸缩效 应，产生光纤长度的改变， 作为干涉仪中的相移而被检 测。 （五）、 非功能型光纤传感器 1. 传输光强调制型 光纤传感器 传输光强调制型光 纤传感器，一般是 在输入光张与输出 光纤之间放置有机 械式或光学式的敏 感元件。敏感元件 在物理量的作用之 下，对传输的光强 进行调制，如吸收 光的能量、遮断光 路、改变光纤之间 的相对位置等。 2. 反射光强调 制型光纤传感器 整个系统由光源、压力膜片、 光敏二极管、Y形光纤束和放 大器等组成。 （三） 频率调制型光纤传感器 频率调制型光纤传感器属于 非功能型光纤传感器，目前 主要是利用光学多普勒效应 实现频率调制。其基本原理 是利用光学多普勒效应，即 由于观察者和平共处目标的 相对运动，观察者接收到的 光波要发生改变。 光学多