第八章光纤传感器

本章学习要求：1.掌握传感器工作原理——全反射2.掌握光纤传感器的性能参数、种类、特点3.了解传感器的应用——光纤涡流流量计8.1光导纤维及其传光原理光纤是一种光信号的传输媒介。光纤的结构：最内层的纤芯是一种截面积很小、质地脆、易断裂的光导纤维，制造材料可以是石英、玻璃或塑料。纤芯的外层由折射率比纤芯小的材料制成。由于纤芯与包层之间存在着折射率的差异，光信号得以通过全反射在纤芯中不断向前传播。光纤的最外层是起保护作用的外套。通常是将多根光纤扎成束并裹以保护层制成多芯光缆。一、光纤结构和种类光纤的种类：1）按纤芯和包层的材质：玻璃光纤、塑料光纤。2）按折射率的变化：阶跃型、渐变型（聚焦光纤）。3）按传播模式：单模光纤、多模光纤。单模光纤直径较小，只能传输一种模式。其优点是：信号畸变小、信息容量大、线性好、灵敏度高；缺点：纤芯较小，制造、连接、耦合较困难。多模光纤直径较大，传输模式不只一种。其缺点是：性能较差。优点：纤芯面积较大，制造、连接、耦合容易。2R2rn2n1n0光纤结构n2n1纤芯包层光纤传输的优点：1）频带宽：光纤支持很宽的带宽（1014～1015HZ），覆盖了红外线和可见光的频谱。2）速率高：单模光纤的传输速率能达到几Gb/s。3）抗干扰能力强：抗电磁干扰能力强，且光束本身又不向外辐射，适用于长距离的信息传输及安全性要求较高的场合。4）光纤衰减较小，中继器的间距较大。光纤的缺点：系统成本较高、不易安装与维护、易断裂等。二、光导纤维传光的基本原理1、斯乃尔定理（Snell‘sLaw）（折射定律）n1n2ba(a)光的折射示意图可见，入射角a增大时，折射角b也随之增大，且始终a﹤b。n1、n2、a、b之间的数学关系为n1sina=n2sinb当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图(a)，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，b＞a。当b=90º时，a仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态。这时有n1n2bac(b)临界状态示意图光进入纤芯在纤芯和包层的界面发生全反射，全反射是光纤传光的基础。sinb＝sin90º＝1sinac=n2/n1ac=arcsin(n2/n1)ac——临界角当a＞ac并继续增大时，b＞90º，这时便发生全反射现象，如图(c)，其出射光不再折射而全部反射回来。n1n2ba(c)光全反射示意图2、光纤结构及传光原理分析光纤导光原理，除了应用斯乃尔定理外还须结合光纤结构来说明。光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯和玻璃包层两个同心圆柱的双层结构组成。2R2rn2n1n0光纤结构n2n1纤芯包层纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤芯折射率n1比包层折射率n2稍大些．两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。3、光纤的数值孔径NAθjθcacABCDEFGKOOn0n2n1光纤导光示意图c2光纤的孔径角：当光照射光纤的端面时，光纤端面的临界入射角2θc。表示光纤能接收光的范围。为圆锥角sinθc定义为光纤的数值孔径，用NA(NumericalAperture)表示。表示光纤的聚光能力。N0sinθc=n1sinθjn1sinac=n2sin900因θj=90º－ac，得：在光纤端面，无论发射功率有多大，只有在2θc张角之内的入射角才能被光纤接收传播。NA越大，光纤的聚光能力越强，光纤与光源之间的耦合越容易。但NA越大，光信号的畸形越大。一般要求：0.2≤NA0.4222101sinnnnNAcasinθc=4、色散、传播损耗色散：光脉冲信号在光纤的输出端被展宽，出现明显失真，这种现象称为色散。材料色散：纤芯的折射率随波长的变化而引起。模间色散：各种模式不同的传播速度引起（多模光纤）。波导色散：光纤的传输常数与波长间的非线性引起。光信号在光纤中的传播不可避免地存在着损耗。光纤传输损耗主要有材料吸收损耗（因材料密度及浓度不均匀引起）、散射损耗（因光纤拉制时粗细不均匀引起）、光波导弯曲损耗（因光纤在使用中可能发生弯曲引起）。传播损耗光纤传感器的特点：极高的灵敏度和精度抗电磁干扰高绝缘强度耐腐蚀集传感与传输于一体能与数字通信系统兼容等光纤传感器受到世界各国的广泛重视。光纤传感器已用于位移、振动、转动、压力、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度等70多个物理量的测量。在生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面有广泛的应用前景。8.2光纤传感器的工作原理与组成8.2光纤传感器的工作原理与组成1、基本工作原理外界因素（温度、压力、振动等）对光纤的作用，会引起光波特征参量（振幅、相位、频率、偏振态）发生变化。由光源、光纤耦合器、光纤、光探测器等组成。光源体积尽量小，以利于它与光纤耦合；光源发出的光波长应合适，减少光在光纤中传输的损失；光源要有足够亮度，以便提高传感器的输出信号。另外还要求光源稳定性好、噪声小、安装方便和寿命长等。2、传感器的组成光探测器光探测器的作用是把传送到接收端的光信号转换成电信号，以便作进一步的处理。它和光源的作用相反，常用的光探测器有光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管等。8.2光纤传感器的工作原理与组成光纤传感器使用的光源种类很多，按照光的相干性可分为相干光和非相干光。非相干光源有白炽光、发光二极管；相干光源包括各种激光器，如氦氖激光器、半导体激光二极管等。8.2光纤传感器的工作原理与组成1）功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感检测能力的光纤作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。信号处理光探测器光纤敏感元件光发送器光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。3、传感器的分类(按照光纤在传感器中的作用)优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高。典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。干涉型光纤水听器结构8.2光纤传感器的工作原理与组成3、传感器的分类(按照光纤在传感器中的作用)2）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。信号处理光探测器敏感元件光发送器光纤优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。典型例子：光纤温度计实用化的大都是非功能型的光纤传感器。8.2光纤传感器的工作原理与组成3、传感器的分类(按照光纤在传感器中的作用)3）拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计等。信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象8.2光纤传感器的工作原理与组成3、传感器的分类按照光波调制原理强度调制型相位调制型频率调制型波长调制型偏振态调制型按照测量对象的不同光纤位移传感器光纤温度传感器光纤流量传感器光纤图像传感器8.3光纤传感器的应用1、光纤压力传感器利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。下图为简单的利用Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。膜片反射式光纤压力传感器示意图光源接收121Y形光纤束2壳片3膜片3PP123—2、4、8习题与思考题：1.传感器的工作机理——全反射本章小结：2.光纤的主要性能参数：数值孔径、色散、传播损耗3.按光纤的作用分类：功能型、传输型、拾光型4.应用：光纤涡流流量计的原理和工作示意图