第九章 光纖式傳感器2

1、4.7 4.7 光纖傳感器光纖傳感器v4.7.1光纖的結(jié)構(gòu)及傳輸原理v4.7.2光纖傳感器的種類v4.7.3光纖傳感器的工作原理v4.7.4光纖傳感器的應(yīng)用舉例 光纖傳感器是利用被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行某種形式的調(diào)制，使傳輸光的強(qiáng)度相位、頻率或偏振狀態(tài)等特性發(fā)生改變，再對被調(diào)制過的光信號進(jìn)行檢測，從而測定被測量的一種新型傳感器。4.7.1、光纖傳感器的基本知識、光纖傳感器的基本知識1、光纖結(jié)構(gòu)、光纖結(jié)構(gòu)由纖芯（折射率n1）和包層（折射率n2）組成（n1n2)。外層一層尼龍保護(hù)套（折射率n3） 。且應(yīng)滿足n1n3n22、物理基礎(chǔ)、物理基礎(chǔ)光的全內(nèi)反射是光纖傳輸光的物理基礎(chǔ)。（1）光的全反射條件

2、 真空中或單一物質(zhì)中光沿直線傳播。設(shè)上圖示圓柱形光纖的兩個(gè)端面均是光滑的平面，當(dāng)光以入射角從空氣中入射到光纖。再以由纖芯到包層表面并在纖芯包層的界面上發(fā)生折射時(shí)，由光的折射斯奈爾定律： 1221( )sin(光線從芯 子 向包 層傳播的 入射 角 )sin(光線在 包 層內(nèi) 折 射 角 )當(dāng)逐 漸 增 大到90時(shí) ， 則 光線在 纖芯 與 包 層界 面 上發(fā)生 了 全反 射i nnnn122121( )設(shè)此時(shí)(臨 界 角 )sin(光 線從芯 子 向包層傳 播的 入射角 )sin90 (光 線在 包層內(nèi) 折 射角 )sinarcsin(臨 界 角 )CCCCiinnnnnnv可見所有入射角大于

3、C的光線都可以在光纖芯與包層界面上發(fā)生全反射，并在光纖內(nèi)部以同樣的角度反復(fù)逐次反射，直至傳播到光纖的另一個(gè)端面。數(shù)值孔徑NA 光由空氣射入光纖端面，與軸成角。011211sinsinsin(90)cos1 sinnnnnn2222111122122012當(dāng)coscos1空氣 中1arcsinCCnnnnnnnnnn3、評價(jià)光纖的性能指標(biāo)即可實(shí)現(xiàn)全反射，光在纖芯內(nèi)全反射（無損耗）傳輸。2212sin 反 映光 纖的 聚 焦本 領(lǐng)， 稱 為 數(shù)值 孔徑(0.20.4)sinCNANANAnn可見：凡是從空氣中以入射角大于c入射的光線進(jìn)入光纖，在光纖纖芯與包層界面上不會發(fā)生全反射，經(jīng)折射進(jìn)入包層；凡

4、是在頂角2c的圓錐形立體角入射的光線進(jìn)入纖芯后，全部在纖芯與包層界面上發(fā)生全反射。NA的物理意義 NA越大，c越大，一般希望NA越大越好，它表明無論光源發(fā)射功率多大，只有2 c內(nèi)的光才能被光纖接受，全反射傳輸。有利于耦合效率的提高。但c越大，由sin c=n1cosc， c越小。光線在傳輸?shù)倪^程中反射的次數(shù)越多，光子軸向的視在光速就越慢。雖然以不同角度入射芯子的許多光線都能傳播到另一端，但經(jīng)光纖傳輸?shù)匠錾淇诘牟ㄐ屋敵雠c入射口的波形大不相同。 c越大，離散越大，光信號畸變越嚴(yán)重，所以應(yīng)該適當(dāng)選擇c返回按折射率分布：階躍型光纖和梯度型光纖按折射率分布：階躍型光纖和梯度型光纖4.光纖分類：光纖分類：

5、階躍型：光纖纖芯與包層的折射率是突變的。漸變型（梯度型）：光線在界面處折射率最大，其值由中心向外逐漸變小。到纖芯邊上變?yōu)榘鼘诱凵渎?。通常呈拋物線型變化。圖4-71特點(diǎn)：從空氣中不同角度入射的光線都會會聚到同一點(diǎn)上。原理：折射率呈拋物線型分布具有自聚焦性質(zhì)，不同角度入射來的光線在光纖軸的平面上空間周期一定，不同角度入射來的光線都會會聚到同一點(diǎn)上，從而達(dá)到聚焦的效果。v優(yōu)點(diǎn):中心軸附近的折射率梯度陡，接近邊緣處折射率下降的緩慢，保證傳遞的光束在光纖軸線附近前進(jìn)。外側(cè)折射率小，光速大，光程雖然長，但是所用時(shí)間與內(nèi)側(cè)相等，保證以各種角入射的光線都能獲得與軸向速度相等的傳播速度。二、按傳輸模式分單模光纖

6、、多模光纖二、按傳輸模式分單模光纖、多模光纖模的概念模的概念 光纖傳輸光波，可分解為沿縱向和橫向傳輸兩種平面波成分。橫向波在纖芯和包層界面上產(chǎn)生全反射。當(dāng)它在橫向往返依次的相位變化為2 的整數(shù)倍時(shí)，形成駐波。形成駐波的光線組稱為模。模是離散存在的。一定材質(zhì)一定尺寸的光纖只能傳輸特定模數(shù)的光波。模的確定模的確定光纖傳輸模數(shù)由歸一化頻率確定。/2 rNA（梯度型）（階躍型）光纖傳輸模的總數(shù)為4222NN多模光纖：芯徑大，折射率差大（NA大），N大。即傳輸模式多。優(yōu)點(diǎn)：纖芯截面積大，易制造，連接耦合較容易。缺點(diǎn)：性能較差，頻帶窄v單模光纖：芯徑小到6m，折射率差小到0.5%。N=1，光纖只能傳輸一定

7、波長光，即只能傳遞一種模式的光。優(yōu)點(diǎn)：傳輸性能好，頻帶寬，線性靈敏度動態(tài)范圍都很好。缺點(diǎn)：芯太小，制造連接和耦合都很困難。返回三、光纖傳感器工作原理三、光纖傳感器工作原理按照工作原理光纖傳感器分為功能型FF（傳感型）和非功能型NFF（傳光型）。1、功能型光纖、功能型光纖FF 用單模光纖，既傳光又是敏感元件。 光纖連續(xù)，不僅作為光傳播的波導(dǎo)，而且還利用光對外界信號的敏感能力和檢測能力，使光纖的傳輸特性受被測物理量作用而發(fā)生變化。使光纖中傳輸光的屬性（相位、強(qiáng)度、波長、偏振態(tài)）被調(diào)制來實(shí)現(xiàn)傳和感的作用。分為光強(qiáng)（振幅）調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型。用來測溫度、壓力、位移等。2、非功

8、能型光纖、非功能型光纖NFF（光通訊）（光通訊） 光纖只作為光的傳輸回路，只起傳光作用，又稱為傳光型。把光源的光通過入射光纖送入調(diào)制器，使待測信號與光相互作用，導(dǎo)致光的性質(zhì)發(fā)生改變，成為調(diào)制光，再經(jīng)出射光纖將調(diào)制光送到光探測器，經(jīng)解調(diào)后獲得被測信號的信息。 為了得到較大的受光量和傳輸光功率，非功能型光纖傳感器采用NA較大和芯徑較大的階躍型多模光纖。返回四、光纖傳感器四、光纖傳感器 應(yīng)用應(yīng)用 1、光纖微彎曲位移和壓力傳感器（光強(qiáng)調(diào)制型）測量畸變的微彎光纖傳感器，用于測量力、位移或者聲壓（一）功能型v原理：無壓力時(shí)，光源經(jīng)光纖直接輸出到探測器。有壓力時(shí)，光纖發(fā)生微變彎曲變形。C光纖微彎對傳播光的影

9、響光纖微彎對傳播光的影響v無壓力時(shí)，光源經(jīng)光纖直接輸出到探測器。有壓力時(shí)，光纖發(fā)生微變彎曲變形。當(dāng)光線射入微彎曲段時(shí)，入射角小于臨界角。此時(shí)，除反射光外，一部分光透射進(jìn)入包層，導(dǎo)致光能的損耗。輸出光強(qiáng)度減小。光纖微彎曲傳感器光纖微彎曲傳感器v相鄰鋸齒間的距離決定著變形器的空間頻率，當(dāng)鋸齒板受到壓力產(chǎn)生位移，使夾在其中的光纖彎曲，這時(shí)在光纖中傳遞的光部分被耦合在包層中，原來光束以大于臨界角的角度在纖芯中傳輸為全內(nèi)反射，在微彎處，光束以小于入射角的角度入射到界面，則部分光逸出到包層中，通過檢測纖芯或者是包層的光功率，就能測得力、位移或者聲壓等物理量。2、測量溫度：馬赫則德干涉儀，相位調(diào)制型、測量溫

10、度：馬赫則德干涉儀，相位調(diào)制型Mach-Zehnder干涉原理圖v光信號在光纖內(nèi)傳播的相位隨溫度參數(shù)的改變而改變，該改變是由于光纖材料的尺寸和折射率隨溫度的變化而引起的。002()2lnnTT ：相位的變化0：自由空間光波長：傳播常數(shù)隨纖芯半徑的變化率：線膨脹系數(shù)nT：折射率溫度系數(shù)可見，只要測出相位的變化就可測出溫度的變化v過程：來自信號光纖的光與一穩(wěn)定的參考光束在儀器中混合，信號光束是已受（溫度、壓力或應(yīng)變）參數(shù)影響的，傳輸?shù)墓庑盘栂辔灰呀?jīng)發(fā)生了改變。兩束光發(fā)生干涉現(xiàn)象，用一相位檢測器檢測出其位移變化，即可測得1%的溫度變化。3.血流速度的測量v頻率調(diào)制型vp1444.光纖電流傳感器：偏振

11、調(diào)制型光纖電流傳感器：偏振調(diào)制型光纖電流傳感器光纖電流傳感器v鎳護(hù)套被固定在通電流的螺線管中心，通過螺線管的電流不同，螺線管中磁場不同，鎳護(hù)套受磁場作用發(fā)生磁滯收縮，光纖在軸向上受到壓力，光纖芯折射率和長度都發(fā)生變化，引起信號臂和參考臂的相位差異。通過檢測相位差來探測電流的大小。 5、 光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器 激光束通過分光板后分為兩束光, 透射光作為參考光束, 反射光作為測量光束。當(dāng)傳感器感受加速度時(shí), 由于質(zhì)量塊M對上下光纖的作用, 從而使光纖被拉伸, 引起光程差的改變。相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會合產(chǎn)生干涉效應(yīng)。激光干涉儀的干涉條紋的移動可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號，(光電探測器置于匯合處） 經(jīng)過處理電路處理后便可正確地測出加速度值。 由于光纖長度的變化，引起光束光程差的變化)4(4222222211111dSadELmnmaSELnLnLnLnL相位變化為兩束光經(jīng)干涉儀產(chǎn)生相干條紋，相干條紋移過的數(shù)目與相位差成正比。一般用光電探測器計(jì)下干涉條紋移過的數(shù)目，經(jīng)處理電路可算出相位差，即而算出加速度。 由于光纖感受溫度變化時(shí)，光纖的折射率發(fā)生變化，而且因熱脹冷縮使光纖的長度變化，使光纖的光程差及相位變化，可測溫度和壓力。（二）非功能型v1.測量壓力、應(yīng)變、壓強(qiáng)。P145圖4-74v2.測位移。3.光纖圖像傳感器v內(nèi)窺鏡 由幾千到幾萬個(gè)直徑