第8章光纖傳感器

1、傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第第8章章 光纖式傳感器光纖式傳感器光纖式溫度傳感器光纖式溫度傳感器光纖式光電開關(guān)光纖式光電開關(guān)光纖式熱金屬探測(cè)器光纖式熱金屬探測(cè)器光纖式色標(biāo)傳感器光纖式色標(biāo)傳感器光纖式航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片振動(dòng)傳感器光纖式航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片振動(dòng)傳感器100200 m包層纖芯 涂敷層尼龍外層外層直徑1mm) 1 . 8(sinsin1001nn則：則：)2 . 8(cossinsin111100nnn即：即：12011010sin1cossinnnnn 若要使入射光線在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反若要使入射光線在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，由臨界角的定義，應(yīng)滿足：射，由臨界角的定義，應(yīng)滿足

2、：)3 . 8(/sin121nn代入：代入：12011010sin1cossinnnnn)5 . 8 (11sin222102122010nnnnnnn 能使光線在光纖內(nèi)全反射的最大入射角能使光線在光纖內(nèi)全反射的最大入射角 C可由上可由上式求得，即式求得，即：得：得：)6 . 8(1sin22210CNAnnn式中，式中，NA稱為光纖的稱為光纖的數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑，它表示當(dāng)入射光從外，它表示當(dāng)入射光從外部介質(zhì)射入光纖時(shí)，只有入射角小于部介質(zhì)射入光纖時(shí)，只有入射角小于 C的光才能在光的光才能在光纖中傳播。纖中傳播。)6 . 8 (1sin22210CNAnnn由：由：)7 . 8 (2NAr)8

3、 . 8()(4/)(2/22梯度型階躍型N 值小于值小于2.41的光纖，纖芯很細(xì)的光纖，纖芯很細(xì)( (5 m mm10 m mm) )，僅能，僅能傳輸傳輸基?；? (截止波長(zhǎng)最長(zhǎng)的模式截止波長(zhǎng)最長(zhǎng)的模式) )，故稱為，故稱為單模光纖單模光纖。 值大的光纖傳輸?shù)哪?shù)多，稱為值大的光纖傳輸?shù)哪?shù)多，稱為多模光纖多模光纖，通常纖，通常纖芯直徑較粗芯直徑較粗( (幾十幾十m mm以上以上) )，能傳輸幾百個(gè)以上的模。，能傳輸幾百個(gè)以上的模。)dB/km()/lg(1001LIIA類類 型型折射率分布折射率分布纖芯直徑纖芯直徑/ /m mm包層直徑包層直徑/ /mm數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑單單 模模2880

4、1250.100.15多模多模階躍光纖階躍光纖( (玻璃玻璃) )802001002500.10.3多模多模階躍光纖階躍光纖( (玻璃玻璃/ /塑料塑料) )200100023012500.180.50多模多模梯度光纖梯度光纖501001251500.10.2光纖敏感元件光源光源光纖光電元件光電元件測(cè)量對(duì)象測(cè)量對(duì)象1. .功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器 功能型光纖傳感器又稱功能型光纖傳感器又稱傳感型光纖傳感器傳感型光纖傳感器，主要主要使用單模光纖使用單模光纖，基本結(jié)構(gòu)原理如圖所示。光纖在這類，基本結(jié)構(gòu)原理如圖所示。光纖在這類傳感器中傳感器中不僅是傳光元件不僅是傳光元件，而且利用光纖本身的某些

5、而且利用光纖本身的某些特性來感知外界因素的變化特性來感知外界因素的變化，所以它所以它又是敏感元件又是敏感元件。光纖敏感元件光源光源光纖光電元件光電元件測(cè)量對(duì)象測(cè)量對(duì)象光纖光纖敏感元件光源光電元件光電元件測(cè)量對(duì)象測(cè)量對(duì)象光纖光纖敏感元件光源光電元件光電元件測(cè)量對(duì)象測(cè)量對(duì)象 按照被測(cè)物理量進(jìn)行分類如下表所示。按照被測(cè)物理量進(jìn)行分類如下表所示。FF表表示功能型光纖，示功能型光纖，NF表示非功能型光纖。表示非功能型光纖。SSDDSSDDDD光源光纖輻射計(jì)射線探測(cè)器入射光棱鏡紅光藍(lán)光SDSD衍射板入射光棱鏡紅光藍(lán)光SD8. .3. .1 強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制8. .3. .2 波長(zhǎng)調(diào)制波長(zhǎng)調(diào)制8. .3.

6、.3 相位調(diào)制及干涉測(cè)量相位調(diào)制及干涉測(cè)量8. .3. .4 頻率調(diào)制頻率調(diào)制8. .3. .5 偏振調(diào)制偏振調(diào)制)12. 8(/2/200nLKLnL)13. 8()(0LnnLK式中式中，K0為光在真空中的傳播常數(shù)，為光在真空中的傳播常數(shù)，n為折射率。為折射率。 由此，纖芯折射率由此，纖芯折射率n變化和光纖長(zhǎng)度變化和光纖長(zhǎng)度L變化導(dǎo)變化導(dǎo)致的光相位變化為：致的光相位變化為：測(cè)量光路參考光路輸出P1P2LDL激光器；激光器；P1分束器；分束器；P2耦合器；耦合器；D檢測(cè)器檢測(cè)器激光器光探測(cè)器激光器信號(hào)處理器3 dB耦合器反射的光纖端面換 能 器( a )( b )激光器分束器移動(dòng)平面鏡換能器

7、光檢測(cè)器分束器固定平面鏡 ( (2) )馬赫馬赫曾特爾干涉曾特爾干涉儀儀 與邁克爾遜干涉儀相比與邁克爾遜干涉儀相比其優(yōu)點(diǎn)是只有少量或者沒有其優(yōu)點(diǎn)是只有少量或者沒有光直接返回激光器，避免了光直接返回激光器，避免了反饋光使激光器不穩(wěn)定和產(chǎn)反饋光使激光器不穩(wěn)定和產(chǎn)生噪聲。下圖為實(shí)際應(yīng)用。生噪聲。下圖為實(shí)際應(yīng)用。4ALc式中，式中，A為光路系統(tǒng)圍成的面積，為光路系統(tǒng)圍成的面積，c為光速，為光速， 為光路為光路系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的角速度。系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的角速度。 由此可測(cè)干涉儀的臺(tái)子相對(duì)于慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng)角由此可測(cè)干涉儀的臺(tái)子相對(duì)于慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。從原理上講，它是目前許多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所用速度。從原理上講，它是目前許

8、多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所用的環(huán)形激光陀螺的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。的環(huán)形激光陀螺的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。激光器光檢測(cè)器換能器固定平面鏡移動(dòng)平面鏡激光器光探測(cè)器激光器光探測(cè)器( c)( d)部分透射反射鏡 反射率越大，分辨率越高。它是能用于現(xiàn)代科學(xué)反射率越大，分辨率越高。它是能用于現(xiàn)代科學(xué)的最靈敏的位移測(cè)量裝置之一。的最靈敏的位移測(cè)量裝置之一。 ( (4) )法布里法布里珀羅干涉珀羅干涉儀儀 兩平行平面鏡的反射率兩平行平面鏡的反射率一般大于或等于一般大于或等于95 %。下。下圖為實(shí)際應(yīng)用。圖為實(shí)際應(yīng)用。8. .3. .1 強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制8. .3. .2 波長(zhǎng)調(diào)制波長(zhǎng)調(diào)制8. .3. .3 相位調(diào)制及干涉測(cè)量相位調(diào)制及干涉測(cè)量

9、8. .3. .4 頻率調(diào)制頻率調(diào)制8. .3. .5 偏振調(diào)制偏振調(diào)制)14. 8(cos1)/(1121ccffSPQ12)158(coscos)cos(cos1)/(1cos1cos1)/(1cos1)/(12122121222212cccfcccfccff考慮到考慮到 c，則可把雙重多普勒頻移方程表示為：，則可把雙重多普勒頻移方程表示為：)16. 8( )cos(cos1)cos(cos1121212cfcff f8. .3. .1 強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制8. .3. .2 波長(zhǎng)調(diào)制波長(zhǎng)調(diào)制8. .3. .3 相位調(diào)制及干涉測(cè)量相位調(diào)制及干涉測(cè)量8. .3. .4 頻率調(diào)制頻率調(diào)制8. .3

10、. .5 偏振調(diào)制偏振調(diào)制)17. 8(dLHV式中，式中，Vd為物質(zhì)的為物質(zhì)的費(fèi)爾費(fèi)爾德常數(shù)德常數(shù)。NIVNlHVLHVddd 光纖材料的光纖材料的Vd非常小非常小( (00.0161/ /A) )，用此法測(cè)量的電流，用此法測(cè)量的電流值可達(dá)幾十到幾值可達(dá)幾十到幾十萬安十萬安。NIVNlHVLHVddd)18. 8(dNVI)19. 8( 22dVLK入射光壓電晶體電極正常光異常光VP電極式中，式中，K為克爾常數(shù)。為克爾常數(shù)。L為光程，為光程，d為電極間距。為電極間距。8. .3. .1 強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制8. .3. .2 波長(zhǎng)調(diào)制波長(zhǎng)調(diào)制8. .3. .3 相位調(diào)制及干涉測(cè)量相位調(diào)制及干涉測(cè)

11、量8. .3. .4 頻率調(diào)制頻率調(diào)制8. .3. .5 偏振調(diào)制偏振調(diào)制 若能適當(dāng)選擇發(fā)光二極管，使其光譜范圍正好若能適當(dāng)選擇發(fā)光二極管，使其光譜范圍正好落在吸收邊的區(qū)域，即可做成透射式光纖溫度傳感落在吸收邊的區(qū)域，即可做成透射式光纖溫度傳感器。透過半導(dǎo)體的光強(qiáng)隨溫度升高而減少。器。透過半導(dǎo)體的光強(qiáng)隨溫度升高而減少。8. .4. .1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 測(cè)溫介質(zhì)為測(cè)量光纖上的半導(dǎo)體材料碲化鎘。參測(cè)溫介質(zhì)為測(cè)量光纖上的半導(dǎo)體材料碲化鎘。參考光纖上沒有敏感材料。采用除法器提高測(cè)量精度?？脊饫w上沒有敏感材料。采用除法器提高測(cè)量精度。測(cè)溫范圍在測(cè)溫范圍在40 120 之間，精度為之間，精

12、度為1 。8. .4. .1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器)20. 8(2nL式中，式中，L為感受溫度變化的光為感受溫度變化的光纖段的長(zhǎng)度，纖段的長(zhǎng)度， 為光源波長(zhǎng)。為光源波長(zhǎng)。氦氖激光器擴(kuò)束器分束器顯微物鏡單模光纖被測(cè)溫度場(chǎng)光探測(cè)器8. .4. .1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器C/1010ddC/105dd67TnTLL,試計(jì)算在試計(jì)算在1 m的光纖上，溫度每變化的光纖上，溫度每變化1 時(shí)，將有時(shí)，將有幾根條紋移動(dòng)。幾根條紋移動(dòng)。8. .4. .1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器解解 根據(jù)式根據(jù)式( (8. .20) )，對(duì)溫度求導(dǎo)得：，對(duì)溫度求導(dǎo)得：)20. 8(2nLTLnTnLTddd

13、d2ddTLLnTnTLdddd2dd代入已知條件得：代入已知條件得：m)Crad/( 107ddTL則條紋移動(dòng)：則條紋移動(dòng)：)mC/(17)2/(ddTLm8. .4. .1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器8. .4. .1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器位移MABCD1234XM1隨機(jī)分布 2對(duì)半分布3同軸分布 4同軸分布發(fā)送光纖接收光纖反射光強(qiáng)1隨機(jī)分布；隨機(jī)分布；2對(duì)半分布；對(duì)半分布；3同軸分布；同軸分布；4同軸分布同軸分布位移MABCD1234XM1隨機(jī)分布 2對(duì)半分布 3同軸分布 4同軸分布發(fā)送光纖接收光纖反射光強(qiáng)AMB CDM1隨機(jī)分布；隨機(jī)分布；2對(duì)半分布；對(duì)半分布；3同軸分布；同

14、軸分布；4同軸分布同軸分布位移MABCD1234XM1隨機(jī)分布 2對(duì)半分布 3同軸分布 4同軸分布發(fā)送光纖接收光纖反射光強(qiáng)AMB CDM1234567889101氦氖激光器；氦氖激光器；2分束分束器；器；3擴(kuò)束鏡；擴(kuò)束鏡；4反射反射鏡；鏡；5可移動(dòng)四面體棱鏡；可移動(dòng)四面體棱鏡；6全息照片；全息照片；7光纖參光纖參考臂；考臂；8光探測(cè)器；光探測(cè)器；9可逆計(jì)數(shù)器；可逆計(jì)數(shù)器；10光闌光闌1234567889101氦氖激光器；氦氖激光器；2分束分束器；器；3擴(kuò)束鏡；擴(kuò)束鏡；4反射反射鏡；鏡；5可移動(dòng)四面體棱鏡；可移動(dòng)四面體棱鏡；6全息照片；全息照片；7光纖參光纖參考臂；考臂；8光探測(cè)器；光探測(cè)器；9

15、可逆計(jì)數(shù)器；可逆計(jì)數(shù)器；10光闌光闌入射光水管重物斑圖dlh入射光水管重物斑圖dlh)23. 8(/dsf式中式中， 為流速；為流速；d為光纖直徑；為光纖直徑；s為斯特羅哈數(shù)為斯特羅哈數(shù)( (無量無量綱綱) )，當(dāng)雷諾數(shù)在一定范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)圓柱體當(dāng)雷諾數(shù)在一定范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)圓柱體s0.2。)24. 8(cos2nf 式中，式中， 為血流速度；為血流速度；n為血液的折射率；為血液的折射率； 為為光纖軸線與血管軸線的光纖軸線與血管軸線的夾角；夾角； 為激光波長(zhǎng)。為激光波長(zhǎng)。fff1+ ff f1fff1+fff1ff8. .4. .1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器8. .4. .2 光纖位移傳感器光纖

16、位移傳感器8. .4. .3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器8. .4. .4 光纖磁傳感器光纖磁傳感器8. .4. .5 醫(yī)用光纖傳感器醫(yī)用光纖傳感器8. .4. .6 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器光源保偏光纖法拉第盒PHD1D2- -+ +渥拉斯渥拉斯登棱鏡登棱鏡)26. 8()45(sin)25. 8()45(cos202201IIII式中，式中， 為偏振面的旋轉(zhuǎn)角度；為偏振面的旋轉(zhuǎn)角度；I0為入射光強(qiáng)；為入射光強(qiáng)；I1、I2為兩偏振光的強(qiáng)度。為兩偏振光的強(qiáng)度。)27. 8(2sin2121IIIIP通過測(cè)量通過測(cè)量P就能確定就能確定 ，利用式，利用式( (8. .17)

17、)即可確定即可確定B。磁場(chǎng)光源磁性膜光纖參考光纖光檢測(cè)器電輸出8. .4. .1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器8. .4. .2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器8. .4. .3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器8. .4. .4 光纖磁傳感器光纖磁傳感器8. .4. .5 醫(yī)用光纖傳感器醫(yī)用光纖傳感器8. .4. .6 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器導(dǎo)管光纖束反射鏡防水薄膜懸臂梁Pp防水薄膜8. .4. .1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器8. .4. .2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器8. .4. .3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器8. .4. .4 光纖磁傳感器光纖磁傳

18、感器8. .4. .5 醫(yī)用光纖傳感器醫(yī)用光纖傳感器8. .4. .6 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器脈沖激光器電子處理系統(tǒng)輸入脈沖耦合器探測(cè)器輸出局部微擾（損耗）連續(xù)傳感光纖zl n(Ps)斜率i斜率i光纖端面反射t= 2nz/ci)28. 8(22ncttz)29. 8(2minncz 一般情況下，一般情況下，OTDR反射信號(hào)很弱，要獲得高反射信號(hào)很弱，要獲得高信噪比，常常需要對(duì)多個(gè)探測(cè)脈沖求平均。信噪比，常常需要對(duì)多個(gè)探測(cè)脈沖求平均。8. .4. .1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器8. .4. .2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器8. .4. .3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感

19、器8. .4. .4 光纖磁傳感器光纖磁傳感器8. .4. .5 醫(yī)用光纖傳感器醫(yī)用光纖傳感器8. .4. .6 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器8. .4. .7 工業(yè)用內(nèi)窺鏡工業(yè)用內(nèi)窺鏡8. .4. .8 光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器8. .4. .9 光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器8. .4. .10 光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用8. .4. .11 光纖納米生物傳感器光纖納米生物傳感器8. .4. .12 光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展8. .4. .7 工業(yè)用內(nèi)窺鏡工業(yè)用內(nèi)窺鏡8. .4. .8 光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器8. .4. .9 光纖

20、光柵傳感器光纖光柵傳感器8. .4. .10 光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用8. .4. .11 光纖納米生物傳感器光纖納米生物傳感器8. .4. .12 光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展 入射進(jìn)光纖的寬帶光，只有波長(zhǎng)滿足特定條件入射進(jìn)光纖的寬帶光，只有波長(zhǎng)滿足特定條件的光才能被反射回來，其余的光都被透射出去。的光才能被反射回來，其余的光都被透射出去。 光纖光柵光纖光柵應(yīng)力傳感器的應(yīng)用如圖所示。應(yīng)力傳感器的應(yīng)用如圖所示。 8. .4. .7 工業(yè)用內(nèi)窺鏡工業(yè)用內(nèi)窺鏡8. .4. .8 光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器8. .4. .9 光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器8. .4. .10 光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用8. .4. .11 光纖納米生物傳感器光纖納米生物傳感器8. .4. .12 光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展