傳感器課件2013級-第9章光纖

光纖傳感器(FOS：FiberOpticalSensor)是20世紀70年⑤容易實現(xiàn)對被測信號的遠距 2光纖傳感器的基本知光纖的結(jié)石英玻璃為主，摻少量雜質(zhì)鍺、硼、磷等。光纖的結(jié)構(gòu)如圖所示 3光纖的傳光原4n2cn11 折射率為n1的光密物質(zhì)射向折射率為n2的光疏物質(zhì)(即n1＞n2)時，則一部分入射光以折射角2折射入光疏物質(zhì)，其余部分以1角度反射回光密物質(zhì)，根據(jù)折1n1sin1n2sin21c當光線的入射角1c臨界角僅與介質(zhì)的 為臨c角。那么，臨界角僅與介質(zhì)的5當入射角 c，光線不會透過其界面，而全部反射到光物 ，也就是說光被全反射 就1足小于臨界角 纖芯和包層的界面上不斷地產(chǎn)生全反射而向前 ，光就能從光纖的一端以光速 到另一端，這就是光纖傳光的基本原理。光纖的“數(shù)值孔徑”NA只有

數(shù)值孔徑取決于纖芯和包 （全反射）NANAn0光纖的種1)高純度石英(SiO21)高純度石英(SiO20.47dB/km。鍺硅光纖，包層用硼硅材料，其損耗約為0.5dB/km2)2)3)=0.633) 100～200dB/km。但其重量輕，成本低，柔軟性好，適用于短7包層的界面上，纖芯的折射率不隨半徑而變,但在纖芯與包層界面處折射率有突變的稱為階躍型；而光纖纖芯的折射率沿徑向由中心向外呈拋物線由大漸小，至界面處與包層折射率一致的8按光纖 模式分 和沿橫切 的2數(shù)時，將形成波。形成駐波的光線組稱為“?！保凰请x散存在的，亦即一9單模光纖纖芯直徑僅有幾微米，接近波長。其折射率分布均多模光纖允許多 軸線開始沿徑向大致按拋物線形成遞減，中心軸折射率最大，因此，光纖在纖芯中會自動地從折射率小的界面向中心會聚，光纖的軌跡類似正弦波形，如圖所示，具有光自聚焦效果，故漸變折射率多模光纖又稱為自聚焦光纖。因此漸變折構(gòu)成光纖傳感器除光導纖維之外，還必須有光源和光探測器，體積小，便于和光纖耦合發(fā)出的光波長應合適，以減少在光纖中傳輸?shù)哪芰繐p耗有足夠的高度，長期工作穩(wěn)定性好，噪聲小對光源的相干性大自發(fā)輻射ASE光源、半導體分布反饋激光器DFB等，其光源特

到光探測接受系統(tǒng)的質(zhì)量。它的線性度、靈敏度、帶寬等直接關線性好靈敏度高性能穩(wěn)定光電二極光無源器件是一種不必借助外部的任何光或電的能量，由自身能夠完成某種光學功能的光學元器件，光無源器件按其功能可分為光連接器件、光衰減器件、光功率分配器件、光波長分配器件、光 器件、光開關器件、光調(diào)制器件等。 光纖傳感器的分類及其光纖傳感器與電類傳電類傳感 電光纖傳感 光分類內(nèi)光纖電類調(diào)制參光的振幅、相位、頻率、偏振電阻、電容、電感敏感材溫-光敏、力-光敏、磁-光溫-電敏、力-電敏、磁-電傳輸信光電傳輸介光纖、光電線、電光纖傳感器分如圖，它指利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光光纖在外界因素的作用下，其光學特性(光強、相位、頻率、偏振態(tài)等)的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感這類光纖傳感器中光纖僅起導光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現(xiàn)，成本低；但靈敏度也較低，用于對

非功能型光纖傳感器使用的光纖主要是數(shù)值孔徑和芯徑大的傳感探針型光纖傳感器:光纖把測量散射的光信號到光電元件上,通有光纖激光速度計、輻射式光光纖傳感器的分傳感光學現(xiàn)被測光分傳器（磁致伸縮（電致伸縮振動、壓力、加速度溫SM、遮光板遮斷光光纖漏泄溫振動、壓力、加速度液振動、壓力、加速度溫注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光光調(diào)制技感器中的光信號)的某特征參量(幅值、頻率或相位等)進行控制。一般將控制高頻信號的被測信號稱為調(diào)制信號；載送被測信號的高頻信號稱為載波；經(jīng)過調(diào)制后的高頻振蕩信號稱為已調(diào)制信息調(diào)制的光波在光纖中傳輸，然后再由光探測系統(tǒng)解調(diào)，將反射等參數(shù)的變化，而導致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感或液晶的反射光強度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學、機械的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強度調(diào)制型光纖缺點殼 彈性膜P光纖被夾在一對鋸齒板中間，當光纖不受力時，光線從光纖

變形 中穿過，沒有能量損失；當鋸齒板受外力作用而產(chǎn)生位移時，光纖發(fā)生許多微彎，原來光 d以大于臨界角θC的角度θ1在d但在微彎處21，一部分光將逸出，散射入包層中。當受力增加時，光纖微彎的程度也增漏到包層的散射光隨之。AA2A2A2AAcos212 相位調(diào)制型光纖傳感器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系數(shù)發(fā)生變化，而導致光的相位變化，然后用儀把相位變化變換為振幅變化。因此，相位調(diào)制與測量技術并用，構(gòu)成相位調(diào)制的型光纖傳感器。根據(jù)光波的 測量基本知識，兩束相干光同時照射在一光電探測器上，如果其中一光束的相位由于某種因素影響或調(diào)制，在場中就會引起 條紋強度的變化。 場中各點的光強數(shù)式中為相位調(diào)制造成的兩相干光之間的相位差可見，檢測到 光強的變化就可以確定兩光束間相位的實現(xiàn) 測量的儀器稱為 儀。常用的 儀主要有4種： 儀、賽格納 儀、馬赫-澤 儀和法布里 涉儀，如圖所示 (b)賽格納 (c)馬赫澤- (d)法布里- 涉光學儀的共同特點就是它們的相干光在空氣中，由于空氣受環(huán)境溫度變化的影響，引起空氣的折射振動及聲波干擾，而光纖儀利用單模光纖作儀的光路，就可以排除上述影響，并可以克服光路加長時對相干長度的嚴格限制，從而可以制造米量級光路長度的光纖儀。 儀為例，當被測量發(fā)生變化時，將引起測量路光纖纖芯折射率n的變化和測量光纖長度L的變化，由此使通測量光路的光束光程(等于改變，則測量光路和參考光路的相位差為

0(L0L某些物體 存在應力時，會產(chǎn)生折射率在不同方向有不ff 1v211/1vccosf1vccos頻率調(diào)制光纖傳感器是利用由被測對象引起的光頻率的變化來進行監(jiān)測的傳感器。通常有利用效應的速度、流速、振動壓力、加速度光纖傳感器；利用物質(zhì)受強光照射時的拉曼散射構(gòu)光學光的頻率調(diào)制主要是指光學頻移。光學中的現(xiàn)象是指由于觀察者和目標的相對運動，使觀察者接收到的光波頻率設一頻率為f的靜止光源的光入射到速度為v的運動物體上時，c為真空中的光速為物體至光源方向與物體運動方向的夾角f2 f2 v1雙重頻移方程f2為在Q處所觀察到的光頻率；光纖根據(jù)上述頻移原理，可用于普通光學測量裝置不能安裝的一些特殊場合，如密封容器中流速的測量和生物體中典型的激 光纖測速系光纖探測器對透明介質(zhì)中散射體的運動非常靈敏，但其結(jié)光纖傳感器的應光纖位移傳感由光纖輸出的光照射到反射面上發(fā)生反射，測出反射光的光強，就能確定反射面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；也可以用一根光纖為增加光通量可采用光纖束，此方法測量范圍在9mm接收光通量與位移d的關系

≤d0k

d0)2；d0≤

≤dm

≤dm這一區(qū)域可以用來進行微米級的位移測量。在后坡區(qū)，信號的減弱約與探頭和被測表面之間的距離平方成反比，可用于距離較遠而靈敏度、線性度和精度要求不高的測量。在光峰區(qū)，信號達到最大值，其大小取決于被測物體的表面狀態(tài)。所示這個各種移動物體的位置，如定尺寸、定位、記數(shù)等。特別是用電路板標志檢

當光纖發(fā)出的光穿過標志孔時，若無反射，說明電路板方向出出射光接收光采用遮斷型光纖光電開關對IC引 定 條形碼檢光纖液體濃度傳感放入液體中的光纖部分為芯，此時液體起到了包層的作用，液體的折射率n2就由于折射率的改變致使光在纖芯中出射光強I與入射光強I0之間存在著如下關(rn2II0e r為入射光波長；為衰減系數(shù)，與光纖彎曲半徑r、入射光波長及液體的折射率n2有關；為彎曲光纖的長度。光纖陀螺陀螺儀的Sagnac光源發(fā)出的光在A點分為兩束，一束為順時 的光束另一束為逆時 點出發(fā)，經(jīng)相同光程又回到A點。設光軌道由N匝光纖構(gòu)成，光軌道的半徑為，光纖總長度為L。兩束光繞行一周的光程為La

儀相對慣性空間以角速度旋轉(zhuǎn)時，光從點A進儀，兩束反向光束依然以真空中的光速，但經(jīng)過一段時間后分束點已從點A移動到了點A'，與儀旋轉(zhuǎn)方向一致的光束的光程要長于相應的反向的光束的光程。設順時針光束b繞行一周的時間為tb，

Lb

設逆時針光束a繞行一周的時間為ta，

La

2NR

ttbc act

c2

82 利用光 原理測 光的相位變化，就能知道旋轉(zhuǎn)速度光纖高溫測量系測量時，測量光纖鋼水約40cm深。光纖可采用金屬套層光纖，光纖鋼水瞬間，光纖被燒蝕，端面形成半圓形凹面，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C11 C