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第九章光导纤维式传感器 光纤式传感器使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 光纤传感器的主要特点有 1 电绝缘 2 抗电磁干扰 3 非侵入性 4 高灵敏度 5 容易实现对被测信号的远距离监控 一 斯乃尔定理当光有光密物质进入光疏物质 发生折射时入射角小于折射角 如图 根据斯乃尔定理有 9 1光导纤维导光的基本原理 有上式可知 当入射角增大时 折射角也增大 且始终 当时 此时出射光线沿界面传播 称为临界状态 此时当时 这时便发生全反射现象 其出射光不再折射而全部反射回来 二 光纤结构光纤通常由圆柱形的玻璃纤维芯和玻璃包层两个同心圆柱的双层结构 参见图 纤芯位于光纤中心部位 纤芯的折射率比包层的折射率大 三 光纤导光几何光学原理及数值孔径NA光纤导光原理 参见图 由图中可知由上式得 由图知 所以综合上面公式得 考虑空气的折射率约等于1 上式简化为当时 考虑上式中称为相对折射率差 定义为光纤的数字孔径NA 由以上分析只有的入射光线才能在光纤界面上发生全反射 从而被光线传输 四 光纤导光波动光学解释与几何光学解释的关系几何光学把光源看成射线源 光的传播问题就是射线的轨迹问题 完全不涉及波动的概念 随之也就不再涉及波长或波数等 在波长与所讨论系统的空间尺寸比较起来可忽略不计时 用几何光学或射线分析来研究光学现象有形象鲜明 数学处理简单 能达到工程上满意精度的优点 射线分析的误差随着波长与系统线度比的增大而增大 所以几何光学是波动光学在波长趋于零时的极限 参考书 光纤理论与技术 曾甫泉编著 西安交通大学出版社 1990年10月第1版 一 光纤传感器的结构原理传统传感器是将其它物理量转化为电量 其信号传输和处理均由金属导线连接 光纤传感器将被测物理量转换为光信号 信号的传输采用光纤完成 9 2光纤传感器结构原理及分类 从本质上讲 光是一种电磁波 在讨论光的敏感测量时 必须考虑光的电矢量的振动 通常电矢量可表示为有上式知 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变化而变化 即可完成测量过程 二 光纤传感器的分类 一 根据光纤在传感器中的作用分为功能型 非功能型和拾光型三大类 1 功能型 全光纤型 光纤传感器 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 2 非功能型 传光型 光纤传感器光纤在其中仅起导光作用 光照在非光线型敏感元件上受被测量调制 3 拾光型光纤传感器光纤作为探头 接收由被测对象辐射的光或被其反射 散射的光 二 根据光受被测对象的调制形式分为 强度调制型光纤传感器 偏振调制光纤传感器 频率调制型光纤传感器 相位调制型传感器 一 光纤常见光纤有阶跃型和梯度型多模及单模光纤 它们的结构参见下图 9 3光纤传感器的主要元件 一 光纤的数值孔径NANA是衡量光纤聚光能力的参量 从提高光源与光纤之间耦合效率的角度看 要求采用NA大的光纤 但NA越大 光纤的模色散越严重 传输信息的容量就越小 对大多数光纤传感器应用来说 不存在信息容量的问题 因此 传感器所用光纤具有最大数字孔径为宜 一般要求 二 光纤传输损耗由于作为传感器的光纤其长度都很短 最多数米长 因此对光纤传输损耗要求很低 一般传输损耗 10dB km的光纤均可采用 这样的光纤价格很低 三 色散色散是影响光纤信息容量的重要参量 对于大多数传感器来说 不存在信息容量的问题 因而可以放宽对光纤色散的要求 二 光源 一 白炽灯光源这类光源通常为钨丝灯 其辐射近似为黑体辐射 其优点是 价廉 容易获得 使用方便 缺点 稳定性差 寿命短 通常几百小时 辐射密度小 只能与光纤束和粗芯阶跃光纤配合使用 二 气体激光器常用的气体激光器 主要是氦氖激光器 其主要优点有 1 相干性好 最好的相干长度达180km 2 容易实现单模工作 线宽非常窄 约1kHz 3 辐射密度高 4 噪声小 三 固体激光器固体激光器又称为晶体激光器 其优点是 体积小 坚固耐用 高功率 高辐射密度 发射光谱均匀且窄 容许单模工作 缺点是 相干性和频率稳定性都不如气体激光器 四 半导体激光器特点是 体积小巧 坚固耐用 寿命长 106h 107h 可靠性高 辐射密度适中 电源简单 分为非相干的发光二极管 LED 和相干的激光二极管 LD 1 发光二极管发光二极管分为表面出光 端面出光和超辐射等三种 其共同特点是相干长度只有数微米 输出与电流接近线性 可直接进行幅度调制 表面出光LED是多模光纤系统的良好光源 由于它的辐射角大 与光纤耦合率很低 不适合干涉型光纤传感器或单模光纤中 端面出光LED有很高的空间相干性 而无时间相干性 其耦合率较表面出光LED要好 超辐射LED是一种细长条形结构的端面出光LED 它提高了端面出光LED的输出功率 有较好的定向输出 减小了光谱密度 需要较大的激励电流 2 半导体激光二极管LDLD是具有谐振腔 异质结构的LED 其辐射功率大都在10mW左右 但它的辐射密度高达108W Sr cm2 左右 工作波长在850nm 900nm 平均寿命可达106h以上 五 传感器用光源选择准则选用准则有 1 辐射强度足够大 且光谱特性与光敏元件的光谱特性相匹配 2 光源必须与光纤相匹配 以获得最佳耦合效率 3 光源稳定性好 能长期稳定的工作 三 检测器 一 半导体光电检测器这类检测器主要有PIN光电二极管 雪崩式光电二极管 PIN FET微型组件等 雪崩式光电二极管APD的优点是本身具有增益 但雪崩增益是一个随机过程 增益的均方值 m2 大于其平均值的平方 M2 于是产生过剩噪声 通常用噪声因子F m m2 M2来描述 二 光电倍增管倍增过程可很好控制 不存在过剩噪声 三 光电检测器件的选择原则光电检测器件选择的主要依据是 获得理想的光信号强度 光背景电平和所需要的信噪比等 一 温度检测 一 遮光式光纤温度计下面图中为两种不同的遮光式光纤温度计 9 4光纤传感器的应用 二 透射型半导体光纤温度传感器当一束白光 经过半导体晶体片时 低于某个特定波长的光将被半导体吸收而高于该波长的光将透过半导体 称为本征吸收波长 入射光子通过光电效应 将电子从价带激发到导带 称为本征吸收 要发生本征吸收 入射光子的能量必须大于半导体的禁带宽度 即将上式转化为波长表示 得到产生本征吸收的条件为 2006 11 27JC204 对于波长大于的光能透过半导体 而波长小于的光将被半导体强烈吸收 由上可知 半导体吸收光谱与禁带宽度有关 而半导体材料的禁带宽度随温度变化而变化 即对于GaAs材料 由实验得到由此可知 半导体的本征吸收波长随温度升高而增大 即透射率曲线向长波方向移动 若采用发射光谱与半导体的相匹配的发光二极管作为光源 则透射光强将随温度的升高而减小 参见下图 利用半导体吸收的光纤温度传感器其结构如下图 2007 11 15JGLX303 上面简单结构的半导体光纤温度传感器 由于受到光源功率的波动 损耗变化等因素的影响 其精度受到限制 下图为带补偿的光纤温度传感器机构框图 图中LED1为信号光源 其中心波长与半导体本征吸收波长相匹配 LED2为参考光源 其中心波长大于半导体的本征吸收波长 当温度变化时 LED1发射光通过半导体时光强随温度变化而变化 而LED2发射光的透光强度则不变 因此 对于LED1发出的光 在两个探测器PD1和PD2上接收的光强度分别表示为 对于LED2发出的光 在两个探测器PD1和PD2上接收的光强度分别表示为 将分别检测出来后 作如下运算 三 荧光发光型光纤温度传感器某些荧光物质在紫外光激励下能发出可见光 其发射光谱与温度有关 某些波长的荧光强度对温度有强烈的依存关系 而某些波长的荧光强度几乎不受温度变化的影响 因此通过检测特定波长的荧光强度即可测出温度 此种形式的荧光光纤温度传感器能精确地测量 50 200 的温度 检测精度达到0 1 二 压力检测 一 采用弹性元件的光纤压力传感器此种形式的压力传感器是利用压力引起形变 利用形变完成对光强的调制 参见下图 上图中 膜片厚度在0 05mm 0 2mm间 对于四周固定的膜片 在小挠度的条件下 为膜片厚度 其中心挠度与压力的关系如下由上式 可见中心挠度与所加压力呈线性关系 若利用Y型光纤束位移特性的线性区 则传感器的输出光功率与待测压力呈线性关系 用于动态测量时 传感器的固有频率为 下图为改进型的膜反射式光纤压力传感器机构 图中两束输出光强比为 将上式两边取对数 在满足时等式右边展开后取第一项 得从上式可看出 压力与两束光强之比的对数成线性关系 二 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 从而呈现双折射现象 这种效应称为光弹效应 出现双折射时 无论入射光是自然光还是偏振光 都将分解成两束传播速度不同 振动方向相互垂直的线偏振光 2006 12 1JC204 对于光弹效应晶体 两束光线的相位差其中是光弹常数 为元件长度 为机械应力 为波长 光弹式压力传感器结构参见下图 三 微弯式光纤压力传感器微弯式压力传感器是基于光纤的微弯效应 通过压力引起变形器产生位移 使光纤发生微弯对光强进行调制 微弯原理参见下图 光纤 变形器 下面为两种微弯式光纤水听器探头结构 三 液位 流量 流速的检测 一 液位的检测技术1 球面光纤液位传感器球面液位光纤传感器的结构如图所示 多个球面液位光纤传感器安装在不同高度上可以测出多个液位高度 如下图 2 斜面光纤液位传感器结构参见下图 3 单光纤液位传感器结构参见下图 二 流量 流速的检测1 光纤涡街流量计当一个非流线体置于流体中时 流体流动时 某些条件下会在非流线体的后方产生有规律的漩涡 这种漩涡会在该非流线体的两边交替地离开 每个漩涡产生并离开时会在物体上产生一侧向力 于是物体在该力的作用下发生振动 振动频率近似与流速成正比即 光纤涡街流量计的结构参见下图 光纤涡街流量计的特点是可靠性好 对被测流体阻力小 但在流速很小时 光纤振动会消失 因此存在一定的测量下限 2 光纤多普勒流速计参见下图 激光束照射到流体上 发生散射 由于流体在流动 使得光电传感器接收到的散射光发生多普勒频移 3 气液两相流的光纤检测技术气液两相流是气体和液体的混合流体 在透明液体中存在气泡时 可以对气泡的流速 气泡直径和气泡率等参数进行测量 检测原理参见下图 根据菲涅尔反射定律 在上图中三种情况下 从光纤端面反射回光纤的反射光强分别可表示为另外 在气泡和液体的界面上也要产生反射 由于气泡的运动 反射光与输入光之间存在多普勒频移 其频移为 在气泡接近光纤端部及气泡将要经过光纤端部时 光纤端面反射光与气泡端面反射光混合后形成拍频信号 光强变化频率为和 下图为