光纖傳感器論文

1、光纖傳感器院系：機(jī)電工程學(xué)院班級：電氣二班姓名：耿志彪學(xué)號：100101213 目 錄目錄 1一、小緒 2二、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)與分類 2三、光纖傳感器的類型與原理 3 1、光纖傳感器的類型 3 2、光纖的傳光原理 4 3、光纖傳感器基本原理 5四、光纖傳感器在檢測技術(shù)中的應(yīng)用 5 1、光纖傳感器用于檢測的基本結(jié)構(gòu) 5 2、光纖傳感器對位移、振動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)速的測量6 光纖傳感器測量位移 6 光纖傳感器測量振動(dòng)頻率 7 光纖傳感器測量速度 7 五、總結(jié) 8 一、小緒光纖傳感器技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)發(fā)展而形成的一門嶄新的傳感技術(shù)。光纖傳感器的傳感靈敏度要比傳統(tǒng)傳感器高許多倍，而且它可以在高電

2、壓、大噪聲、高溫、強(qiáng)腐蝕性等很多特殊情況下正常工作，還可以與光纖遙感、遙測技術(shù)配合，形成光纖遙感系統(tǒng)和光線遙測系統(tǒng)。光纖傳感技術(shù)是許多經(jīng)濟(jì)、軍事強(qiáng)國爭相研究的高新技術(shù)，它可以應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的很多領(lǐng)域。光(導(dǎo))纖(維)是20世紀(jì)70年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體探測器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造了光電子學(xué)的新天地。光纖的出現(xiàn)產(chǎn)生了光纖通信技術(shù)，特別是光纖在有線通信方面的優(yōu)勢越來越突出，它為人類21世紀(jì)的通信基礎(chǔ)信息高速公路奠定了基礎(chǔ)，為多媒體通信提供了實(shí)現(xiàn)的必需條件。由于光纖具有許多新的特性，所以不僅在通信方面，在傳感器等方面也獲得了應(yīng)用。二、 光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)與分類光導(dǎo)纖維，簡稱光纖，光

3、纖是用光透射率高的電介質(zhì)（如石英、玻璃、塑料等）構(gòu)成的光通路。光線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1 圖2它由折射率n1較大（光密介質(zhì)）的纖芯，和折射率n2較?。ü馐杞橘|(zhì)）的包層構(gòu)成的雙層同心圓結(jié)構(gòu)。如圖2光纖是一種多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的對稱圓柱體，是用比頭發(fā)絲還細(xì)的石英玻璃絲制成的，包括纖芯、包層和涂敷層, 光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，機(jī)械強(qiáng)度取決于塑料保護(hù)外套。它的外形與結(jié)構(gòu)（如圖3）纖芯材料的主體是二氧化硅，里面摻入很微量的其他材料（如二氧化鍺、五氧化二磷），摻雜其他材料的目的是為了提高材料的光折射率。纖芯的直徑是575m。纖芯外面為包層，可以是一層、二層或者（內(nèi)外包層）更多層結(jié)構(gòu)，總直徑為100

4、200m。包層的材料一般用二氧化硅，為了降低包層對光的折射率，也可摻入其他微量元素。外層材料對光纖起保護(hù)作用，并增加機(jī)械強(qiáng)度；外層加裝不同顏色的塑料套管，除起保護(hù)作用外，還可以方便的辨認(rèn)不同的光纖型號。 圖3 圖4光纖傳感器的基本組成：光纖傳感器主要包括光導(dǎo)纖維、光源、光探測器三個(gè)重要部件。光源 分為相干光源(各種激光器)和非相干光源(白熾光、發(fā)光二極管)。實(shí)際中，一般要求光源的尺寸小、發(fā)光面積大、波長合適、足夠亮、穩(wěn)定性好、噪聲小、壽命長、安裝方便等。光探測器 包括光敏二極管、光敏三極管、光電倍增管、光電池等。光探測器在光纖傳感器中有著十分重要的地位，它的靈敏度、帶寬等參數(shù)將直接影響傳感器的

5、總體性能。三、 光纖傳感器的類型與原理1.光纖傳感器的類型一類是利用光纖本身的某種敏感特性或功能制成的傳感器，稱為功能型傳感器（或傳感型光纖傳感器）;如圖4其原理是外界因素使得光纖中傳輸光波的相位發(fā)生變化進(jìn)而改變出射光、干涉光的強(qiáng)度，以此達(dá)到測量目的。=2/0nl 式中，為光在真空中的波長0，n為光纖纖芯的折射率，l為光在光纖中傳播的距離。 一般通過外界因素可改變n和l進(jìn)而可改變相位,而相位和出射光光強(qiáng) i密切相關(guān)，從而改變出射光光強(qiáng)。光纖在這類傳感器中主要是用單模光纖，它不僅僅是傳光元件，而且利用光纖本身的某些特性來感知外界因素的變化，所以它又是敏感元件，因此改變幾何尺寸和材料性質(zhì)可以改善靈

6、敏度。傳感型光纖傳感器在結(jié)構(gòu)上比傳光型光纖傳感器要簡單，因?yàn)楣饫w是連續(xù)的，可以少用一些光耦合器件。但為了光纖能夠接受外界物理量的變化，往往需要采用特殊光纖來做探頭，這樣就增加了傳感器的制造難度。另一類是光纖僅僅起傳輸光波的作用，必須在光纖端部或中間加裝其它敏感元件才能構(gòu)成的傳感器，稱為傳光型傳感器（非功能型傳感器）（如圖5、6）。傳光型光纖傳感器主要是強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器，其基本原理是待測物理量引起光纖中傳輸光的光強(qiáng)i變化，通過檢測光強(qiáng) i的變化來實(shí)現(xiàn)對待測物理量的測量。強(qiáng)度調(diào)制的特點(diǎn)是簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)、強(qiáng)度調(diào)制方式很多，主要有反射式強(qiáng)度調(diào)制和透射式強(qiáng)度調(diào)制。 圖5 圖6為了獲得較大的受光量和

7、傳輸光的功率，在傳光型光纖傳感器中使用的光纖主要是數(shù)值孔徑和芯徑較大的階躍型多模光纖。光纖僅作為傳播光的介質(zhì)，對外界信息的感覺功能是依靠其他物理性質(zhì)的功能元件來完成的。傳感器中的光纖不是連續(xù)的，其間有中斷，中斷部分要接上其他介質(zhì)的敏感元件來完成。傳光型光纖傳感器主要利用調(diào)制器中優(yōu)質(zhì)的敏感元件來提高光纖傳感器的靈敏度，傳光介質(zhì)是光纖，所以采用通信光纖甚至普通的多模光纖就能滿足要求。傳傳光型光纖傳感器占了光纖傳感器的絕大多數(shù)。2.光纖的傳光原理當(dāng)光線由光密媒質(zhì)(折射率n1)射入光疏媒質(zhì)(折射率n2，n1n2)時(shí)，若入射角大于等于臨界角sin1(n2/n1)，在媒質(zhì)界面上會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象（如圖1）。

8、光在光纖中傳播的基本原理可用光線或光波的概念來描述。光線的概念是一個(gè)簡便、近似方法，可用來導(dǎo)出一些重要概念，如全反射的概念、光線截留的概念等。然而，要進(jìn)一步研究光的傳播理論，將光看作射線就不夠了，必須借助波動(dòng)理論。即需要考慮到光是電磁波動(dòng)現(xiàn)象以及光纖是圓柱形介質(zhì)波導(dǎo)等，才能研究光在圓柱形波導(dǎo)中允許存在的傳播模式，并導(dǎo)出經(jīng)常要提到的波導(dǎo)參數(shù)(v值)等概念。以階躍型多模光纖為例，在子午面內(nèi)光線從空氣(折射率n0)射入光纖端面，與軸線的夾角為0，若入射角小于某一值c，光線在纖芯和包層的界面上將發(fā)生全反射，光線射不出纖芯，從而能夠從光纖的一端傳播到另一端，這就是光纖傳光的基本原理。如圖2由snell（

9、斯涅爾）定律得則 即 若要使入射光線在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，由臨界角定義，應(yīng)滿足代入得 能是光線在光纖內(nèi)全反射的最大入射角c可由上式求得，即式中，na稱為光纖的數(shù)值孔徑，它表示當(dāng)入射光從外部介質(zhì)射入光纖時(shí)，只有入射角小于c的光才能在光纖中傳播。na與光纖的幾何尺寸無關(guān)，僅與纖芯和包層的折射率有關(guān)，纖芯和包層的折射率差別越大，數(shù)孔直徑就越大，光纖的集光能力就越強(qiáng)。石英光纖的na=0.20.4。3.光纖傳感器基本原理光纖傳感器的基本原理是將來自光源的光通過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進(jìn)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(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信

10、號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。四、 光纖傳感器在檢測技術(shù)中的應(yīng)用1.光纖傳感器用于檢測的基本結(jié)構(gòu) 圖7光纖傳感器大致分為兩類：第一類是利用光纖的性質(zhì)隨被測物理量而變化（如圖7）；第二類是利用光線進(jìn)行傳輸?shù)膫鞲衅鳎ㄈ鐖D8、9、10）。如將光纖置于聲場中，則光纖芯線的折射率隨聲壓而變化。將這種折射率的變化作為穿過光纖中的光的相位變化檢出，根據(jù)所檢出的相位變化，能過知道聲場的強(qiáng)度。在圖8中設(shè)置了一個(gè)光的穿透性或光的反射性隨被測物理量而變化的元件，通過該元件進(jìn)行物理量的測量與另一條光纖進(jìn)行傳輸。圖8 圖9圖9為在光纖的一端安置物理量-光變換器，也有安裝照明器用光纖的情況。

11、 圖10圖10為光纖僅作為傳輸線路用的情況。2.光纖傳感器對位移、振動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)速的測量 光纖傳感器測量位移光纖傳感器測量位移的原理如圖11，工作過程：光源發(fā)出的光耦合導(dǎo)入射光纖，光在光纖中傳輸?shù)焦饫w另一端并發(fā)射出去，光在千分尺側(cè)量端端面被發(fā)射回來并由反射光纖照射到光電晶體管上，光電晶體管將光量變成電量輸出，將放大顯示到數(shù)字電壓表或示波器上。輸出量的大小與反射光量大小成正比，而反射光量的大小又與光纖出射端面距千分尺測量端面遠(yuǎn)近成正比。 圖11 光纖傳感器測量振動(dòng)頻率光纖傳感器測量振動(dòng)頻率的裝置如圖12，它由y形光纖光源光電探測器振動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成。這個(gè)裝置對工作時(shí)光量傳輸過程與前面位移測量基本相

12、同，不同的是鏡面與光纖傳感器端面間距離變化手振動(dòng)機(jī)構(gòu)控制。在振幅不變情況下，改變振動(dòng)頻率，在數(shù)字電壓表上可以得到一系列與振動(dòng)頻率相對應(yīng)的電壓值。圖12 光纖傳感器測量速度光纖傳感器測量速度的原理圖如圖13。光源發(fā)出的光由入射光纖傳輸并投射到轉(zhuǎn)盤的反射鏡上，然后將光反射回光纖并出射到光電器件上。當(dāng)反射鏡隨轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，位置發(fā)生周期性變化，則光電器件的輸出信號也周期性變化，這個(gè)變化周期就是轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)速度，這樣就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速測量。五、 總結(jié)目前，光纖傳感器在航天（飛機(jī)及航天器各部位壓力測量、溫度測量、陀螺等）、航海（聲納等）、石油開采（液面高度、流量測量、二相流中空隙度的測量）、電力傳輸（高壓輸電網(wǎng)的電流測量、電壓測量）、核工業(yè)（放射劑量測量、原子能發(fā)電站泄露劑量監(jiān)測）、醫(yī)療（血液流速測量、血壓及心音測量）、科學(xué)研究（地球自轉(zhuǎn)）等眾多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。光纖傳感器的迅猛發(fā)展開始于