傳感器技術(shù)9-光纖傳感器-中英對(duì)照

第9章光纖傳感器

Fiberopticsensors光纖傳感器實(shí)例Examplesoffiberopticsensor第9章光電式傳感器光纖傳感器基礎(chǔ)Fundamentalsoffiberopticsensors9.19.29.3光纖光柵傳感器Fiberopticrastersensor9.4光調(diào)制與解調(diào)Lightmodulationanddemodulation優(yōu)點(diǎn)：抗電磁干擾能力強(qiáng)、高靈敏度、耐腐蝕、可撓曲、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、與光纖傳輸線路相容等。光纖傳感器可應(yīng)用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力、彎曲、應(yīng)變、速度、加速度、電流、磁場(chǎng)、電壓、濕度、溫度、聲場(chǎng)、流量、濃度、pH值等各種物理量的測(cè)量，且具有十分廣泛的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。用途：第9章光纖傳感器光纖光柵(FiberopticGrating)溫度傳感器用于對(duì)被測(cè)物進(jìn)行長(zhǎng)期的溫度監(jiān)測(cè)，廣泛應(yīng)用在橋梁、大壩、輸油輸氣管道等大型結(jié)構(gòu)或設(shè)備的分布式(distributed)溫度測(cè)量。光纖光柵高溫高壓傳感器

用于油氣管道及井下溫度、壓強(qiáng)的長(zhǎng)期測(cè)量。第9章光纖傳感器9.1.1光纖波導(dǎo)(waveguide)原理§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)光纖的結(jié)構(gòu)一光纖是用光透射率(Transmissivity)高的電介質(zhì)(如石英、玻璃、塑料等)構(gòu)成的光通路(lightpropagationpath)。光纖的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，通常由纖芯(core)、包層(cladding)、涂覆層(coating)、護(hù)套(protectingsleeve)組成（如上圖所示）。其核心是由折射率(RefractiveIndex)n1較大(光密介質(zhì)opticallydensermedium)的纖芯，和折射率n2較小(光疏介質(zhì)opticallythinnermedium)的包層構(gòu)成的雙層同心(concentric)圓柱(column)結(jié)構(gòu)。纖芯直徑約為5～150微米。

光的全反射(totalreflection)現(xiàn)象是光纖傳光原理的基礎(chǔ)?！?.1光纖傳感器基礎(chǔ)傳光原理二圖9-1根據(jù)幾何光學(xué)(GeometricOptics)原理，當(dāng)光線以較小入射角(Angleofincidence)θ1由光密介質(zhì)1射向光疏介質(zhì)2(n1＞n2)時(shí)(見(jiàn)圖9.2)，一部分入射光以折射角(Angleofrefraction)θ2折射入介質(zhì)2，其余部分仍以θ1反射回介質(zhì)1。依據(jù)光折射和反射的斯涅爾(Snell)定律，有：§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)圖9-2§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)圖9.2當(dāng)θ1角逐漸增大直至θ1=θc時(shí)，透射入介質(zhì)2的折射光也逐漸折向界面，直至沿界面(interface)傳播(θ2=90°)。對(duì)應(yīng)于θ2=90°時(shí)的入射角θ1稱為臨界角(Criticalangle)

θc；由式(9-1)有因此，當(dāng)θ1＞θc時(shí)，光線將不再折射入介質(zhì)2，而在介質(zhì)(纖芯)內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)向前的全反射，直至由終端面射出。這就是光纖傳光的工作基礎(chǔ)?！?.1光纖傳感器基礎(chǔ)圖9-1由Snell定律可導(dǎo)出光線由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射入纖芯時(shí)實(shí)現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射角Initialmaximumangelofincidence)?！?.1光纖傳感器基礎(chǔ)因此，光線由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射入纖芯時(shí)實(shí)現(xiàn)全反射的臨界角(CriticalAngle)(始端最大入射角)§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)NA定義為“數(shù)值孔徑(NumericalAperture)”，是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。它表示：無(wú)論光源發(fā)射功率多大，只有2θc0張角內(nèi)的光，才能被光纖接收、傳播(全反射)；NA愈大，光纖集光能力(lightcollectingcapability)愈強(qiáng)。（9-3）§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)光纖的全反射演示為了看清光的全反射，我們?nèi)∫桓鶡o(wú)色有機(jī)玻璃圓棒，加熱后彎曲成約90°圓弧形，將其一頭朝向地板，用手電筒照射有機(jī)玻璃棒的上端，我們可以看到，光線順著彎曲的有機(jī)玻璃棒傳導(dǎo)，從棒的下端射出，在地板上出現(xiàn)一個(gè)圓光斑，這就是光的全反射實(shí)驗(yàn)。2、塑料光纖Plasticfiber1、玻璃光纖Glassfiber光纖的種類三按材料性質(zhì)分§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)1、階躍型(stepindex):階躍型纖芯的折射率不隨半徑而變，在纖芯與包層界面處有突變。2、漸變型(gradeindex)：折射率沿徑向由中心向外由大漸小，至界面處與包層折射率一致。因此，這類光纖有聚焦作用；光線傳播軌跡近似于正弦波。按折射率分圖9-4§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)圖9-3§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)按傳播模式分1、多模光纖2、單模光纖根據(jù)麥克斯韋方程導(dǎo)出的歸一化頻率γ作為確定光纖傳輸模數(shù)的參數(shù)。γ的值由纖芯半徑r，光波長(zhǎng)λ，材料折射率n（或數(shù)值孔徑NA）確定：此時(shí)，光纖傳輸模的總數(shù)N為：階躍型漸變型

γ大的光纖傳輸?shù)哪?shù)多，稱為多模光纖，常用于非功能型光纖傳感器。γ小的光纖傳輸?shù)哪?shù)少，當(dāng)少到只能傳輸基模時(shí)，稱為單模光纖，常用于功能型光纖傳感器。光纖折射率分布9.1.2光纖的特性

§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)信號(hào)通過(guò)光纖時(shí)的主要特性損耗Loss色散ChromaticDispersion設(shè)光纖入射端(Incidenceend)與出射端(Emergenceend)的光功率分別為Pi和Po，光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)(km)。則光纖的損耗a（dB/km)可用下式計(jì)算：§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)損耗Loss一引起光纖損耗的因素可歸結(jié)為吸收損耗(Absorptionloss)和散射損耗(Dispersionloss)兩類。物質(zhì)的吸收作用使傳輸?shù)墓饽茏兂蔁崮?，造成光功能的損失。散射損耗是由于光纖的材料及其不均勻性或其幾何尺寸的缺陷引起的。如瑞利散射就是由于材料的缺陷引起折射率隨機(jī)性變化所致。光導(dǎo)纖維的彎曲也會(huì)造成散射損耗?！?.1光纖傳感器基礎(chǔ)光纖的色散是表征光纖傳輸特征的一個(gè)重要參數(shù)，它反映傳輸帶寬(TransmissionBandWidth)，關(guān)系到通訊信息的容量和品質(zhì)。光纖的色散就是輸入脈沖在光纖傳輸過(guò)程中，由于光波的群速度(GroupVelocity)不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象(PulseExpansion)。光纖色散使傳輸?shù)男盘?hào)脈沖發(fā)生畸變(Distortion)

，從而限制了光纖的傳輸帶寬。光纖色散分三種：

材料色散(MaterialDispersion)

、波導(dǎo)色散(WaveguideDispersion)

、多模色散(MultimodeDispersion)

色散(Chromaticdispersion)二§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)材料色散(MaterialChromaticDispersion):材料的折射率隨光波長(zhǎng)λ的變化而變化，這使光信號(hào)中各波長(zhǎng)分量的光的群速度cg不同，故又稱折射率色散(refractiveindexdispersion)。采用單色光源（如激光LASER）可以有效地減小材料色散的影響。波導(dǎo)色散(WaveguideChromaticDispersion):

由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不同，某一波導(dǎo)模式的傳播常數(shù)β隨著信號(hào)角頻率ω變化而引起色散，有時(shí)也稱為結(jié)構(gòu)色散(structuraldispersion)

。多模色散(MultimodeChromaticDispersion):在多模光纖中同時(shí)存在多個(gè)模式，不同模式沿光纖軸向傳播的速度是不同的，它們到達(dá)終端時(shí)，必定有先有后，出現(xiàn)時(shí)延差，從而引起脈沖寬度展寬。單模光纖由于只傳輸一種模式，故不存在模式色散。多模色散是階躍型多模光纖中色散的主要根源；在單模光纖中起主要作用的是材料色散和波導(dǎo)色散?！?.1光纖傳感器基礎(chǔ)9.1.3光纖傳感器分類

§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)光纖傳感器一般分為兩大類1、功能型傳感器2、非功能傳感器又稱FF型光纖傳感器，利用光纖本身特性，把光纖作為敏感元件，所以又稱傳感型光纖傳感器。又稱NF型光纖傳感器，利用其他敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，用以傳輸來(lái)自遠(yuǎn)處或難以接近場(chǎng)所的光信號(hào)，所以也稱傳光型光纖傳感器。§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)問(wèn)題:哪是功能型光纖傳感器?哪是非功能型光纖傳感器?光的調(diào)制(Modulation)和解調(diào)(Demodulation)可分為：強(qiáng)度(Intensity)、相位(Phase)、偏振(Polarization)、頻率(Frequency)和波長(zhǎng)(Wavelength)等方式。光的調(diào)制過(guò)程就是將一攜帶信息的信號(hào)疊加到載波(CarrierWave)光波上；完成這一過(guò)程的器件叫做調(diào)制器(Modulator)?！?.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)9.2.1強(qiáng)度調(diào)制與解調(diào)

光纖傳感器中光強(qiáng)度(LightIntensity)調(diào)制是被測(cè)對(duì)象引起載波光強(qiáng)度變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)的方式。光強(qiáng)度變化可以直接用光電探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。解調(diào)過(guò)程主要考慮的是信噪比(SignaltoNoiseRatio-SNR)是否能滿足測(cè)量精度的要求?！?.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù)微彎損耗(MicroTortuosityLoss)強(qiáng)度調(diào)制器的原理如圖。當(dāng)垂直于光纖軸線的應(yīng)力使光纖發(fā)生彎曲時(shí)，傳輸光有一部分會(huì)泄漏(leak)到包層中去?！?.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)微彎效應(yīng)1外調(diào)制(ExternalModulation)技術(shù)的調(diào)制環(huán)節(jié)通常在光纖外部，因而光纖本身只起傳光作用。這里光纖分為兩部分：發(fā)送光纖(TransmittingFiber)和接收光纖(ReceivingFiber)

。兩種常用的調(diào)制器是反射器(Reflector)和遮光屏(ShadeScreen)

?！?.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)光強(qiáng)度的外調(diào)制2利用折射率不同進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制的原理包括：①利用被測(cè)物理量引起傳感材料折射率的變化；②利用漸逝場(chǎng)耦合(Evanescent-fieldCoupling)；③利用折射率不同的介質(zhì)之間的折射與反射。§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)折射率光強(qiáng)度調(diào)制3強(qiáng)度調(diào)制的解調(diào)

若采用硅PIN二極管光電探測(cè)器，則可略去暗電流噪聲效應(yīng)；進(jìn)一步假設(shè)調(diào)制頻率遠(yuǎn)離1／f噪聲效應(yīng)區(qū)域，則可略去探測(cè)器噪聲，上式可簡(jiǎn)化為：§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的關(guān)鍵是信號(hào)功率與噪聲功率之比要足夠大，其功率信噪比RSN可用下列公式計(jì)算：

利用上式計(jì)算的信噪比，對(duì)大部分信號(hào)處理和傳感器應(yīng)用已綽綽有余。但是，光源與光纖、光纖和轉(zhuǎn)換器之間的機(jī)械部分引起的光耦合隨外界影響的變化；調(diào)制器本身隨溫度和時(shí)間老化出現(xiàn)的漂移；光源老化引起的強(qiáng)度變化以及探測(cè)器的響應(yīng)隨溫度的變化等，比信號(hào)噪聲和熱噪聲對(duì)測(cè)量精度的影響要大得多。應(yīng)在傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中和制造工藝中設(shè)法減小這些影響。

§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)

9.2.2偏振調(diào)制與解調(diào)光波是橫波(Transversewave)。光振動(dòng)的電場(chǎng)矢量E和磁場(chǎng)矢量H和光線傳播方向s正交(Orthogonal)。按照光的振動(dòng)矢量E、H在垂直于光線平面內(nèi)矢端軌跡的不同，又可分為線偏振光(Linearlypolarizedlight)（又稱平面偏振光Plane-Polarizedlight）、圓偏振光(Circularlypolarizedlight)、橢圓偏振光(Ellipticallypolarizedlight)和部分偏振光(Partlypolarizedlight)

。利用光波的這種偏振性質(zhì)可以制成光纖的偏振調(diào)制傳感器(PolarizationModulationSensor)。光纖傳感器中的偏振調(diào)制器常利用電光Electro-optic、磁光Magneto-optic、光彈Photoelastic等物理效應(yīng)。在解調(diào)過(guò)程中應(yīng)用檢偏器(Polaritydetector)?！?.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)調(diào)制原理

如圖所示，當(dāng)壓電晶體受光照射并在其正交方向上加以高電壓，晶體將呈現(xiàn)雙折射DoubleRefraction現(xiàn)象—普克耳效應(yīng)(PockelsEffect)。在晶體中，兩正交的偏振光的相位變化：§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)普克耳（Pockels）效應(yīng)1平面偏振光通過(guò)帶磁性的物體時(shí)，其偏振光面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第Faraday磁光效應(yīng)，光矢量(lightvector)旋轉(zhuǎn)角：§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)法拉第磁光效應(yīng)光纖2在垂直于光波傳播方向施加應(yīng)力，材料將產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其強(qiáng)弱正比于應(yīng)力。這種現(xiàn)象稱為光彈效應(yīng)。偏振光的相位變化：§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)光彈效應(yīng)39.2.3相位調(diào)制與解調(diào)

相位調(diào)制(PhaseModulation)的基本原理是：通過(guò)被測(cè)能量場(chǎng)的作用，使能量場(chǎng)中的一段敏感單模光纖內(nèi)傳播的光波發(fā)生相位變化，利用干涉測(cè)量技術(shù)把相位變化變換為振幅變化，再通過(guò)光電探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)

實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的物理效應(yīng)

光纖受到縱向Longitudinal（軸向Axial）的機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，將產(chǎn)生三個(gè)主要的物理效應(yīng)，導(dǎo)致光纖中光相位的變化：

①

光纖的長(zhǎng)度變化—應(yīng)變效應(yīng)(StrainEffect)②光纖芯的直徑變化—泊松效應(yīng)(PoissonEffect)③光纖芯的折射率變化—光彈效應(yīng)(PhotoelasticEffect)

§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)1在所有干涉型光纖傳感器中，光纖中傳播光的相位響應(yīng)φ都是與待測(cè)場(chǎng)中光纖的長(zhǎng)度L成正比。這個(gè)待測(cè)場(chǎng)可以是變化的溫度T。由于干涉型光纖傳感器中的信號(hào)臂光纖可以足夠長(zhǎng)，因此信號(hào)光纖對(duì)溫度變化有很高的靈敏度。

§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)熱脹冷縮效應(yīng)2

相位解調(diào)原理

兩束相干光(CoherentLight)（信號(hào)光束和參考光束）同時(shí)照射在一光電探測(cè)器上，光電流的幅值將與兩光束的相位差成函數(shù)關(guān)系。兩光束的光場(chǎng)相疊加，合成光場(chǎng)的電場(chǎng)分量為：§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)光電探測(cè)器對(duì)合成光束的強(qiáng)度發(fā)生響應(yīng)。設(shè)自由空間阻抗(FreeSpaceImpedence)為Zo，則入射到光電探測(cè)器光敏面Ad的功率為:最終探測(cè)信號(hào)電流為

其中§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)探測(cè)器響應(yīng)的是光波在許多周期內(nèi)測(cè)得的平均功率。上式括號(hào)中的后三項(xiàng)相當(dāng)于光頻（2ω）的電流變化，光電探測(cè)器不能響應(yīng)如此高頻率的變化，可以忽略。因此上式可以簡(jiǎn)化為：§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)上式表明,探測(cè)器輸出電流的變化取決于兩光束的初始相位和相位變化。可見(jiàn)，通過(guò)干涉現(xiàn)象能將兩光束之間的相位差轉(zhuǎn)化為電流變化。如果

，即干涉光束初相位正交，相差,那可較容易地把這種相位變化提取出來(lái)，這種探測(cè)方式稱為零差檢測(cè)。干涉測(cè)量?jī)x與光纖干涉?zhèn)鞲衅髟?/p>

右圖為普通光學(xué)邁克爾遜干涉儀(MichelsonInterferometer)原理圖。由激光器輸出的單色光由分束器(beamsplitter)（把光束分成兩個(gè)獨(dú)立光束的光學(xué)元件）分成為光強(qiáng)相等的兩束光。光束1射向固定反射鏡然后反射回分束器，再被分束器分解：透射部分那束光由光探測(cè)器接收，反射的那部分光又返回到激光器。§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)邁克爾遜干涉儀1

由激光器輸出，經(jīng)分束器透射的另一束光2入射到可移動(dòng)反射鏡上，也反射回分束器上，經(jīng)分束器反射的一部分光傳至光探測(cè)器上，而另一部分光則經(jīng)由分束器透射，也返回到激光器。當(dāng)兩反射鏡到分束器間的光程差(opticalpathdifference)小于激光的相干長(zhǎng)度(coherentlength)時(shí)，射到光探測(cè)器上的兩相干光束即產(chǎn)生干涉。兩相干光的相位差為：

式中Ko——光在空氣中的傳播常數(shù)(PropagationConstant)

2Δl——兩相干光的光程差(Opticalpathdifference)§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)圖為馬赫－澤德?tīng)柛缮鎯x的工作原理。與邁克爾遜干涉儀不同的是，它沒(méi)有或很少有光返回到激光器。返回到激光器的光會(huì)造成激光器的不穩(wěn)定噪聲，對(duì)干涉測(cè)量不利。馬赫－澤德?tīng)枺∕ach-Zehnder）干涉儀2它是利用塞格納克效應(yīng)構(gòu)成的。激光經(jīng)分束器分為反射和透射兩部分。這兩束光均由反射鏡反射形成傳播方向相反的閉合光路，并在分束器上會(huì)合，送入光探測(cè)器，同時(shí)也有一部分返回到激光器。在這種干涉儀中，如果沒(méi)有旋轉(zhuǎn)，兩光束的光程長(zhǎng)度相等。根據(jù)雙束光干涉原理，在光電探測(cè)器上探測(cè)不到干涉光強(qiáng)的變化。

§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)塞格納克（Sagnac）干涉儀3

但當(dāng)把這種干涉儀裝在一個(gè)可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上時(shí)，兩束傳播方向相反的光束到達(dá)光電探測(cè)器就有不同的延遲。若平臺(tái)以角速度Ω順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則在順時(shí)針?lè)较騻鞑サ墓廨^逆時(shí)針?lè)较騻鞑サ墓庋舆t大。這個(gè)相位延遲量可表示為：式中Ω為旋轉(zhuǎn)率；A為光路圍成的面積；c為真空中光速；λo為真空中的光波長(zhǎng)。通過(guò)檢測(cè)干涉光強(qiáng)的變化，就能知道旋轉(zhuǎn)速度?！?.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)4．法布里－拍羅（Fabry－Perot）干涉儀

它由部分反射、部分透射、平行放置的兩塊反射鏡組成。兩個(gè)相對(duì)的反射鏡表面鍍有反射膜，其反射率(reflectivity)常達(dá)95％以上。激光入射到干涉儀，在兩個(gè)相對(duì)反射面作多次反射，透射出來(lái)的平行光束由光電探測(cè)器(Photodetector)接收。

§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)法布里—帕羅（Fabry-Perot）干涉儀4式中R——反射鏡的反射率；

φ——相鄰光束間的相位差。

與前幾種雙光束干涉儀不同，這種干涉儀是多光束干涉(MultipleBeamInterference)。根據(jù)多光束干涉原理，探測(cè)器探測(cè)到干涉光強(qiáng)度的變化為§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)四種類型光纖干涉儀結(jié)構(gòu)9.2.4頻率調(diào)制與解調(diào)

頻率調(diào)制時(shí)光纖往往只起傳輸光信號(hào)的作用，而不作為敏感元件。目前主要是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)(DopplerEffect)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。圖中，S為光源，P為運(yùn)動(dòng)物體，Q是觀察者所處的位置。若物體P的運(yùn)動(dòng)速度為v，方向與PS及PQ的夾角分別為θ1和θ2，則從S發(fā)出的頻率為f1的光經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)物體P散射，觀察者在Q處觀察到的頻率為f2?！?.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)

根據(jù)多普勒原理可得：

光頻率調(diào)制的解調(diào)原理與相位調(diào)制的解調(diào)相同，需要兩束光干涉。探測(cè)器的信號(hào)電流公式的推導(dǎo)亦與相位調(diào)制的解調(diào)相同；只要用2πΔft代替式（9－26）中的φ（t），即可得：

§9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)光纖液位傳感器

§9.3光纖傳感器實(shí)例

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：光纖測(cè)頭端有一個(gè)圓錐體反射器。當(dāng)測(cè)頭置于空氣中沒(méi)接觸液面時(shí)，光線在圓錐體內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射而回到光電二極管。當(dāng)測(cè)頭接觸液面時(shí)，由于液體折射率與空氣不同，全內(nèi)反射被破壞，有部分光線透入液體內(nèi)，使返回到光電二極管的光強(qiáng)變?nèi)?；返回光?qiáng)是液體折射率的線性函數(shù)。返回光強(qiáng)發(fā)生突變時(shí)，表明測(cè)頭已接觸到液位。光電接收器的要求不高。由于同種溶液在不同濃度時(shí)的折射率不同，經(jīng)標(biāo)定，這種液位傳感器也可作濃度計(jì)。光纖液位計(jì)可用于易燃、易爆場(chǎng)合，但不能探測(cè)污濁液體及會(huì)粘附在測(cè)頭表面的粘稠物質(zhì)?！?.3光纖傳感器實(shí)例

光纖電流傳感器

§9.3光纖傳感器實(shí)例

根據(jù)法拉第(Faraday)旋光效應(yīng)(RotationEffect)，由電流所形成的磁場(chǎng)引起光纖中線偏振光的偏轉(zhuǎn)；檢測(cè)偏轉(zhuǎn)角的大小，就可得到電流值。從激光器發(fā)生的激光經(jīng)起偏器變成偏振光，再經(jīng)顯微鏡聚焦耦合到單模光纖中。為了消除光纖中的包層模，可把光纖浸在折射率高于包層的油中，再將單模光纖繞在高壓導(dǎo)線上。

圖9－27為一種全光纖結(jié)構(gòu)的光纖電流傳感器。其中單偏光纖代替了上述結(jié)構(gòu)中的起偏器，并用了一個(gè)多圈傳感線圈。電流測(cè)量范圍可達(dá)0.l～5000A。

§9.3光纖傳感器實(shí)例

9.4.1光纖光柵(FiberGrating)的基本概念1978年加拿大渥太華通信研究中心的K.O.Hill等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏效應(yīng)(lightsensitiveeffect)，并采用駐波(StandingWave)寫入法制成世界上第一支光纖光柵(FiberopticGrating)。光纖光柵是近幾年來(lái)發(fā)展最快的光纖無(wú)源器件(Passivedevice)，在光纖通信、光纖傳感、光計(jì)算和光信息處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景?！?.4光纖光柵傳感器

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(GermaniumIon)相互作用引起折射率的永久性變化），在纖芯內(nèi)形成空間相位光差，其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶(Narrowband)的（透射或反射）濾波或反射鏡。光纖光柵的結(jié)構(gòu)如圖所示，光纖的纖芯內(nèi)摻雜有單晶(monocrystal)鍺離子。光柵的制作是通過(guò)寫入技術(shù)，即通過(guò)紫外光干涉圖案（周期圖案）照射光纖，利用光纖材料的光敏性，造成折射率的永久性變化，從而在纖芯內(nèi)形成一小段一小段折射率周期性變化的空間相位光柵，這種光柵被稱為光纖布拉格光柵(FBG)?！?.4光纖光柵傳感器

9.4.2光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和原理

§9.4光纖光柵傳感器

若光柵間隔周期Λ較短，當(dāng)光束進(jìn)入光柵時(shí)，光波在介質(zhì)中要穿過(guò)光柵的多個(gè)變化間隔，介質(zhì)內(nèi)各級(jí)衍射光會(huì)相互干涉，入射進(jìn)光纖的寬帶光，只有滿足一定條件的波長(zhǎng)的光才能被反射回來(lái)，其余光即被透射出去。光纖光柵的中心波長(zhǎng)隨溫度及應(yīng)變的變化而變化，在光通信領(lǐng)域中，這成為光纖光柵應(yīng)用的難題之一，而在傳感領(lǐng)域，它又成為必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

光纖受外界應(yīng)變和溫度影響將通過(guò)彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)影響n，通過(guò)光纖長(zhǎng)度變化和熱膨脹影響Λ，從而引起中心波長(zhǎng)λ的改變。所以光纖光柵傳感器基本原理就是利用光纖光柵有效折射率n和周期Λ的空間變化對(duì)外界參量的敏感特性，將被測(cè)量變化轉(zhuǎn)化為中心波長(zhǎng)的移動(dòng)，再通過(guò)檢測(cè)該中心波長(zhǎng)的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的?！?.4光纖光柵傳感器

§9.4光纖光柵傳感器

光纖光柵傳感器除了具有普通光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)外，還有一些突出的優(yōu)點(diǎn)。其中最重要的是它的傳感信號(hào)為波長(zhǎng)調(diào)制。這一傳感機(jī)制的好處在于：測(cè)量信號(hào)不受光源起伏、光