第12章光纤传感器

.,第12章光纤传感器,光导纤维简称光纤光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术，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：不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。,.,第12章光纤传感器,（1）光纤的结构和传输原理光纤结构：,基本采用石英玻璃，有不同掺杂，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（N1N2）。,.,第12章光纤传感器,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。,（1）光纤的结构和传输原理光纤的传光原理：,.,第12章光纤传感器,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。,.,第12章光纤传感器,10.3光纤传感器（2）光纤的性能（几个重要参数）数值孔径（NA）,临界入射角c的正弦函数定义为光纤的数值孔径.,空气中：,.,第12章光纤传感器,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2c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，石英光纤的数值孔径一般为：,.,第12章光纤传感器,光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同，模式值定义为：,（2）光纤的性能（几个重要参数）光纤模式（V）,.,第12章光纤传感器,光纤模式,.,第12章光纤传感器,模式讨论：模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号，导致合成信号畸变。模式值V小，就是值小，即纤芯直径小，只能传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。,.,第12章光纤传感器,光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗，用率减率A表示：,在一根率减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传输1Km后，光强下降到入射时的1/10。,（2）光纤的性能（几个重要参数）传播损耗（A）,.,第12章光纤传感器,光纤目前可以测量70多种物理量，光纤的类型较多，大致可分为功能型和非功能型两类。光纤传感器进行产品检测动画,(3)光纤传感器应用,.,第12章光纤传感器,功能型FF（FunctionFibreOptilSensor）又称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。,(3)光纤传感器应用,.,第12章光纤传感器,马赫泽德干涉仪,分束器1把激光器的输出光束分成两部分，经上、下光路的传输后又重新合路，使其在光检测器处互相干涉。这种干涉仪灵敏度，可精确到10-13nm。但实现非常困难，限制在实验室工作。,.,第12章光纤传感器,光纤干涉传感器，几公里光路对光纤是容易实现的。在光源和检测器之间，干涉仪只含光纤元件，换能把被测量转换成光束的相位变化，利用集成和光电技术可把所有元件装入一个很小装置内与光纤对接耦合。,光纤干涉传感器原理各种光纤耦合器,.,第12章光纤传感器,马赫泽德光纤干涉仪原理,.,第12章光纤传感器,NFF（Non-FunctionFibreOptilSensor）称传光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。,非功能型,.,第12章光纤传感器,利用半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。敏感元件是一个半导体光吸收器，光纤用来传输信号。当光源的光强度经光纤达到半导体薄片时，透过薄片的光强受温度的调制温度T升高，材料吸收光波长向长波移动，半导体薄片透过的光强度变化。,光纤温度传感器,.,第12章光纤传感器,利用光纤实现无接触位移测量。光源经一束多股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤传送到光敏元件上。被测物体与光纤间距离变化，反射到接受光纤上，光通量发生变化。再通过光电传感器检测出距离的变化。,反射式光纤位移传感器,.,第12章光纤传感器,反射式光纤位移传感器,.,第12章光纤传感器,反射式光纤位移传感器一般是将发射和接收光纤捆绑组合在一起，组合的形式有不同，如：半分式、共轴式、混合式，混合式灵敏度高，半分式测量范围大。,反射式光纤位移传感器,.,第12章光纤传感器,工作原理：由于光纤有一定的数值孔径，当光纤探头端紧贴被测物体时，接收光敏元件无光电信号；被测物体逐渐远离光纤时接收光纤照亮的区域B2越来越大；当整个接收光纤被照亮时，输出曲线达到光峰值；被测体继续远离时部分光线被反射光信号减弱，曲线下降。,反射式光纤位移传感器,.,第12章光纤传感器,反射式光纤位移传感器,.,第12章光纤传感器,讨论：前坡区输出信号的强度增加快，位移输出曲线有较好的线性关系，可进行小位移测量；后坡区信号随探头和被测体之间的距离增加而减弱，该区域可用于距离较远要求不高的测量；光