光纤传感器课件_8

第八章光纤传感器 光导纤维传感器 简称光纤传感器 是20世纪七十年代迅速发展起来的一种新型传感器 光纤最早用于通讯 随着光纤技术的发展 光纤传感器得到进一步发展 与其它传感器相比较 光纤传感器有如下特点 1 不受电磁干扰 防爆性能好 不会漏电打火 2 可根据需要做成各种形状 可以弯曲 3 可以用于高温 高压 绝缘性好 耐腐蚀 基本采用石英玻璃 主要由三部分组成中心 纤芯 外层 包层 护套 尼龙料 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质 纤芯折射率n1略大于包层折射率n2 n1 n2 8 1光纤的结构与传光原理 8 1 1光纤的结构 100 200 m 包层 玻璃纤维 尼龙外层 涂敷层 纤芯 外层直径1mm 光纤的传播基于光的全反射 当光线以不同角度入射到光纤端面时 在端面发生折射后进入光纤 光线在光纤端面入射角 减小到某一角度 c时 光线全部反射 只要 c 光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播 最后从另一端面射出 8 1 2光纤的传光原理 图8 4光纤导光示意图 由斯奈尔 Snell 定律 就能产生全反射 可见 光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质 n1 n2 决定的 与光纤的几何尺寸无关 若满足 即 入射角的最大值为 将sin 0定义为光导纤维的数值孔径 用NA表示 则 NA意义讨论 NA表示光纤的集光能力 无论光源的发射功率有多大 只要在2 c张角之内的入射光才能被光纤接收 传播 若入射角超出这一范围 光线会进入包层漏光 一般NA越大集光能力越强 光纤与光源间耦合会更容易 但NA越大光信号畸变越大 要选择适当 产品光纤不给出折射率N 只给数值孔径NA 8 1 3光纤的种类 光纤按纤芯和包层材料的性质分类 有玻璃光纤和塑料光纤两类 按折射率分有阶跃型和梯度型二种 光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来分 可分为多模光纤和单模光纤两类 多模光纤多用于非功能型 NF 光纤传感器 单模光纤多用于功能型 FF 光纤传感器 8 2光纤传感器的工作原理及组成 8 2 1光纤传感器的工作原理及种类 光纤传感器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 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 光是一种电磁波 式中A 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 即可获得所需要的被测量的信息 8 2 2光纤传感器的类型 光纤传感器一般可分为两大类 一类是功能型传感器 传感型 另一类是非功能型传感器 传输型 1 按照光纤在传感器中的作用来分 功能型光纤传感器 传感型 这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能 光纤不仅起到传光作用 而且在被测对象作用下 如光强 相位 偏振态等光学特性得到调制 调制后的信号携带了被测信息 非功能型光纤传感器 传输型 传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介 待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的 光纤的状态是不连续的 光纤只起传光作用 2 按光在光纤中被调制的原理分 强度调制型 相位调制型 频率调制型 波长调制型 偏振态调制型 3 按测量对象分 光纤位移传感器 光纤温度传感器 光纤流量传感器 光纤图像传感器 8 2 3光源 1 白炽灯 用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通 一般白炽灯的辐射光谱是连续的 发光范围 可见光 大量红外线和紫外线 所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号 特点 寿命短而且发热大 效率低 动态特性差 但对接收光敏元件的光谱特性要求不高 是可取之处 2 激光器激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一 具有高方向性 高单色性和高亮度三个重要特性 激光波长从0 24 m到远红外整个光频波段范围 激光器种类繁多 按工作物质分类 固体激光器 如红宝石激光器 气体激光器 如氦 氖气体激光器 二氧化碳激光器 半导体激光器 如砷化镓激光器 LD 1 固体激光器典型实例是红宝石激光器 是1960年人类发明的第一台激光器 它的工作物质是固体 种类 红宝石激光器 掺钕的钇铝榴石激光器 简称YAG激光器 和钕玻璃激光器等 特点 小而坚固 功率高 钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件 已达到几十太瓦 固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用 利用阿波罗登月留下的反射镜 红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量 2 气体激光器工作物质是气体 种类 各种原子 离子 金属蒸汽 气体分子激光器 常用的有氦氖激光器 氩离子激光器 氪离子激光器 以及二氧化碳激光器 准分子激光器等 其形状像普通的放电管一样 能连续工作 单色性好 它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域 3 半导体激光器 LD 与前两种相比出现较晚 其成熟产品是砷化镓激光器 特点 效率高 体积小 重量轻 结构简单 适宜在飞机 军舰 坦克上应用以及步兵随身携带 如在飞机上作测距仪来瞄准敌机 其缺点是输出功率较小 目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域 由半导体PN结构成 其工作电压低 响应速度快 寿命长 体积小 重量轻 因此在光纤传感器系统和中 低速短距离光纤通信系统中得到广泛应用 3 发光二极管 LED LightEmittingDiode 半导体中 由于空穴和电子的扩散 在PN结处形成势垒 从而抑制了空穴和电子的继续扩散 当PN结上加有正向电压时 势垒降低 电子由N区注入到P区 空穴则由P区注入到N区 称为少数载流子注入 所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合 注入到N区里的空穴和N区里的电子复合 这种复合同时伴随着以光子形式放出能量 因而有发光现象 8 3光纤传感器的应用 例8 1光纤温度开关 图水银柱式光纤温度开关1浸液 2自聚焦透镜 3光纤 4水银 图热双金属式光纤温度开关1遮光板 2双金属片 例8 2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 例8 3膜片反射式光纤压力传感器 Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图 在Y形光纤束前端放置一感压膜片 当膜片受压变形时 使光纤束与膜片间的距离发生变化 从而使输出光强受到调制 光纤被夹在一对锯齿板中间 当光纤不受力时 光线从光纤中穿过 没有能量损失 当锯齿板受外力作用而产生位移时 光纤则发生许多微弯 这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中 例8 4微弯光纤压力传感器 微弯光纤压力传感器 原来光束以大于临界角 C的角度 1在纤芯内传输为全反射 但在微弯处 2 1 一部分光将逸出 散射入包层中 当受力增加时 光纤微弯的程度也增大 泄漏到包层的散射光随之增加 纤芯输出的光强度相应减小 因此 通过检测纤芯或包层的光功率 就能测得引起微弯的压力 声压 或检测由压力引起的位移等物理量 物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性 将输入物理量变换为调制的光信号 例8 5光纤涡街流量计 图光纤涡街流量计 光源 探测器 光纤夹 密封胶 液体流管 光纤 张紧重物 频谱分析记录 当流体流动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时 在某些条件下会在流体的下游两侧产生有规则的旋涡 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 周期产生的旋涡将使物体受到一个周期的压力 若物体具