《机械工程测试技术》-第１１ 章

第１１章光纤传感器１１.１光纤的结构和传光原理１１.２光的调制技术１１.３光纤传感器的应用返回１１.１光纤的结构和传光原理１１.１.１光纤的结构光纤是可以传递光信号的纤维波导或光导纤维的简称,由纯石英经复杂工艺拉制而成,其结构如图１１－１所示,它是由折射率ｎ１较大(光密介质)的纤芯和折射率ｎ２较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。纤芯由高度透明的材料制成,是光波的主要传输通道;包层可用玻璃或塑料制成,包层外面常有塑料或橡胶的外套,外套保护纤芯和包层并使光纤具有一定的机械强度。１１.１.２光纤传光原理光的全反射现象是研究光纤波导原理的基础。下一页返回１１.１光纤的结构和传光原理根据几何光学原理,当光线以较小的入射角θ１由光密介质１射向光疏介质２(ｎ１>ｎ２)时(图１１－２),一部分入射光将以折射角θ２折射入介质２,其余部分仍以θ１反射回介质１。依据光折射和反射的斯涅尔(Ｓｎｅｌｌ)定律,有由式(１１－１)可得上一页下一页返回１１.１光纤的结构和传光原理由式(１１－１)和式(１１－２)可见,当θ１>θｃ时,光线将不再折射入介质２,而在介质(纤芯)内产生连续向前的全反射,直至由终端面射出,这就是光纤导光的工作基础。由图１１－１和斯涅尔定律可导出光线由折射率为ｎ０的外界介质(空气ｎ０＝１)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角),即上一页返回１１.２光的调制技术光的调制过程就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上,完成这一过程的器件称为调制器。在光纤传感器中,光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化,然后由光电探测器进行检测。１１.２.１光的强度调制光的强度调制(简称光强调制)技术是光纤传感技术中用得最广泛的一种调制技术,基本原理是利用外界信号(被测量)改变光纤中光的强度,再通过测量输出光强的变化实现对外界信号的测量。一般情况下,光强调制技术可以分为功能型光强调制和非功能型光强调制。下一页返回１１.２光的调制技术功能型光强调制(ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＦｉｂｅｒ,ＦＦ型)的调制区位于光纤内,外界信号通过直接改变光纤的某些传输特征参量对光波实施调制,光纤同时具有“传”和“感”两种功能(图１１－３)。与光源耦合的发射光纤同与光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤,称为传感光纤,故功能型光纤传感器也称为全光纤型光纤传感器或传感型光纤传感器。功能型光纤传感器的优点是结构紧凑、灵敏度高;缺点是需要使用特殊光纤,成本高。上一页下一页返回１１.２光的调制技术非功能型光强调制(ＮｏｎＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＦｉｂｅｒ,ＮＦＦ型)的调制区在光纤之外,外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制,发射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用,称为传光光纤(图１１－４)。传光光纤不具有连续性,故非功能型光纤传感器也称为传光型光纤传感器或外调制型光纤传感器。非功能型光纤传感器的优点是不需要特殊光纤及其他特殊技术,比较容易实现,成本低;缺点是灵敏度较低。因此目前普遍应用的大都是非功能型光纤传感器。１１.２.２光的相位调制上一页下一页返回１１.２光的调制技术相位调制型光纤传感器的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用,使敏感元件的折射率或传播系数发生变化导致光的相位变化;然后用干涉仪把相位变化变换为振幅变化,从而还原所检测的物理量。因此,相位调制与干涉测量技术并用,构成相位调制的干涉型光纤传感器。麦克尔逊(Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ)干涉型光纤传感器的工作原理:光源(激光器)发出的光经耦合器后分成两路,一路经参考臂(光纤)到达反射镜Ｍ１,经Ｍ１反射后的光反向传输再经光纤耦合器到达光探测器,这束光称为参考光;另一路经传感臂到反射镜Ｍ２,被Ｍ２反射的光沿传感臂反向传输经耦合器传输至光探测器,这束光称为信号光。上一页下一页返回１１.２光的调制技术传感臂放置在被测场,被测量的变化将引起传感光纤的长度发生变化,则光在光纤内部传输时的相位随之变化。当参考光与信号光相遇时将发生干涉,干涉光的相位是被测量的函数,即干涉后光束的相位受被测量的调制,通过光探测器输出的信号经解调可得到被测量(图１１－５)。麦克尔逊干涉型光纤传感器中的干涉光属于两光束干涉。若两束反射光的幅度分别为Ａ１和Ａ２,这两束反射光的相位差为Δϕ,则光电探测器接收到的光强的数学表达式为上一页下一页返回１１.２光的调制技术由于ϕ＝ｋｎＬ,则因此,如果ΔＬ随被测量变化,则光电探测器输出的电信号将随被测量的变化而变化。这种传感器有两个特点:一是信号光纤与参考光纤在同一环境中,受环境的影响小;二是光的发出与接收在同一侧,属单端操作。使用时可放在被测物体的内部形成智能结构,也可放在被测体的外部,长期预留。上一页下一页返回１１.２光的调制技术１１.２.３光的波长调制外界信号(被测量)通过一定的方式改变光纤中传输光的波长,测量波长的变化即可检测到被测量,这种调制方式称为光的波长调制。光的波长调制的方法主要有选频法和滤波法,常用的有Ｆ—Ｐ干涉式滤光、里奥特偏振双折射滤光及光纤光栅滤光等。光的波长调制技术主要用于医学、化学等领域。例如,对人体血气的分析,ｐＨ值的检测,指示剂溶液浓度的化学分析,磷光和荧光现象分析等。上一页下一页返回１１.２光的调制技术１１.２.４光的偏振态调制光的偏振态调制是指外界信号(被测量)通过一定的方式使光纤中光波的偏振面发生规律性偏转(旋光)或产生双折射,从而导致光的偏振特性变化,通过检测光偏振态的变化即可测量出外界被测量。光的偏振调制可以分为功能型偏振调制和非功能型偏振调制。功能型偏振调制主要利用光纤的磁致旋光效应、弹光效应等物理效应实现被测量对光纤中光的偏振态的调制。磁致旋光效应是指某些物质在外磁场作用下,能使通过它的平面偏振光的偏振方向发生旋转。上一页下一页返回１１.２光的调制技术存在磁致旋光效应的物质称为法拉第材料,因为偏振面旋转角与光通过法拉第材料的长度和外加磁场强度成正比关系,可以通过改变法拉第材料的长度或外加磁场强度对光纤中的光偏振态进行调制。非功能型偏振调制是利用某些透明介质本身的自然旋光特性对光纤中的偏振态实现调制,包括透射式和反射式两种。上一页返回１１.３光纤传感器的应用１１.３.１光纤位移传感器利用光导纤维可以制成微小光纤位移传感器,如图１１－６(ａ)所示,光从光源发射经光缆照射到被测物表面,再被反射回接收光缆,最后由光敏元件接收。这两股光缆在接近被测物体之前汇合成Ｙ形,汇合后的光纤端面被仔细磨平抛光,这是一种传光型光纤位移传感器。若被测物体紧贴在端面上,发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去,则光敏元件接收的光强为零,这是ｄ＝０的状态;若被测物体很远,则发射光经反射后只有少部分传到光敏元件,因此接收的光强很小。只有在某个距离上接收的光强才最大。下一页返回１１.３光纤传感器的应用接收的相对光强与距离ｄ的关系如图１１－６(ｂ)所示,峰值以左边的线段１具有良好的线性,可用来检测位移。所用光缆中的光纤可达数百根,可测几百微米的小位移。１１.３.２光纤温度传感器光纤温度传感器也称为光纤温度计,图１１－７所示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２的变形量增大,带动遮光板１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１０℃~５０℃的温度,检测精度约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。上一页下一页返回１１.３光纤传感器的应用１１.３.３光纤液位传感器光纤液位传感器的结构如图１１－８所示,将光纤１的端部抛光成４５°的圆锥面,当光纤１处于空气中时,入射光大部分能在端部满足全反射条件而进入光纤。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到液体中,返回光纤的光强就减小。利用Ｘ形耦合器２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。上一页下一页返回１１.３光纤传感器的应用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,可将探头的结构做一些改变,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。进一步的改进是在顶部镀反射膜外粘上一凸出物,将附着的液体导引向凸出物的下端