5.2 光纤传感器

5.2光纤传感器光纤传感优点：灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。上一页下一页返回5.2光纤传感器5.2.1光导纤维的结构和导光原理5.2.2光导纤维的主要参数5.2.3光纤传感器结构原理5.2.4光纤传感器的分类5.2.5光纤传感器的特点5.2.6光纤传感器的应用上一页下一页返回5.2.1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上一页下一页返回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：rinnsinsin21)/arcsin(,90120nnior临界角0ii上一页下一页返回光纤导光jinnsinsin10rknnsinsin21上一页下一页返回rinn22221sinsin22210sinnni当θr=90°的临界状态时，Sinθi定义为“数值孔径”NA（NumericalAperture）NAi0sin121/)(nnn相对折射率差arcsinNA是一个临界角，θiarcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；θiarcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。上一页下一页返回2sin10ni5.2.2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2θi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。2221sinnnNAi上一页下一页返回2.光纤模式光波沿光导纤维传播的途径和方式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。阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为。/)(212221nndV希望V小：d不能太大，n2与n1之差很小上一页下一页返回3.传播损耗损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响IIalA0lg10传播损耗（单位为dB）式中,I——光纤长度；a——单位长度的衰减；I0——光导纤维输入端光强；I——光导纤维输出端光强。上一页下一页返回5.2.3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上一页下一页返回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。光纤传感器光学测量的基本原理光就是一种电磁波，光的电矢量E)sin(tBE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：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制上一页下一页返回5.2.4光纤传感器的分类上一页下一页返回根据光纤在传感器中的作用功能型非功能型拾光型根据光受被测对象的调制形式强度调制偏振调制频率调制相位调制(1)根据光纤在传感器中的作用分为功能型非功能型拾光型上一页下一页返回(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(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(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上一页下一页返回(2)根据光受被测对象的调制形式分为(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上一页下一页返回（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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。上一页下一页返回（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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、加速度传感器；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；利用光致发光的温度传感器等。上一页下一页返回（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。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。上一页下一页返回5.2.5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。上一页下一页返回5.2.6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。上一页下一页返回光纤压力传感器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34216)1(3EtRy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。1Y形光纤2壳体3膜片与所加的压力呈线性关系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ApApII1112两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)2≤1时，得到ApII2ln12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。上一页下一页返回光纤压力传感器（利用微弯损耗效应）光纤不仅传光，而且还能感受被测压力的变化。属功能型光纤传感器。也可测量微位移、应变等参量。光强调制型光纤传感器光纤微弯对传播光的影响光强度受弯曲的影响而产生损耗利用马赫-泽德干涉仪测量压力或温度的相位调制型光纤传感器原理图干涉条纹的移动反映被测压力或温度的大小随着温度T的上升，光相位变化与输出电流的关系（温度上升0.06℃，相位变化2π弧度，干涉条纹移动一根）光纤温度报警器水银温度计非功能型光纤传感器传输光强调制型光纤传感器半导体吸收式光纤传感器测温系统原理图该系统的温度测量范围为-20~300℃，精度约±3℃，响应时间约2s，能在强电场环境中工作当光源波长λ一定时，通过半导体的透射光强随温度T的增加而减小半导体的禁带宽度与温度的关系：随温度T的增加近似线性减小反射光强调制型光纤传感器光纤动态压力传感器原理图补偿光源光功率的波动以及光敏二极管的噪声光纤接收的反射光强度随压力变化而线性变化偏置工作点工作范围为AB段光纤动态压力传感器的膜片反射光强与距离的关系曲线频率调制型光纤传感器基本原理：利用光纤多普勒效应实现频率调制，即由于观察者和目标的相对运动，观察者接受到的光波频率要发生改变。观察者频率f2运动物体PP的运动速度v光源S频率f1θ1θ2多普勒效应示意图从S射出的频率为f1的光，经过运动物体P散射，观察者在Q处观察到的频率为f2，根据多普勒原理得)cos(cos12112cvff采用光学多普勒测量系统，对研究流体流动特别有效，尤其是在微小流量范围内的介质流动，如血液流动的测量。激光多普勒光纤测速系统（a）Y型光纤（b）U型光纤（b）棱镜耦合光纤液位传感器原理：基于内全反射原理当测头置于空气中未接触液面时，光线在圆锥体反射器内发生全内发射；当测头接触到液面时，接收光强出现突变。