第12章光纤传感器.ppt

1、,第12章 光纤传感器,光导纤维(光纤)受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等环境条件变化，将引起其传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。 光纤传感技术就是将温度、压力、电场、磁场的变化转化为光波量的变化的技术。光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。 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）

2、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。 性质 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）。,纤芯,保护套,包层,玻璃光纤 塑料光纤 石英光纤,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

3、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,（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

4、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

5、。,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。 用衰减率A表示：,I1、I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为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,(3) 光纤传感器的基本测量原理,(1) 物性型光纤传感器原理物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，

6、如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。,(1) 物性型光纤传感器原理,激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数（温度、压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。,(2) 结构型光纤传感器原理 结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。,图2 结构型光纤传感器工作原理示意图,(3) 拾

7、光型光纤传感器原理 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。,图3 拾光型光纤传感器工作原理示意图,第12章 光纤传感器,(4) 光纤传感器组成,光源：要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定 相干光：半导体激光器等 非相干光：发光二极管、白织灯等 探测器（光电探测器是光电检测中不可缺少的器件，把光信号转变为电信号）：灵敏度好、响应快、线性好 光电二极管、光电倍增管 光敏电阻、光电池 光纤,功能型光纤传感器（Function Fiber Optic Sensor)，又称FF型光纤传感器） 光纤不仅起传光作用，而且是敏感

8、元件 更高的灵敏度 调整困难 非功能型光纤传感器（Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器） 光纤仅起传光作用 灵敏度、测量精度较低 有一种传感探针型光纤传感器,(4) 光纤传感器分类,（5）光纤传感器的基本结构,（6）光纤传感器的应用,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