N-4.4光纤传感器

1、4.4 光纤传感器光纤传感优点：灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。4.4 光纤传感器4.4.1 光导纤维的结构和导光原理光导纤维的结构和导光原理4.4.2 光导纤维的主要参数4.4.3 光纤传感器结构原理4.4.4 光纤传感器的分类4.4.5 光纤传感器的特点4.4.6 光纤传感器的应用4.4.1 光导纤维的结构和导光原理

2、圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率（n2n2光的全反射实验光的全反射实验 斯乃尔（Snell）定理 当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射 （a）折射角大于入射角：）折射角大于入射角：（b）临界状态：）临界状态： （c）全反射）全反射 ：rinnsinsin21)/arcsin(120nni0iin2n1光纤导光 0n0n1n2n0光纤传光示意图光纤传光示意图0110sinsinnn011211arcsinCnn2cr纤芯包层n2n1n0n1n2c光纤导光 光纤导光 jinnsinsin10rknnsinsin21kj 90kkk

3、innnnnn2010101sin1cos)90sin()/(sin01sinsinijnnrrisinnnn)sinnn(nnsin2222102120111n0为入射光线为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n01rinn22221sinsinjinnsin)/(sin011221sinsinsinsinkrkrnnnn02212sininn当当r =90的临界状态时，的临界状态时， 定义为定义为“数值孔径数值孔径”NA（Numerical Aperture） 2sin10ni121/ )(nnn 相对折射率差相对折射率差 arcsinNA是一

4、个临界角，是一个临界角，i arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；i 0，发射光纤照亮被测表面的面积发射光纤照亮被测表面的面积A越来越大，因而发射光锥和接收光锥重合越来越大，因而发射光锥和接收光锥重合面积面积B1就越来越大，接收光纤端面上被照亮就越来越大，接收光纤端面上被照亮的的B2区也就越来越大，有一个线性增长的输区也就越来越大，有一个线性增长的输出信号；当整个接收光纤端面被全部照亮时，出信号；当整个接收光纤端面被全部照亮时，输出信号最大（图输出信号最大（图C)，在量程选择时，可选在量程选择时，可选择图择图C中的线性部分。中的线性部分

5、。（b）偏振调制光纤传感器利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息应用： 电流、磁场传感器：法拉第效应； 电场、电压传感器：泡克尔斯效应； 压力、振动或声传感器：光弹效应； 温度、压力、振动传感器：双折射性优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。（c）频率调制光纤传感器被测对象引起的光频率的变化来进行监测利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；利用光致发光的温度传感器等。（c）频率调制光纤传感器被测对象引起的光频率的变化来进行监测利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度

6、、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；利用光致发光的温度传感器等。（c）频率调制光纤传感器光频率调制型光纤传感器光频率调制型光纤传感器基于被测物体的入射光频率与其反射光的基于被测物体的入射光频率与其反射光的多普勒效应多普勒效应，主要用来测量速度。如果频率为主要用来测量速度。如果频率为fi的光照在速度为的光照在速度为v的运的运动物体上，则从运动物体反射光频率动物体上，则从运动物体反射光频率fs就要发生变化，就要发生变化，)/1 ()/(1cvfcvffiis根据这一原理，可以制成光纤根据这一原理，可以制成光纤-多普勒测振仪，

7、同时可测量速度、加速度、位移、流量等等。多普勒测振仪，同时可测量速度、加速度、位移、流量等等。（d）相位调制传感器被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器 利用Sagnac（萨格奈克萨格奈克）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）优点：灵敏度很高，缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。相位调制型相位调制型 采用相位调制方法的光纤传感器，是利用光的相位采用相位调制方法的光纤传感器，是利用光的相位变化、使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，变化、使两束单色光所产

8、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通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量的原理。的原理。 光纤测温传感器就是利用光纤内传输相位随温度变光纤测温传感器就是利用光纤内传输相位随温度变化这一原理制成的。化这一原理制成的。相位随温度变化的关系为：相位随温度变化的关系为：TTnnl)2(200马赫马赫琴特干涉仪原理图琴特干涉仪原理图来自信号光纤的光与来自信号光纤的光与一稳定的参考光束混一稳定的参考光束混合，由于光纤受被测合，由于光纤受被测参数的影响，其传输参数的影响，其传输的光信号相位发生变的光信号相位发生变化，因而产生干涉。化，因而产生干涉。可用一适当的相位检可用

9、一适当的相位检测器检测出微小的相测器检测出微小的相位变化，用条纹计数位变化，用条纹计数器可以检测大的变化。器可以检测大的变化。光纤测温计是一种极光纤测温计是一种极灵敏的仪器，当光路灵敏的仪器，当光路平稳时，可测出平稳时，可测出1%摄摄氏度的变化。氏度的变化。TTnnl)2(200：线性膨胀系数：线性膨胀系数l：光纤长度：光纤长度：折射率温度系数：折射率温度系数：传播常数与纤芯：传播常数与纤芯半径的变化率半径的变化率Tnn：纤芯平均折射率：纤芯平均折射率 ：自由空间光波长：自由空间光波长04.4 光纤传感器4.4.1 光导纤维的结构和导光原理4.4.2 光导纤维的主要参数4.4.3 光纤传感器结

10、构原理4.4.4 光纤传感器的分类4.4.5 光纤传感器的特点光纤传感器的特点4.4.6 光纤传感器的应用4.4.5 光纤传感器的特点光纤传感器的特点（1）电绝缘。）电绝缘。（2）抗电磁干扰。）抗电磁干扰。（3）非侵入性。）非侵入性。（4）高灵敏度。）高灵敏度。（5）容易实现对被测信号的远距离监控。）容易实现对被测信号的远距离监控。 4.4 光纤传感器4.4.1 光导纤维的结构和导光原理4.4.2 光导纤维的主要参数4.4.3 光纤传感器结构原理4.4.4 光纤传感器的分类4.4.5 光纤传感器的特点4.4.6 光纤传感器的应用光纤传感器的应用4.4.6 光纤传感器的应用强度调制型：基于弹性元

11、件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；相位调制型：利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型：主要是利用晶体的光弹性效应。光纤压力传感器光纤压力传感器 （1）采用弹性元件的光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片的中心挠度膜片的中心挠度 2433(1)16RyPEt若利用若利用Y形光纤束位移特性的线性区，形光纤束位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。1 Y形光纤形光纤2 壳体壳体 3 膜片膜片与所加的压力呈线性关系与所加的压力呈线性关系P传感器的固有频率可表示为

12、传感器的固有频率可表示为 pgERtfr)1 (356. 222式中式中, 膜片材料的密度；膜片材料的密度； g重力加速度。重力加速度。 结构简单、体积小、使用方便，结构简单、体积小、使用方便，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影响。其精度就要受到影响。 差动式膜片反射型光纤压力传感器 1输出光纤输出光纤 2输入光纤输入光纤 3输出光纤输出光纤 4胶胶 5膜片膜片 ApApII1112两束输出光的光强之比两束输出光的光强之比 A常数；常数；p待测量压力待测量压力 输出光强比输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素

13、均无关与膜片的反射率、光源强度等因素均无关 将上式两边取对数，在满足将上式两边取对数，在满足(Ap)21时，得到时，得到 ApII2ln12表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。若将若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器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。即可得到线性的输出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。（b）光弹性式光纤压力传感器 光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。1 光源光源 2、8 起偏器起偏器 3、9 1/4波长

14、板波长板 4、10 光弹性元件光弹性元件 5、11 检偏器检偏器 6 光纤光纤 7 自聚焦透镜自聚焦透镜强度变化强度变化光弹性式光纤压力传感器 在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度 为了提高稳定性和精为了提高稳定性和精度，输出光用偏振分度，输出光用偏振分光镜分别检测出两个光镜分别检测出两个垂直方向的偏振分量垂直方向的偏振分量，并将两个分量经过，并将两个分量经过“差差”、“和和”电路电路处理即可得到与光源处理即可得到与光源强度及光纤损耗无关强度及光纤损耗无关的输出。的输出。 （c）微弯式光纤压力传感基于光纤的微弯效应，即由压力引

15、起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。 1 聚碳酸酯薄膜聚碳酸酯薄膜 2 可动变形板可动变形板 3 固定变形板固定变形板 4、5 光纤光纤 微弯式光纤水听器探头微弯式光纤水听器探头 光纤传感器的其他应用光纤传感器的其他应用光纤传感器小结1、光导纤维的结构和导光原理、光导纤维的结构和导光原理光纤的种类：按传输模式、光纤的种类：按传输模式、按折射变化按折射变化2、光导纤维的主要参数、光导纤维的主要参数数值孔径（数值孔径（NA）、光纤模式、传播损耗、）、光纤模式、传播损耗、3、光纤传感器结构原理、光纤传感器结构原理把被测量的状态转变为可测的光信号的装置把被测量的状态转变为可测的光信号的装置4、光纤传感器的分类、光纤传感器的分类光纤在传感器中的作用（功能型、飞功能型、拾光型）光纤