傳感器第九章光導(dǎo)纖維式傳感器

傳感器第九章光導(dǎo)纖維式傳感器第一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六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(diǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。第二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六一、斯乃爾定理當(dāng)光有光密物質(zhì)進(jìn)入光疏物質(zhì)，發(fā)生折射時(shí)入射角小于折射角。如圖。根據(jù)斯乃爾定理有9.1光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理第三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六有上式可知，當(dāng)入射角增大時(shí)，折射角也增大，且始終。當(dāng)時(shí)，此時(shí)出射光線沿界面?zhèn)鞑?，稱為臨界狀態(tài)。此時(shí)當(dāng)時(shí)，，這時(shí)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(jié)構(gòu)光纖通常由圓柱形的玻璃纖維芯和玻璃包層兩個(gè)同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)。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，編輯于2023年，星期六三、光纖導(dǎo)光幾何光學(xué)原理及數(shù)值孔徑NA光纖導(dǎo)光原理，參見圖。由圖中可知由上式得第五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六由圖知，所以綜合上面公式得第六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六考慮空氣的折射率約等于1，上式簡(jiǎn)化為當(dāng)時(shí)，考慮上式中稱為相對(duì)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，編輯于2023年，星期六四、光纖導(dǎo)光波動(dòng)光學(xué)解釋與幾何光學(xué)解釋的關(guān)系

幾何光學(xué)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(dòng)的概念，隨之也就不再涉及波長(zhǎng)或波數(shù)等。在波長(zhǎng)與所討論系統(tǒng)的空間尺寸比較起來可忽略不計(jì)時(shí)，用幾何光學(xué)或射線分析來研究光學(xué)現(xiàn)象有形象鮮明、數(shù)學(xué)處理簡(jiǎn)單、能達(dá)到工程上滿意精度的優(yōu)點(diǎn)。射線分析的誤差隨著波長(zhǎng)與系統(tǒng)線度比的增大而增大，所以幾何光學(xué)是波動(dòng)光學(xué)在波長(zhǎng)趨于零時(shí)的極限。參考書：《光纖理論與技術(shù)》，曾甫泉編著，西安交通大學(xué)出版社，1990年10月第1版；第八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六一、光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理傳統(tǒng)傳感器是將其它物理量轉(zhuǎn)化為電量，其信號(hào)傳輸和處理均由金屬導(dǎo)線連接。光纖傳感器將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，信號(hào)的傳輸采用光纖完成。9.2光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理及分類第九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六從本質(zhì)上講，光是一種電磁波，在討論光的敏感測(cè)量時(shí)，必須考慮光的電矢量的振動(dòng)。通常電矢量可表示為有上式知，只要使光的強(qiáng)度、偏振態(tài)（矢量的方向）、頻率和相位等參量之一隨被測(cè)量狀態(tài)變化而變化，即可完成測(cè)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，編輯于2023年，星期六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(cè)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(dǎo)光作用，光照在非光線型敏感元件上受被測(cè)量調(diào)制。3.拾光型光纖傳感器光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。（二）根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式分為：強(qiáng)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，編輯于2023年，星期六第十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六一、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(jié)構(gòu)參見下圖。9.3光纖傳感器的主要元件第十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六（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(yán)重，傳輸信息的容量就越小。對(duì)大多數(shù)光纖傳感器應(yīng)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(zhǎng)度都很短，最多數(shù)米長(zhǎng)，因此對(duì)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(jià)格很低。第十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六（三）色散

色散是影響光纖信息容量的重要參量。對(duì)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(duì)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(diǎn)是：價(jià)廉、容易獲得、使用方便；缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差，壽命短（通常幾百小時(shí)）。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(diǎn)有：第十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六1.相干性好，最好的相干長(zhǎng)度達(dá)180km；2.容易實(shí)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(diǎn)是：體積小、堅(jiān)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(diǎn)是：相干性和頻率穩(wěn)定性都不如氣體激光器。（四）半導(dǎo)體激光器特點(diǎn)是：體積小巧、堅(jiān)固耐用、壽命長(zhǎng)(106h-107h)、可靠性高、輻射密度適中、電源簡(jiǎn)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，編輯于2023年，星期六1.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(diǎn)是相干長(zhǎng)度只有數(shù)微米，輸出與電流接近線性，可直接進(jìn)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(shí)間相干性。其耦合率較表面出光LED要好。超輻射LED是一種細(xì)長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)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(lì)電流。第十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六2.半導(dǎo)體激光二極管LDLD是具有諧振腔、異質(zhì)結(jié)構(gòu)的LED。其輻射功率大都在10mW左右，但它的輻射密度高達(dá)108W/(Sr?cm2)左右，工作波長(zhǎng)在850nm-900nm，平均壽命可達(dá)106h以上。（五）傳感器用光源選擇準(zhǔn)則選用準(zhǔn)則有：1.輻射強(qiáng)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(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。第十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六三、檢測(cè)器（一）半導(dǎo)體光電檢測(cè)器

這類檢測(cè)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(diǎn)是本身具有增益，但雪崩增益是一個(gè)隨機(jī)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，編輯于2023年，星期六（三）光電檢測(cè)器件的選擇原則光電檢測(cè)器件選擇的主要依據(jù)是：獲得理想的光信號(hào)強(qiáng)度、光背景電平和所需要的信噪比等。第二十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六一、溫度檢測(cè)（一）遮光式光纖溫度計(jì)下面圖中為兩種不同的遮光式光纖溫度計(jì)9.4光纖傳感器的應(yīng)用第二十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六（二）透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器

當(dāng)一束白光，經(jīng)過半導(dǎo)體晶體片時(shí)，低于某個(gè)特定波長(zhǎng)的光將被半導(dǎo)體吸收而高于該波長(zhǎng)的光將透過半導(dǎo)體。稱為本征吸收波長(zhǎng)。入射光子通過光電效應(yīng)，將電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)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(dǎo)體的禁帶寬度，即將上式轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)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，編輯于2023年，星期六對(duì)于波長(zhǎng)大于的光能透過半導(dǎo)體，而波長(zhǎng)小于的光將被半導(dǎo)體強(qiáng)烈吸收。由上可知，半導(dǎo)體吸收光譜與禁帶寬度有關(guān)，而半導(dǎo)體材料的禁帶寬度隨溫度變化而變化，即對(duì)于GaAs材料，由實(shí)驗(yàn)得到由此可知，半導(dǎo)體的本征吸收波長(zhǎng)隨溫度升高而增大。即透射率曲線向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。第二十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的相匹配的發(fā)光二極管作為光源，則透射光強(qiáng)將隨溫度的升高而減小。參見下圖。第二十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六利用半導(dǎo)體吸收的光纖溫度傳感器其結(jié)構(gòu)如下圖。2007.11.15JGLX303->第二十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六上面簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光纖溫度傳感器，由于受到光源功率的波動(dòng)、損耗變化等因素的影響，其精度受到限制。下圖為帶補(bǔ)償?shù)墓饫w溫度傳感器機(jī)構(gòu)框圖。第二十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六

圖中LED1為信號(hào)光源，其中心波長(zhǎng)與半導(dǎo)體本征吸收波長(zhǎng)相匹配。LED2為參考光源，其中心波長(zhǎng)大于半導(dǎo)體的本征吸收波長(zhǎng)。當(dāng)溫度變化時(shí)，LED1發(fā)射光通過半導(dǎo)體時(shí)光強(qiáng)隨溫度變化而變化，而LED2發(fā)射光的透光強(qiáng)度則不變。因此，對(duì)于LED1發(fā)出的光，在兩個(gè)探測(cè)器PD1和PD2上接收的光強(qiáng)度分別表示為：第二十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六

對(duì)于LED2發(fā)出的光，在兩個(gè)探測(cè)器PD1和PD2上接收的光強(qiáng)度分別表示為：將分別檢測(cè)出來后，作如下運(yùn)算第二十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六（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(lì)下能發(fā)出可見光，其發(fā)射光譜與溫度有關(guān)。某些波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度對(duì)溫度有強(qiáng)烈的依存關(guān)系，而某些波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度幾乎不受溫度變化的影響。因此通過檢測(cè)特定波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度即可測(cè)出溫度。第二十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六此種形式的熒光光纖溫度傳感器能精確地測(cè)量-50℃--200℃的溫度，檢測(cè)精度達(dá)到0.1℃。第三十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六二、壓力檢測(cè)（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(duì)光強(qiáng)的調(diào)制。參見下圖。第三十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六上圖中，膜片厚度在0.05mm-0.2mm間，對(duì)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(guān)系如下由上式，可見中心撓度與所加壓力呈線性關(guān)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(cè)壓力呈線性關(guān)系。用于動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，傳感器的固有頻率為第三十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六下圖為改進(jìn)型的膜反射式光纖壓力傳感器機(jī)構(gòu)。圖中兩束輸出光強(qiáng)比為第三十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六將上式兩邊取對(duì)數(shù)，在滿足時(shí)等式右邊展開后取第一項(xiàng)，得從上式可看出，壓力與兩束光強(qiáng)之比的對(duì)數(shù)成線性關(guān)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(yīng)稱為光彈效應(yīng)。出現(xiàn)雙折射時(shí)，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(dòng)方向相互垂直的線偏振光。2006.12.1JC204->第三十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六對(duì)于光彈效應(yīng)晶體，兩束光線的相位差其中是光彈常數(shù)，為元件長(zhǎng)度，為機(jī)械應(yīng)力，為波長(zhǎng)。第三十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六光彈式壓力傳感器結(jié)構(gòu)參見下圖。第三十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六（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(yīng)，通過壓力引起變形器產(chǎn)生位移，使光纖發(fā)生微彎對(duì)光強(qiáng)進(jìn)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，編輯于2023年，星期六下面為兩種微彎式光纖水聽器探頭結(jié)構(gòu)。第三十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六三、液位、流量、流速的檢測(cè)（一）液位的檢測(cè)技術(shù)1.球面光纖液位傳感器球面液位光纖傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。第三十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六多個(gè)球面液位光纖傳感器安裝在不同高度上可以測(cè)出多個(gè)液位高度。如下圖第四十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六2.斜面光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)參見下圖。第四十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六3.單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)參見下圖。第四十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六（二）流量、流速的檢測(cè)1.光纖渦街流量計(jì)當(dāng)一個(gè)非流線體置于流體中時(shí)，流體流動(dòng)時(shí)，某些條件下會(huì)在非流線體的后方產(chǎn)生有規(guī)律的漩渦，這種漩渦會(huì)在該非流線體的兩邊交替地離開。每個(gè)漩渦產(chǎn)生并離開時(shí)會(huì)在物體上產(chǎn)生一側(cè)向力。于是物體在該力的作用下發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率近似與流速成正比即第四十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六光纖渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)參見下圖。光纖渦街流量計(jì)的特點(diǎn)是可靠性好、對(duì)被測(cè)流體阻力小。但在流速很小時(shí)，光纖振動(dòng)會(huì)消失，因此存在一定的測(cè)量下限。

第四十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六2.光纖多普勒流速計(jì)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(dòng)，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