光纖傳感器課件

光纖傳感器課件

光纖即光導(dǎo)纖維是20世紀(jì)70年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體探測(cè)器一起構(gòu)成新的光學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造了光電子學(xué)新領(lǐng)域。光纖的出現(xiàn)產(chǎn)生了光纖通訊技術(shù)，特別是光纖在有線通訊網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)越來越突出，它為人類21世紀(jì)的通訊基礎(chǔ)------信息高速公路奠定了基礎(chǔ)，為多媒體（符號(hào)、數(shù)字、語言、圖形和動(dòng)態(tài)圖象）通信提供了實(shí)現(xiàn)的必須條件。光纖傳感器始于1977年，經(jīng)過數(shù)十年的研究，光纖傳感器取得了十分重要的進(jìn)展，對(duì)軍事、航天航空技術(shù)和生命科學(xué)等的發(fā)展起著十分重要的作用。

光纖傳感器與常規(guī)傳感器相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：1.具有很高的靈敏度。2.頻帶寬動(dòng)態(tài)范圍大。3.光纖直徑只有幾微米到幾百微米；抗拉強(qiáng)度為銅的17倍。而且光纖柔軟性好，可根據(jù)實(shí)際需要作好各種形狀，深入到機(jī)器內(nèi)部或人體彎曲的內(nèi)臟等常規(guī)傳感器不宜到達(dá)的部位進(jìn)行檢測(cè)。4.測(cè)量范圍很大，如測(cè)量物理量有：聲場(chǎng)、磁場(chǎng)、壓力、溫度、加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)、位移、液位、流量、電流、輻射等。5.抗電磁干擾能力強(qiáng)。光纖主要由絕緣材料組成，工作時(shí)利用光子傳輸信息，不怕電磁場(chǎng)干擾；光波易于屏蔽，外界光的干擾也很難進(jìn)入光纖。6.光纖集傳感與信號(hào)傳輸于一體，利用它很容易構(gòu)成分布式傳感測(cè)量，便于與計(jì)算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙測(cè)和控制。7.可用于高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾、腐蝕等各種惡劣環(huán)境。8.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、耗能少。

9.1光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)及種類9.1.1光纖傳感器的原理光纖傳感器由光發(fā)送器、敏感元件、光接收器、信號(hào)處理系統(tǒng)及光導(dǎo)纖維等主要部分組成。光纖傳感系統(tǒng)的基本原理是：光纖中光波參數(shù)（如光強(qiáng)、頻率、波長(zhǎng)、相位以及偏振態(tài)等）隨外界被測(cè)參數(shù)的變化而變化，所以，可通過檢測(cè)光纖中光波參數(shù)的變化以達(dá)到檢測(cè)外界被測(cè)物理量的目的。P139圖9.1光纖傳感器構(gòu)成示意圖

9.1.2光纖的結(jié)構(gòu)光纖是一種傳輸光信息的導(dǎo)光纖維，主要由高強(qiáng)度石英玻璃、常規(guī)玻璃和塑料制成。光纖由纖芯、包層、護(hù)套組成。

光主要在纖芯中傳輸，光纖的導(dǎo)光能力主要取決于纖芯和包層的折射率，纖芯的折射率n1稍大于包層的折射率n2，典型數(shù)值是—，n2=1.44---1.50.P139圖9.2光纖的基本結(jié)構(gòu)9.1.3光纖的種類光纖按纖芯和包層材料性質(zhì)分類，有玻璃光纖和塑料光纖兩大類；按折射率分布分類，有階躍折射率型和梯度折射率型；按傳播模式的多少分為單模光纖和多模光纖；按用途分為通信光纖和非通信光纖。

1、按纖芯和包層材料性質(zhì)分類，有玻璃光纖和塑料光纖兩大類1）高純度石英（sio2）玻璃纖維，這種材料的光損耗比較小。2）多組分玻璃纖維，用常規(guī)玻璃制成，損耗較小。3）塑料光纖，用人工合成導(dǎo)光塑料制成，其損耗較大，但質(zhì)量輕，成本低，柔軟性好，適用于短距離導(dǎo)光。2、按折射率分布分類，有階躍折射率型和梯度折射率型

1）階躍型光纖（折射率固定不變）：指纖芯和包層折射率不連續(xù)的光纖。

2）梯度型光纖（纖芯折射率近似呈平方分布）：在中心軸上折射率最大，沿徑向逐漸變小，界面處n1=n2，n1的分布大多按拋物線規(guī)律，其關(guān)系式為：

n1=n.(1-A.r2/2)n為纖芯中心折射率，如A為常數(shù)，如r為徑向坐標(biāo)采用梯度折射率光纖時(shí)，光射入光纖后會(huì)自動(dòng)從界面向軸心會(huì)聚，故也稱為自聚焦光纖。P140圖9.3光纖的種類和光傳播形式

3、按傳播模式的多少分為單模光纖和多模光纖光波，本質(zhì)上是一種電磁波，在纖芯內(nèi)傳播的光波，可以分解為沿軸向和截面?zhèn)鬏數(shù)膬煞N平面波成分。沿截面?zhèn)鬏數(shù)钠矫娌▽?huì)在纖芯與包層的界面處產(chǎn)生反射。如果此波的每一個(gè)往復(fù)傳輸（入射和反射）的相位變化是360°的整數(shù)倍時(shí)，就可以在截面內(nèi)形成駐波，這樣的駐波光線組又稱為模。只有能形成駐波的那些以特定角度射入光纖的光，才能在光纖內(nèi)傳播，在光纖內(nèi)只能傳輸一定數(shù)量的模。當(dāng)光纖直徑很?。ㄒ话銥?---10微米），只能傳播一個(gè)模時(shí)，這樣的光纖稱為單模光纖；光纖直徑較大（通常為幾十微米以上），能傳播幾百個(gè)以上的模時(shí)，這樣的光纖被稱為多模光纖。每一個(gè)允許傳播的波稱為模式；只能傳播一個(gè)光線模式的光纖稱為單模光纖；能傳播許多光線模式的光纖稱為多模光纖；傳播速度最快的模稱為基模。單模光纖、多模光纖是當(dāng)前光纖通信中技術(shù)上最常用的光纖類型，統(tǒng)稱為普通光纖維。

4、按用途分為通信光纖和非通信光纖通信光纖：用于光通訊系統(tǒng)。實(shí)際使用中大多使用光纜，即多根光纖組成的線纜。非通信光纖：指特殊用途的非通訊光纖，主要有低雙折射率光纖、高雙折射率光纖、涂層光纖、多模梯度光纖、激光光纖、紅外光纖。9.2光的傳輸原理9.2.1光的全反射定律光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的基礎(chǔ)。折射率：光線在真空中的傳播速度與光線在該介質(zhì)中的傳播速度之比。介質(zhì)的折射率越高，則光線在該介質(zhì)中傳播得越慢。當(dāng)光線以較小的入射角φ1（φ1﹤φc，φc為臨界角），由光密媒質(zhì)（折射率n1）射入光蔬媒質(zhì)（折射率n2）時(shí)，一部分光線被反射，另一部分光線折射入光蔬媒質(zhì)，折射角φ2滿足斯乃爾法則n1sinφ1=n2sinφ2

當(dāng)加大入射角φ1，φ1﹥?chǔ)誧時(shí)，光不再產(chǎn)生折射，只有反射，就形成光的全反射現(xiàn)象。

P140圖9.4光線在臨界面上發(fā)生的內(nèi)反射示意圖

P139圖9.光纖集傳感與信號(hào)傳輸于一體，利用它很容易構(gòu)成分布式傳感測(cè)量，便于與計(jì)算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙測(cè)和控制。通信光纖：用于光通訊系統(tǒng)。非通信光纖：指特殊用途的非通訊光纖，主要有低雙折射率光纖、高雙折射率光纖、涂層光纖、多模梯度光纖、激光光纖、紅外光纖?？諝庹凵渎蕁0=1，得數(shù)值孔徑NA：可用于高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾、腐蝕等各種惡劣環(huán)境。數(shù)值孔徑是衡量光纖集光性能的一個(gè)主要參數(shù)，它決定了能被傳播的光束的半孔徑角的最大值θc，反映了光纖的集光能力。2功能型和非功能型光纖傳感器實(shí)際使用中大多使用光纜，即多根光纖組成的線纜。當(dāng)加大入射角φ1，φ1﹥?chǔ)誧時(shí)，光不再產(chǎn)生折射，只有反射，就形成光的全反射現(xiàn)象。1光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)及種類按用途分為通信光纖和非通信光纖。傳感器信號(hào)的感受是利用光纖的端面或在兩根光纖中間放置光學(xué)材料、機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件，感受被測(cè)物理量的變化。可以分為光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型。利用光纖微彎效應(yīng)的光纖位移（壓力）傳感器9.2.2光纖的傳光原理

P141圖9.5階躍型多模光纖中子午光線的傳播

只有在光纖端面一定入射角范圍內(nèi)的光線才能在光纖內(nèi)部產(chǎn)生全反射而傳播出去。能產(chǎn)生全反射的最大入射角可以通過臨界角定義求得。

n0sinθ=n1sinθ1=n1cosφ1=n1(1-sin2φ1)1/2

當(dāng)在纖芯與包層產(chǎn)生全反射時(shí)光纖的數(shù)值孔徑（NA）φ1---φc，θ---θc：sinφc=n2/n1n0sinθc=n1（1-（n2/n1）2）1/2=（n12-n22）1/2

空氣折射率n0=1，得數(shù)值孔徑NA：

NA=sinθc==（n12-n22）1/2

數(shù)值孔徑是衡量光纖集光性能的一個(gè)主要參數(shù)，它決定了能被傳播的光束的半孔徑角的最大值θc，反映了光纖的集光能力。無論光源發(fā)射功率多大,只有2θc張角的光才能被光纖接收.一般石英光纖的N～。

9.3光導(dǎo)纖維傳感器的類型9.3.1光纖傳感器的分類

1．按測(cè)量對(duì)象分類：分為光纖溫度傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器。

2．按光纖中光波調(diào)制的原理分類：分為強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器、相位調(diào)制型光纖傳感器、偏振調(diào)制型光纖傳感器、頻率調(diào)制型光纖傳感器、波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。

3．按光纖在傳感器中的作用分類：分為功能型光纖傳感器（FF型，functionfiber）和非功能型光纖傳感器（NFF型，nonfunctionfiber）9.3.2功能型和非功能型光纖傳感器

1．功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器主要使用單模光纖，它是利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)功能的光纖，構(gòu)成“傳”和“感”合為一體的傳感器。它是靠被測(cè)物理量調(diào)制和影響光纖的傳輸特性，把被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)制的光信號(hào)。可以分為光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型。P142圖9.6功能型光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖

利用光纖在高電場(chǎng)下的泡克平斯效應(yīng)的光纖電壓傳感器；利用光纖法拉第效應(yīng)的光纖電流傳感器；利用光纖微彎效應(yīng)的光纖位移（壓力）傳感器光纖本身為敏感元件，加長(zhǎng)光纖的長(zhǎng)度可提高傳感器的靈敏度；光纖的輸出端采用光敏元件，它所接受的光信號(hào)便是被測(cè)量調(diào)制后的信號(hào)，并使之轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。2．非功能型光纖傳感器在非功能型光纖傳感器中，光纖不是敏感元件，它只起到傳遞信號(hào)的作用。傳感器信號(hào)的感受是利用光纖的端面或在兩根光纖中間放置光學(xué)材料、機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件，感受被測(cè)物理量的變化。

非功能型分兩種：一種是把敏感元件置于發(fā)送、接受的光纖中間，在被測(cè)對(duì)象參數(shù)作用下或使敏感元件遮斷光路，或使敏感元件的光穿透率發(fā)生某種變化，受光的光敏元件所接受的光量，便成為被測(cè)對(duì)象參數(shù)調(diào)制后的信號(hào)。另一種是在光纖終端設(shè)置“敏感元件+發(fā)光元件”組合體，敏感元件感知被測(cè)對(duì)象參數(shù)的變化，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，輸出給發(fā)光元件（如LED），最后光敏元件以發(fā)光二極管LED的發(fā)光強(qiáng)度作為測(cè)量所得的信息。P143圖9.7非功能型光纖傳感器敏感元件在中間原理結(jié)構(gòu)圖P143圖9.8非功能型光纖“敏感元件+發(fā)光元件”組合體原理結(jié)構(gòu)圖

9.3.3光纖傳感器的主要部件

1．光源：一般采用半導(dǎo)體光源或半導(dǎo)體激光器，如砷化鎵發(fā)光二極管和激光器。

2．耦合器：其作用是使光源發(fā)出的光通量盡可能進(jìn)入光纖，若不用耦合器，光的損耗會(huì)很大。

3．探測(cè)器：它通過耦合器接收光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再使電信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理而輸出。但要注意光源、傳輸光纖和光電探測(cè)器三者之間的光譜匹配。

4．連接器：用于光纖間對(duì)接的專門部件，通常是一個(gè)三維可調(diào)的精密機(jī)械機(jī)構(gòu)，目的是在盡可能減少光損失的條件下實(shí)現(xiàn)光纖間的連接。

P139圖9.3．探測(cè)器：它通過耦合器接收光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再使電信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理而輸出。1．按測(cè)量對(duì)象分類：分為光纖溫度傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器。17透射光強(qiáng)與光纖間隙距離的關(guān)系由普通物理學(xué)知道，在一段長(zhǎng)為L(zhǎng)的單模光纖（纖芯折射率n1）中，波長(zhǎng)為l的輸出光相對(duì)于輸入端來說，其相位角f為受抑全內(nèi)反射光纖壓力傳感器是利用改變光纖軸向相對(duì)位置對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制的一個(gè)典型例子。可用于高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾、腐蝕等各種惡劣環(huán)境。4．連接器：用于光纖間對(duì)接的專門部件，通常是一個(gè)三維可調(diào)的精密機(jī)械機(jī)構(gòu)，目的是在盡可能減少光損失的條件下實(shí)現(xiàn)光纖間的連接。17透射光強(qiáng)與光纖間隙距離的關(guān)系通信光纖：用于光通訊系統(tǒng)。當(dāng)加大入射角φ1，φ1﹥?chǔ)誧時(shí)，光不再產(chǎn)生折射，只有反射，就形成光的全反射現(xiàn)象。20光纖微位移傳感器測(cè)量位移1、按纖芯和包層材料性質(zhì)分類，有玻璃光纖和塑料光纖兩大類能傳播許多光線模式的光纖稱為多模光纖；采用梯度折射率光纖時(shí)，光射入光纖后會(huì)自動(dòng)從界面向軸心會(huì)聚，故也稱為自聚焦光纖。9.4功能型光纖傳感器

9.4.1相位調(diào)制型光纖傳感器

1．相位調(diào)制的原理

由普通物理學(xué)知道，在一段長(zhǎng)為L(zhǎng)的單模光纖（纖芯折射率n1）中，波長(zhǎng)為l的輸出光相對(duì)于輸入端來說，其相位角f為當(dāng)光纖受到外界物理量的作用時(shí)，則光波的相位角變化為這樣，就可以應(yīng)用光的相位檢測(cè)技術(shù)測(cè)量出溫度、壓力、加速度、電流等物理量。

干涉測(cè)量?jī)x的基本原理：光源的輸出光都被分束器（棱鏡或低損耗光纖耦合器）分成光功率相等的兩束光（也有的分成幾束光），并分別耦合到兩根或幾根光纖中去。在光纖的輸出端再將這些分離光束匯合起來，輸?shù)揭粋€(gè)光電探測(cè)器，這樣在干涉儀中就可以檢測(cè)出相位調(diào)制信號(hào)。因此，相位調(diào)制型光纖傳感器實(shí)際上為一光纖干涉儀，故又稱為干涉型光纖傳感器。5非功能型光纖傳感器2光纖的傳光原理光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的基礎(chǔ)。1、按纖芯和包層材料性質(zhì)分類，有玻璃光纖和塑料光纖兩大類4．連接器：用于光纖間對(duì)接的專門部件，通常是一個(gè)三維可調(diào)的精密機(jī)械機(jī)構(gòu)，目的是在盡可能減少光損失的條件下實(shí)現(xiàn)光纖間的連接。光纖傳感系統(tǒng)的基本原理是：光纖中光波參數(shù)（如光強(qiáng)、頻率、波長(zhǎng)、相位以及偏振態(tài)等）隨外界被測(cè)參數(shù)的變化而變化，所以，可通過檢測(cè)光纖中光波參數(shù)的變化以達(dá)到檢測(cè)外界被測(cè)物理量的目的。但要注意光源、傳輸光纖和光電探測(cè)器三者之間的光譜匹配。用一個(gè)小型光電探測(cè)器接收斑圖中的亮區(qū)，便可接收到光纖振動(dòng)的信號(hào)，經(jīng)過頻譜儀分析便可檢測(cè)出振動(dòng)頻率，由此可計(jì)算出液體的流速及流量。采用梯度折射率光纖時(shí)，光射入光纖后會(huì)自動(dòng)從界面向軸心會(huì)聚，故也稱為自聚焦光纖。當(dāng)加大入射角φ1，φ1﹥?chǔ)誧時(shí)，光不再產(chǎn)生折射，只有反射，就形成光的全反射現(xiàn)象。光纖傳感器分為兩類：一類是利用光纖本身具有的某種敏感功能的FF型，簡(jiǎn)稱功能型傳感器；2）多組分玻璃纖維，用常規(guī)玻璃制成，損耗較小。功能型光纖傳感器主要使用單模光纖，此時(shí)光纖不僅起傳光作用，而且還是敏感元件。單模光纖、多模光纖是當(dāng)前光纖通信中技術(shù)上最常用的光纖類型，統(tǒng)稱為普通光纖維。2光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器

2．應(yīng)用舉例若傳感光纖受物理量的作用，則光纖的長(zhǎng)度、直徑和折射率將會(huì)發(fā)生變化，將會(huì)引起傳播光的相位角也發(fā)生變化。如果在傳感光纖和參考光纖的匯合端放置一個(gè)光電探測(cè)器，就可以將合成光強(qiáng)的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)大小的變化，如圖所示。圖9.9測(cè)量壓力或溫度的相位調(diào)制型光纖傳感器原理圖

圖9.10輸出光電流與光相位變化的關(guān)系9.4.2光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器

光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器的工作原理是利用外界因素改變光纖中光的強(qiáng)度，通過檢測(cè)光纖中光強(qiáng)的變化來測(cè)量外界的被測(cè)參數(shù)，即強(qiáng)度調(diào)制。

1．微彎損耗光強(qiáng)調(diào)制

圖9.11微彎損耗光強(qiáng)調(diào)制器及其傳感器

2．臨界角光纖壓力傳感器

臨界角光纖傳感器也是一種光強(qiáng)調(diào)制型傳感器。臨界角jc由纖芯折射率n1和光纖端部介質(zhì)的折射率n3決定，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)壓力（或溫度）變化時(shí)，將使纖芯的折射率n1和介質(zhì)的折射率n3發(fā)生不同程度的變化，引起臨界角發(fā)生改變，返回纖芯的反射光強(qiáng)度也隨之發(fā)生變化?；谶@一原理，有可能設(shè)計(jì)出一種微小探針型壓力傳感器。

圖9.13臨界角光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器9.5非功能型光纖傳感器

非功能型光纖傳感器主要是光強(qiáng)調(diào)制型。按照敏感元件對(duì)光強(qiáng)調(diào)制的原理，又可以分為傳輸光強(qiáng)調(diào)制型和反射光強(qiáng)調(diào)制型。

9.5.1遮斷光路的光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器

圖9.14用于油庫(kù)的雙金屬片光纖溫度傳感器9.5.2改變光纖相對(duì)位置的光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器

受抑全內(nèi)反射光纖壓力傳感器是利用改變光纖軸向相對(duì)位置對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制的一個(gè)典型例子。

圖9.18受抑全內(nèi)反射光纖壓力傳感器

圖9.17透射光強(qiáng)與光纖間隙距離的關(guān)系

圖9.16受抑全內(nèi)反射光纖壓力傳感器原理圖

9.6光纖傳感器的應(yīng)用

9.6.1光纖微位移測(cè)量傳感器

圖所示為測(cè)量微位移的Y形光纖傳感器的原理示意圖，其中一根光纖表示傳輸入射光線，另一根表示傳輸反射光線。傳感器與被測(cè)物的反射面的距離在0～之間變化時(shí)，可以通過測(cè)量顯示電路將距離顯示出來，測(cè)量顯示電路如圖所示。

圖9.19Y形光纖微位移傳感器原理示意圖圖9.20光纖微位移傳感器測(cè)量位移

但要注意光源、傳輸光纖和光電探測(cè)器三者之間的光譜匹配。光纖的輸出端采用光敏元件，它所接受的光信號(hào)便是被測(cè)量調(diào)制后的信號(hào)，并使之轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。光纖主要由絕緣材料組成，工作時(shí)利用光子傳輸信息，不怕電磁場(chǎng)干擾；沿截面?zhèn)鬏數(shù)钠矫娌▽?huì)在纖芯與包層的界面處產(chǎn)生反射。9測(cè)量壓力或溫度的相位調(diào)制型光纖傳感器原理圖4．連接器：用于光纖間對(duì)接的專門部件，通常是一個(gè)三維可調(diào)的精密機(jī)械機(jī)構(gòu)，目的是在盡可能減少光損失的條件下實(shí)現(xiàn)光纖間的連接。通信光纖：用于光通訊系統(tǒng)。如果在傳感光纖和參考光纖的匯合端放置一個(gè)光電探測(cè)器，就可以將合成光強(qiáng)的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)大小的變化，如圖所示。16受抑全內(nèi)反射光纖壓力傳感器原理圖16受抑全內(nèi)反射光纖壓力傳感器原理圖它是靠被測(cè)物理量