第12章光纖傳感器

1、.,第12章 光纖傳感器,光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱(chēng)光纖 光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)，光纖最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器得到進(jìn)一步發(fā)展。與其它傳感器相比較，光纖傳感器有如下特點(diǎn)： 不受電磁干擾，防爆性能好，不會(huì)漏電打火； 可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲； 可以用于高溫、高壓、絕緣性能好，耐腐蝕。,.,第12章 光纖傳感器,（1）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理 光纖結(jié)構(gòu)：,基本采用石英玻璃， 有不同摻雜，主要 由三部分組成 中心纖芯； 外層包層； 護(hù)套尼龍料。 光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)， 纖芯折射率N1略大于包層折射率N2（N1N2）。,.,第12章 光纖傳感器

2、,光纖的傳播基于光的全反射。當(dāng)光線以不同角 度入射到光纖端面時(shí)，在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖； 光線在光纖端面入射角減小到某一角度c時(shí)，光線全部反射。 只要c，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。,（1）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理 光纖的傳光原理：,.,第12章 光纖傳感器,可見(jiàn)，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)（N1、N2）決定的，與光纖的幾何尺寸無(wú)關(guān)。,.,第12章 光纖傳感器,10.3 光纖傳感器（2）光纖的性能（幾個(gè)重要參數(shù)） 數(shù)值孔徑（NA）,臨界入射角c的正弦函數(shù)定義為光纖的數(shù)值孔徑.,空氣中：,.,第12章 光纖傳感器,NA意義討論： NA表示光纖的集光能

3、力，無(wú)論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2c張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會(huì)進(jìn)入包層漏光。 一般NA越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會(huì)更容易。但NA越大光信號(hào)畸變?cè)酱?，要選擇適當(dāng)。 產(chǎn)品光纖不給出折射率N，只給數(shù)值孔徑NA，石英光纖的數(shù)值孔徑一般為：,.,第12章 光纖傳感器,光纖模式是指光波沿光纖傳播的途徑和方式，不同入射角度光線在界面上反射的次數(shù)不同。光波之間的干涉產(chǎn)生的強(qiáng)度分布也不同，模式值定義為：,（2）光纖的性能（幾個(gè)重要參數(shù)） 光纖模式（V）,.,第12章 光纖傳感器,光纖模式,.,第12章 光纖傳感器,模式討論： 模式值越大，允許傳播的模式值越多。

4、在信息傳播中，希望模式數(shù)越少越好，若同一光信號(hào)采用多種模式會(huì)使光信號(hào)分不同時(shí)間到達(dá)多個(gè)信號(hào)，導(dǎo)致合成信號(hào)畸變。 模式值V小，就是值小，即纖芯直徑小，只能傳播一種模式，稱(chēng)單模光纖。單模光纖性能最好，畸變小、容量大、線性好、靈敏度高，但制造、連接困難。 除單模光纖外，還有多模光纖（階躍多模、梯度多模），單模和多模光纖是當(dāng)前光纖通訊技術(shù)最常用的普通光纖。,.,第12章 光纖傳感器,光纖在傳播時(shí)，由于材料的吸收、散射和彎曲 處的輻射損耗影響，不可避免的要有損耗，用率減 率A表示：,在一根率減率為10dB/Km的光纖中，表示當(dāng)光纖傳輸1Km后，光強(qiáng)下降到入射時(shí)的1/10。,（2）光纖的性能（幾個(gè)重要參數(shù)

5、） 傳播損耗（A）,.,第12章 光纖傳感器,光纖目前可以測(cè)量70多種物理量，光纖的類(lèi) 型較多，大致可分為功能型和非功能型兩類(lèi)。 光纖傳感器進(jìn)行產(chǎn)品檢測(cè)動(dòng)畫(huà),(3) 光纖傳感器應(yīng)用,.,第12章 光纖傳感器,功能型 FF （Function Fibre Optil Sensor） 又稱(chēng)傳感型 這類(lèi)傳感器利用光纖 本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有 敏感能力和檢測(cè)功能，光 纖不僅起到傳光作用，而 且在被測(cè)對(duì)象作用下，如 光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光 學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后 的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。,(3) 光纖傳感器應(yīng)用,.,第12章 光纖傳感器,馬赫澤德干涉儀,分束器1把激光器的 輸出光束分成兩部分， 經(jīng)上、下光

6、路的傳輸后 又重新合路，使其在光 檢測(cè)器處互相干涉。這 種干涉儀靈敏度，可精 確到10-13nm 。但實(shí)現(xiàn) 非常困難，限制在實(shí)驗(yàn) 室工作。,.,第12章 光纖傳感器,光纖干涉?zhèn)鞲衅?，幾公里光路?duì)光纖是容易實(shí)現(xiàn)的。 在光源和檢測(cè)器之間，干涉儀只含光纖元件，換能把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成光束的相位變化，利用集成和光電技術(shù)可把所有元件裝入一個(gè)很小裝置內(nèi)與光纖對(duì)接耦合。,光纖干涉?zhèn)鞲衅髟?各種光纖耦合器,.,第12章 光纖傳感器,馬赫澤德光纖干涉儀原理,.,第12章 光纖傳感器,NFF（Non-Function Fibre Optil Sensor） 稱(chēng)傳光型 傳光型光纖傳感器的 光纖只當(dāng)作傳播光的媒介， 待測(cè)

7、對(duì)象的調(diào)制功能是由 其它光電轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的， 光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的， 光纖只起傳光作用。,非功能型,.,第12章 光纖傳感器,利用半導(dǎo)體材料的能量隙隨溫度幾乎成線性變化。 敏感元件是一個(gè)半導(dǎo)體光吸收器，光纖用來(lái)傳輸信 號(hào)。當(dāng)光源的光強(qiáng)度經(jīng)光纖達(dá)到半導(dǎo)體薄片時(shí)，透 過(guò)薄片的光強(qiáng)受溫度的調(diào)制溫度T升高，材料吸收光 波長(zhǎng)向長(zhǎng)波移動(dòng)，半導(dǎo)體薄片透過(guò)的光強(qiáng)度變化。,光纖溫度傳感器,.,第12章 光纖傳感器,利用光纖實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸位移測(cè)量。光源經(jīng)一束多 股光纖將光信號(hào)傳送至端部，并照射到被測(cè)物體 上。另一束光纖接受反射的光信號(hào)，并通過(guò)光纖 傳送到光敏元件上。 被測(cè)物體與光纖間 距離變化，反射到 接受光纖上，光

8、通 量發(fā)生變化。再通 過(guò)光電傳感器檢測(cè) 出距離的變化。,反射式光纖位移傳感器,.,第12章 光纖傳感器,反射式光纖位移傳感器,.,第12章 光纖傳感器,反射式光纖位移傳感器一般是將發(fā)射和接收光纖捆綁組合在一起，組合的形式有不同， 如：半分式、 共軸式、 混合式， 混合式靈敏度高， 半分式測(cè)量范圍大。,反射式光纖位移傳感器,.,第12章 光纖傳感器,工作原理： 由于光纖有一定的數(shù)值孔徑，當(dāng)光纖探頭端緊貼 被測(cè)物體時(shí)，接收光敏元件無(wú)光電信號(hào)； 被測(cè)物體逐漸遠(yuǎn)離光纖時(shí) 接收光纖照亮的區(qū)域B2越 來(lái)越大 ； 當(dāng)整個(gè)接收光纖被照亮?xí)r， 輸出曲線達(dá)到光峰值； 被測(cè)體繼續(xù)遠(yuǎn)離時(shí)部分光 線被反射光信號(hào)減弱，曲 線下降。,反射式光纖位移傳感器,.,第12章 光纖傳感器,反射式光纖位移傳感器,.,第12章 光纖傳感器,討論： 前坡區(qū) 輸出信號(hào)的強(qiáng)度增加快，位移輸出曲 線有較好的線性關(guān)系，可進(jìn)行小位移測(cè)量； 后坡區(qū) 信號(hào)隨探頭和被測(cè)體之間的距離增加 而減弱，該區(qū)域可用于距離較遠(yuǎn)要求不高的測(cè)量； 光峰區(qū)