昆明理工大學(xué)檢測(cè)技術(shù)光纖傳感器課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告光纖傳感器原理、結(jié)構(gòu)線路及其應(yīng)用學(xué) 院: 信息工程與自動(dòng)化班 級(jí): 姓 名: 學(xué) 號(hào): 指導(dǎo)老師: 陳 焰 2014年12月25日目 錄摘 要11. 光纖傳感器概述11.1 光纖傳感器研究背景11.2 研究的目的及意義22. 原理32.1 光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理32.1.1 斯乃爾定理（Snell's Law）32.1.2 光纖結(jié)構(gòu)42.1.3 光纖導(dǎo)光原理及數(shù)值孔徑NA52.2 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理62.3 光纖傳感器的分類72.3.1 根據(jù)光纖在傳感器中的作用82.3.2 根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式93. 光纖傳感器的應(yīng)用103.1 溫度的檢測(cè)103.1.1 遮光式光纖溫

2、度計(jì)103.1.2 透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器113.2 壓力的檢測(cè)123.2.1 采用彈性元件的光纖壓力傳感器123.2.2 光彈性式光纖壓力傳感器143.3 液位的檢測(cè)163.3.1 球面光纖液位傳感器163.3.2 斜端面光纖液位傳感器173.3.3 單光纖液位傳感器183.4 流量、流速的檢測(cè)193.4.1 光纖渦街流量計(jì)193.4.2 光纖多普勒流速計(jì)20總 結(jié)21參考文獻(xiàn)：22摘 要光纖傳感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感

3、器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)。因此，它同時(shí)具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)。近年來(lái)，傳感器朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過(guò)程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能;絕緣、無(wú)感應(yīng)的電氣性能;耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方(如高溫區(qū)或者對(duì)人有害的地區(qū)，如核輻射區(qū))，起到人的耳目作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。關(guān)鍵詞: 光纖 傳感器 測(cè)量 結(jié)構(gòu) 原理 應(yīng)用 1. 光纖傳感器概述1.1 光纖傳感器研究背景近

4、年來(lái)，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過(guò)程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無(wú)感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對(duì)人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，外界入射光子和纖芯內(nèi)鍺離子相互作用引起的折射率永久性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其作用的實(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成，利用空間相位光柵的布拉格散射的波長(zhǎng)特性，

5、一個(gè)窄帶的，投射或反射，濾光器或反射鏡。 1978年加拿大通信研究中心的K O Hill及其合作者首次從接錯(cuò)光纖中觀察到了光子誘導(dǎo)光柵。Hill的早期光纖是采用488nm可見光波長(zhǎng)的氛離子激光器，通過(guò)增加或延長(zhǎng)注入光纖芯中的光輻照時(shí)間而在纖芯中形成了光柵。后來(lái)Meltz等人利用高強(qiáng)度紫外光源所形成的干涉條紋對(duì)光纖進(jìn)行側(cè)面橫向曝光在該光纖芯中產(chǎn)生折射率調(diào)制或相位光柵。1989年第一支布拉格諾振波長(zhǎng)位于通信波段的光纖光柵研制成功。 光纖傳感就是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為光纖中傳輸光參數(shù)(如光強(qiáng)、波長(zhǎng)、相位以及偏振態(tài))的變化，通過(guò)測(cè)量光纖的輸出光來(lái)確定被測(cè)量的大小。光纖傳感技術(shù)在國(guó)際上是七十年代后期迅速發(fā)

6、展起來(lái)的新技術(shù)。而光纖傳感器就是隨光纖通訊及光纖傳感等相關(guān)技術(shù)而飛速發(fā)展起來(lái)的一類新型傳感器。 光纖傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比主要差別在于傳統(tǒng)的傳感器是以應(yīng)變電量為基礎(chǔ)，以電信號(hào)為轉(zhuǎn)換及傳輸?shù)妮d體，用導(dǎo)線傳輸電信號(hào)，因而使用時(shí)受到環(huán)境的限制，如環(huán)境濕度太大可能引起短路，特別是在高溫和易燃、易爆環(huán)境中容易引起事故等。而光纖傳感器是以光信號(hào)為變換和傳輸?shù)妮d體，利用光纖傳輸信號(hào)，它具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):(1)不受電磁干擾光信息在光纖中傳輸時(shí)，它不會(huì)與電磁場(chǎng)產(chǎn)生作用。因而，信息在傳輸過(guò)程中抗電磁干擾能力強(qiáng)，使其特別適合于電力系統(tǒng)。 (2)絕緣性能高?，F(xiàn)在普遍使用的光纖是由石英玻璃制成的，是一種不導(dǎo)電的非金

7、屬材料，其外層的涂覆材料硅膠也不導(dǎo)電，很方便測(cè)量帶高壓電設(shè)備的各種參數(shù)。(3)防爆性能好、耐腐蝕。由于光纖內(nèi)部傳輸?shù)氖悄芰亢苄〉墓庑畔⒉粫?huì)產(chǎn)生火花、高溫、漏電等不安全因素。因此，光纖傳感器的安全性能好，適用于有強(qiáng)腐蝕性對(duì)象的參數(shù)測(cè)量。(4)導(dǎo)光性能好。對(duì)傳輸距離較短的光纖傳感器來(lái)說(shuō)，其傳輸損耗可忽略不計(jì)，目前利用這一特性制成了鍋爐火焰監(jiān)測(cè)器監(jiān)視火焰的狀態(tài)。(5)可繞，光纖細(xì)而柔軟，可制成非常小巧的光纖傳感器，用于測(cè)量特殊對(duì)象及場(chǎng)合的參數(shù)。(6)光纖傳感器的載體是光，其頻率數(shù)量級(jí)為從而使傳感器頻帶范圍很寬，動(dòng)態(tài)范圍很大。(7)便于復(fù)用，便于成網(wǎng)，有利于與現(xiàn)有光通信技術(shù)組成遙測(cè)網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。(

8、8)光纖材料簡(jiǎn)單，便于獲得，所以成本低。1.2 研究的目的及意義光纖光柵具有體積小、波長(zhǎng)選擇性好、不受非線性效應(yīng)影響、極化不敏感、易于與光纖系統(tǒng)連接、便于使用和維護(hù)、帶寬范圍大、附加損耗小、器件微型化、耦合性好、可與其他光纖器件融成一體等特性。而且光纖光柵制作工藝比較成熟，易于形成規(guī)模生產(chǎn)，成本低，因此它具有良好的實(shí)用性，其優(yōu)越性是其他許多器件無(wú)法替代的。這使得光纖光柵以及基于光纖光柵的器件成為全光網(wǎng)中理想的關(guān)鍵器件。1978年等人首先在摻鍺光纖中采用駐波寫入法制成第一只光纖光柵經(jīng)過(guò)二十多年來(lái)的發(fā)展，在光纖通信、光纖傳感等領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，光纖光敏性逐漸提

9、高各種特種光柵相繼問(wèn)世，光纖光柵某些應(yīng)用已達(dá)到商用化程度。光纖傳感器的優(yōu)越性使其在軍事、國(guó)防、航天航空、工礦企業(yè)、能源環(huán)保、工業(yè)控制、醫(yī)藥衛(wèi)生、計(jì)量測(cè)試、建筑、家用電器等領(lǐng)域有著廣闊的市場(chǎng)。目前，世界上已有光纖傳感器上百種，諸如溫度、壓力、流量、位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、彎曲、液位、速度、加速度、聲場(chǎng)、電流、電壓、磁場(chǎng)及輻射等物理量都實(shí)現(xiàn)了不同性能的傳感。而今，光纖傳感器正處于發(fā)展階段，人們正在探索新的方法和新的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，也存在著許多問(wèn)題要解決。例如，常規(guī)光纖具有偏振態(tài)漂移、模間干擾等特點(diǎn)，使光纖傳感器的應(yīng)用受到了限制，為此急需尋找新的光纖為光纖傳感器注入活力，光子晶體光纖就是人們寄予希望的新型光纖

10、之一。光纖傳感器憑借著其大量的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為傳感器家族的后起之秀，并且在各種不同的測(cè)量中發(fā)揮著自己獨(dú)到的作用，是在生產(chǎn)實(shí)踐中值得注意的一種傳感器，為傳感器家族中不可缺少的一員。2. 原理2.1 光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理光是一種電磁波,一般采用波動(dòng)理論來(lái)分析導(dǎo)光的基本原理。然而根據(jù)光學(xué)理論指出：在尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)而折射率變化緩慢的空間,可以用“光線”即幾何光學(xué)的方法來(lái)分析光波的傳播現(xiàn)象,這對(duì)于光纖中的多模光纖是完全適用的。為此, 采用幾何光學(xué)的方法來(lái)分析。 斯乃爾定理（Snell's Law）當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大)入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，如圖1，其折射角大于入射角，即n1n2時(shí)，ri。

11、n1n2ri圖1光的折射示意圖n1、n2、r、i之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為n1sini=n2sinr可見，入射角i增大時(shí)，折射角r也隨之增大，且始終ri。當(dāng)r=90º時(shí)，i仍90º，此時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D2，稱為臨界狀態(tài)。這時(shí)有sinrsin90º1 sini0=n2/n1圖2臨界狀態(tài)示意圖 i0=arcsin(n2/n1)式中：i0臨界角當(dāng)ii0并繼續(xù)增大時(shí)，r90º，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖3 ，其出射光不再折射而全部反射回來(lái)。圖3光全反射示意圖 光纖結(jié)構(gòu)分析光纖導(dǎo)光原理，除了應(yīng)用斯乃爾定理外還須結(jié)合光纖結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)明。光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯(纖芯)

12、和玻璃包皮(包層)兩個(gè)同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。如圖4。圖4光纖結(jié)構(gòu)纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖心折射率n1比包層折射率n2稍大些兩層之間形成良好的光學(xué)界面，光線在這個(gè)界面上反射傳播。 光纖導(dǎo)光原理及數(shù)值孔徑NA入射光線AB與纖維軸線OO相交角為i，入射后折射(折射角為j)至纖芯與包層界面C點(diǎn)，與C點(diǎn)界面法線DE成k角，并由界面折射至包層，CK與DE夾角為r，如圖5。則圖5光纖導(dǎo)光示意圖n0sini=n1sinj n1sink=n2sinr sini=(n1/n0)sinj sink=(n2/n1)sinr 因j=90ºk 所以n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般為

13、空氣，故n1，nl為纖芯折射率，n2為包層折射率。當(dāng)n=1時(shí)當(dāng)r=90º的臨界狀態(tài)時(shí)，i=i0上式sini0為“數(shù)值孔徑” NA(NumericalAperture)。由于n1與n2相差較小，即n1+n22n1,故又可因式分解為其中，=(n1-n2)/n1稱為相對(duì)折射率差 當(dāng)r=90º時(shí)sini0=NA i0=arcsin NA當(dāng)r>90º時(shí)，光線發(fā)生全反射，則i<i0=arcsin NA當(dāng)r<90º時(shí)，sini>NA，i>arcsin NA，光線消失。這說(shuō)明arcsinNA是一臨界角,凡入射角iarcsinNA的那些光線進(jìn)

14、入光纖都不能傳播而在包層消失；相反,只有入射角iarcsinNA的光線才可進(jìn)入光纖被全反射傳播 2.2 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的電信號(hào)的裝置。它的電源、敏感元件、信號(hào)接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導(dǎo)線連接，見圖6。光纖傳感器則是一種把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖的)、光接收器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，見圖7。圖6傳統(tǒng)傳感器 圖7光纖傳感器由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時(shí)，光的某一性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，最后經(jīng)信號(hào)處理得到所期待的被測(cè)量。

15、可見,光纖傳感器與以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器相比較，在測(cè)量原理上有本質(zhì)的差別。傳統(tǒng)傳感器是以機(jī)電測(cè)量為基礎(chǔ)，而光纖傳感器則以光學(xué)測(cè)量為基礎(chǔ)。光是一種電磁波，其波長(zhǎng)從極遠(yuǎn)紅外的lmm到極遠(yuǎn)紫外線的10nm。它的物理作用和生物化學(xué)作用主要因其中的電場(chǎng)而引起。因此，討論光的敏感測(cè)量必須考慮光的電矢量E的振動(dòng)，即A電場(chǎng)E的振幅矢量；光波的振動(dòng)頻率；光相位；t光的傳播時(shí)間。可見，只要使光的強(qiáng)度、偏振態(tài)(矢量A的方向)、頻率和相位等參量之一隨被測(cè)量狀態(tài)的變化而變化，或受被測(cè)量調(diào)制，那么，通過(guò)對(duì)光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進(jìn)行解調(diào)，獲得所需要的被測(cè)量的信息。 2.3 光纖傳感器的分類傳感器光學(xué)現(xiàn)

16、象被測(cè)量光纖分類干涉型相位調(diào)制光線傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓角速度振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa非干涉型強(qiáng)度調(diào)制光纖溫度傳感器遮光板遮斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動(dòng)膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移、溫度溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移振動(dòng)、壓力、位移氣體濃度、液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振調(diào)制光纖溫度傳感器法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓、溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移SM

17、MMSMMMb,abbb頻率調(diào)制光纖溫度傳感器多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動(dòng)、加速度氣體濃度、溫度MMMMMMcbb注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型 根據(jù)光纖在傳感器中的作用光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三大類。1）功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器，如圖8。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學(xué)特性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加

18、其長(zhǎng)度，可提高靈敏度。 圖8功能型（全光纖型）光纖傳感器2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，對(duì)外界信息的“感覺(jué)”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成，如圖9。光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對(duì)靈敏度要求不太高的場(chǎng)合。圖9非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器3）拾光型光纖傳感器 用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光，如圖10。其典型例子如光纖激光多普勒速度計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。 圖10拾光型光纖傳感器 根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式形式：強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。

19、1）強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器是一種利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動(dòng)膜或液晶的反射光強(qiáng)度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機(jī)械的激勵(lì)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(lái)構(gòu)成壓力、振動(dòng)、溫度、位移、氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：受光源強(qiáng)度波動(dòng)和連接器損耗變化等影響較大2）偏振調(diào)制光纖傳感器是一種利用光偏振態(tài)變化來(lái)傳遞被測(cè)對(duì)象信息的傳感器。有利用光在磁場(chǎng)中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用光在電場(chǎng)中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡爾

20、效應(yīng)做成的電場(chǎng)、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動(dòng)或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動(dòng)等傳感器。這類傳感器可以避免光源強(qiáng)度變化的影啊，因此靈敏度高。3）頻率調(diào)制光纖傳感器是一種利用單色光射到被測(cè)物體上反射回來(lái)的光的頻率發(fā)生變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。有利用運(yùn)動(dòng)物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動(dòng)、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時(shí)的喇曼散射構(gòu)成的測(cè)量氣體濃度或監(jiān)測(cè)大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。 4）相位調(diào)制傳感器 其基本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色

21、光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化量來(lái)確定光的相位變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用電致伸縮的電場(chǎng)、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，因此成本高。3. 光纖傳感器的應(yīng)用3.1 溫度的檢測(cè)光纖溫度傳感器有功能型和傳光型兩種。 遮光式光纖溫度計(jì)圖11為一種簡(jiǎn)單的利用水銀柱升降溫度的光纖溫度開關(guān)?？捎糜趯?duì)設(shè)定溫度的控制，溫度設(shè)定值靈活可變 圖11 圖12為利用雙金屬熱變形的遮光式光纖溫度計(jì)。當(dāng)溫度

22、升高時(shí)，雙金屬片的變形量增大，帶動(dòng)遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強(qiáng)發(fā)生變化。這種形式的光纖溫度計(jì)能測(cè)量1050的溫度。檢測(cè)精度約為0.5。它的缺點(diǎn)是輸出光強(qiáng)受殼體振動(dòng)的影響，且響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，一般需幾分鐘。圖12 透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器當(dāng)一束白光經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體晶體片時(shí)，低于某個(gè)特定波長(zhǎng)g的光將被半導(dǎo)體吸收,而高于該波長(zhǎng)的光將透過(guò)半導(dǎo)體。這是由于半導(dǎo)體的本征吸收引起的,g稱為半導(dǎo)體的本征吸收波長(zhǎng)。電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶引起的吸收稱為本征吸收。當(dāng)一定波長(zhǎng)的光照射到半導(dǎo)體上時(shí),電子吸收光能從價(jià)帶躍遷入導(dǎo)帶,顯然,要發(fā)生本征吸收,光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，即h 普朗克常數(shù)；v 光頻率因c

23、/v，則產(chǎn)生本征吸收條件因此，對(duì)于波長(zhǎng)大于g的光，能透過(guò)半導(dǎo)體，而波長(zhǎng)小于g的光將被半導(dǎo)體吸收。不同種類的半導(dǎo)體材料具有不同的本征吸收波長(zhǎng)，圖13為在室溫(20)時(shí),120m厚的GaAs材料的透射率曲線。 由圖看出，GaAs在室溫時(shí)的本征吸收波長(zhǎng)約為880nm左右，半導(dǎo)體的吸收光譜與Eg有關(guān)，而半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度的不同而不同，Eg與溫度t的關(guān)系可表示為式中：Eg（0）絕對(duì)零度時(shí)半導(dǎo)體的禁帶寬度； 圖13經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(eVK)； 經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(K)。對(duì)于GaAs材料，由實(shí)驗(yàn)得到 =5.8×10-4eV/K =300K由此可見，半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度上升而減小，亦即其本征吸收波長(zhǎng)g隨溫度上升

24、而增大。反映在半導(dǎo)體的透光特性上，即當(dāng)溫度升高時(shí)，其透射率曲線將向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的g(t)相匹配的發(fā)光二極管作為光源，如圖14，則透射光強(qiáng)度將隨著溫度的升高而減小。圖14半導(dǎo)體透射測(cè)量原理3.2 壓力的檢測(cè) 種類：強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型三類。 采用彈性元件的光纖壓力傳感器利用彈性體的受壓變形，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移信號(hào)，從而對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。因此，只要設(shè)計(jì)好合理的彈性元件及結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)壓力的檢測(cè)。圖15為簡(jiǎn)單的利用Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當(dāng)膜片受壓變形時(shí)，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強(qiáng)受到調(diào)制。 彈

25、性膜片材料是恒彈性金屬，如殷鋼、鈹青銅等。但金屬材料的彈性模量有一定的溫度系數(shù)，因此要考慮溫度補(bǔ)償。若選用石英膜片，則可減小溫度的影響。膜片的安裝采用周邊固定，焊接到外殼上。對(duì)于不同的測(cè)量范圍，可選擇不同的膜片尺寸。一般膜片的厚度在0.05mm0.2mm之間為宜。對(duì)于周邊固定的膜片，在小撓度(y0.5t，t為膜片厚度)的條件下，膜片的中心撓度y為R膜片有效半徑；t膜片厚度；p外加壓力；E膜片材料的彈性模量；為膜片的泊松比?？梢姡谝欢ǚ秶鷥?nèi)，膜片中心撓度與所加的壓力呈線性關(guān)系。若利用Y形光纖束檢測(cè)位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測(cè)壓力呈線性關(guān)系。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用方便

26、，但如果光源不穩(wěn)定或長(zhǎng)期使用后膜片的反射率下降，影響其精度。 改進(jìn)型的膜片反射式光纖壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖16,這里采用了特殊結(jié)構(gòu)的光纖束，光纖束的一端分成三束,其中一束為輸入光纖,兩束為輸出光纖。三束光纖在另一端結(jié)合成一束,并且在端面成同心環(huán)排列分布,如圖17。其中最里面一圈為輸出光纖束1,中間一圈為輸入光纖束,外面一圈為輸出光纖束2。當(dāng)壓差為零時(shí)，膜片不變形,反射到兩束輸出光纖的光強(qiáng)相等,即I1I2。當(dāng)膜片受壓變形后,使得處于里面一圈的光纖束,接收到的反射光強(qiáng)減小,而處于外面一圈的光纖束2接到的反射光強(qiáng)增大,形成差動(dòng)輸出。圖18為改進(jìn)型的膜片反射式光纖壓力傳感器測(cè)量原理。圖17探頭截面結(jié)構(gòu)

27、圖16傳感器結(jié)構(gòu) 圖18測(cè)量原理兩束輸出光的光強(qiáng)之比為A與膜片尺寸、材料及輸入光纖束數(shù)值孔徑等有關(guān)的常數(shù)；p待測(cè)量壓力。可見，輸出光強(qiáng)比I2Il與膜片的反射率、光源強(qiáng)度等因素均無(wú)關(guān)，因而可有效地消除這些因素的影響。將上式兩邊取對(duì)數(shù)且滿足(Ap)21時(shí),等式右邊展開后取第一項(xiàng)，得到這表明待測(cè)壓力與輸出光強(qiáng)比的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。因此，若將I1、I2檢出后分別經(jīng)對(duì)數(shù)放大后，再通過(guò)減法器即可得到線性的輸出。若選用的光纖束中每根光纖的芯徑為70m,包層厚度為3.5m,纖芯和包層折射率分別為1.52和1.62,則該傳感器可獲得115dB的動(dòng)態(tài)范圍,線性度為0.25。采用不同的尺寸、材料的膜片,即可獲得不同的

28、測(cè)量范圍。 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，呈現(xiàn)雙折射的現(xiàn)象稱為光彈性效應(yīng)。其檢測(cè)原理如圖19。利用光彈性效應(yīng)測(cè)量壓力的原理及傳感器結(jié)構(gòu)如圖20。發(fā)自LED的入射光經(jīng)起偏器后成為直線偏振光。當(dāng)有與入射光偏振方向呈45º的壓力作用于晶體時(shí)，使晶體呈雙折射從而使出射光成為橢圓偏振光，由檢偏器檢測(cè)出與入射光偏振方向相垂直方向上的光強(qiáng)，即可測(cè)出壓力的變化。其中1/4波長(zhǎng)板用于提供一偏置，使系統(tǒng)獲得最大靈敏度。1 光源 2、8 起偏器 3、9 1/4波長(zhǎng)板 4、10 光彈性元件5、11 檢偏器 6 光纖 7 自聚焦透鏡圖19檢測(cè)原理 圖20傳感器結(jié)構(gòu)為了提高傳感器的精度和

29、穩(wěn)定性，圖21為另一種檢測(cè)方法的結(jié)構(gòu)。輸出光用偏振分光鏡分別檢測(cè)出兩個(gè)相互垂直方向的偏振分量；并將這兩個(gè)分量經(jīng)“差和”電路處理，即可得到與光源強(qiáng)度及光纖損耗無(wú)關(guān)的輸出。該傳感器的測(cè)量范圍為103Pa106Pa，精度為±1，理論上分辨力可達(dá)1.4Pa。這種結(jié)構(gòu)的傳感器在光彈性元件上加上質(zhì)量塊后，也可用于測(cè)量振動(dòng)、加速度。 1 光纖 2 起偏器 3 光彈性元件 4 1/4波長(zhǎng)板 5 偏振分光鏡 6 反射鏡圖21光彈性式光纖壓力傳感器的另一種結(jié)構(gòu)3.3 液位的檢測(cè) 球面光纖液位傳感器光由光纖的一端導(dǎo)入,在球狀對(duì)折端部一部分光透射出去,而另一部分光反射回來(lái),由光纖的另一端導(dǎo)向探測(cè)器。球面光纖

30、液位傳感器的探頭結(jié)構(gòu)如圖22，其檢測(cè)原理如圖23。反射光強(qiáng)的大小取決于被測(cè)介質(zhì)的折射率。被測(cè)介質(zhì)的折射率與光纖折射率越接近,反射光強(qiáng)度越小。顯然,傳感器處于空氣中時(shí)比處于液體中時(shí)的反射光強(qiáng)要大。因此,該傳感器可用于液位報(bào)警。若以探頭在空氣中時(shí)的反射光強(qiáng)度為基準(zhǔn)，則當(dāng)接觸水時(shí)反射光強(qiáng)變化6dB7dB,接觸油時(shí)變化25dB30dB。圖22探頭結(jié)構(gòu)液體空氣圖23檢測(cè)原理 斜端面光纖液位傳感器圖24為反射式斜端面光纖液位傳感器的兩種結(jié)構(gòu)。同樣，當(dāng)傳感器接觸液面時(shí)，將引起反射回另一根光纖的光強(qiáng)減小。這種形式的探頭在空氣中和水中時(shí)，反射光強(qiáng)度差約在20dB以上。 圖24斜面反射式光纖液位傳感器1、2 光纖

31、 3 棱鏡 單光纖液位傳感器單光纖液位傳感器的結(jié)構(gòu)如圖25，將光纖的端部拋光成45º的圓錐面。當(dāng)光纖處于空氣中時(shí)，入射光大部分能在端部滿足全反射條件而返回光纖。當(dāng)傳感器接觸液體時(shí)，由于液體的折射率比空氣大，使一部分光不能滿足全反射條件而折射入液體中，返回光纖的光強(qiáng)就減小。利用X形耦合器即可構(gòu)成具有兩個(gè)探頭的液位報(bào)警傳感器。同樣，若在不同的高度安裝多個(gè)探頭，則能連續(xù)監(jiān)視液位的變化。 圖25單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)1 光纖 2 耦合器上述探頭在接觸液面時(shí)能快速響應(yīng)，但在探頭離開液體時(shí)，由于有液滴附著在探頭上，故不能立即響應(yīng)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可將探頭的結(jié)構(gòu)作一些改變，如圖26。將光纖端部的尖

32、頂略微磨平，并鍍上反射膜。這樣，即使有液體附著在頂部，也不影響輸出跳變。進(jìn)一步的改進(jìn)是在頂部鍍反射膜外粘上一突出物，將附著的液體導(dǎo)引向突出物的下端。這樣，可以保證探頭在離開液位時(shí)也能快速地響應(yīng)。圖26改進(jìn)的光纖液位探頭3.4 流量、流速的檢測(cè) 光纖渦街流量計(jì) 當(dāng)一個(gè)非流線體置于流體中時(shí)，在某些條件下會(huì)在液流的下游產(chǎn)生有規(guī)律的旋渦。這種旋渦將會(huì)在該非流線體的兩邊交替地離開。當(dāng)每個(gè)旋渦產(chǎn)生并瀉下時(shí)，會(huì)在物體壁上產(chǎn)生一側(cè)向力。這樣，周期產(chǎn)生的旋渦將使物體受到一個(gè)周期的壓力。若物體具有彈性，它便會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率近似地與流速成正比。即fsvd式中：v流體的流速； d物體相對(duì)于液流方向的橫向尺寸； s

33、與流體有關(guān)的無(wú)量綱常數(shù)。因此，通過(guò)檢測(cè)物體的振動(dòng)頻率便可測(cè)出流體的流速。光纖渦街流量計(jì)便是根據(jù)這個(gè)原理制成的，其結(jié)構(gòu)如圖27。1 夾具2 密封膠3 液體流管4 光纖5 張力載荷 圖27光纖渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖在橫貫流體管道的中間裝有一根繃緊的多模光纖，當(dāng)流體流動(dòng)時(shí),光纖就發(fā)生振動(dòng),其振動(dòng)頻率近似與流速成正比。由于使用的是多模光纖,故當(dāng)光源采用相干光源(如激光器)時(shí),其輸出光斑是模式間干涉的結(jié)果。當(dāng)光纖固定時(shí),輸出光斑花紋穩(wěn)定。當(dāng)光纖振動(dòng)時(shí),輸出光斑亦發(fā)生移動(dòng)。對(duì)于處于光斑中某個(gè)固定位置的小型探測(cè)器,光斑花紋的移動(dòng)反映為探測(cè)器接收到的輸出光強(qiáng)的變化。利用頻譜分析,即可測(cè)出光纖的振動(dòng)頻率。根據(jù)上式或?qū)?/p>

34、驗(yàn)標(biāo)定得到流速值,在管徑尺寸已知的情況下，即可計(jì)算出流量。 光纖渦街流量計(jì)特點(diǎn)：可靠性好,無(wú)任何可動(dòng)部分和聯(lián)接環(huán)節(jié),對(duì)被測(cè)體流阻小,基本不影響流速。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。 光纖多普勒流速計(jì)圖28為利用光纖多普勒計(jì)來(lái)測(cè)量流體流速的原理。當(dāng)待測(cè)流體為氣體時(shí)，散射光將非常微弱，此時(shí)可采用大功率的Ar激光器（出射光功率為2W，=514.5nm）以提高信噪比。特點(diǎn)：非接觸測(cè)量，不影響待測(cè)物體的流動(dòng)狀態(tài)。 1、3 分束器2 反射鏡；4 透鏡；5 流體管道；6 窗口；7、8 光纖圖28光纖多譜勒流量計(jì)結(jié)構(gòu)總 結(jié)通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，我進(jìn)一步鞏固了所學(xué)的檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)理論和知識(shí)，鍛煉了我運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提高了我的分析、綜合能力，進(jìn)一步掌握了光纖傳感器原理、結(jié)構(gòu)及在工程中的實(shí)際應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)不斷地查資料，讓我在了解傳感器的道路中邁出了重要的一步，也使我在今后研究、了解傳感器的道路上邁出了重要的一步，更使我在今后的