傳感器原理與應(yīng)用技術(shù)：9-光纖傳感器1

1、第九章 光纖傳感器,光導(dǎo)纖維傳感器（簡稱光纖傳感器） 是20世紀(jì)七十年代迅速發(fā)展起來的一種新型傳感器。光纖最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器得到進(jìn)一步發(fā)展。 與其它傳感器相比較，光纖傳感器有如下特點(diǎn)： 1.不受電磁干擾，防爆性能好，不會(huì)漏電打火； 2.可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲； 3.可以用于高溫、高壓,絕緣性好,耐腐蝕,基本采用石英玻璃， 主要由三部分組成 中心纖芯； 外層包層； 護(hù)套尼龍料。 光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)， 纖芯折射率n1略大于包層折射率n2（ n1 n2,9.1 光纖的結(jié)構(gòu)與傳光原理,9.1.1 光纖的結(jié)構(gòu),光纖的傳播基于光的全反射。當(dāng)光線以不

2、同角 度入射到光纖端面時(shí)，在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖； 光線在光纖端面入射角減小到某一角度c時(shí)，光線全部反射。 只要c，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出,9.1.2 光纖的傳光原理,圖9-2 光纖導(dǎo)光示意圖,由斯奈爾（Snell）定律,就能產(chǎn)生全反射?？梢?，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)(n1、n2)決定的，與光纖的幾何尺寸無關(guān),若滿足,即,入射角的最大值 為,將sin0定義為光導(dǎo)纖維的數(shù)值孔徑,用NA表示,則,Na意義討論： NA表示光纖的集光能力，無論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2c張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會(huì)進(jìn)入包

3、層漏光。 一般NA越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會(huì)更容易。但NA越大光信號(hào)畸變越大，要選擇適當(dāng)。 產(chǎn)品光纖不給出折射率N，只給數(shù)值孔徑NA,9.1.3 光纖的種類,光纖按纖芯和包層材料的性質(zhì)分類，有玻璃光纖和塑料光纖兩類；按折射率分有階躍型和梯度型二種,光纖的另一種分類方法是按光纖的傳播模式來分，可分為多模光纖和單模光纖兩類。多模光纖多用于非功能型（NF）光纖傳感器；單模光纖多用于功能型（FF）光纖傳感器,9.2 光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理及分類,9.2.1 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理,光纖傳感器是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號(hào)的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件（光纖或非光纖的）、光接收器、信號(hào)處理系統(tǒng)

4、以及光纖構(gòu)成,由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時(shí)，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，最后經(jīng)信號(hào)處理得到所期待的被測量,光是一種電磁波,式中 A電場E的振幅矢量； 光波的振動(dòng)頻率； 光相位； t光的傳播時(shí)間。 可見，只要使光的強(qiáng)度、偏振態(tài)（矢量A的方向）、頻率和相位等參量之一隨被測量狀態(tài)的變化而變化，或受被測量調(diào)制，那么，通過對光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進(jìn)行解調(diào)，即可獲得所需要的被測量的信息,9.2.2 光纖傳感器的類型,光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器，又稱FF型光纖傳感器；另一類是非功能型傳感器又稱N

5、F型光纖傳感器,這類傳感器利用光纖本身 對外界被測對象具有敏感 能力和檢測功能，光纖不 僅起到傳光作用，而且在 被測對象作用下，如光強(qiáng) 、相位、偏振態(tài)等 光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后 的信號(hào)攜帶了被測信息,功能型光纖傳感器,非功能型光纖傳感器,傳光型光纖傳感器的 光纖只當(dāng)作傳播光的 媒介，待測對象的調(diào) 制功能是由其它光電 轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的，光 纖的狀態(tài)是不連續(xù)的， 光纖只起傳光作用,9.2.3 光纖傳感器的發(fā)展方向,光纖傳感器的發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面： 以傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題作為光纖傳感器的主要研究對象。 集成化光纖傳感器。 多功能全光纖控制系統(tǒng)。 充分發(fā)揮光纖的低傳輸損耗特性，發(fā)展遠(yuǎn)距離監(jiān)

6、測系統(tǒng)。 開辟新領(lǐng)域,9.3 光纖傳感器的調(diào)制形式,9.3.1 強(qiáng)度調(diào)制,9.3.2 偏振調(diào)制,1. 普克耳（Pockels）效應(yīng),當(dāng)壓電晶體受光照射并在其正交方向上加以高壓，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為普克耳效應(yīng),在晶體中，兩正交的偏振光的相位變化為,圖9-5 普克耳效應(yīng),2. 法拉第磁光效應(yīng),平面偏振光通過帶磁性的物體時(shí)，其偏振光面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第磁光效應(yīng),光矢量旋轉(zhuǎn)角,式中 V正常光折射率； L物質(zhì)中的光程； H磁場強(qiáng)度,圖9-6 法拉第磁光效應(yīng),磁場,偏振光片,磁光材料,L,檢偏片,光源,3. 光彈效應(yīng),在垂直于光波傳播方向施加壓力，材料將會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其強(qiáng)弱正

7、比于應(yīng)力。這種現(xiàn)象稱為光彈效應(yīng),偏振光的相位變化為,式中 k物質(zhì)光彈性系數(shù)； P施加在物體上的壓強(qiáng)； l光波通過的材料長度,圖9-7 光彈效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置,9.3.3 頻率調(diào)制,主要利用光學(xué)多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制，如圖。觀察者在O處觀察到的頻率為fs。根據(jù)多普勒原理可得,9.3.4 相位調(diào)制,相位調(diào)制的基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息,光信號(hào)相位的變化 與溫度變化T的關(guān)系為,線膨脹系數(shù)； l光纖的長度； n/T折射率溫度系數(shù)； n纖芯平均折射率； 0自由空間光波長； /傳播常數(shù)與纖芯半徑的變化率,9.3.5 波長調(diào)制,波長調(diào)制是利用被測量改變光纖中光的波長，再通過檢測光波長的變化來測量各種被測量。波長