傳感器第九章光導纖維式傳感器

傳感器第九章光導纖維式傳感器第一頁，共五十頁，2022年，8月28日光纖式傳感器使用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。光纖傳感器的主要特點有：(1)電絕緣；(2)抗電磁干擾；(3)非侵入性；(4)高靈敏度；(5)容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。第二頁，共五十頁，2022年，8月28日一、斯乃爾定理當光有光密物質(zhì)進入光疏物質(zhì)，發(fā)生折射時入射角小于折射角。如圖。根據(jù)斯乃爾定理有9.1光導纖維導光的基本原理第三頁，共五十頁，2022年，8月28日有上式可知，當入射角增大時，折射角也增大，且始終。當時，此時出射光線沿界面?zhèn)鞑?，稱為臨界狀態(tài)。此時當時，，這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，其出射光不再折射而全部反射回來。二、光纖結構光纖通常由圓柱形的玻璃纖維芯和玻璃包層兩個同心圓柱的雙層結構。參見圖。纖芯位于光纖中心部位，纖芯的折射率比包層的折射率大。第四頁，共五十頁，2022年，8月28日三、光纖導光幾何光學原理及數(shù)值孔徑NA光纖導光原理，參見圖。由圖中可知由上式得第五頁，共五十頁，2022年，8月28日由圖知，所以綜合上面公式得第六頁，共五十頁，2022年，8月28日考慮空氣的折射率約等于1，上式簡化為當時，考慮上式中稱為相對折射率差。定義為光纖的數(shù)字孔徑NA。由以上分析只有的入射光線才能在光纖界面上發(fā)生全反射，從而被光線傳輸。第七頁，共五十頁，2022年，8月28日四、光纖導光波動光學解釋與幾何光學解釋的關系

幾何光學把光源看成射線源，光的傳播問題就是射線的軌跡問題，完全不涉及波動的概念，隨之也就不再涉及波長或波數(shù)等。在波長與所討論系統(tǒng)的空間尺寸比較起來可忽略不計時，用幾何光學或射線分析來研究光學現(xiàn)象有形象鮮明、數(shù)學處理簡單、能達到工程上滿意精度的優(yōu)點。射線分析的誤差隨著波長與系統(tǒng)線度比的增大而增大，所以幾何光學是波動光學在波長趨于零時的極限。參考書：《光纖理論與技術》，曾甫泉編著，西安交通大學出版社，1990年10月第1版；第八頁，共五十頁，2022年，8月28日一、光纖傳感器的結構原理傳統(tǒng)傳感器是將其它物理量轉(zhuǎn)化為電量，其信號傳輸和處理均由金屬導線連接。光纖傳感器將被測物理量轉(zhuǎn)換為光信號，信號的傳輸采用光纖完成。9.2光纖傳感器結構原理及分類第九頁，共五十頁，2022年，8月28日從本質(zhì)上講，光是一種電磁波，在討論光的敏感測量時，必須考慮光的電矢量的振動。通常電矢量可表示為有上式知，只要使光的強度、偏振態(tài)（矢量的方向）、頻率和相位等參量之一隨被測量狀態(tài)變化而變化，即可完成測量過程。二、光纖傳感器的分類（一）根據(jù)光纖在傳感器中的作用分為功能型、非功能型和拾光型三大類。1.功能型（全光纖型）光纖傳感器第十頁，共五十頁，2022年，8月28日光纖在其中不僅是導光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制。2.非功能型（傳光型）光纖傳感器光纖在其中僅起導光作用，光照在非光線型敏感元件上受被測量調(diào)制。3.拾光型光纖傳感器光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。（二）根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式分為：強度調(diào)制型光纖傳感器、偏振調(diào)制光纖傳感器、頻率調(diào)制型光纖傳感器、相位調(diào)制型傳感器。第十一頁，共五十頁，2022年，8月28日第十二頁，共五十頁，2022年，8月28日一、光纖常見光纖有階躍型和梯度型多模及單模光纖。它們的結構參見下圖。9.3光纖傳感器的主要元件第十三頁，共五十頁，2022年，8月28日（一）光纖的數(shù)值孔徑NA

NA是衡量光纖聚光能力的參量。從提高光源與光纖之間耦合效率的角度看，要求采用NA大的光纖。但NA越大，光纖的模色散越嚴重，傳輸信息的容量就越小。對大多數(shù)光纖傳感器應用來說，不存在信息容量的問題。因此，傳感器所用光纖具有最大數(shù)字孔徑為宜。一般要求：（二）光纖傳輸損耗由于作為傳感器的光纖其長度都很短，最多數(shù)米長，因此對光纖傳輸損耗要求很低，一般傳輸損耗<10dB/km的光纖均可采用。這樣的光纖價格很低。第十四頁，共五十頁，2022年，8月28日（三）色散

色散是影響光纖信息容量的重要參量。對于大多數(shù)傳感器來說，不存在信息容量的問題，因而可以放寬對光纖色散的要求。二、光源（一）白熾燈光源這類光源通常為鎢絲燈，其輻射近似為黑體輻射。其優(yōu)點是：價廉、容易獲得、使用方便；缺點：穩(wěn)定性差，壽命短（通常幾百小時）。輻射密度小，只能與光纖束和粗芯階躍光纖配合使用。（二）氣體激光器

常用的氣體激光器，主要是氦氖激光器。其主要優(yōu)點有：第十五頁，共五十頁，2022年，8月28日1.相干性好，最好的相干長度達180km；2.容易實現(xiàn)單模工作，線寬非常窄，約1kHz。3.輻射密度高；4.噪聲小。（三）固體激光器固體激光器又稱為晶體激光器。其優(yōu)點是：體積小、堅固耐用、高功率、高輻射密度、發(fā)射光譜均勻且窄、容許單模工作。缺點是：相干性和頻率穩(wěn)定性都不如氣體激光器。（四）半導體激光器特點是：體積小巧、堅固耐用、壽命長(106h-107h)、可靠性高、輻射密度適中、電源簡單。分為非相干的發(fā)光二極管(LED)和相干的激光二極管(LD)。第十六頁，共五十頁，2022年，8月28日1.發(fā)光二極管

發(fā)光二極管分為表面出光、端面出光和超輻射等三種。其共同特點是相干長度只有數(shù)微米，輸出與電流接近線性，可直接進行幅度調(diào)制。表面出光LED是多模光纖系統(tǒng)的良好光源，由于它的輻射角大，與光纖耦合率很低。不適合干涉型光纖傳感器或單模光纖中。端面出光LED有很高的空間相干性、而無時間相干性。其耦合率較表面出光LED要好。超輻射LED是一種細長條形結構的端面出光LED。它提高了端面出光LED的輸出功率，有較好的定向輸出，減小了光譜密度，需要較大的激勵電流。第十七頁，共五十頁，2022年，8月28日2.半導體激光二極管LDLD是具有諧振腔、異質(zhì)結構的LED。其輻射功率大都在10mW左右，但它的輻射密度高達108W/(Sr?cm2)左右，工作波長在850nm-900nm，平均壽命可達106h以上。（五）傳感器用光源選擇準則選用準則有：1.輻射強度足夠大，且光譜特性與光敏元件的光譜特性相匹配；2.光源必須與光纖相匹配，以獲得最佳耦合效率；3.光源穩(wěn)定性好，能長期穩(wěn)定的工作。第十八頁，共五十頁，2022年，8月28日三、檢測器（一）半導體光電檢測器

這類檢測器主要有PIN光電二極管、雪崩式光電二極管、PIN-FET微型組件等。雪崩式光電二極管APD的優(yōu)點是本身具有增益，但雪崩增益是一個隨機過程，增益的均方值(m2)大于其平均值的平方(M2)，于是產(chǎn)生過剩噪聲，通常用噪聲因子F(m)=m2/M2來描述。（二）光電倍增管倍增過程可很好控制，不存在過剩噪聲。第十九頁，共五十頁，2022年，8月28日（三）光電檢測器件的選擇原則光電檢測器件選擇的主要依據(jù)是：獲得理想的光信號強度、光背景電平和所需要的信噪比等。第二十頁，共五十頁，2022年，8月28日一、溫度檢測（一）遮光式光纖溫度計下面圖中為兩種不同的遮光式光纖溫度計9.4光纖傳感器的應用第二十一頁，共五十頁，2022年，8月28日（二）透射型半導體光纖溫度傳感器

當一束白光，經(jīng)過半導體晶體片時，低于某個特定波長的光將被半導體吸收而高于該波長的光將透過半導體。稱為本征吸收波長。入射光子通過光電效應，將電子從價帶激發(fā)到導帶，稱為本征吸收。要發(fā)生本征吸收，入射光子的能量必須大于半導體的禁帶寬度，即將上式轉(zhuǎn)化為波長表示，得到產(chǎn)生本征吸收的條件為2006.11.27JC204->第二十二頁，共五十頁，2022年，8月28日對于波長大于的光能透過半導體，而波長小于的光將被半導體強烈吸收。由上可知，半導體吸收光譜與禁帶寬度有關，而半導體材料的禁帶寬度隨溫度變化而變化，即對于GaAs材料，由實驗得到由此可知，半導體的本征吸收波長隨溫度升高而增大。即透射率曲線向長波方向移動。第二十三頁，共五十頁，2022年，8月28日若采用發(fā)射光譜與半導體的相匹配的發(fā)光二極管作為光源，則透射光強將隨溫度的升高而減小。參見下圖。第二十四頁，共五十頁，2022年，8月28日利用半導體吸收的光纖溫度傳感器其結構如下圖。2007.11.15JGLX303->第二十五頁，共五十頁，2022年，8月28日上面簡單結構的半導體光纖溫度傳感器，由于受到光源功率的波動、損耗變化等因素的影響，其精度受到限制。下圖為帶補償?shù)墓饫w溫度傳感器機構框圖。第二十六頁，共五十頁，2022年，8月28日

圖中LED1為信號光源，其中心波長與半導體本征吸收波長相匹配。LED2為參考光源，其中心波長大于半導體的本征吸收波長。當溫度變化時，LED1發(fā)射光通過半導體時光強隨溫度變化而變化，而LED2發(fā)射光的透光強度則不變。因此，對于LED1發(fā)出的光，在兩個探測器PD1和PD2上接收的光強度分別表示為：第二十七頁，共五十頁，2022年，8月28日

對于LED2發(fā)出的光，在兩個探測器PD1和PD2上接收的光強度分別表示為：將分別檢測出來后，作如下運算第二十八頁，共五十頁，2022年，8月28日（三）熒光發(fā)光型光纖溫度傳感器某些熒光物質(zhì)在紫外光激勵下能發(fā)出可見光，其發(fā)射光譜與溫度有關。某些波長的熒光強度對溫度有強烈的依存關系，而某些波長的熒光強度幾乎不受溫度變化的影響。因此通過檢測特定波長的熒光強度即可測出溫度。第二十九頁，共五十頁，2022年，8月28日此種形式的熒光光纖溫度傳感器能精確地測量-50℃--200℃的溫度，檢測精度達到0.1℃。第三十頁，共五十頁，2022年，8月28日二、壓力檢測（一）采用彈性元件的光纖壓力傳感器此種形式的壓力傳感器是利用壓力引起形變，利用形變完成對光強的調(diào)制。參見下圖。第三十一頁，共五十頁，2022年，8月28日上圖中，膜片厚度在間，對于四周固定的膜片，在小撓度的條件下(為膜片厚度)，其中心撓度與壓力的關系如下由上式，可見中心撓度與所加壓力呈線性關系。若利用Y型光纖束位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率與待測壓力呈線性關系。用于動態(tài)測量時，傳感器的固有頻率為第三十二頁，共五十頁，2022年，8月28日下圖為改進型的膜反射式光纖壓力傳感器機構。圖中兩束輸出光強比為第三十三頁，共五十頁，2022年，8月28日將上式兩邊取對數(shù)，在滿足時等式右邊展開后取第一項，得從上式可看出，壓力與兩束光強之比的對數(shù)成線性關系。（二）光彈性式光纖壓力傳感器晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，從而呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，這種效應稱為光彈效應。出現(xiàn)雙折射時，無論入射光是自然光還是偏振光，都將分解成兩束傳播速度不同、振動方向相互垂直的線偏振光。2006.12.1JC204->第三十四頁，共五十頁，2022年，8月28日對于光彈效應晶體，兩束光線的相位差其中是光彈常數(shù)，為元件長度，為機械應力，為波長。第三十五頁，共五十頁，2022年，8月28日光彈式壓力傳感器結構參見下圖。第三十六頁，共五十頁，2022年，8月28日（三）微彎式光纖壓力傳感器微彎式壓力傳感器是基于光纖的微彎效應，通過壓力引起變形器產(chǎn)生位移，使光纖發(fā)生微彎對光強進行調(diào)制。微彎原理參見下圖光纖變形器第三十七頁，共五十頁，2022年，8月28日下面為兩種微彎式光纖水聽器探頭結構。第三十八頁，共五十頁，2022年，8月28日三、液位、流量、流速的檢測（一）液位的檢測技術1.球面光纖液位傳感器球面液位光纖傳感器的結構如圖所示。第三十九頁，共五十頁，2022年，8月28日多個球面液位光纖傳感器安裝在不同高度上可以測出多個液位高度。如下圖第四十頁，共五十頁，2022年，8月28日2.斜面光纖液位傳感器結構參見下圖。第四十一頁，共五十頁，2022年，8月28日3.單光纖液位傳感器結構參見下圖。第四十二頁，共五十頁，2022年，8月28日（二）流量、流速的檢測1.光纖渦街流量計當一個非流線體置于流體中時，流體流動時，某些條件下會在非流線體的后方產(chǎn)生有規(guī)律的漩渦，這種漩渦會在該非流線體的兩邊交替地離開。每個漩渦產(chǎn)生并離開時會在物體上產(chǎn)生一側向力。于是物體在該力的作用下發(fā)生振動，振動頻率近似與流速成正比即第四十三頁，共五十頁，2022年，8月28日光纖渦街流量計的結構參見下圖。光纖渦街流量計的特點是可靠性好、對被測流體阻力小。但在流速很小時，光纖振動會消失，因此存在一定的測量下限。

第四十四頁，共五十頁，2022年，8月28日2.光纖多普勒流速計參見下圖。激光束照射到流體上，發(fā)生散射，由于流體在流動，使得光電傳感器接收到的散射光發(fā)生多普勒頻移。He-NeAD數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)B