2013光纤传感器课件

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1、本学时主要讲解内容：,1 .光纤传感器结构与传光原理 2 .光纤传感器的调制形式及应用举例,机械工程测试技术,33-34 学时,第6章 传感器原理与测量电路 (10),一. 光纤传感器结构与传光原理,1.什么是光纤传感器? 光导纤维传感器（简称光纤传感器）,光纤传 感器是随着高新技术发展的一种新型传感器。,光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。,由光发送器发出的光源经过光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的

2、被测量。,光纤传感器的产品举例：,光纤传感器中的光纤,发光二极管 产生多种颜 色的光线， 通过光导纤 维传导到东 方明珠球体 的表面。在 计算机控制 下，可产生 动态图案。,上海东方明珠,光纤传感器外形,光纤式光电开关,反射型,遮断型,反射镜反射型,激光二极管的外形,激光二极管芯片,光纤式光电开关应用,标志孔,电路板标志检测,当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。,光纤 耦合器,传输光纤,出射光纤,光纤式光电开关应用,遮断型光纤光电开关,出射光纤,接收光纤,光纤式光电开关应用,采用遮断型光纤光电开关对IC 芯片引脚进行检测,光纤的其他应用,军用光纤陀螺： 将激光射入绕成

3、线圈的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可以测得出射光的相位发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，无机械磨擦力。,光纤内窥镜,2.光纤的结构光纤是用比头发丝还细的石英玻璃制成的， 每根光纤由圆柱形的内芯和包层及护套组成。 结构如下图所示:,图4.1 光纤的结构,纤芯:由玻璃或塑料制成。其芯直径为575m。 包层:包层可以是一层，二层或多层结构。由特性与纤芯略有不同的玻璃或塑料制成。 护套:通常采用不同颜色的塑料管套，一方面起保护作用，另一方面以颜色区分各种光纤。许多根单条光纤组成光缆。,光纤的导光能力取决于纤芯和包层的光学性能,钎芯的折射率n1略大于包层的折射率n2 （ n1n2 ）,而纤芯的强

4、度则由护套来维持。,3.光纤的传光原理,光是直线传播的。然而入射到光纤中的光线却能限制在光纤中，而且随着光纤的弯曲而走弯曲的路线，并能传送到很远的地方去。,光纤的直径比光的波长大很多，可以用几何光学的方法来说明光在光纤中的传播。,根据斯乃尔定律,当光从光密（折射率大）介质射向光疏（折射率小）介质，且入射角大于临界角时，光会产生全反射，即光不再离开光密介质。,如下图所示：光线在两种不同介质的分界面上，会产生折射现象。,光的折射、反射,当一束光线以一定的入射角1从介质1射到介质2的分界 面上时，一部分能量反射回原介质即称为反射光线；另一部 分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播即称为折射光 线。

5、,入射光线,反射光线,折射光线,折射定律为：n1sin1=n2sin2 (1) 式中,1为入射角、 2为折射角.,n1和n2分别为介质1和介质2的折射率. 当n1n2 ；1 2时，光会产生折射和反射。,若逐渐增大入射角1时,折射角2也会随之增大，且始终入射角小于折射角（1c）时，折射角290 其出射光线将发生全反射。（即出射光不再发生折 射，而全部反射）。光的全反射现象是光纤传光原理 的基础。,光在光纤中的全反射,光线自光纤端部射入，其入射角i必须满足一定的条件才能使光线进入光纤产生全反射，由上图可知，从空气中射入光纤的光并不一定都能在光纤中产生全反射，假设光纤纤芯的折射率n1要大于包层的折射

6、率n2，图中的光线表示临界状态，此时光线和纤芯中轴线的夹角max（即临界角）。表示入射角过大,光线不能满足要求,大部分光线将穿透包层而逸出,这叫漏光。,只有图中的光线和纤芯中轴线的夹角为i的夹角称为入射角i临界角max（即C）时，发生全反射,所以这些光线一直被截留在光纤中,在界面上产生多次的全反射,以锯齿形的路线在纤芯中传播。在理想情况下,将无损耗地通过光纤纤芯传输,直到它到达光纤的端面为止。,4.光纤的主要参数,1）数值孔径 NA（Numerical Aperture),NA是光纤的一个基本参数, 反映了光纤的集光能力。它的数学表达式为：,式中,n1为纤芯折射率,n2为包层折射率。C为临界角

7、， n0为光纤周围媒质的折射率。对于空气, n0 =1,则,一般希望有大的数值孔径,以利于耦合效率的提高,但数值孔径越大,光信号畸变就越严重,所以要适当选择。产品光纤通常不给出折射率,而只给出NA 。石英光纤的NA =0.20.4。,2) 传播模式,简单地说就是光波沿光纤传输的途径和方式。 在光导纤维中传播模式很多对信息传输是不利的。因为同一光信号采取很多模式传播,就会使这一光信号分为不同时间到达接收端的多个小信号,从而导致合成信号的畸变。在信息传输中一般希望模式数量越少越好。尽可能在单模方式下工作，即单模光纤。阶跃型的圆筒光纤内传播的模式数量可表示为：,式中d为光钎芯直径，0为光波波长。,光

8、在光纤的传播过程中不可避免地要有损耗。损耗产生的原因大致有三个方面：,3)传播损耗,一般希望传播模式小,纤芯直径d不能太大,一般为几个微米,不能超过几十微米。另外,n1与n2之差很小(例如,一般纤芯折射率n1可能是1.46,而包层折射率n2可能是1.44)。一般要求n2与n1之差不大于1%。,吸收损耗：指光纤材料吸收光能量和纤芯包层里氢氧离子振动的能量吸收。,微弯损耗：光纤微微弯曲或绕在一个小轴上时，纤芯与包层介面上某些地方光线不满足全反射而进入包层。 散射损耗：纤芯材料折射率的变化而产生散射时，在其它方向上可看到微弱的光信号。 通常用衰减率A表示传播损耗。,式中,为光纤长度,I0为输入端光强

9、,I1为输出端光强。,在一根衰减率为10dB/km的光纤中,当光传输1km后,光强将下降到入射光强的1/100,3dB/km衰减率相当于经过1km后,光强减小到入射光强的一半(因为lg0.5=-0.3)。目前传播损耗可达0.16dB/km。,5. 光纤传感器的分类,根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器主要可分 为两种类型，即功能型和非功能型。,1）功能型（或称传感型、探测型、 FF型）,这种类型的传感器，光纤不仅作为导光媒质，起着传输光波作用，又是敏感元件,实现被测量对光的调制。,2）非功能型。（或称传光型、结构型、强度型、混合型、 NF型）。,光纤仅作光的传媒介质，对光波的调制则需要有其它的

10、敏感元件来实现。因此传感器中光纤是不连续的。 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，常用于对灵敏度要求不太高的场合。,光纤传感器的工作原理各不相同，但都离不开光的调制和解调两个环节。光调制就是把某一被测信息加载到传输光波上。承载了被测信息的已调制光，传输到光探测系统后再经解调，便可获得所需的该被测信息。,输出ID,入射光,强度调制,t,光源,出射光,光电接受器,二. 光纤传感器的调制形式及应用举例,1.强度调制 (幅度调制),图中光源发射的光经入射光纤传输到强度调制器,经反射器把光反射到出射光纤,通过出射光纤传输到光电接收器.而反射器的动作受到被测信号

11、的控制,因此,反射出的光强是随被测量变化的,光电接收器接受到光强变化的信号,经解调得到被测物理量的变化.,例1： Y形光纤束反射型光纤压力传感器如下图。这种传感器利用弹性膜片受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光进行调制。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。即输出的信号也发生变化。 对于不同的测量范围,可选择不同的膜片尺寸.一般膜片的厚度在0.05-0.2mm为宜.光通量是膜片的形状尺寸以及探头到膜片的平均距离的函数。,例2： 微弯光纤压力传感器,变形器如一对错开的带锯齿槽的平行板, 其中一块是活动板,另一块是固定板。

12、光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损,失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中.,主要遵循强度调制原理。,当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移等物理量。,2. 频率调制,利用由被测对象引起的光频率的变化进行监测的传感器。,例单色光照射到运动物体上后,反射回来时,由于多谱勒效应,其频移后的频率为,式中： f0发射机发射信号的频率；v 被测物体的运动速度；0发射信号

13、的波长, 0 =cf0; c 电磁波的传播速度。,将该频率的光与参与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,既可推知速度.,例1： 光纤涡街流量计,图： 光纤涡街流量计,液体流管,光纤被光纤夹和下面的重物拉紧。当液体流管内的液体流经光纤时将出现诱导性振荡,并以相同的频率作用于光纤。如果设法测出光纤的振荡频率f,就可以计算出流体的平均流速v。振动频率近似地与流速成正比,二者的关系为,因此，通过检测物体的振动频率便可测出流体的流速，由上式可知，流体的流速与涡流频率呈线性关系。光纤涡街流量计便是根据这个原理制成的，,例2： 光纤多普勒流速计,由激光器发出的光(频率为fi)进

14、入光纤，再经过分光镜后，被分为2束，一束作为参考光束，另一束光线通过光纤射向振动物体(被测体) ，由于振动物体振动产生多普勒移频的散射光(频率为fs)，再由光纤耦合传回，经过光接收器，频率分检器选择输出。,式中fi为入射光频率，fs为散射光频率（多普勒频率）；n为发生散射介质的折射率；为入射光在空气中的波长；为被测物体的运动速度。,被测物体的运动速度与多普勒频率之间的关系为：,3. 相位调制,利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位发生变化，然后用干涉仪检测这种相位变化而得到被测对象的信息。,例1：下图给出了一种相位调制传感器的原理示意图。,由激光器发出的光照在立方棱镜上，光分为二束，一束作为信号光纤，相位受被测信息的调制；另一束作为参考光，使二束光叠加形成干涉花纹，再通过检测干涉条纹的变化可确定出二束光相位的变化，从而测出待测物理量。,例2：光纤加速度传感器：主要遵循相位调制原理。,激光束通过分光板后分为两束光, 透射光作为参考光束, 反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时, 由于质量块M对测量光纤的作用, 从而使光纤被拉伸, 引起光程差的改变。,相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号, 经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值。,