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1、第九章 光导纤维式传感器,光纤式传感器使用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。光纤传感器的主要特点有： (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。,一、斯乃尔定理 当光有光密物质进入光疏物质，发生折射时入射角 小于折射角 。如图。根据斯乃尔定理有,9.1 光导纤维导光的基本原理,有上式可知，当入射角 增大时，折射角 也增大，且始终 。当 时，此时出射光线沿界面传播，称为临界状态。此时 当 时， ，这时便发生全反射现象，其出射光不再折射而全部反射回来。 二、光纤结构 光纤通常由圆柱形的玻璃纤维芯和玻璃包
2、层两个同心圆柱的双层结构。参见图。纤芯位于光纤中心部位，纤芯的折射率比包层的折射率大。,三、光纤导光几何光学原理及数值孔径NA 光纤导光原理，参见图。由图中可知 由上式得,由图知， 所以 综合上面公式得,考虑空气的折射率约等于1，上式简化为 当 时， 考虑 上式中 称为相对折射率差。 定义 为光纤的数字孔径NA。由以上分析只有 的入射光线才能在光纤界面上发生全反射，从而被光线传输。,四、光纤导光波动光学解释与几何光学解释的关系 几何光学把光源看成射线源，光的传播问题就是射线的轨迹问题，完全不涉及波动的概念，随之也就不再涉及波长或波数等。 在波长与所讨论系统的空间尺寸比较起来可忽略不计时，用几何
3、光学或射线分析来研究光学现象有形象鲜明、数学处理简单、能达到工程上满意精度的优点。射线分析的误差随着波长与系统线度比的增大而增大，所以几何光学是波动光学在波长趋于零时的极限。 参考书：光纤理论与技术，曾甫泉 编著，西安交通大学出版社，1990年10月第1版；,一、光纤传感器的结构原理 传统传感器是将其它物理量转化为电量，其信号传输和处理均由金属导线连接。光纤传感器将被测物理量转换为光信号，信号的传输采用光纤完成。,9.2 光纤传感器结构原理及分类,从本质上讲，光是一种电磁波，在讨论光的敏感测量时，必须考虑光的电矢量 的振动。通常电矢量可表示为 有上式知，只要使光的强度、偏振态（矢量 的方向）、
4、频率和相位等参量之一随被测量状态变化而变化，即可完成测量过程。 二、光纤传感器的分类 （一）根据光纤在传感器中的作用 分为功能型、非功能型和拾光型三大类。 1. 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。 2. 非功能型（传光型）光纤传感器 光纤在其中仅起导光作用，光照在非光线型敏感元件上受被测量调制。 3. 拾光型光纤传感器 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。 （二）根据光受被测对象的调制形式 分为：强度调制型光纤传感器、偏振调制光纤传感器、频率调制型光纤传感器、相位调制型传感器。,一、光纤 常见光纤有阶跃型和梯
5、度型多模及单模光纤。它们的结构参见下图。,9.3 光纤传感器的主要元件,（一）光纤的数值孔径NA NA是衡量光纤聚光能力的参量。从提高光源与光纤之间耦合效率的角度看，要求采用NA大的光纤。但NA越大，光纤的模色散越严重，传输信息的容量就越小。对大多数光纤传感器应用来说，不存在信息容量的问题。因此，传感器所用光纤具有最大数字孔径为宜。一般要求： （二）光纤传输损耗 由于作为传感器的光纤其长度都很短，最多数米长，因此对光纤传输损耗要求很低，一般传输损耗10dB/km的光纤均可采用。这样的光纤价格很低。,（三）色散 色散是影响光纤信息容量的重要参量。对于大多数传感器来说，不存在信息容量的问题，因而可
6、以放宽对光纤色散的要求。 二、光源 （一）白炽灯光源 这类光源通常为钨丝灯，其辐射近似为黑体辐射。其优点是：价廉、容易获得、使用方便；缺点：稳定性差，寿命短（通常几百小时）。辐射密度小，只能与光纤束和粗芯阶跃光纤配合使用。 （二）气体激光器 常用的气体激光器，主要是氦氖激光器。其主要优点有：,1.相干性好，最好的相干长度达180km； 2.容易实现单模工作，线宽非常窄，约1kHz。 3.辐射密度高； 4.噪声小。 （三）固体激光器 固体激光器又称为晶体激光器。其优点是：体积小、坚固耐用、高功率、高辐射密度、发射光谱均匀且窄、容许单模工作。缺点是：相干性和频率稳定性都不如气体激光器。 （四）半导
7、体激光器 特点是：体积小巧、坚固耐用、寿命长(106h-107h)、可靠性高、辐射密度适中、电源简单。分为非相干的发光二极管(LED)和相干的激光二极管(LD)。,1.发光二极管 发光二极管分为表面出光、端面出光和超辐射等三种。其共同特点是相干长度只有数微米，输出与电流接近线性，可直接进行幅度调制。 表面出光LED是多模光纤系统的良好光源，由于它的辐射角大，与光纤耦合率很低。不适合干涉型光纤传感器或单模光纤中。 端面出光LED有很高的空间相干性、而无时间相干性。其耦合率较表面出光LED要好。 超辐射LED是一种细长条形结构的端面出光LED。它提高了端面出光LED的输出功率，有较好的定向输出，减
8、小了光谱密度，需要较大的激励电流。,2.半导体激光二极管LD LD是具有谐振腔、异质结构的LED。其辐射功率大都在10mW左右，但它的辐射密度高达108W/(Srcm2)左右，工作波长在850nm-900nm，平均寿命可达106h以上。 （五）传感器用光源选择准则 选用准则有： 1.辐射强度足够大，且光谱特性与光敏元件的光谱特性相匹配； 2.光源必须与光纤相匹配，以获得最佳耦合效率； 3.光源稳定性好，能长期稳定的工作。,三、检测器 （一）半导体光电检测器 这类检测器主要有PIN光电二极管、雪崩式光电二极管、PIN-FET微型组件等。 雪崩式光电二极管APD的优点是本身具有增益，但雪崩增益是一
9、个随机过程，增益的均方值(m2)大于其平均值的平方(M2)，于是产生过剩噪声，通常用噪声因子F(m)=m2/M2来描述。 （二）光电倍增管 倍增过程可 很好控制，不存 在过剩噪声。,（三）光电检测器件的选择原则 光电检测器件选择的主要依据是：获得理想的光信号强度、光背景电平和所需要的信噪比等。,一、温度检测 （一）遮光式光纤温度计 下面图中为两种不同的遮光式光纤温度计,9.4 光纤传感器的应用,（二）透射型半导体光纤温度传感器 当一束白光，经过半导体晶体片时，低于某个特定波长 的光将被半导体吸收而高于该波长的光将透过半导体。 称为本征吸收波长。入射光子通过光电效应，将电子从价带激发到导带，称为
10、本征吸收。要发生本征吸收，入射光子的能量必须大于半导体的禁带宽度 ，即 将上式转化为波长表示，得到产生本征吸收的条件为,2006.11. 27JC204-,对于波长大于 的光能透过半导体，而波长小于 的光将被半导体强烈吸收。 由上可知，半导体吸收光谱与禁带宽度有关，而半导体材料的禁带宽度随温度变化而变化，即 对于GaAs材料，由实验得到 由此可知，半导体的本征吸收波长随温度升高而增大。即透射率曲线向长波方向移动。,若采用发射光谱与半导体的 相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强将随温度的升高而减小。参见下图。,利用半导体吸收的光纤温度传感器其结构如下图。,2007.11. 15JGLX303-
11、,上面简单结构的半导体光纤温度传感器，由于受到光源功率的波动、损耗变化等因素的影响，其精度受到限制。下图为带补偿的光纤温度传感器机构框图。,图中LED1为信号光源，其中心波长与半导体本征吸收波长相匹配。LED2为参考光源，其中心波长大于半导体的本征吸收波长。当温度变化时，LED1发射光通过半导体时光强随温度变化而变化，而LED2发射光的透光强度则不变。 因此，对于LED1发出的光，在两个探测器PD1和PD2上接收的光强度分别表示为：,对于LED2发出的光，在两个探测器PD1和PD2上接收的光强度分别表示为： 将 分别检测出来后，作如下运算,（三）荧光发光型光纤温度传感器 某些荧光物质在紫外光激
12、励下能发出可见光，其发射光谱与温度有关。某些波长的荧光强度对温度有强烈的依存关系，而某些波长的荧光强度几乎不受温度变化的影响。因此通过检测特定波长的荧光强度即可测出温度。,此种形式的荧光光纤温度传感器能精确地测量-50-200 的温度，检测精度达到0.1 。,二、压力检测 （一）采用弹性元件的光纤压力传感器 此种形式的压力传感器是利用压力引起形变，利用形变完成对光强的调制。参见下图。,上图中，膜片厚度在0.05mm-0.2mm间，对于四周固定的膜片，在小挠度的条件下( 为膜片厚度)，其中心挠度 与压力 的关系如下 由上式，可见中心挠度与所加压力呈线性关系。若利用Y型光纤束位移特性的线性区，则传
13、感器的输出光功率与待测压力呈线性关系。 用于动态测量时，传感器的固有频率为,下图为改进型的膜反射式光纤压力传感器机构。 图中两束输出光强比为,将上式两边取对数，在满足 时等式右边展开后取第一项，得 从上式可看出，压力与两束光强之比的对数成线性关系。 （二）光弹性式光纤压力传感器 晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象，这种效应称为光弹效应。 出现双折射时，无论入射光是自然光还是偏振光，都将分解成两束传播速度不同、振动方向相互垂直的线偏振光。,2006.12. 1JC204-,对于光弹效应晶体，两束光线的相位差 其中 是光弹常数， 为元件长度， 为机械应力， 为波长。,光弹式压力传感器
14、结构参见下图。,（三）微弯式光纤压力传感器 微弯式压力传感器是基于光纤的微弯效应，通过压力引起变形器产生位移，使光纤发生微弯对光强进行调制。微弯原理参见下图,光纤,变形器,下面为两种微弯式光纤水听器探头结构。,三、液位、流量、流速的检测 （一）液位的检测技术 1.球面光纤液位传感器 球面液位光纤传感器的结构如图所示。,多个球面液位光纤传感器安装在不同高度上可以测出多个液位高度。如下图,2.斜面光纤液位传感器 结构参见下图。,3.单光纤液位传感器 结构参见下图。,（二）流量、流速的检测 1.光纤涡街流量计 当一个非流线体置于流体中时，流体流动时，某些条件下会在非流线体的后方产生有规律的漩涡，这种
15、漩涡会在该非流线体的两边交替地离开。每个漩涡产生并离开时会在物体上产生一侧向力。于是物体在该力的作用下发生振动，振动频率近似与流速成正比即,光纤涡街流量计的结构参见下图。光纤涡街流量计的特点是可靠性好、对被测流体阻力小。但在流速很小时，光纤振动会消失，因此存在一定的测量下限。,2.光纤多普勒流速计 参见下图。激光束照射到流体上，发生散射，由于流体在流动，使得光电传感器接收到的散射光发生多普勒频移。,3.气液两相流的光纤检测技术 气液两相流是气体和液体的混合流体。在透明液体中存在气泡时，可以对气泡的流速、气泡直径和气泡率等参数进行测量。检测原理参见下图。,根据菲涅尔反射定律，在上图中三种情况下，
16、从光纤端面反射回光纤的反射光强分别可表示为 另外，在气泡和液体的界面上也要产生反射，由于气泡的运动，反射光与输入光之间存在多普勒频移。其频移为,在气泡接近光纤端部及气泡将要经过光纤端部时，光纤端面反射光与气泡端面反射光混合后形成拍频信号，光强变化频率为 和 。下图为气泡通过光纤端部时的反射光强波形。,在一定时间 内记录到多个气泡经过光纤端面时，可由下式，计算出气泡率。 将输出信号中的多普勒信号提取出来后，根据拍频可以计算出气泡直径 检测系统结构 参见下图。,本章重点： 1. 掌握光纤传光的几何光学原理，理解数字孔径的概念； 2. 了解光线传感器主要部件及特性； 3. 掌握透光型半导体光纤温度传感器工作原理； 4. 掌握光纤压力传感器的工作原理； 5. 掌握光纤气液两相流的光线检测技术。 习题：9-1，9-2，9-3，9-4，9-6，9-9，9-
