《光纤传感器》PPT课件

光纤传感器技术,光纤传感器概述,光纤传感技术定义:以光波为信息载体,以光纤为传输媒质或者以光纤为信息敏感器件的同时又作为信息传输介质。发展方向：1)特殊光纤研制。2)提高元器件的性能和稳定性，逐步达到商品化。3)多点检测、遥测、分布式光纤传感器系统。4)新型原理的光纤传感器。,光纤传感器技术的特点,光纤传感器较传统的传感器相比有许多持点：灵敏度高频带宽，测量动态范围大抗电磁干扰，耐高压，耐腐蚀，保密性好，在易燃易爆环境下安全可靠质轻体小，可挠曲，几何形状具有多方面的适应性可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制由光纤传感器组成的光纤传感器系统，便于与计算机相连接，响应快，能实时在线测量和自动控制,光纤传感器的分类,1按传感的原理来分：功能型光纤传感器非功能型光纤传感器2按光纤中光波调制原理来分：强度调制，频率调制，波长调制，相位调制和偏振调制光纤传感器。3按测量对象来分：位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动、应变、电压、电流、磁场、化学量、生物量等光纤传感器。,功能型光纤传感器,利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感器称为功能型传感器：“传”和“感”合为一体，光纤不仅传输光波，而且感知被测参数的变化。光纤本身就是传感头。,非功能型光纤传感器,光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他敏感元件才能构成传感器，称为传光型传感器，即非功能型光纤传感器。它又分为两种。种是将敏感元件置于入射与接收光纤中间，在被测对象的作用下，或使敏感元件遮断光路，或使敏感元件的光透射率发生变化，这样，光探测器所探测光量便成为被测对象调制后的信号；另一种是在光纤一端设置“敏感元件+发光元件”的组合部件，敏感元件感受被测对象的作用并将其转换为电信号后作用于发光元件，而发光元件的发光强度作为测量所得的信息。,光纤传感系统的基本构成,光纤传感器系统包括光源，光纤，传感头，光探测器和信号处理电路等。,光纤传感器的光源的要求,由于光纤传感器中光纤细而长，若使光波能在其中正常传播，并满足测量要求，则对光源的结构与性能有一定要求：(1)由于光纤传感器结构所限，要求光源的体积小，便于与光纤耦合；(2)光源要有足够的亮度，以提高传感器输出的光功率；(3)光源发出的光波长应适合，以减少光波在光纤中传闭时的能量损耗；(4)光源工作时稳定性好、噪声小，能在室温下连续长期工作；(5)光源要便于维护，使用方便。,光纤传感器用光探测器的要求,(1)线性好，按比例地将光信号转换为电信号；(2)灵敏度高，能敏感微小的输入光信号，并输出较大的电信号；(3)响应频带宽、响应运度快，动态特性好；(4)性能稳定，噪声小等。,光调制技术,按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等。,强度调制光纤传感器,光强度调制型：用被测对象引起光纤中光强度的变化实现对被测对象的检测。分为内调制型和外调制型两种外调制型：光纤仅起传光作用，光纤本身特性不改变，调制过程发生在光纤以外的环节。属于传光型传感器。内调制型：调制过程发生在光纤内部，是通过光纤本身特性的改变来实现光强度的调制，属于功能型光纤传感器。有两种途径：1)改变光纤的几何形状，从而改变光线的传播入射角。2)改变光纤纤芯或包层的折射率。如采用电光材料、磁光材料、光弹性材料，微弯效应等。,强度调制的原理,1由光的传播方向改变引起的强度调制2由透射率的改变引起的强度调制3由光纤中光的模式的改变引起的强度调制4由折射率改变引起的强度调制5由光吸收系数的改变引起的强度调制a.利用光纤的吸收特性引起的强度调制b.利用半导体的吸收特性进行强度调制,光的传播方向改变引起的强度调制Intensity-BasedandFabry-PerotInterferometerSensors(1),IntensitySensors(1),MultimodeGratingSensors(2),BasedonRelativeMovementofOpposedGratings,透射率的改变引起的强度调制（1）,透射率的改变引起的强度调制（2）,入射光纤,出射光纤,准直透镜,聚焦透镜,可动遮光屏,Intensity-BasedandFabry-PerotInterferometerSensors(3),Intensitysensors(3):MicrobendSensorsThesensedparameter(strain,pressure,force,position,accelerationcanbemechanicallycoupledtodisplacementofadevicethatdeformsthefiber,Fiber,光纤中光的模式的改变引起的强度调制,微弯调制器,Intensity-BasedandFabry-PerotInterferometerSensors(4),Intensitysensors(3):Liquid-levelsensorThelightreturnedinairwithtotalinternalreflectionfromaprismis15dBabovethevalueinwater.,折射率改变引起的强度调制,Intensity-BasedandFabry-PerotInterferometerSensors(4),Encoder-BasedPositionSensorsUsinganencoderplatetoprovidelinearorrotarydisplacementmeasurement.,Intensity-BasedandFabry-PerotInterferometerSensors(5),VarietyofSensorConstruction,Gradientindexlens,Mirrors,Refractiveindextestliquid,由光吸收系数的改变引起的强度调制,a.利用光纤的吸收特性引起的强度调制X射线，射线会使光纤的吸收损耗增加，输出功率降低，从而构成强度调制的辐射量传感器。改变光纤的材料可对不同的射线进行测量。b.利用半导体的吸收特性进行强度调制大多数半导体对光的吸收都随着温度的变化而线性变化，因此可对输出功率进行调制，制成光纤温度传感器。,移动球镜光学开关传感器,这是种高灵敏度面检测装件。光强为I0的光束,通过发送光纤照射到球镜上。球透镜把光束聚集列两个接收光纤的端面上。当球透镜在平衡位置时，从两个接收光纤得到的光强I1和I2是相同的；如果球透镜在垂直于光路的方向上产生微小位移时，在两个接收光纤上得到的光强I1和I2将发生变化。光强比值I1/I2的对数值与球透镜位移x呈线性关系，但与初始光强无关。,球镜位移与光强比值的变化关系,反射型光纤位移传感器,光源发出的光进入发送光纤,从光纤测头端面射出，照射到A面上,A面的反射光有一部分进入接收光纤。当A面到测头端面之间的距离z变化时,进入接收光纤的光强度出随之发生变化,从而使光探测器上发出的电信号也随之发生变化。很明显。这是种振幅调制型的位移传感器。,反射镜面,频率调制光纤传感器,频率调制就是利用外界因素改变光纤中光的频率，通过测量频率的变化来测量外界被测参数。光的频率调制是在有限的一些物理条件下出现的，最重要的物理现象要属反射光束的多普勒频移。此外，还有一些物理现象，如吸收和磷光现象，以及某些非线性光学效应-布里渊散射和卡曼散射等。,多普勒效应,当频率为f的光入射到沿与光线平行方向运动且相对观察者速度为v的物体上时，从该运动物体反射的光的频率将变为fD，这种现象就是众所周知的多普勒效应，fD称为多普勒频率，可由下式确定：由于一般运动物体的速度远小于光速c，因此而得到上式后面的近似式。,若将c=f的关系式代入上式，且假定入射光与v之夹角为，则可得：,或写成多普勒频移：只要能测出f便很容易求出物体运动速度v。,c为真空中光速，为物体至光源方向与物体运动方向之间的夹角。但是一般最关心的还是运动物体所散射的光的频移,而光源与观察者则是相对静止的。对于这种情况可以作为一个双重多普勒频移来考虑。即先考虑从光源到运动物体然后再考虑从运动物体到观察者。,双重多普勒频移,物体P相对于光源S运动时，在P点观察到的光频率f1为：f1=f1-(v/c)21/21-(v/c)cos1频率f1的光通过物体P产生散射，在Q处所观察到的光频率f2为：f2=f11-(v/c)21/21-(v/c)cos2联立，并考虑到vc，可近似把双重多普勒频移公式表示为：f2=f11-cos11-cos2,其中S为光源,P为运动物体,Q是观察者所处的位置。,频率检测,对光的频率的检测不象对强度的检测那样简单-直接将光耦合到探测器上即可。由于光探测器响应速度远低于光频，不能用来测量光频而只能用来测量光强，所以，必须把高频光信号转换为低频信号才能探测频移从而达到测量运动速度的目的。有两种方法可以测量频移，即零差检测和外差检测。,1.零差检测,下图是一个采用零差检测法的光纤运动粒子速度传感器的框图。,激光器,D,M,光纤,频谱分析仪,k1,k2,频率调制零差检测原理,分析,He-Ne激光器发出的频率为f的单色光入射到分束器上，分束器将输入光分成两束，一束由反射镜M送到探测器D上作为参考光，另一束注入光纤，光经光纤传输到运动粒子上，运动粒子产生的具有多普勒频移的后向散射光将部分地被同一光纤接收，经分束器后再到达探测器，这就是信号光，在探测器上信号光和参考光混频产生差频信号。如果参考光为：信号光为：,式中，w0为输入光的角频率；ws为散射光角频率。,在探测器上，两束光叠加，其振幅和强度分别为：,是待测角频率,是入射光强,因此探测器输出的是,的电信号,将这一信号送入频谱分析仪即可求得f的大小，进而得到fs和被测物体的运动速度。,注意,这里需要指出的是，信号频率fs可能大于也可能小于f0，这主要取决于运动物体的运动方向，但常用的频谱分析仪只能显示正频率，对负频率没有意义，因而采用零差检测法测出的f只能测量物体的运动速度的大小，不能获得物体的运动方向的信息。,2.外差检测,下图为采用外差探测法的光纤频率调制系统。,激光器,BS1,f0,f0-f1,M2,BS2,f0,f0-f1,f0+fs,f0+fs,f0,fs+f1,频谱分析,输出,探测器,布拉格盒,入射/出射光纤,被测物,频率调制外差检测系统,分析,He-Ne激光器发出的频率为f0的光经第一分束器BS1分成信号光和参考光，参考光经布拉格盒和反射镜M2后到达第二个分束器BS2，布拉格盒引入一个固定频移f1，使到达探测器上的参考光的频率为fR=f0-f1。BS1出来的信号经反射镜M1和BS2后耦合到光纤中，光纤把信号光引到待测物体上，同时接收被待测物体散射的散射光，散射光的频率为f0+fs（fs为多普勒频移），散射光经BS2后到达探测器，在探测器上，频率为（f0-f1）的参考光与频率为（f0fs）的信号光混频后，出来的电信号的频率为：,fs为多普勒频移，f1为布拉格盒的频移,固定频率的引入能够识别被测物体的运动方向，对与输入光同向运动的物体，fs为正；对与输入光反向运动的物体fs为负。外差检测不仅能获得物体运动的全信息（速度的大小和方向），而且避开了1/f噪声区域，使检测灵敏度提高。,激光多谱勒测速系统,测速点A,偏振片R,为了区别并消除从发射透镜和光纤前端面反射回来的光，在光探测器前装一块偏振片R，从而使光探测器只能检测出与原光束偏振方向相垂直的偏振光。,后向散射光,激光多谱勒测速系统原理,激光沿着光纤入射到测速点A上，然后后向散射光与光纤端面的反射或散射光起沿着光纤返回，其中纤维端面的反射或散射光是作为参考光使用。同时为了区别并消除从发射透镜和光纤前端面反射回来的光，在光探测器前装一块偏振片R，从而使光探测器只能检测出与原光束偏振方向相垂直的偏振光。于是信号光与参考光起经光探测器进入频谱分析器处理，最后分析器给出测量结果。,波长（颜色）调制光纤传感器,波长调制是利用外界因素改变光纤中光能量的波长分布或者说光谱分布，通过检测光谱分布来检测被测参数，由于波长与颜色直接相关，波长调制也叫颜色调制。其原理图如下所示：,光源,入射光纤,接收光纤,S,探测器,光谱仪,Pi（）,Po（）,波长调制原理图,调制方式有以下几种：,1.利用黑体辐射进行波长调制,上图是黑体辐射的调制原理，它不需要外加光源，而是直接由黑体腔收集物体的黑体辐射，并由蓝宝石光纤制成的探头探测，然后把这种宽频带的辐射传送到分光仪或滤光片，通过双波长或者单波长检测就能测出黑体的温度。,2.利用磷光（荧光）光谱的变化进行波长调制,探头是由稀土磷光体做成的，其工作原理是利用稀土磷光体的磷光光谱强度变化来测量温度。磷光体受紫外光照射时，发出两种光谱谱线，其中红色谱线1的强度随温度升高而增加，而绿色谱线2的强度随温度升高而下降，两者的比值是温度的单值函数。,2,1,2/1,强度,温度,利用这一特性可以制成精度很高的光纤温度传感器。,3.利用滤光器参数的变化来进行波长调制,F-P腔光谱调制传感原理,分析：,60W的白炽光源的宽光谱光送入F-P敏感标准具中，F-P腔的Q值做得相当低，那么出射光就有一个很宽的波长范围，输出光纤把出射光传到棱镜分光计中，用一个二极管阵列对分光计输出的光谱取样，当外界因素变化引起F-P腔的参数变化时，光谱就发生变化，用微处理机编程处理易于得到测量结果。,4.利用热色物体的颜色变化进行波长调制,热色物质的波长调制原理,分析,60W的白光经过光纤进入热色溶液，其反射光被另一光纤接收后，分两束分别经过波长为650nm和800nm的滤光片，最后由光电探测器接收。这种热变色溶液的光强与温度的关系如上图右所示，温度为20时，在500nm处有一个吸收峰，溶液是红色；温度升高到70时，在650nm处也有一个吸收峰，溶液是绿色。,在波长为650nm时，光强随温度变化最灵敏，在波长为800nm时，光强与温度无关。因此选这两个波长进行检测就能确定外界物理量。,波长检测,光波波长检测实际上是确定输出光谱及其能量的分布，那么首先就要使各个波长的光分离，棱镜，光栅以及各种滤光片都能达到分光的目的；其次就是各个波长能量的测量。所以波长调制的检测方法之一就是光谱分析法，即用分光仪和电荷耦合器件或者波长响应较宽的光电探测器相结合来检测光谱的能量分布。但在许多情况下并不需要检测输出光的整个光谱分布，而只需检测其中某两个波长的能量变化，所以波长调制的检测方法之二是比色法。,相位调制光纤传感器,光纤传感器中的相位调制，原理就是利用外界因素改变光纤中的相位，通过检测相位的变化来测量外界被测参量。决定光纤中光的相位的因素：光纤波导的物理长度，折射率及其分布，波导横向几何尺寸。干涉技术：目前各类光探测器都不能敏感光的相位变化，必须采用某种技术使相位变化转换为强度变化，才能实现对外界物理量的检测，即干涉技术。光纤传感器中的干涉技术是在光纤干涉仪中实现的。,优点,由于采用了干涉技术，与其他调制方式相比，相位调制技术具有很高的检测灵敏度。下面简单介绍几种相位调制的方式：1.应力应变引起的相位调制当光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，光纤的长度，芯径，纤芯折射率都将发生变化，这些将导致光纤中光波相位的变化。2.温度引起的相位调制温度可能引起光纤的折射率分布和长度的改变，由此而引起光波相位的变化。,掌握几种光纤干涉仪原理,光纤干涉仪与传统的分离元件干涉仪相比，其优点在于：（1）容易准直（2）可以通过增加光纤长度来增加光程以提高干涉仪的灵敏度（3）封闭式的光路，不受外界干扰（4）测量动态范围大等等,1.光纤马赫曾特尔干涉仪2.光纤迈克尔逊干涉仪3.萨格纳克光纤干涉仪4.光纤法布里珀罗干涉仪,几种光纤干涉仪,1.光纤马赫曾特尔干涉仪,结构如下图所示：,分析,激光器发出的相干光经过一个3dB耦合器分成两束相等的光束，一束在信号臂光纤S中传输。另一束在参考臂光纤R中传输，外界信号S0（t）作用于信号臂，第二个3dB耦合器把两束光再耦合，并又分成两束光经光纤传送到两个探测器中。根据双光束相干原理，两个光探测器收到的光强分别为：,式中I0为激光器发出的光强；为耦合系数；s为信号臂和参考臂之间的相位差，其中包括外界信号S0（t）引起的相位差。,上两式表明：,光纤马赫曾特尔干涉仪将外界信号S0（t）引起的相位变化转换为光强的变化。再经过适当的信号处理系统能将信号S0（t）从光强中分解出来。,利用马赫一泽德干涉仪的光纤加速度计,1.氦氖激光器；2、12.分束器；3.反向镜；4、11.透镜；5.单模光纤；6.质量块；.顺变柱体；、.压电变换器；9.驱动器；13.光探测器；14.差动放大器；15.频谱仪,原理,激光束通过分束器后分为两束光:透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。测量光束经透镜耦合进入单模光纤，单模光纤紧紧缠绕在一个顺变柱体上，顺变柱体上端固定有质量块。顺变柱体作加速运动时，质量块的惯性力使圆柱体变形，从而使绕在其上面的单模光纤被拉伸，引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束在分束器处会合，产生干涉效应。在垂直位置放置的两个光探测器接收到亮暗相反的干涉信号，两路电信号由差动放大器处理。,2.光纤迈克尔逊干涉仪,结构如下图所示：,分析,激光器发出的光经过一个3dB耦合器分成两束光束入射到光纤，一路到达固定的光纤反射端面，称为参考臂，另一路到达可动光纤端面，反射回来的光经3dB耦合器耦合到光探测器，外界信号S0（t）作用于可移动的信号臂。探测器接收到的光强为：为两臂之间的相位差，其中包括外界信号S0（t）引起的相位差。,3.萨格纳克光纤干涉仪,结构如下图：,激光器发出的光由分束器或3dB耦合器分成1：1的两束光，将它们耦合进入一个多匝（多环）单模光纤圈的两端，光纤两端出射光经分束器送到光探测器。,原理图如下：,设圆形闭合光程半径为R，其中有两列光沿相反方向传播，当闭合光路静止时，两光波传播的光路相同，没有光程差；当闭合光路相对惯性空间以转速顺时针转动时（设垂直于转动平面），这时顺逆时针传播光的光程不等，产生一个光程差，如右图。,原理分析,当0时，t1时刻从位置“1”发出的两束相反方向的光经t（2R）/c的时间后，仍回到位置“1”。当0时，经t（2R）/c后，两束光的“相会”点不在位置“1”，而在位置“2”，a光束（逆时针传播）走的光程：La2RRtb光束（顺时针传播）走的光程为：Lb2RRt两束光的传播光程差：L2Rt4R2/c=4Ac(A为光纤环面积）。,相应的相位差为：,2（L/）(8A)/(c)如果光纤环有N匝，则(8AN)/(c)其中为激光波长。因此利用萨格纳克光纤干涉仪可以测量转速。它的最典型的应用就是光纤陀螺，与其他陀螺相比，光纤陀螺具有灵敏度高，体积小，成本低等优点。光纤陀螺已成功应用在波音757和767飞机以及其他导航系统中。,4.光纤法布里珀罗干涉仪,结构如下图：,原理说明：,白光由多模光纤经聚焦透镜进入两端设有高反射率的反射镜或直接镀有高反射膜的腔体，使光束在两反射镜（膜）之间产生多次反射以形成多光束干涉，再经探测器探测。,偏振态调制光纤传感器,偏振态调制其原理就是利用外界因素改变光的偏振态，通过检测光的偏振态的变化来检测各种物理量。在光纤传感器中，偏振态调制主要基于人为旋光现象和人为双折射，如法拉第磁光效应，克尔效应及弹光效应。,1.旋光性,线偏振光经过某些媒质后其振动方向发生了旋转，这就是媒质的旋光性。,旋光媒质,图中的旋光媒质是旋光材料溶液,媒质的旋光性是互易的，也就是说，如果偏振光从一个方向通过媒质旋转一个角度，则以这个角度输入并沿相反方向通过的光将以原来的入射角射出媒质。,旋光性存在于结晶材料以及一些有机的非结晶材料中，对后一类材料，最普通的是具有旋光性的糖溶液；结晶石英可能是最早有名的旋光固体。由于旋光材料溶液的折射率与溶液的浓度有关，可以利用旋光性测量旋光材料的溶液的浓度，还可开发利用晶体的旋光性，它一般是温度，压力的函数。,2.法拉第效应,法拉第效应是一种磁感应旋光性。在磁场作用下，线偏振光的偏振方向发生旋转，光矢量旋转的角度与光在物质中通过的距离L，磁感应强度B成正比，即：VdLB其中Vd为物质的费尔德常数。,利用光纤法拉第效应的电流传感器,如果在长直导轨上绕有N圈光纤，则有：VdNI，其中I为导线中通过的电流，利用上式可以制成光纤电流传感器。,法拉第效应和旋光性的重要区别在于：法拉第效应没有互易性,即如果线偏振光一次通过材料旋转角，则光沿相反方向返回时将再旋转角，因此，两次通过材料总的旋转角为2，而不像在旋光性材料中那样为零。所有的材料都显示出其某种程度的法拉第效应。这种效应在铁磁材料中最强；在抗磁材料中最弱。铁磁材料和顺磁材料中有较强的温度依赖性，而抗磁材料对温度的依赖性很小。利用这种效应可制成光纤电流传感器。,3.克尔效应,克尔效应是一种电感应双折射，当线偏振光沿着电场方向通过克尔盒时，分解成两束线偏振光，一束的光矢量沿着电场方向称为O光，另一束的光矢量与电场垂直称为e光，则：,式中n为折射率变化，n0为o光折射率，ne为e光折射率；K为克尔常数；E为外电场强度；0为真空中的波长。,通过克尔盒后的两线偏振光的光程差为：,式中U为外加电压，d为电场极间距离；L为光在克尔盒中的光程长度。相应的相差为：,如果起偏器与检偏器正交而且与电场方向成45度角，则出射光波的光强为：,结论：利用克尔效应可以构成光纤电压传感器,4.弹光效应,弹光效应是一种应力双折射，其原理如图：,分析,沿MN方向存在压力或张力时，沿该方向的折射率与其它方向的不同，设该方向的偏振光的折射率为ne，与MN垂直的方向偏振光的折射率为no，这时，折射率的变化与外加压强的关系为：nnone=kp其中k为物质的压强光学系数若光波通过物质的厚度为L，则产生的相位差为：,此时的出射光强为,结论：利用物质的弹光效应可以构成压力，声，振动，位移等光纤传感器。,偏振态的检测,检测光的偏振态最简单的方法就是用检偏器，在光纤传感器中，是用检偏器与光探测器结合来检测偏振态的。,分析,激光器发出的单色光经过起偏器E后转变为线偏振光，由透镜L将光耦合到单模光纤中，高压载流导体B通有电流I，光纤缠绕在载流导体上，这一段光纤将产生磁光效应，使偏振光的偏振面发生旋转，系统中的光纤应采用低双折射光纤。出射光由透镜L耦合到渥拉斯顿棱镜W，棱镜将输入光分成振动方向相互垂直的两束偏振光并分别送到光探测器D1,D2。,调整棱镜的取向，使得当入射光处在它的未调制位置时（即电流I0时），从渥拉斯顿棱镜的两轴输出的光强相等，高压载流导体施加电流时，设光纤中光波偏振面旋转的角度为，则光探测器D1,D2收到的光强分别为：,经过加法，减法和乘法器后，输出信号为：,当1时，sin22,故P与成线性关系，再经信号处理获得外界被测电流。,5、光纤传感器的应用（一）温度的检测光纤温度传感器有功能型和传光型两种。,1、遮光式光纤温度计下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变,1,2,3,4,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,下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。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。这种形式的光纤温度计能测量1050的温度。检测精度约为0.5。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。,光源,接收,热双金属式光纤温度开关,1,2,1遮光板2双金属片,2、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g的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的,g称为半导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时,电子吸收光能从价带跃迁入导带,显然,要发生本征吸收,光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即,因c/v，则产生本征吸收条件,h普朗克常数；v光频率,因此，对于波长大于g的光，能透过半导体，而波长小于g的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料具有不同的本征吸收波长，图为在室温(20)时,120m厚的GaAs材料的透射率曲线。,由图看出，GaAs在室温时的本征吸收波长约为880nm左右，半导体的吸收光谱与Eg有关，而半导体材料的Eg随温度的不同而不同，Eg与温度t的关系可表示为,式中：Eg（0）绝对零度时半导体的禁带宽度；经验常数(eVK)；经验常数(K)。,850,800,900,950,1000,0,10,20,30,40,t=20,波长/nm,GaAs的光谱透射率曲线,透射率(%),对于GaAs材料，由实验得到,=5.810-4eV/K=300K,由此可见，半导体材料的Eg随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长g随温度上升而增大。反映在半导体的透光特性上，即当温度升高时，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，如图，则透射光强度将随着温度的升高而减小。,（二）压力的检测种类：强度调制型、相位调制型和偏振调制型三类。1、采用弹性元件的光纤压力传感器利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就可以实现压力的检测。下图为简单的利用Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。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。,膜片反射式光纤压力传感器示意图,光源,接收,1,2,1Y形光纤束2壳片3膜片,3,P,弹性膜片材料是恒弹性金属，如殷钢、铍青铜等。但金属材料的弹性模量有一定的温度系数，因此要考虑温度补偿。若选用石英膜片，则可减小温度的影响。膜片的安装采用周边固定，焊接到外壳上。对于不同的测量范围，可选择不同的膜片尺寸。一般膜片的厚度在0.05mm0.2mm之间为宜。对于周边固定的膜片，在小挠度(y0.5t，t为膜片厚度)的条件下，膜片的中心挠度y为,R膜片有效半径；t膜片厚度；p外加压力；E膜片材料的弹性模量；为膜片的泊松比。,可见，在一定范围内，膜片中心挠度与所加的压力呈线性关系。若利用Y形光纤束检测位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。这种传感器结构简单、体积小、使用方便，但如果光源不稳定或长期使用后膜片的反射率下降，影响其精度。,改进型的膜片反射式光纤压力传感器的结构如图(a),这里采用了特殊结构的光纤束，光纤束的一端分成三束,其中一束为输入光纤,两束为输出光纤。三束光纤在另一端结合成一束,并且在端面成同心环排列分布,如图(b)。其中最里面一圈为输出光纤束1,中间一圈为输入光纤束,外面一圈为输出光纤束2。当压差为零时，膜片不变形,反射到两束输出光纤的光强相等,即I1I2。当膜片受压变形后,使得处于里面一圈的光纤束,接收到的反射光强减小,而处于外面一圈的光纤束2接到的反射光强增大,形成差动输出。,4,(a)传感器结构,(b)探头截面结构,(c)测量原理,2(外圈),1(内圈),I1,I0,I2,I1,I0,I2,I1,I0,I2,3(输入),可见，输出光强比I2Il与膜片的反射率、光源强度等因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。将上式两边取对数且满足(Ap)21时,等式右边展开后取第一项，得到这表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。因此，若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。若选用的光纤束中每根光纤的芯径为70m,包层厚度为3.5m,纤芯和包层折射率分别为1.52和1.62,则该传感器可获得115dB的动态范围,线性度为0.25。采用不同的尺寸、材料的膜片,即可获得不同的测量范围。,两束输出光的光强之比为,A与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；p待测量压力。,2、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，呈现双折射的现象称为光弹性效应。利用光弹性效应测量压力的原理及传感器结构如图。发自LED的入射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,1,2,3,4,5,P,(a)检测原理,P,6,7,8,9,10,11,1光源2、8起偏器3、91/4波长板4、10光弹性元件5、11检偏器6光纤7自聚焦透镜,偏振光,线偏振光,椭圆偏振光,为了提高传感器的精度和稳定性，下图为另一种检测方法的结构。输出光用偏振分光镜分别检测出两个相互垂直方向的偏振分量；并将这两个分量经“差和”电路处理，即可得到与光源强度及光纤损耗无关的输出。该传感器的测量范围为103Pa106Pa，精度为1，理论上分辨力可达1.4Pa。这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度。,输出,前置,放大,前置,放大,I2I1,I2+I1,驱动,1,2,3,4,5,6,I1,I2,PD1,PD2,光弹性式光纤压力传感器的另一种结构,1光纤2起偏器3光弹性元件41/4波长板5偏振分光镜6反射镜,p,（三）液位、流量、流速的检测1、液位的检测技术（1）球面光纤液位传感器,1,2,(a)探头结构,(b)检测原理,空气,液体,LED,PD,光由光纤的一端导入,在球状对折端部一部分光透射出去,而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。因此,该传感器可用于液位报警。若以探头在空气中时的反射光强度为基准，则当接触水时反射光强变化6dB7dB,接触油时变化25dB30dB。,（2）斜端面光纤液位传感器下图为反射式斜端面光纤液位传感器的两种结构。同样，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。这种形式的探头在空气中和水中时，反射光强度差约在20dB以上。,斜面反射式光纤液位传感器,(a),1,2,3,(b),1、2光纤3棱镜,（3）单光纤液位传感器单光纤液位传感器的结构如图，将光纤的端部抛光成45的圆锥面。当光纤处于空气中时，入射光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。同样，若在不同的高度安装多个探头，则能连续监视液位的变化。,单光纤液位传感器结构,1,2,1光纤2耦合器,上述探头在接触液面时能快速响应，但在探头离开液体时，由于有液滴附着在探头上，故不能立即响应。为了克服这个缺点，可将探头的结构作一些改变，如图。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。进一步的改进是在顶部镀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。这样，可以保证探头在离开液位时也能快速地响应。,改进的光纤液位探头,2、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，在某些条件下会在液流的下游产生有规律的旋涡。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。这样，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，它便会产生振动，振动频率近似地与流速成正比。即式中：v流体的流速；d物体相对于液流方向的横向尺寸；s与流体有关的无量纲常数。因此，通过检测物体的振动频率便可测出流体的流速。光纤涡街流量计便是根据这个原理制成的，其结构如图。,fsvd,纹稳定。当光纤振动时,输出光斑亦发生移动。对于处于光斑中某个固定位置的小型探测器,光斑花纹的移动反映为探测器接收到的输出光强的变化。利用频谱分析,即可测出光纤的振动频率。根据上式或实验标定得到流速值,在管径尺寸已知的情况下，即可计算出流量。光纤涡街流量计特点：可靠性好,无任何可动部分和联接环节,对被测体流阻小,基本不影响流速。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。,在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤，当流体流动时,光纤就发生振动,其振动频率近似与流速成正比。由于使用的是多模光纤,故当光源采用相干光源(如激光器)时,其输出光斑是模式间干涉的结果。当光纤固定时,输出光斑花,光源,频谱,分析记录,探测器,1,2,3,4,5,1夹具2密封胶3液体流管4光纤5张力载荷,（2）光纤多普勒流速计下图为利用光纤多普勒计来测量流体流速的原理。当待测流体为气体时，散射光将非常微弱，此时可采用大功率的Ar激光器（出射光功率为2W，=514.5nm）以提高信噪比。特点：非接触测量，不影响待测物体的流动状态。,光纤多谱勒流量计结构,探测器,频谱,分析仪,He-Ne激光器,1,2,3,4,5,6,7,8,1、3分束器；2反射镜；4透镜；5流体管道；6窗口；7、8光纤,第6节气敏传感器,接触燃烧式气敏元件金属氧化物半导体气敏元件氧化锆气敏元件,工作原理、主要类型及应用,一、接触燃烧式气体传感器1、检测原理可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于10)，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高)愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(R)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。,接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。图中F1是检测元件；F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时，要求在F1和F2上保持100mA200mA的电流通过，以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差E。,A,F2,F1,M,R1,R2,C,B,D,W2,W1,E0,因为RF很小，且RF1R1=RF2R2,这样，在检测元件F1和补偿元件F2的电阻比RF2/RF1接近于1的范围内，A，B两点间的电位差E，近似地与RF成比例。在此，RF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化(燃烧热)引起的，是与接触燃烧热(可燃性气体氧化反应热)成比例的。即RF可用下式表示,如果令,则有,检测元件的电阻温度系数；T由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值；H可燃性气体接触燃烧的发热量；C检测元件的热容量；Q可燃性气体的燃烧热；m可燃性气体的浓度(Vol)；由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。,，C和的数值与检测元件的材料、形状、结构、表面处理方法等因素有关。Q是由可燃性气体的种类决定。因而，在一定条件下，都是确定的常数。则,A、B间的电位差E，并由此求得空气中可燃性气体的浓度。若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，自动发出报警信号，其感应特性曲线如图。,接触燃烧式气敏元件的感应特性,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,50,100,150,输出电压/mV,丙烷,乙醇,异丁烷,丙酮,环己烷,气体浓度(XLEL),E=kmb,即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例。如果在A、B两点间连接电流计或电压计，就可以测得,2、接触燃烧式气敏元件的结构用高纯的铂丝,绕制成线圈,为了使线圈具有适当的阻值(12),一般应绕10圈以上。在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层,干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。将烧结后的小球,放在贵金属铂、钯等的盐溶液中,充分浸渍后取出烘干。然后经过高温热处理,使在氧化铝(氧化铝一氧化硅)载体上形成贵金属触媒层,最后组装成气体敏感元件。除此之外,也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上,直接烧成后备用。另外，作为补偿元件的铂线圈,其尺寸、阻值均应与检测元件相同。并且,也应涂覆氧化铝或者氧化硅载体层,只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金属触媒粉体,形成触媒层而已。,触媒,Al2O3载体,Pt丝,元件,(0.8-2)mm,(b)敏感元件外形图,接触燃烧式气敏元件结构示意图,(a)元件的内部示意图,二、半导体气体传感器气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。1、半导体气敏元件的特性参数（1）气敏元件的电阻值将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为。一般其固有电阻值在(103105)范围。测定固有电阻值时,要求必须在洁净空气环境中进行。由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。,（2）气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种,（a）电阻比灵敏度K（b）气体分离度RC1气敏元件在浓度为C1的被测气体中的阻值：R2气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1C2。（c）输出电压比灵敏度KVVa:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出,Ra气敏元件在洁净空气中的电阻值；Rg气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值,（4）气敏元件的响应时间表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号tr表示。,（3）气敏元件的分辨率表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。气敏元件分辨率S表示为,Va气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；Vg气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压Vgi气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压,（5）气敏元件的加热电阻和加热功率气敏元件一般工作在200以上高温。为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻，用RH表示。直热式的加热电阻值一般小于5；旁热式的加热电阻大于20。气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，用表示。一般在(0.52.0)W范围。,（6）气敏元件的恢复时间表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63时所需时间。,（7）初期稳定时间长期在非工作状态下存放的气敏元件,因表面吸附空气中的水分或者其他气体,导致其表面状态的变化，在加上电负荷后,随着元件温度的升高,发生解吸现象。因此,使气敏元件恢复正常工作状态,需要一定的时间,称为气敏元件的初期稳定时间。一般电阻型气敏元件,在刚通电的瞬间,其电阻值将下降,然后再上升,最后达到稳定。由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间,称为初期稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时间越长,其初期稳定时间也越长。在一般条件下,气敏元件存放两周以后,其初期稳定时间即可达最大值。,2、烧结型SnO2气敏元件SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应用最广泛性。其敏感体用粒径很小(平均粒径m)的SnO2粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300。根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。,（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件),由芯片(敏感体和加热器)，基座和金属防爆网罩三部分组成。因其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相互干扰，加热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的差异