光纖傳感器論文—畢業(yè)論文

1、光纖傳感器原理與應用摘要介紹了光纖傳感器的基本構成及原理，綜述了近年來光纖傳感器技術的應用和發(fā)展，對光纖傳感技術的研究發(fā)展方向進行了展望。 光纖傳感器隨著光纖通信技術的實用化有了迅速發(fā)展，且以體積小、重量輕、檢測分辨率高、靈敏度高、測溫范圍寬、保密性好、抗電磁干擾能力強、抗腐蝕性強等明顯優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器的特點，其應用范圍深入至國防軍事、航天航空、土木工程、電力、能源、環(huán)保、醫(yī)學等?，F(xiàn)如今光纖傳感器已經能夠對溫度、壓力、溫度、振動、電流、電壓、磁場等物理量進行測定，發(fā)展空間相當廣闊。 關鍵詞：光纖傳感器 光纖通信 應用范圍 發(fā)展 目 錄一、引言 4二、光導纖維的結構與分類 4三、光纖傳感器的原理

2、5 2、光纖的傳光原理 5 3、光纖傳感器基本原理 5四、光纖傳感器在檢測技術中的應用 6 1、光纖傳感器用于檢測的基本結構 6 2、光纖傳感器對位移、振動頻率和轉速的測量7 1光纖傳感器測量位移 7 2光纖傳感器測量振動頻率 7 3光纖傳感器測量速度 7五、總結 8一、引言光纖傳感器技術是伴隨著光導纖維和光纖通信技術發(fā)展而形成的一門嶄新的傳感技術。光纖傳感器的傳感靈敏度要比傳統(tǒng)傳感器高許多倍，而且它可以在高電壓、大噪聲、高溫、強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)。光纖傳感技術是許多經濟、軍事強國爭相研究的高新技術，它可以應用于國民經

3、濟的很多領域。光(導)纖(維)是20世紀70年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導體探測器一起構成了新的光學技術，創(chuàng)造了光電子學的新天地。光纖的出現(xiàn)產生了光纖通信技術，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世紀的通信基礎信息高速公路奠定了基礎，為多媒體通信提供了實現(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用。二、光導纖維的結構與分類光導纖維，簡稱光纖，光纖是用光透射率高的電介質（如石英、玻璃、塑料等）構成的光通路。光線的結構如圖1所示，圖1 圖2它由折射率n1較大（光密介質）的纖芯，和折射率n2較?。ü馐杞橘|）的包層構成的雙層同心圓結構。

4、如圖2光纖是一種多層介質結構的對稱圓柱體，是用比頭發(fā)絲還細的石英玻璃絲制成的，包括纖芯、包層和涂敷層, 光纖的導光能力取決于纖芯和包層的性質，機械強度取決于塑料保護外套。它的外形與結構（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（內外包層）更多層結構，總直徑為100200m。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作用，并增加機械強度；外層加裝不同顏色的塑料套管，除起保護作用外，還可以方便的辨認不

5、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纖維、光源、光探測器三個重要部件。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總體性能。三、 光纖傳感器的原理當光線由光密媒質(折射率n1)射入光疏媒質(折射率n2，n1n2)時，若入射角大于等于臨界角sin1(n2/n1)，在媒質界面上會發(fā)生全反射現(xiàn)象（如圖1）。光

6、在光纖中傳播的基本原理可用光線或光波的概念來描述。光線的概念是一個簡便、近似方法，可用來導出一些重要概念，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，必須借助波動理論。即需要考慮到光是電磁波動現(xiàn)象以及光纖是圓柱形介質波導等，才能研究光在圓柱形波導中允許存在的傳播模式，并導出經常要提到的波導參數(shù)(v值)等概念。以階躍型多模光纖為例，在子午面內光線從空氣(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（斯

7、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，應滿足代入：得 能是光線在光纖內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，它表示當入射光從外部介質射入光纖時，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，僅與纖芯和包層的折射率有關，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。石英光纖的na=0.20.4。四、 光纖傳感器在檢測技術中的應用1.光纖傳感器用于檢測的基本結構 圖5 圖6光纖傳感器大致分為兩類：第一類是利用光纖的性質隨被測物理量而變化（如圖7）；第二類是利用光線進行傳輸?shù)膫鞲衅鳎ㄈ鐖D8、9

8、、10）。待添加的隱藏文字內容2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，能過知道聲場的強度。在圖8中設置了一個光的穿透性或光的反射性隨被測物理量而變化的元件，通過該元件進行物理量的測量與另一條光纖進行傳輸。 圖7 圖8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。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、振動頻率和轉速的測量1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，光在千分尺側量端端面

9、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近成正比。 圖11 圖122光纖傳感器測量振動頻率 光纖傳感器測量振動頻率的裝置如圖12，它由y形光纖光源光電探測器振動機構等部分組成。這個裝置對工作時光量傳輸過程與前面位移測量基本相同，不同的是鏡面與光纖傳感器端面間距離變化手振動機構控制。在振幅不變情況下，改變振動頻率，在數(shù)字電壓表上可以得到一系列與振動頻率相對應的電壓值。3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

10、并投射到轉盤的反射鏡上，然后將光反射回光纖并出射到光電器件上。當反射鏡隨轉盤旋轉時，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，這個變化周期就是轉盤的旋轉速度，這樣就實現(xiàn)了轉速測量。圖13五、總結目前，光纖傳感器在航天（飛機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）、科學研究（地球自轉）等眾多領域都得到了廣泛應用。光纖傳感器的迅猛發(fā)展開始于1977年至今已經研制出多種光纖傳感器，光纖有很多優(yōu)點