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1、第九章 光纤传感器,重点： 1 光导纤维的结构和导光原理 2 光导纤维的主要参数 3 光纤传感器结构原理 4 光纤传感器的分类 5 光纤传感器的特点 6 光纤传感器的应用,1 光导纤维的结构和导光原理,圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率,纤芯材料的主体是二氧化硅塑料，制成很细的圆柱体，其直径在575um内。有时在主体材料中掺入极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高光的折射率。围绕纤芯的是一层圆柱形套层（包层），包层可以是单层，也可以是多层结构，层数取决于光纤的应用场所，但总直径控制在100200范围内。包层材料也为二氧化硅，掺入极微量的三氧化二硼或四氧化硅，但
2、包层掺杂的目的却是为了降低其对光的折射率。包层外面还要涂上如硅铜或丙烯酸盐等涂料，其作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。光纤最外层是一层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中各种不同的光纤。光缆是由多根光纤组成，并在光纤间填入阻水油膏以此保证光缆传光性能。光缆主要用于光纤通信。,斯乃尔定理,当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射,（a）折射角大于入射角： （b）临界状态： （c）全反射 ：,上一页,下一页,返 回,光纤导光,n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n01,当r =90的临界状态时，,Sin i定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture）
3、,相对折射率差,arcsinNA是一个临界角， i arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失； i arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。,上一页,下一页,返 回,2 光导纤维的主要参数,1. 数值孔径（NA） 2. 光纤模式 3. 传播损耗,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,1. 数值孔径（NA）,反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。 意义：无论光源发射功率有多大，只有2i张角之内的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。,光纤模式：光波沿光导纤维传播的途径和方式单模光纤 ：只能传一种模式的
4、光 多模光纤 ：允许不同光束在一条电缆上传输,根据传输点模数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。 所谓“模”是指以一定 角度进入光纤的一束光。多模光纤允许多束光在光纤中同时传播，从而形成模分散 (因为每一个“模”光进入光纤的角度不同它们到达另一端点的时间也不同， 这种特征称为模分散。)单模光纤采用固体激光器做光源； 多模光纤则采用发光二极管做光源。,在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利的，导致合成信号的畸变，因此我们希望模式数量越少越好。,希望V小：d不能太大，n2与n1之差很小,阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为,3. 传播损耗,（单位为dB）,式中, L光纤长度； A能耗 P1
5、光导纤维入射端光强（功率） P2光导纤维出射端光强（功率）,A=10/L lg(P1P2),2.微弯损耗：光纤微微弯曲时，纤芯与包层界面上某些地方光线不满足全反射而进入包层。3.散射损耗：因纤芯材料折射率而产生散射，在其它方向上可看到微弱的光信号。,损耗原因： 1.吸收损耗：光纤纤芯材料的吸收光能量和纤芯层里氢氧离子振动的能量吸收。,3 光纤传感器结构原理,把被测量的状态转变为可测的光信号的装置,光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器， 使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。,光纤传感器工作原理：光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区
6、的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位和偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。根据工作原理，光纤传感器可以分为传感型和传光型两大类。 (还有一类：探光型),光纤传感器光学测量的基本原理,光就是一种电磁波，,光的电矢量E,被测量调制： 光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位 解调： 光的强度解调、偏振解调、频率解调或相位解调,上一页,下一页,返 回,光纤对许多外界参数有一定的效应，如电流、温度、速度和射线等。光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应，实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能。光纤传感器的核心
7、就是光被外界参数的调制原理，调制的原理就能代表光纤传感器的机理。研究光纤传感器的调制器就是研究光在调制区与外界被测参数的相互作用，外界信号可能引起光的特性（强度、波长、频率、相位、偏振态等）变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态调制原理。,4 光纤传感器的分类,注：MM多模光纤；SM单模光纤；PM偏振保持光纤,光纤传感器的分类,光纤在传感器中的作用 光受被测量调制的形式 光纤传感器中对光信号的检测方法不同,(1) 光纤在传感器中的作用,功能型 （传感型）非功能型 （传光型）探光型,(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器,光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优
8、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,上一页,下一页,返 回,利用外界因素改变光纤的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的，称为传感型光纤传感器，它具有传、感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。,(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器,光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。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。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。,上一页,下一页,返 回,传光型光纤传感器是指利用其他敏感元件测得的特征量， 由光纤进行数据传输，它的特点是充分利用现有的传 感器，
9、便于推广应用。,(c) 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。典型例子：光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器 见P92图4.63,(2) 根据光受被测对象的调制形式,(a) 强度调制型光纤传感器 (b) 偏振调制光纤传感器 (c) 频率调制光纤传感器 (d) 相位调制传感器,上一页,下一页,返 回,(a)强度调制型光纤传感器,利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。 应用：压力、振动、位移、气体 优点: 结构简单、容易实现、成本低。 缺点: 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响 其调制方式有 1、微弯调制 属
10、于功能型光纤调制 2、透射调制 属于非功能型光纤调制 3、反射调制 属于非功能型光纤调制,上一页,下一页,返 回,3种强度调制原理示意图,（b）偏振调制光纤传感器,利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息 原理：在外界因素作用下，使光的某一方向振动比其它方向占优势 应用：电流、磁场传感器：法拉第效应；电场、电压传感器：泡尔效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；温度、压力、振动传感器：双折射性 优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。,（c）频率调制光纤传感器,被测对象引起的光频率的变化来进行监测 原理：单色光照射到运动物体上后，反射回来时，其频移后的频率为f移后f0/(1-v/c)f0(1+v
11、/c) 式中：f为单色光频率；c为光束；v为运动物体的速度。 将此频率的光与参考光共同作用于光探测器上，并产生差拍，经频谱分析器处理求出频率变化，可推知速度。,利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；利用温度致发光的温度传感器等。,（d）相位调制传感器,被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。,相位调制原理示意图,利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器利用Sagnac效应的旋转角
12、速度传感器（光纤陀螺）优点：灵敏度很高， 缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。,5 光纤传感器的特点,（1）电绝缘。 （2）抗电磁干扰。 （3）非侵入性。 （4）高灵敏度。 （5）容易实现对被测信号的远距离监控。,6 光纤传感器的应用,强度调制型：基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术； 相位调制型：利用光纤本身作为敏感元件； 偏振调制型：主要是利用晶体的光弹性效应。,光纤压力传感器,（1）采用弹性元件的光纤压力传感器,膜片反射式光纤压力传感器示意图,膜片的中心挠度,若利用Y形光纤束位移特性的线性区， 则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。,
13、1 Y形光纤 2 壳体 3 膜片,与所加的压力呈线性关系,传感器的固有频率可表示为,式中, 膜片材料的密度；g重力加速度。,结构简单、体积小、使用方便， 光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降， 其精度就要受到影响。,上一页,下一页,返 回,差动式膜片反射型光纤压力传感器,1输出光纤 2输入光纤 3输出光纤 4胶 5膜片,两束输出光的光强之比,A常数； p待测量压力,输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关,上一页,下一页,返 回,将上式两边取对数，在满足(Ap)21时，得到,表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。 若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器
14、即可得到线性的输出。 采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。,上一页,下一页,返 回,（b）光弹性式光纤压力传感器,光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。,1 光源 2、8 起偏器 3、9 1/4波长板 4、10 光弹性元件 5、11 检偏器 6 光纤 7 自聚焦透镜,光弹性式光纤压力传感器 2,在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度,（c）微弯式光纤压力传感,基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。,1 聚碳酸酯薄膜 2 可动变形板 3 固定变形板 4、5 光纤,微弯式光纤水听器探头,例3 透射型半导体光纤温度
15、传感器,半导体的吸收光谱与材料的Eg有关，而Eg却随温度的不同而不同。Eg与温度t的关系可表示为：,半导体材料的Eg随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波长g随温度的上升而增大。,这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的g（t）相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随 着温度的升高而 减小，即通过检 测透射光的强度 或透射率，即可 检测温度变化。,图9-12 半导体透射测量原理,第一节 传感器的静态特性静态特性：传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输入量与输出量之间的关系。一般要求传感器的静态特性为线性或近似为线性。,静态
16、量：稳定状态的信号或变化极其缓慢的信号（准静态）。 动态量：周期信号、瞬变信号或随机信号。,第一章 传感器的一般特性,第一节 传感器的静态特性,传感器的静态特性可以用下面的方程描述,由上式可见：如果a0=0，则静特性通过原点，此时静态特性由线性项和非线性项迭加而成，一般可分为下面四种情况：,第一节 传感器的静态特性,(1). 理想线性,(3). 具有X偶次阶项的非线性,(2). 具有X奇次阶项的非线性,(4). 一般非线性,传感器的四种典型静态特征,结论,1. （1）图为理想线性关系，标度简单，测量方便，输入-输出为线性关系，不需要补偿电路。 2. 其它图均为非线性关系，其中（2）在原点附近一定范围内近似为线性关系，特性曲线以坐标原点为对称，可获得较大的线性范围。各种差动传感器具有这样的特性，因为当其一边输出为,
