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文档简介
1、第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 9.1 9.1 光纤传感器的原理结构及种类光纤传感器的原理结构及种类9.2 9.2 光的传输原理光的传输原理9.3 9.3 光导纤维传感器的类型光导纤维传感器的类型 9.4 9.4 功能型光纤传感器功能型光纤传感器 9.5 9.5 非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器 9.6 9.6 光纤传感器的应用光纤传感器的应用 光学技术光学技术光纤光纤激光器激光器半导体探半导体探测器测器光纤通讯技术光纤通讯技术信息高速公路信息高速公路多媒体通信多媒体通信符号、数字、符号、数字、语言、图形语言、图形动态图象动态图象各种装饰性光纤新型照明光源光纤传感器与常规传感器相比,
2、有如下优点:光纤传感器与常规传感器相比,有如下优点: 1.1.具有很高的灵敏度。具有很高的灵敏度。 2. 2.频带宽动态范围大。频带宽动态范围大。 3. 3.光纤直径只有几微米到几百微米;抗拉强度为铜的光纤直径只有几微米到几百微米;抗拉强度为铜的1717倍倍,光纤柔软性好。,光纤柔软性好。 4. 4.测量范围很大测量范围很大。 5. 5.抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。 6. 6.光纤集传感与信号传输于一体光纤集传感与信号传输于一体,易于实现系统的遥测和易于实现系统的遥测和控制。控制。 7. 7.可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环
3、境。 8. 8.结构简单、体积小、质量轻、耗能少。结构简单、体积小、质量轻、耗能少。光纤传感器图片光纤传感器图片9.1 9.1 光纤传感器的原理结构及种类光纤传感器的原理结构及种类 9.1.1 9.1.1 光纤传感器的原理光纤传感器的原理 光纤传感系统的光纤传感系统的基本原理基本原理是:是:光纤中光波光纤中光波参数(如光强、频率、波长、相位以及偏振态等参数(如光强、频率、波长、相位以及偏振态等)随外界被测参数的变化而变化)随外界被测参数的变化而变化,所以,可通过,所以,可通过检测光纤中光波参数的变化以达到检测外界被测检测光纤中光波参数的变化以达到检测外界被测物理量的目的。物理量的目的。光纤传感
4、器构成示意图光纤传感器构成示意图 9.1.2 9.1.2 光纤的结构光纤的结构光纤由纤芯、包层、护套组成光纤由纤芯、包层、护套组成。 光主要在纤芯中传输,光主要在纤芯中传输,光纤的导光能力主要取决光纤的导光能力主要取决于纤芯和包层的折射率,于纤芯和包层的折射率,纤芯的折射率纤芯的折射率n1稍大于包稍大于包层的折射率层的折射率n2,典型数值,典型数值是是n1=1.461.51,n2=1.44-1.50.1.1.按纤芯和包层材料性质分类按纤芯和包层材料性质分类高纯度石英(高纯度石英(sio2)玻璃纤维)玻璃纤维光损耗比较小光损耗比较小多组分玻璃纤维多组分玻璃纤维用常规玻璃制成,损耗较小用常规玻璃制
5、成,损耗较小塑料光纤塑料光纤用人工合成导光塑料制成,其损耗用人工合成导光塑料制成,其损耗较大,但质量轻,成本低,柔软性好较大,但质量轻,成本低,柔软性好9.1.3 光纤的种类光纤的种类 塑料光纤2.2.按折射率分布分类按折射率分布分类阶跃型光纤:阶跃型光纤: 纤芯和包层折射率不连续的光纤,折射率固纤芯和包层折射率不连续的光纤,折射率固定不变定不变梯度型光纤:梯度型光纤: 在中心轴上折射率最大,沿径向逐渐变小,界面在中心轴上折射率最大,沿径向逐渐变小,界面处处 n1=n2,n1的分布大多按抛物线规律。纤芯折的分布大多按抛物线规律。纤芯折射率近似呈平方分布射率近似呈平方分布3.3.按传播模式的多少
6、分按传播模式的多少分单模光纤单模光纤多模光纤多模光纤只能传播一个模只能传播一个模光纤直径较大(通常为几十微米以上)光纤直径较大(通常为几十微米以上)能传播几百个以上的模能传播几百个以上的模光纤直径很小(一般为光纤直径很小(一般为5-10微米)微米)传输性能好传输性能好制造、连接、耦合困难制造、连接、耦合困难制造容易、耦合容易制造容易、耦合容易性能较差,带宽较窄性能较差,带宽较窄 模模:光波,本质上是一种电磁波,在纤芯内传播的光波光波,本质上是一种电磁波,在纤芯内传播的光波,可以分解为沿轴向和截面传输的两种平面波成分。沿截,可以分解为沿轴向和截面传输的两种平面波成分。沿截面传输的平面波将会在纤芯
7、与包层的界面处产生反射。如面传输的平面波将会在纤芯与包层的界面处产生反射。如果此波的每一个往复传输(入射和反射)的相位变化果此波的每一个往复传输(入射和反射)的相位变化360的整数倍时,就可以在截面内形成驻波,这样的驻波光线的整数倍时,就可以在截面内形成驻波,这样的驻波光线组又称为组又称为模模。只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤。只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光,才能在光纤内传播,在光纤内只能传输一定数量的的光,才能在光纤内传播,在光纤内只能传输一定数量的模。模。 4. 4.按用途分按用途分通信光纤:通信光纤:用于光通讯系统。用于光通讯系统。 实际使用中大多使用光缆,即多根光纤实
8、际使用中大多使用光缆,即多根光纤 组成的线缆。组成的线缆。 非通信光纤:非通信光纤:指特殊用途的非通讯光纤指特殊用途的非通讯光纤 主要有低双折射率光纤、高双折射率主要有低双折射率光纤、高双折射率 光纤涂层光纤、多模梯度光纤、激光光纤涂层光纤、多模梯度光纤、激光 光纤、红外光纤。光纤、红外光纤。9.2 9.2 光的传输原理光的传输原理 9.2.1 9.2.1 光的全反射定律光的全反射定律 光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。 折射率:光线在真折射率:光线在真空中的传播速度与光线空中的传播速度与光线在该介质中的传播速度在该介质中的传播速度之比。介质的折射
9、率越之比。介质的折射率越高,则光线在该介质中高,则光线在该介质中传播得越慢。传播得越慢。图图9.4 光线在临界面上发生的内反射示意图光线在临界面上发生的内反射示意图 当光线以较小的入射角当光线以较小的入射角1(1c,c为临界角),由为临界角),由光密媒质(折射率光密媒质(折射率n1)射入光)射入光蔬媒质(折射率蔬媒质(折射率n2)时,一部)时,一部分光线被反射,另一部分光线分光线被反射,另一部分光线折射入光蔬媒质。折射角折射入光蔬媒质。折射角2满满足斯乃尔法则足斯乃尔法则 n1 sin1= n2 sin2 当加大入射角当加大入射角1,1c时,光不再时,光不再产生折射,只有反射产生折射,只有反射
10、,就形成光的全反射,就形成光的全反射现象。现象。图图9.4 光线在临界面上发生的内反射示意图光线在临界面上发生的内反射示意图 9.2.2 9.2.2 光纤的传光原理光纤的传光原理 图图9.5 阶跃型多模光纤中子午光线的传播阶跃型多模光纤中子午光线的传播 只有在光纤端面一定只有在光纤端面一定入射角范围内的光线才入射角范围内的光线才能在光纤内部产生全反能在光纤内部产生全反射而传播出去。能产生射而传播出去。能产生全反射的最大入射角可全反射的最大入射角可以通过临界角定义求得以通过临界角定义求得。 最大入射角的计算方法最大入射角的计算方法 : 1 1)根据斯乃尔法则)根据斯乃尔法则 : 有有 n n 0
11、 0 sin sin= n= n1 1 sin sin1 1= n= n1 1 cos cos1 1= n= n1 1 (1-sin(1-sin2 21 1) )1/21/2 2 2)当在纤芯与包层产生全反射时)当在纤芯与包层产生全反射时 ,1 1=c c,=c c: 3 3)又根据临界角定义)又根据临界角定义 sinsinc c= n= n2 2/n/n1 1 则有则有n n 0 0 sin sinc c= n= n1 1(1-1-(n n2 2/n/n1 1)2 2)1/2=1/2=(n n1 12 2- n- n2 22 2)1/21/2 4 4)令光纤的数值孔径()令光纤的数值孔径(N
12、ANA)= =sinsinc c 空气折射率空气折射率n n 0 0=1=1,得数值孔径,得数值孔径NANA: NA= sinsinc c= = =(n n1 12 2- n- n2 22 2)1/21/2 数值孔径是衡量光纤集光性能的一个主要参数,它决定数值孔径是衡量光纤集光性能的一个主要参数,它决定了能被传播的光束的半孔径角的最大值了能被传播的光束的半孔径角的最大值c,反映了光纤的集,反映了光纤的集光能力。无论光源发射功率多大光能力。无论光源发射功率多大,只有只有2c张角的光才能被光张角的光才能被光纤接收纤接收.一般石英光纤的一般石英光纤的NA=0.20.4。9.3 9.3 光导纤维传感器
13、的类型光导纤维传感器的类型 1按测量对象分类按测量对象分类 :分为光纤温度传感器、光纤浓度传感器、光纤:分为光纤温度传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器。电流传感器、光纤流速传感器。 9.3.1 光纤传感器的分类光纤传感器的分类 2按光纤中光波调制的原理分类按光纤中光波调制的原理分类 :分为强度调制型光纤传感器、相:分为强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器。、波长调制型光纤传感器。 3按光纤在传感器中的作用分类按光纤在传感器中的作用分类 :分为
14、功能型光纤传感器(:分为功能型光纤传感器(FF型,型,function fiber)和非功能型光纤传感器()和非功能型光纤传感器(NFF型,型,non function fiber) 9.3.29.3.2功能型和非功能型光纤传感器功能型和非功能型光纤传感器 1 1功能型光纤传感器功能型光纤传感器 光纤感应光纤感应部分部分光纤传输光纤传输部分部分光纤传输光纤传输部分部分图图9.6 功能型光纤传感器的原理结构图功能型光纤传感器的原理结构图 调制和影响光调制和影响光 纤的传输特性纤的传输特性1)结构结构调制后的调制后的光信号光信号 2 2)特点)特点 1传传”和和“感感”合为一体合为一体 ,同时同时
15、具有具有敏感能力和检测功能敏感能力和检测功能 2.主要使用单模光纤主要使用单模光纤 3.可以分为光强调制型、相位调制型、偏可以分为光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型振态调制型和波长调制型 3)典型应用典型应用光纤电压光纤电压传感器传感器光纤电流光纤电流传感器传感器光纤位移光纤位移(压力)(压力)传感器传感器2 2非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器 在非功能型光纤传感器中,光纤不是敏感元件在非功能型光纤传感器中,光纤不是敏感元件,它只起到传递信号的作用。传感器信号的感受是,它只起到传递信号的作用。传感器信号的感受是利用光纤的端面或在两根光纤中间放置光学材料、利用光纤的端面或在两根
16、光纤中间放置光学材料、机械式或光学式的敏感元件,感受被测物理量的变机械式或光学式的敏感元件,感受被测物理量的变化。化。传递信号传递信号传递信号传递信号图图9.7 非功能型光纤传感器敏感元件在中间原理结构图非功能型光纤传感器敏感元件在中间原理结构图图图9.8 9.8 非功能型光纤非功能型光纤“敏感元件敏感元件+ + 发光元件发光元件”组合体原理组合体原理结构图结构图 传递信号传递信号9.3.3 9.3.3 光纤传感器的主要部件光纤传感器的主要部件 1光源:光源:一般采用半导体光源或半导体激光器,如砷化镓发光二一般采用半导体光源或半导体激光器,如砷化镓发光二极管和激光器。极管和激光器。 2耦合器:
17、耦合器:其作用是使光源发出的光通量尽可能进入光纤,若不其作用是使光源发出的光通量尽可能进入光纤,若不用耦合器,光的损耗会很大。用耦合器,光的损耗会很大。 4连接器:连接器:用于光纤间对接的专门部件,通常是一个三维可调的精用于光纤间对接的专门部件,通常是一个三维可调的精密机械机构,目的是在尽可能减少光损失的条件下实现光纤间的连接。密机械机构,目的是在尽可能减少光损失的条件下实现光纤间的连接。 3探测器探测器 :它通过耦合器接收光信号并将其转换为电信号,再使它通过耦合器接收光信号并将其转换为电信号,再使电信号经信号处理而输出。但要注意光源、传输光纤和光电探测器三者电信号经信号处理而输出。但要注意光
18、源、传输光纤和光电探测器三者之间的光谱匹配。之间的光谱匹配。9.4 9.4 功能型光纤传感器功能型光纤传感器 111L122 LnLLnnn ()() 1.在一段长为在一段长为L的单模光纤(纤芯折射率的单模光纤(纤芯折射率n1)中,波长为)中,波长为 的输出光的输出光相对于输入端来说,其相位角相对于输入端来说,其相位角 为为 12 n L9.4.1 相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器 1 1相位调制的原理相位调制的原理 2. 当光纤受到外界物理量的作用时,则光波的相位角变化为当光纤受到外界物理量的作用时,则光波的相位角变化为 3.应用光的相位检测技术测量出温度、压力、加速度、电流等物理量
19、。应用光的相位检测技术测量出温度、压力、加速度、电流等物理量。 2 2应用举例应用举例 图9.9 测量压力或温度的相位调制型光纤传感器原理图 干涉测量仪的基本原理干涉测量仪的基本原理: 光源的输出光都被分束器光源的输出光都被分束器(棱镜或低损耗光纤耦合器)(棱镜或低损耗光纤耦合器)分成光功率相等的两束光(也分成光功率相等的两束光(也有的分成几束光),并分别耦有的分成几束光),并分别耦合到两根或几根光纤中去。在合到两根或几根光纤中去。在光纤的输出端再将这些分离光光纤的输出端再将这些分离光束汇合起来,输到一个光电探束汇合起来,输到一个光电探测器,这样在干涉仪中就可以测器,这样在干涉仪中就可以检测出
20、相位调制信号。因此,检测出相位调制信号。因此,相位调制型光纤传感器实际上相位调制型光纤传感器实际上为一光纤干涉仪,故又称为干为一光纤干涉仪,故又称为干涉型光纤传感器。涉型光纤传感器。光纤传感器光纤传感器 图9.10 输出光电流与光相位变化的关系 若传感光纤受物理量的作若传感光纤受物理量的作用,则光纤的长度、直径和折用,则光纤的长度、直径和折射率将会发生变化,将会引起射率将会发生变化,将会引起传播光的相位角也发生变化。传播光的相位角也发生变化。 如果在传感光纤和参考光如果在传感光纤和参考光纤的汇合端放置一个光电探测纤的汇合端放置一个光电探测器,就可以将合成光强的强弱器,就可以将合成光强的强弱变化
21、转换成电信号大小的变化变化转换成电信号大小的变化,如图,如图9.10所示。所示。9.4.2 9.4.2 光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器 1 1微弯损耗光强调制微弯损耗光强调制 图9.11 微弯损耗光强调制器及其传感器 光强调制型光纤传感器的工作原理是利用外界因素改变光纤中光的强光强调制型光纤传感器的工作原理是利用外界因素改变光纤中光的强度,通过检测光纤中光强的变化来测量外界的被测参数,即强度调制。度,通过检测光纤中光强的变化来测量外界的被测参数,即强度调制。 光纤传感器光纤传感器 图9.13 临界角光强调制型光纤传感器 2 2临界角光纤压力传感器临界角光纤压力传感器 临界角光纤传感器
22、也是一种临界角光纤传感器也是一种光强调制型传感器。光强调制型传感器。 当被测介质压力(或温度)当被测介质压力(或温度)变化时,将使纤芯的折射率变化时,将使纤芯的折射率n1和介质的折射率和介质的折射率n3发生不同程发生不同程度的变化,引起临界角发生改度的变化,引起临界角发生改变,返回纤芯的反射光强度也变,返回纤芯的反射光强度也随之发生变化。基于这一原理随之发生变化。基于这一原理,有可能设计出一种微小探针,有可能设计出一种微小探针型压力传感器。型压力传感器。9.5 9.5 非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器 9.5.1 9.5.1 遮断光路的光强调制型光纤传感器遮断光路的光强调制型光纤传感器 图
23、9.14 用于油库的双金属片光纤温度传感器光纤传感器光纤传感器9.5.2 9.5.2 改变光纤相对位置的光强调制型光纤传感器改变光纤相对位置的光强调制型光纤传感器 图9.18 受抑全内反射光纤压力传感器 图9.17 透射光强与光纤间隙距离的关系 图9.16 受抑全内反射光纤压力传感器原理图 受抑全内反射光纤压受抑全内反射光纤压力传感器是利用改变光力传感器是利用改变光纤轴向相对位置对光强纤轴向相对位置对光强进行调制的一个典型例进行调制的一个典型例子。子。 9.6 9.6 光纤传感器的应用光纤传感器的应用 图9.19 Y形光纤微位移传感器原理示意图被测距离被测距离(04.0mm)(光纤)(光纤)传
24、输反射光传输反射光(光纤)(光纤)传输入射光传输入射光测量显示测量显示电路电路9.6.1 光纤微位移测量传感器光纤微位移测量传感器图9.20 光纤微位移传感器测量位移 (PIN)光电二极管光电二极管(IC6)A/D转换器转换器(IC1)I/U转换转换(IC2)电压放大电压放大(IC3 、IC4)峰值保持器(IC5)比较器9.6.2 9.6.2 光纤流量传感器光纤流量传感器 用一个小型光电探测器接收斑图中的亮区,便可接收到光纤振用一个小型光电探测器接收斑图中的亮区,便可接收到光纤振动的信号,经过频谱仪分析便可检测出振动频率,由此可计算出液动的信号,经过频谱仪分析便可检测出振动频率,由此可计算出液体的流速及流量。体的流速及流量。 图9.21 光纤流量传感器原理图 光纤传感器光纤传感器9.6.3 9.6
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