第九章光纖傳感器

1、第9章光纖傳感器,光導(dǎo)纖維傳感器（簡稱光纖傳感器）是20世紀(jì)七十年代迅速發(fā)展起來的一種新型傳感器。光纖最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器得到進(jìn)一步發(fā)展。 與其它傳感器相比較，光纖傳感器有如下特點： 1.不受電磁干擾，防爆性能好，不會漏電打火； 2.可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲； 3.可以用于高溫、高壓,絕緣性好,耐腐蝕.,基本采用石英玻璃， 主要由三部分組成 中心——纖芯； 外層——包層； 護(hù)套——尼

2、龍料。 光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)， 纖芯折射率n1略大于包層折射率n2（ n1 ＞ n2 ）。,9.1 光纖的結(jié)構(gòu)與傳光原理,9.1.1 光纖的結(jié)構(gòu),光纖的傳播基于光的全反射。當(dāng)光線以不同角度入射到光纖端面時，在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖； 光線在光纖端面入射角θ減小到某一角度θc時，光線全部反射。 只要θ＜θc，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。,9.1.2 光纖的傳光原理,圖9

3、-2 光纖導(dǎo)光示意圖,由斯奈爾（Snell）定律：,就能產(chǎn)生全反射?？梢?，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)（n1、n2）決定的，與光纖的幾何尺寸無關(guān)。,,若滿足,,,即,入射角的最大值 為：,,將sinθ0定義為光導(dǎo)纖維的數(shù)值孔徑,用NA表示,則,,NA意義討論： NA表示光纖的集光能力，無論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2θc張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會進(jìn)入包層漏光。 一般NA越大集光能

4、力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會更容易。但NA越大光信號畸變越大，要選擇適當(dāng)。 產(chǎn)品光纖不給出折射率N，只給數(shù)值孔徑NA。,9.1.3 光纖的種類,光纖按纖芯和包層材料的性質(zhì)分類，有玻璃光纖和塑料光纖兩類；按折射率分有階躍型和梯度型二種 。,光纖的另一種分類方法是按光纖的傳播模式來分，可分為多模光纖和單模光纖兩類。多模光纖多用于非功能型（NF）光纖傳感器；單模光纖多用于功能型（FF）光纖傳感器。,9.2 光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理及分類,9.

5、2.1 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理,光纖傳感器是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件（光纖或非光纖的）、光接收器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成。,由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng)信號處理得到所期待的被測量。,光是一種電磁波：,,式中 A——電場E的振幅矢量； ω——光波的振動頻率；

6、 φ——光相位； t——光的傳播時間?？梢?，只要使光的強(qiáng)度、偏振態(tài)（矢量A的方向）、頻率和相位等參量之一隨被測量狀態(tài)的變化而變化，或受被測量調(diào)制，那么，通過對光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進(jìn)行解調(diào)，即可獲得所需要的被測量的信息。,9.2.2 光纖傳感器的類型,光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器，又稱FF型光纖傳感器；另一類是非功能型傳感器又稱NF型光纖傳感器。,功能型光纖傳感器,這類傳感

7、器利用光纖 本身對外界被測對象具有敏感能力和檢測功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測對象作用下，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后 的信號攜帶了被測信息。,非功能型光纖傳感器,傳光型光纖傳感器的 光纖只當(dāng)作傳播光的媒介，待測對象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的， 光纖只起傳光作用。,9.2.3 光纖傳感器的發(fā)展方向,光纖傳感器的發(fā)展方向主要有以下幾個方面： ① 以傳統(tǒng)傳

8、感器無法解決的問題作為光纖傳感器的主要研究對象。 ② 集成化光纖傳感器。 ③ 多功能全光纖控制系統(tǒng)。 ④ 充分發(fā)揮光纖的低傳輸損耗特性，發(fā)展遠(yuǎn)距離監(jiān)測系統(tǒng)。 ⑤ 開辟新領(lǐng)域。,9.3 光纖傳感器的調(diào)制形式,傳感器,,光學(xué)現(xiàn)象,,被測量,,光纖,,分類,,干涉型,,相位調(diào)制光線傳感器,,干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉,,電流、磁場電場、電壓角速度振動、壓力、加速度、位移溫度,,SM、

9、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PM,,aaaaa,,非  干  涉  型,,強(qiáng)度調(diào)制光纖溫度傳感器,,遮光板遮斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜,,溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、位移氣體濃度液位,,MMMM

10、MMSMMMMMMM,,bbbbbbb,,偏振調(diào)制光纖溫度傳感器,,法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng),,電流、磁場電場、電壓、溫度振動、壓力、加速度、位移,,SMMMSMMM,,b,abbb,,頻率調(diào)制光纖溫度傳感器,,多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光,,速度、流速、振動、加速度氣體濃度溫度,,MMMMMM,,cbb,,,注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c

11、功能型、非功能型、拾光型,9.3 光纖傳感器的調(diào)制形式,9.3.1 強(qiáng)度調(diào)制,9.3.2 偏振調(diào)制,1. 普克耳（Pockels）效應(yīng),當(dāng)壓電晶體受光照射并在其正交方向上加以高壓，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為普克耳效應(yīng)。,在晶體中，兩正交的偏振光的相位變化為：,,圖9-5 普克耳效應(yīng),2. 法拉第磁光效應(yīng),平面偏振光通過帶磁性的物體時，其偏振光面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第磁光效應(yīng)。,光矢量旋轉(zhuǎn)角 :,,式中 V—

12、—正常光折射率； L——物質(zhì)中的光程； H——磁場強(qiáng)度。,圖9-6 法拉第磁光效應(yīng),,,磁場,偏振光片,磁光材料,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,L,θ,,,檢偏片,光源,,3. 光彈效應(yīng),在垂直于光波傳播方向施加壓力，材料將會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其強(qiáng)弱正比于應(yīng)力。這種現(xiàn)象稱為光彈效應(yīng)。,偏振光的相位變化為,,式中 k——物質(zhì)光彈性系數(shù)

13、； P——施加在物體上的壓強(qiáng)； l——光波通過的材料長度。,圖9-7 光彈效應(yīng)實驗裝置,9.3.3 頻率調(diào)制,主要利用光學(xué)多普勒效應(yīng)實現(xiàn)頻率調(diào)制，如圖。觀察者在O處觀察到的頻率為fs。根據(jù)多普勒原理可得,9.3.4 相位調(diào)制,相位調(diào)制的基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來

14、確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。,光信號相位的變化Δ? 與溫度變化ΔT的關(guān)系為,,?——線膨脹系數(shù)； l——光纖的長度； ?n/?T——折射率溫度系數(shù)；n——纖芯平均折射率； ?0——自由空間光波長； ??/?ε——傳播常數(shù)與纖芯半徑的變化率。,9.3.5 波長調(diào)制,波長調(diào)制是利用被測量改變光纖中光的波長，再通過檢測光波長的變化來測量各種被測量。波長調(diào)制的優(yōu)點是它對引起光纖或連接器的某些器件的穩(wěn)定性不敏感，因此被

15、廣泛應(yīng)用于液體濃度的化學(xué)分析、磷光和熒光現(xiàn)象分析、黑體輻射分析及法布里-珀羅等光學(xué)濾波器上。其缺點是解調(diào)技術(shù)較復(fù)雜。但采用光學(xué)濾波或雙波長檢測技術(shù)后，可使解調(diào)技術(shù)簡化。,9.4 光纖傳感器的應(yīng)用,例9-1 光纖溫度開關(guān),圖9-9 水銀柱式光纖溫度開關(guān)1 浸液；2 自聚焦透鏡；3 光纖；4 水銀,圖9-10 熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)1 遮光板； 2 雙金屬片,例9-2 遮光式光纖溫度計,當(dāng)溫度升高時，雙金屬片的變形量增大，帶動

16、遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強(qiáng)發(fā)生變化。,例9-3 透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器,半導(dǎo)體的吸收光譜與材料的禁帶寬度 Eg有關(guān)，而Eg卻隨溫度的不同而不同。Eg與溫度t的關(guān)系可表示為：,,半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度的上升而減小，亦即其本征吸收波長λg隨溫度的上升而增大。,這個性質(zhì)反映在半導(dǎo)體的透光性上則表現(xiàn)為：當(dāng)溫度升高時，其透射率曲線將向長波方向移動。若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的λg（t）相匹配的發(fā)光二極管作為光源，則透射光強(qiáng)度將隨著

17、溫度的升高而減小，即通過檢測透射光的強(qiáng)度或透射率，即可檢測溫度變化。,圖9-12 半導(dǎo)體透射測量原理,利用半導(dǎo)體的吸收特性制作的光纖溫度傳感器的單端式探頭結(jié)構(gòu)如圖。光纖中的入射光線經(jīng)探頭頂部的反射膜反射后返回，在光路中放入對溫度敏感的半導(dǎo)體薄片對光進(jìn)行吸收，則出射光強(qiáng)將隨溫度的變化而變化。,例9-4 膜片反射式光纖壓力傳感器,Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器如圖。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當(dāng)膜片受壓變形時，使光纖束

18、與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強(qiáng)受到調(diào)制。,光纖被夾在一對鋸齒板中間，當(dāng)光纖不受力時，光線從光纖中穿過，沒有能量損失。當(dāng)鋸齒板受外力作用而產(chǎn)生位移時，光纖則發(fā)生許多微彎，這時在纖芯中傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁糠稚⑸涞桨鼘又?,例9-5 微彎光纖壓力傳感器,微彎光纖壓力傳感器,原來光束以大于臨界角θC的角度θ1在纖芯內(nèi)傳輸為全反射；但在微彎處θ2<θ1，一部分光將逸出，散射入包層中。當(dāng)受力增加時，光纖微彎的程度也增大，

19、泄漏到包層的散射光隨之增加，纖芯輸出的光強(qiáng)度相應(yīng)減小。因此，通過檢測纖芯或包層的光功率，就能測得引起微彎的壓力、聲壓，或檢測由壓力引起的位移等物理量。,例9-6 光彈式光纖壓力傳感器,圖9-17 光彈性式光纖壓力傳感器1、7 起偏器；2、8 1/4波長板；3、9 光彈性元件；4、10 檢偏器；5 光纖；6 自聚焦透鏡,從光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器后成為直線偏振光。當(dāng)有與入射光偏振方向呈45º的壓力作用于晶體時，使晶體呈

20、雙折射從而使出射光成為橢圓偏振光，由檢偏器檢測出與入射光偏振方向相垂直方向上的光強(qiáng)，即可測出壓力的變化。其中1/4波長板用于提供一偏置，使系統(tǒng)獲得最大靈敏度。,(b) 傳感器結(jié)構(gòu),例9-7 球面光纖液位傳感器,圖9-19 球面光纖液位傳感器,(a)探頭結(jié)構(gòu),將光纖用高溫火焰燒軟后對折，并將端部燒結(jié)成球形。,光由光纖的一端導(dǎo)入,在球狀對折端部一部分光透射出去,另一部分光反射回來,由光纖的另一端導(dǎo)向探測器。反射光強(qiáng)的大小取決

21、于被測介質(zhì)的折射率。被測介質(zhì)的折射率與光纖折射率越接近,反射光強(qiáng)度越小。顯然,傳感器處于空氣中時比處于液體中時的反射光強(qiáng)要大。,例9-8 斜端面光纖液位傳感器,圖9-20 斜面反射式光纖液位傳感器,當(dāng)傳感器接觸液面時，將引起反射回另一根光纖的光強(qiáng)減小。,例9-9 單光纖液位傳感器,圖9-21 單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)1 光纖；2 耦合器,當(dāng)光纖處于空氣中時，入射光的大部分能在端部滿足全反射條件而返回光纖。當(dāng)傳感器接觸液體時

22、，由于液體的折射率比空氣大，使一部分光不能滿足全反射條件而折射入液體中，返回光纖的光強(qiáng)就減小。利用X形耦合器即可構(gòu)成具有兩個探頭的液位報警傳感器。若在不同的高度安裝多個探頭，則能連續(xù)監(jiān)視液位的變化。,為了防止當(dāng)探頭離開液體時，由于有液滴附著在探頭上，傳感器不能立即響應(yīng)，可作一些改變。將光纖端部的尖頂略微磨平，并鍍上反射膜。這樣，即使有液體附著在頂部，也不影響輸出跳變。另外可在頂部鍍的反射膜外粘上一突出物，將附著的液體導(dǎo)引向突出物

23、的下端?？杀ＷC探頭在離開液位時也能快速地響應(yīng)。,例9-10 光纖渦街流量計,圖9-23 光纖渦街流量計,當(dāng)流體受到一個垂直于流動方向的非流線體阻礙時，在某些條件下會在流體的下游兩側(cè)產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦。這種旋渦將會在該非流線體的兩邊交替地離開。當(dāng)每個旋渦產(chǎn)生并瀉下時，會在物體壁上產(chǎn)生一側(cè)向力。周期產(chǎn)生的旋渦將使物體受到一個周期的壓力。若物體具有彈性，便會產(chǎn)生振動，振動頻率近似地與流速成正比。,因此，通過檢測物體的振動頻率便可測出流體的

24、流速，由上式可知，流體的流速與渦流頻率呈線性關(guān)系。光纖渦街流量計便是根據(jù)這個原理制成的，,在橫貫流體管道的中間裝有一根繃緊的多模光纖，當(dāng)液體或氣體流經(jīng)與其垂直的光纖時,光纖受到流體渦流的作用而振動,其振動頻率近似與流速成正比。,例9-11 光纖多普勒流速計,由激光光源(氫-氦激光)發(fā)出的光(頻率為fi)導(dǎo)入光導(dǎo)纖維，經(jīng)過分光鏡后，光線通過光纖射向振動物體，由于振動物體 (被測體)振動，產(chǎn)生散射(頻率為fs)，被測物體的運(yùn)動速度與多普勒