電子科大傳感器 第七章 光纖傳感器

第七章光纖傳感器一、概論二、光導(dǎo)纖維以及光在其中的傳播三、光纖傳感器的光源四、光纖傳感器用光探測(cè)器五、光調(diào)制技術(shù)六、光纖位移傳感器七、光纖速度、加速度傳感器八、光纖振動(dòng)傳感器九、光纖溫度傳感器本章小結(jié)目錄一、概論1、光纖傳感器技術(shù)的構(gòu)成2、光纖傳感器技術(shù)的特點(diǎn)3、光纖傳感器的組成與分類1、光纖傳感器技術(shù)的構(gòu)成光纖傳感器技術(shù)是上世紀(jì)70年代末開(kāi)展起來(lái)的一門嶄新的技術(shù)，是傳感器技術(shù)的新成就。光纖傳感器是隨著光導(dǎo)纖維適用化與光通訊技術(shù)的開(kāi)展而構(gòu)成的。光纖作為遠(yuǎn)間隔傳輸光波信號(hào)的媒質(zhì)，最早用于光通訊技術(shù)中。在實(shí)踐光通訊過(guò)程中發(fā)現(xiàn),光纖遭到外界環(huán)境要素的影響。當(dāng)壓力、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等環(huán)境條件變化時(shí)，將引起光纖傳輸?shù)墓獠咳绻鈴?qiáng)、相位、頗率、偏振態(tài)等變化。因此，科技人員推測(cè)，假設(shè)能丈量出光波量變化的大小，就可以知道導(dǎo)致這些光波量變化的壓力、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等物理量的大小，于是就出現(xiàn)了光纖傳感器技術(shù)。2、光纖傳感器技術(shù)的特點(diǎn)光纖傳感器較傳統(tǒng)的傳感器相比有許多特點(diǎn)：靈敏度高構(gòu)造簡(jiǎn)單體積小耗電量少耐腐蝕絕緣性好光路可彎曲便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)調(diào)〔遠(yuǎn)間隔調(diào)控〕。光纖傳感器技術(shù)是一門多學(xué)科性科學(xué)，涉及知識(shí)面廣泛，如纖維光學(xué)、光電技術(shù)、彈性力學(xué)、電磁學(xué)、電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)運(yùn)用等。3、光纖傳感器的組成與分類〔1〕功能性光纖傳感器〔2〕傳光型光纖傳感器〔1〕功能型光纖傳感器利用光纖本身的某種敏感特性或功能制造的傳感器，稱為功能型傳感器?！?〕傳光型光纖傳感器一種是將敏感元件置于入射與接納光纖中間，在被測(cè)對(duì)象的作用下，或使敏感元件遮斷光路，或使敏感元件的光透射率發(fā)生變化，這樣，光探測(cè)器通光量便成為被測(cè)對(duì)象調(diào)制后的信號(hào)；另一種是在光纖一端設(shè)置“敏感元件+發(fā)光元件〞的組合部件，敏感元件感受被測(cè)對(duì)象的作用并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后作用于發(fā)光元件，而發(fā)光元件的發(fā)光強(qiáng)度作為丈量所得的信息。光纖僅起傳輸光波的作用，必需在光纖中間或端面加裝其他敏感元件才干構(gòu)成傳感器，稱為傳光型傳感器。有兩種方式：二、光導(dǎo)纖維以及光在其中的傳播傳播原理：全反射光纖根本構(gòu)造光線傳輸三、光纖傳感器的光源1、光纖傳感器光源要求2、光纖傳感器光源分類1、光纖傳感器光源要求由于光纖傳感器構(gòu)造所限，要求光源的體積小，便于與光纖耦合；光源要有足夠的亮度，以提高傳感器輸出的光功率；光源發(fā)出的光波長(zhǎng)應(yīng)適宜，以減少光波在光纖中傳播時(shí)的能量損耗；光源任務(wù)時(shí)穩(wěn)定性好、噪聲小，能在室溫下延續(xù)長(zhǎng)期任務(wù)；光源要便于維護(hù)，運(yùn)用方便。2、光纖傳感器光源分類非相關(guān)光源包括白熾光源與發(fā)光二極管；相關(guān)光源包括各種激光器：半導(dǎo)體激光器、氦氖激光器、固體激光器；在大多數(shù)光纖傳感器中希望運(yùn)用相關(guān)光源。四、光纖傳感器用光探測(cè)器光纖傳感器用光探測(cè)器的要求光纖傳感器用光探測(cè)器的分類光纖傳感器用光探測(cè)器的要求(1)線性好，按比例地將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；(2)靈敏度高，能敏感微小的輸入光信號(hào)，并輸出較大的電信號(hào)；(3)呼應(yīng)頻帶寬、呼應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)特性好；(4)性能穩(wěn)定、噪聲小等。光纖傳感器用光探測(cè)器的分類光電二極管光敏電阻光電池五、光調(diào)制技術(shù)按照調(diào)制方式分類，光調(diào)制可以分為：〔1〕強(qiáng)度調(diào)制；〔2〕相位調(diào)制；(3)偏振調(diào)制；〔4〕頻率調(diào)制；〔5〕波長(zhǎng)調(diào)制相位調(diào)制與干涉丈量1〕光學(xué)干涉儀的共同特點(diǎn)2)四種相位調(diào)制類型的光纖干涉儀的構(gòu)造3〕四種相位調(diào)制類型的光纖干涉儀的任務(wù)原理1〕光學(xué)干涉儀的共同持點(diǎn)光學(xué)干涉儀的共同持點(diǎn)是它們的相關(guān)光在空氣中傳播，由于空氣受環(huán)境溫度變化的影響，引起空氣的折射擾動(dòng)及聲波干擾，這種影響都會(huì)導(dǎo)致空氣光程的變化，從而引起干涉丈量任務(wù)不穩(wěn)定，以致準(zhǔn)確度降低。利用單模光纖作干涉儀的光路，就可以排除上述影響，并可以抑制光路加長(zhǎng)時(shí)對(duì)相關(guān)長(zhǎng)度的嚴(yán)厲限制，從而可以制造出千米量級(jí)光路長(zhǎng)度的光纖干涉儀。2〕四種相位調(diào)制類型的光纖干涉儀的構(gòu)造a：邁克爾遜干涉儀；b：馬赫-澤德干涉儀；c：塞格納克干涉儀；d：法布里-珀羅干涉儀3〕四種相位調(diào)制光纖干涉儀的任務(wù)原理在四種干涉儀中,以一個(gè)或兩個(gè)3dB耦合器取代了分光器，光纖光程取代了空氣光程，并且這些干涉儀中都是以光纖作為相位調(diào)制元件〔傳感器〕，被測(cè)物理量作用于光纖傳感器，導(dǎo)致其光纖中光相位的變化或光的相位調(diào)制。當(dāng)真空中波長(zhǎng)為λ的光入射到長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖時(shí),假設(shè)以其入射端面為基準(zhǔn)，那么出射光的相位為：式中：K0為光在真空中的傳播常數(shù)，n為纖芯折射率。由此可見(jiàn):纖芯折射率的變化及光纖長(zhǎng)度的變化,都會(huì)導(dǎo)致光相位的變化。即：頻率調(diào)制1〕光學(xué)多普勒頻移原理2〕激光多譜勒測(cè)速系統(tǒng)1〕光學(xué)多普勒頻移原理從物理學(xué)知，光學(xué)中的多普勒景象是指由于察看者和目的的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使察看者接納到的光波頻率產(chǎn)生變化的景象。多普勒頻移根本公式(見(jiàn)下面〕。多普勒頻移根本公式如一頻率為f的靜止光源入射到速度為v的運(yùn)動(dòng)物體上時(shí)，從運(yùn)動(dòng)物體上觀測(cè)的頻率來(lái)看，有：其中：c為真空中光速，θ為物體至光源方向與物體運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角。但是，普通最關(guān)懷的還是運(yùn)動(dòng)物體所散射的光的頻移,而光源與察看者那么是相對(duì)靜止的。對(duì)于這種情況，可以作為一個(gè)雙重多普勒頻移來(lái)思索，即先思索從光源到運(yùn)動(dòng)物體，然后再思索從運(yùn)動(dòng)物體到察看者。f1=f[1-(v/c)2]1/2[1-(v/c)cosθ]≈f[1+(v/c)cosθ]雙重多普勒頻移物體P相對(duì)于光源S運(yùn)動(dòng)時(shí)，在P點(diǎn)察看到的光頻率f1為：f1=f[1-(v/c)2]1/2[1-(v/c)cosθ1]頻率f1的光經(jīng)過(guò)物體P產(chǎn)生散射，在Q處所察看到的光頻率f2為：f2=f1[1-(v/c)2]1/2[1-(v/c)cosθ2]聯(lián)立，并思索到v<<c，可近似把雙重多普勒頻移公式表示為：f2=f{1-(v/c)[cosθ1+cosθ2]}其中：S為光源，P為運(yùn)動(dòng)物體，Q是觀察者所處的位置。2〕激光多譜勒測(cè)速系統(tǒng)測(cè)速點(diǎn)A偏振片R為了區(qū)別并消除從發(fā)射透鏡和光纖前端面反射回來(lái)的光，在光探測(cè)器前裝一塊偏振片R，從而使光探測(cè)器只能檢測(cè)出與原光束偏振方向相垂直的偏振光。后向散射光激光多譜勒測(cè)速系統(tǒng)原理激光沿著光纖入射到測(cè)速點(diǎn)A上，然后后向散射光與光纖端面的反射或散射光將沿著光纖前往，其中纖維端面的反射或散射光是作為參考光運(yùn)用。為了區(qū)別并消除從發(fā)射透鏡和光纖前端面反射回來(lái)的光，在光探測(cè)器前裝一塊偏振片R，從而使光探測(cè)器只能檢測(cè)出與原光束偏振方向相垂直的偏振光。信號(hào)光與參考光一同經(jīng)光探測(cè)器進(jìn)入頻譜分析器處置，最后分析器給出丈量結(jié)果。六、光纖位移傳感器1、簡(jiǎn)單的光纖開(kāi)關(guān)、定位安裝2、挪動(dòng)球鏡光學(xué)開(kāi)關(guān)傳感器3、反射型光纖位移傳感器1、簡(jiǎn)單的光纖開(kāi)關(guān)、定位安裝(a)光纖記數(shù)安裝(b)編碼盤安裝(c)定位安裝(d)液位控制安裝屬傳光型光纖傳感器〔a〕光纖開(kāi)關(guān)、定位安裝被記數(shù)工件隨傳送帶移動(dòng)，一個(gè)工件從光纖斷開(kāi)處經(jīng)過(guò)時(shí)，擋光一次，在光纖輸出端得到一個(gè)光脈沖，用記數(shù)電路和顯示安裝將經(jīng)過(guò)光纖的工件數(shù)顯示出來(lái)?！瞓〕編碼盤安裝轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬盤上穿有透光孔。當(dāng)孔與光纖對(duì)齊時(shí)，在光纖輸出端就有光脈沖輸出，這是經(jīng)過(guò)孔位的變化對(duì)光強(qiáng)進(jìn)展調(diào)制?！瞔〕定位安裝在大量消費(fèi)中對(duì)工件進(jìn)展反復(fù)性加工操作時(shí)，用這種方法對(duì)工件定位?！瞕〕液位控制安裝用以判別光纖與液面能否接觸。當(dāng)光纖與液面接觸時(shí)，光學(xué)界面折射情況改動(dòng)，從而使光纖接納端的光強(qiáng)度發(fā)生改變。光纖接納端面的構(gòu)造有許多種，其根本原理多數(shù)是以改變光線的全反射情況來(lái)實(shí)現(xiàn)液位控制的。2、挪動(dòng)球鏡光學(xué)開(kāi)關(guān)傳感器這是一種高靈敏度面檢測(cè)安裝；光強(qiáng)為I0的光束，經(jīng)過(guò)發(fā)送光纖照射到球鏡上，球透鏡把光束聚集到兩個(gè)接納光纖的端面上；當(dāng)球透鏡在平衡位置時(shí)，從兩個(gè)接納光纖得到的光強(qiáng)I1和I2是一樣的；假設(shè)球透鏡在垂直于光路的方向上產(chǎn)生微小位移時(shí)，在兩個(gè)接納光纖上得到的光強(qiáng)I1和I2將發(fā)生變化，光強(qiáng)比值I1/I2的對(duì)數(shù)值與球透鏡位移x呈線性關(guān)系，但與初始光強(qiáng)無(wú)關(guān)。球鏡位移與光強(qiáng)比值的變化關(guān)系3、反射型光纖位移傳感器光源發(fā)出的光進(jìn)入發(fā)送光纖，從光纖測(cè)頭端面射出，照射到A面上，A面的反射光有一部分進(jìn)入接納光纖。當(dāng)A面到測(cè)頭端面之間的間隔z變化時(shí)，進(jìn)入接納光纖的光強(qiáng)度隨之發(fā)生變化，從而使光探測(cè)器上發(fā)出的電信號(hào)也隨之發(fā)生變化。這是一種振幅調(diào)制型的位移傳感器。反射鏡面七、光纖速度、加速度傳感器1、光纖激光渡越速度計(jì)2、利用馬赫-澤德干涉儀的光纖加速度計(jì)1、光纖激光渡越速度計(jì)激光耦合進(jìn)梯度光纖，由光纖射出后，由透鏡L1準(zhǔn)直，再經(jīng)過(guò)涅拉斯頓棱鏡P將激光束分為夾角為1·的兩束光。此兩束光經(jīng)過(guò)透鏡L2在其焦平面F2上聚成兩個(gè)光點(diǎn)。透鏡L3把兩個(gè)光點(diǎn)投射到15-45cm遠(yuǎn)的被測(cè)物體上，在被測(cè)物體處(如氣流)，光束呈現(xiàn)出兩個(gè)光斑。將兩個(gè)斑點(diǎn)連線的方向調(diào)整到與氣流方向平行，氣流中攜帶的粒子可相繼經(jīng)過(guò)兩個(gè)斑點(diǎn)。1.打印機(jī)；2.微計(jì)算機(jī)；3.相關(guān)器；4.鑒頻器；5.光探測(cè)器；6.激光器；7.接納光纖。6激光器被光班照亮的粒子使光發(fā)生散射，散射光進(jìn)入望近鏡透鏡L4，經(jīng)M1、M2進(jìn)展兩次反射以后在S平面處構(gòu)成雙斑點(diǎn)圖像。調(diào)整好接納光纖，使兩根光纖的端面分別對(duì)準(zhǔn)一個(gè)光斑。光纖端面接納到的散射光，經(jīng)過(guò)干涉濾光片后到達(dá)光探測(cè)器。根據(jù)接納到兩個(gè)光斑的時(shí)間差，以及在流場(chǎng)中兩個(gè)光斑的間隔，經(jīng)過(guò)電路處置，就可以計(jì)算出氣流的速度。2、利用馬赫-澤德干涉儀的光纖加速度計(jì)1.氦氖激光器；2.12.分束器；3.反向鏡；4.11.透鏡；5.單模光纖；6.質(zhì)量塊；7.順變柱體；8.10.壓電變換器；9.驅(qū)動(dòng)器；13.光探測(cè)器；14.差動(dòng)放大器；15.頻譜儀原理激光束經(jīng)過(guò)分束器后分為兩束光：透射光作為參考光束，反射光作為丈量光束。丈量光束經(jīng)透鏡耦合進(jìn)入單模光纖，單模光纖緊緊纏繞在一個(gè)順變柱體上，順變柱體上端固定有質(zhì)量塊。順變柱體作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊的慣性力使圓柱體變形，從而使繞在其上面的單模光纖被拉伸，引起光程差的改動(dòng)。相位改動(dòng)的激光束由單模光纖射出后與參考光束在分束器處會(huì)合，產(chǎn)生干涉效應(yīng)。在垂直位置放置的兩個(gè)光探測(cè)器接納到亮暗相反的干涉信號(hào)，兩路電信號(hào)由差動(dòng)放大器處置。八、光纖振動(dòng)傳感器?原理激光束經(jīng)過(guò)分束器、光纖入射到振動(dòng)體上的一點(diǎn)，反射光作為信號(hào)光束，經(jīng)過(guò)同一光學(xué)系統(tǒng)，被引入到探測(cè)器。參考光束是從由部分透射面R上反射產(chǎn)生的。在實(shí)踐系統(tǒng)中，用光纖輸出端面作為R面。信號(hào)光束只遭到垂直振動(dòng)分量U⊥cosωt的調(diào)制。由于振動(dòng)體使反射點(diǎn)接近或遠(yuǎn)離光纖，從而改動(dòng)了信號(hào)光束的光路長(zhǎng)度，相應(yīng)改動(dòng)了信號(hào)光與參考光的相對(duì)相位，產(chǎn)生了相位調(diào)制。信號(hào)光與參考光之間的相位差為：式中，λ為激光波長(zhǎng)，ω為光波圓頻率。九、光纖溫度傳感器干涉儀包括激光器、擴(kuò)束器、分束器、兩個(gè)顯微物鏡、兩根單摸光纖〔其中一根為丈量臂，一根為參考臂〕、光探測(cè)器等。溫度影