第九章光纤传感器.ppt

传感器原理及应用 主讲人 刘贵敏 第9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 9 1光纤的结构与传光原理 9 1 1光纤的结构 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 9 1 2光纤的传光原理 图9 2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 9 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 9 2光纤传感器的结构原理及分类 9 2 1光纤传感器结构原理 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 9 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 又称FF型光纤传感器 另一类是非功能型传感器又称NF型光纤传感器 功能型光纤传感器 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 9 2 3光纤传感器的发展方向 光纤传感器的发展方向主要有以下几个方面 以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象 集成化光纤传感器 多功能全光纤控制系统 充分发挥光纤的低传输损耗特性 发展远距离监测系统 开辟新领域 9 3光纤传感器的调制形式 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 PM aaaaa 非干涉型 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光纤漏泄膜 温度 振动 压力 加速度 位移温度温度振动 压力 加速度 位移振动 压力 位移气体浓度液位 MMMMMMSMMMMMMM bbbbbbb 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 SMMMSMMM b abbb 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 MMMMMM cbb 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 9 3光纤传感器的调制形式 9 3 1强度调制 9 3 2偏振调制 1 普克耳 Pockels 效应 当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高压 晶体将呈现双折射现象 这种现象称为普克耳效应 在晶体中 两正交的偏振光的相位变化为 图9 5普克耳效应 2 法拉第磁光效应 平面偏振光通过带磁性的物体时 其偏振光面将发生偏转 这种现象称为法拉第磁光效应 光矢量旋转角 式中V 正常光折射率 L 物质中的光程 H 磁场强度 图9 6法拉第磁光效应 磁场 偏振光片 磁光材料 L 检偏片 光源 3 光弹效应 在垂直于光波传播方向施加压力 材料将会产生双折射现象 其强弱正比于应力 这种现象称为光弹效应 偏振光的相位变化为 式中k 物质光弹性系数 P 施加在物体上的压强 l 光波通过的材料长度 图9 7光弹效应实验装置 9 3 3频率调制 主要利用光学多普勒效应实现频率调制 如图 观察者在O处观察到的频率为fs 根据多普勒原理可得 9 3 4相位调制 相位调制的基本原理是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 使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化 通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量 从而得到被测对象的信息 光信号相位的变化 与温度变化 T的关系为 线膨胀系数 l 光纤的长度 n T 折射率温度系数 n 纤芯平均折射率 0 自由空间光波长 传播常数与纤芯半径的变化率 9 3 5波长调制 波长调制是利用被测量改变光纤中光的波长 再通过检测光波长的变化来测量各种被测量 波长调制的优点是它对引起光纤或连接器的某些器件的稳定性不敏感 因此被广泛应用于液体浓度的化学分析 磷光和荧光现象分析 黑体辐射分析及法布里 珀罗等光学滤波器上 其缺点是解调技术较复杂 但采用光学滤波或双波长检测技术后 可使解调技术简化 9 4光纤传感器的应用 例9 1光纤温度开关 图9 9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9 10热双金属式光纤温度开关1遮光板 2双金属片 例9 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9 3透射型半导体光纤温度传感器 半导体的吸收光谱与材料的禁带宽度Eg有关 而Eg却随温度的不同而不同 Eg与温度t的关系可表示为 半导体材料的Eg随温度的上升而减小 亦即其本征吸收波长 g随温度的上升而增大 这个性质反映在半导体的透光性上则表现为 当温度升高时 其透射率曲线将向长波方向移动 若采用发射光谱与半导体的 g t 相匹配的发光二极管作为光源 则透射光强度将随着温度的升高而减小 即通过检测透射光的强度或透射率 即可检测温度变化 图9 12半导体透射测量原理 利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式探头结构如图 光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返回 在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收 则出射光强将随温度的变化而变化 例9 4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9 5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 例9 6光弹式光纤压力传感器 图9 17光弹性式光纤压力传感器1 7起偏器 2 81 4波长板 3 9光弹性元件 4 10检偏器 5光纤 6自聚焦透镜 从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光 当有与入射光偏振方向呈45 的压力作用于晶体时 使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光 由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强 即可测出压力的变化 其中1 4波长板用于提供一偏置 使系统获得最大灵敏度 b 传感器结构 例9 7球面光纤液位传感器 图9 19球面光纤液位传感器 a 探头结构 将光纤用高温火焰烧软后对折 并将端部烧结成球形 光由光纤的一端导入 在球状对折端部一部分光透射出去 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 被测介质的折射率与光纤折射率越接近 反射光强度越小 显然 传感器处于空气中时比处于液体中时的反射光强要大 例9 8斜端面光纤液位传感器 图9 20斜面反射式光纤液位传感器 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 例9 9单光纤液位传感器 图9 21单光纤液位传感器结构1光纤 2耦合器 当光纤处于空气中时 入射光的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 则能连续监视液位的变化 为了防止当探头离开液体时 由于有液滴附着在探头上 传感器不能立即响应 可作一些改变 将光纤端部的尖顶略微磨平 并镀上反射膜 这样 即使有液体附着在顶部 也不影响输出跳变 另外可在顶部镀的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 可保证探头在离开液位时也能快速地响应 例9 10光纤涡街流量计 图9 23光纤涡街流量计 当流体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 若物体具有弹性 便会产生振动 振动频率近似地与流速成正比 因此 通过检测物体的振动频率便可测出流体的流速 由上式可知 流体的流速与涡流频率呈线性关系 光纤涡街流量计便是根据这个原理制