光纖傳感器論文

1、 光纖傳感器的論文 這個學(xué)期選修了傳感器與檢測技術(shù)這門課，我對里面講述到達光纖傳感器較為感興趣，所以就以光纖傳感器做我論文的主題。通過介紹光纖傳感器的構(gòu)造及工作原理，光纖傳感器的許多優(yōu)越的特點，靈敏度高、可以任意改變形狀、可用于惡劣的環(huán)境中等等。來說明光纖傳感器是使用是非常廣泛的，其應(yīng)用領(lǐng)域是在我們的周圍環(huán)境中，其重要性日益增強。最后，光纖技術(shù)會越來越得到應(yīng)用，它會給我們?nèi)祟悗順O大的方便與利益。關(guān)鍵詞 光纖傳感器、靈敏度、改變形狀、可用于惡劣環(huán)境引言光纖傳感器可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測量技術(shù)難以完成的測量任務(wù)。在狹小的空間里，在強電

2、磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。它與我們息息相關(guān)，我們需要它，它需要我們來對它進行改造，創(chuàng)新。一、光導(dǎo)纖維的原理 光纖傳感器就是利用光導(dǎo)纖維的傳光特性，把被測量轉(zhuǎn)換為光特性(強度、相位、偏振態(tài)、頻率、波長)改變的傳感器。它的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 信息的獲得顯得越來越重要。- 1 - - 1 - 光纖傳感器具有許多優(yōu)點：靈敏度較高；幾何形狀具有多方面

3、的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的的光纖傳感器；可以制作傳感各種不同的物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；光纖傳感器可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕和其他的惡劣環(huán)境；具有與光纖遙測技術(shù)的內(nèi)在相容性。- 7 - 1、靈敏度高由于光是一種波長極短的電磁波, 通過光的相位便得到其光學(xué)長度。以光纖干涉儀為例, 由于所使用的光纖直徑很小, 受到微小的機械外力的作用或溫度變化時其光學(xué)長度要發(fā)生變化, 從而引起較大的相位變化。 圖（1） 光纖的結(jié)構(gòu)2、測量速度快光的傳播速度最快且能傳送二維信息, 因此可用于高速測量。對雷達等信號的分析要求具有極高的檢測速率, 應(yīng)用電子學(xué)的方法難以實現(xiàn), 利用光的衍射現(xiàn)象的高

4、速頻譜分析便可解決。 信息容量大被測信號以光波為載體, 而光的頻率極高, 所容納的頻帶很寬, 同一根光纖可以傳輸多路信號。3、適用于惡劣環(huán)境光纖是一種電介質(zhì), 耐高壓、耐腐蝕、抗電磁干擾, 可用于其它傳感器所不適應(yīng)的惡劣環(huán)境中。另外, 利用光纖的柔韌性可將光纖傳感器做成各種形狀的傳感器及傳感器陣列, 用于多參數(shù)測量。二、光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)1、 數(shù)值孔徑（NA）如上圖所示，將的正弦函數(shù)定義為光導(dǎo)纖維的數(shù)值孔徑（NA），即 NA = sin =數(shù)值孔徑反映纖芯接受光量的多少，是標志光導(dǎo)纖維的接受性能的一個重要參數(shù)。其意義是無論光源發(fā)射率有多大，只有2張角之內(nèi)的光功率能被光纖接收傳播。2、 光纖模式

5、光纖模式簡單地說，就是光波沿光導(dǎo)纖維傳播的途徑和方式。在給定的光導(dǎo)纖維中，光線只是以某些角度入射時，所傳播的光會以不同的角度入射的光線，在界面上反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波之間的干涉所產(chǎn)生的橫向強度分布叫模式。階躍型的圓筒波導(dǎo)內(nèi)傳播的模式數(shù)量可以簡單表示為 V=式中：d為光纖芯直徑；為光波波長3、傳播損耗由于光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗等的影響，光信號在光纖中的傳播不可避免的要有損耗。以A來表示傳播損耗（單位dB），則： A = aI = 20lg式中：I為光纖長度；a為單位長度的衰減；為光導(dǎo)纖維輸入端光強；為光導(dǎo)纖維輸出端光強。三、根據(jù)光纖在傳感器中的作用，光纖傳感器可以

6、分為三大類一類是功能型傳感器; 二類是非功能型傳感器；還有最后一類是拾光型光纖傳感器。1、功能型傳感器功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件, 被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制, 使傳輸?shù)墓獾膹姸?、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化, 再通過對被調(diào)制過的信號進行解調(diào), 從而得出被測信號。光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制，多采用多模光纖。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點：須用特殊光纖，成本高， 典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等 圖（2）功能型傳感器的工作方式2、非功能型傳感器非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化, 光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，常采

7、用單模光纖。光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)；比較容易實現(xiàn)，成本低。缺點：靈敏度較低。實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測量技術(shù)難以完成的測量任務(wù)。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。三、拾光型光纖傳感器。用光纖作為探頭，接受由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。典型的例子：光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。3、拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射

8、的光或被其反射、散射的光。其典型例子如：光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。四、光纖傳感器應(yīng)用的領(lǐng)域溫度的檢測，壓力的檢測，液位、流量、流速的檢測。1、光纖高溫測量系統(tǒng) 圖（3） 光纖高溫測量系統(tǒng)測量時，測量光纖插入鋼水內(nèi)部約40cm深。光纖可采用金屬套層光纖，光纖插入鋼水瞬間，光纖被燒蝕，端面形成半圓形凹面，這時，在金屬套層被燒蝕前，光纖最前端可近似視為黑體。在測量段光纖被燒蝕前，鋼水測量點處的溫度可傳出。鋼水內(nèi)部溫度通過對光纖端面的輻射由光纖傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換及單片機處理系統(tǒng)。利用輻射式測溫原理，測溫公式為：2、基于微彎效應(yīng)測壓力微彎效應(yīng)：光纖在微彎時引起纖芯中傳輸?shù)墓獠糠滞度氚鼘樱?/p>

9、全反射條件受到一定破壞），造成傳輸損耗，微彎程度不同，泄漏光波的強度也不同，從而達到光強度調(diào)制的目的。光纖壓力傳感器主要有強度調(diào)制型、相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型三種。強度調(diào)制型光纖傳感器是一種可用于測量位移、溫度、壓力、氣體濃度等多種物理量的高精度傳感器。大多基于彈性元件受壓發(fā)生機械形變，將壓力信號轉(zhuǎn)換為位移信號來進行檢測。為改善傳感器的性能，微弱光強信號的檢測需要載波調(diào)制和雙光路補償。傳統(tǒng)的這類傳感器通常采用模擬電路實現(xiàn)，存在著元件漂移誤差、調(diào)校困難、不易組網(wǎng)、尺寸較大等固有的弊端。相位調(diào)制型光纖傳感器是利用光纖本身作為敏感元件，通過被測能量場的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再用干涉測量

10、技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強變化，從而檢測出待測的物理量。光纖中光的相位由光纖波導(dǎo)的物理長度、折射率及其分布、波導(dǎo)橫向幾何尺寸所決定，應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等外界物理量能直接改變上述三個波導(dǎo)參數(shù)，產(chǎn)生相位變化，實現(xiàn)光纖的相位調(diào)制。簡單地說，將被測量轉(zhuǎn)為光的波長或光程差的變化，從而使相位發(fā)生變化的方法稱為相位調(diào)制。3、 光纖位移傳感器反射式光強調(diào)制測量位移由光纖輸出的光照射到反射面上發(fā)生反射，其中一部分反射光返回光纖，測出反射光的光強，就能確定反射面位移情況。這種傳感器可使用兩根光纖，分別作傳輸發(fā)射光及接收光用；也可以用一根光纖同時承擔兩種功能。為增加光通量可采用光纖束，此方法測量范圍在9mm以內(nèi)，其光強

11、調(diào)制的示意如下圖所示。 圖（4） 光纖位移傳感器測量位移圖（5） 光纖位移傳感器測量曲線4、光纖液位傳感器原理：基于全內(nèi)反射理論當測頭沒有接觸液面（處于空氣中）時，光線在探頭內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，而返回到光電二極管；當測頭接觸液面，由于液體與空氣折射率不相同，所以全內(nèi)反射被破壞，將有部分光線投入液體，使返回光電二極管的光強變?nèi)酢７祷毓鈴娛且后w折射率的函數(shù)。返回光強發(fā)生 突變時，測頭已接觸到液位。光電接收器的要求不高。由于同種溶液在不同濃度時的折射率不同，經(jīng)標定，這種液位傳感器也可作濃度計。光纖液位計可用于易燃、易爆場合，但不能探測污濁液體及會粘附在測頭表面的粘稠物質(zhì)。5、 光纖的其它應(yīng)用（1） 光纖

12、電流傳感器 圖（6） 光纖結(jié)構(gòu)電流傳感器圖（6）為一種全光纖結(jié)構(gòu)的光纖電流傳感器。其中單偏光纖代替了上述結(jié)構(gòu)中的起偏器，并用了一個多圈傳感線圈。電流測量范圍可達0.l5000A。 （2） 光纖式光電開關(guān)應(yīng)用采用遮斷型光纖光電開關(guān)對IC 芯片引腳進行檢測（3） 軍用光纖陀螺其原理：將激光射入繞成線圈的光纖，當線圈的底座隨運動物體旋轉(zhuǎn)時，可以測得出射光的相位發(fā)生變化，它的靈敏度比機械陀螺高，無機械磨擦力。（4）光纖內(nèi)窺鏡制造光纖內(nèi)窺鏡關(guān)鍵的部件是光纖傳像束它決定產(chǎn)品清晰度、分辨率和使用壽命。光纖內(nèi)窺鏡是利用光導(dǎo)纖維傳光、傳像原理及其柔軟的彎曲性能，可以對設(shè)備中肉眼不易直接觀察的隱蔽部位方便快速的檢查。既不需要設(shè)備解體，也不需要另外說明，只要將窺頭插入孔內(nèi)就行了。五、光纖傳感器發(fā)展前景光纖傳感技術(shù)是20世紀70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型傳感技術(shù)，當今世界對光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用研究已取得豐碩成果.光纖傳感器與傳統(tǒng)的機電類傳感器相比具有很多優(yōu)勢，如本質(zhì)防爆、