第9章光導(dǎo)纖維式傳感器

光的全反射實驗

1各種裝飾性光導(dǎo)纖維2023/2/42上海東方明珠2023/2/43發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠球體的表面。在計算機控制下，可產(chǎn)生動態(tài)圖案。理解光纖溫度傳感器和光纖液位傳感器的原理。了解光纖壓力傳感器、流量、流速傳感器的原理。掌握光纖的結(jié)構(gòu)，光纖傳感器的構(gòu)成；理解光纖傳感器NA的要求、傳輸損耗和色散等概念；理解輻射密度、耦合效率等概念45

光纖傳感器是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物；與以電為基礎(chǔ)的傳感器相比有本質(zhì)的區(qū)別：用光而不用電來作為敏感信息的載體；用光纖而不用導(dǎo)線來作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。光纖——光導(dǎo)纖維，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介質(zhì)材料制成的極細的纖維，是一種理想的光傳輸線路。光纖傳感器傳統(tǒng)傳感器光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖的)、光接收器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成6發(fā)射光纖和接受光纖分別安裝于檢測物兩側(cè)。由于物體的遮擋，接受光纖端能否接受到發(fā)射端的光線從而得知物體的存在與否。實現(xiàn)檢測有無、計數(shù)等。對射光纖15μs(入光時)的超高速響應(yīng)時間。最適用于小型物體和高速移動物體的檢測。檢查印刷機的送紙情況7可檢測到像LED一樣的微弱光線電話機的LED亮燈情況被測量：溫度[1]、壓力[2]、流量[3]、位移[4]、振動[5]、轉(zhuǎn)動[6]、彎曲[7]、液位[8]、速度[9]、加速度[10]、聲場[11]、電流[12]、電壓[13]、磁場[14]輻射[15等各種物理量

傳感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)農(nóng)業(yè)國防運輸能源環(huán)境建筑業(yè)9特點：電絕緣。具有良好的電絕緣性，能夠用于高壓供電系統(tǒng)及大容量電機的測試。

抗電磁干擾。極其獨特的性能特征，能夠用于高壓大電流、強磁場噪聲、強輻射等惡劣環(huán)境中。

非侵入性。由于傳感頭可做成電絕緣的，而且其體積可以做得最小(最小可做到只稍大于光纖的芯徑)，因此，它不僅對電磁場是非侵入式的，而且對速度場也是非侵入式的，故對被測場不產(chǎn)生干擾。這對于弱電磁場及小管道內(nèi)流速、流量等的監(jiān)測特別具有實用價值。

高靈敏度。高靈敏度是光學(xué)測量的優(yōu)點之一。利用光作為信息載體的光纖傳感器的靈敏度很高，對某些精密測量與控制必不可少。容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。由于光纖的傳輸損耗很小(目前石英玻璃系光纖的最小光損耗，可低達0.16dB/km)，可實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制以及對核輻射、易燃、易爆氣體和大氣污染等進行監(jiān)測。

10§9-1光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理光學(xué)理論幾何光學(xué)波動理論在尺寸遠大于波長而折射率變化緩慢的空間電磁波11

二、光纖結(jié)構(gòu)要分析光纖導(dǎo)光原理，除了應(yīng)用斯乃爾定理外還需結(jié)合光纖結(jié)構(gòu)來說明。光纖呈圓柱形，它通常由玻璃纖維芯(纖芯)和玻璃包皮(包層)兩個同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成，如圖9-2所示。

纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖芯折射率n1比包層折射率n2稍大些，兩層之間形成良好的光學(xué)界面。光線在這個界面上反射傳播。光纖導(dǎo)光原理12光線①：非全反射，能量迅速衰減，消失光線②：在纖芯-包層界面上全反射，不衰減導(dǎo)光原理：光線在纖芯中全反射傳播n0sinθ0=n1sinθ1n1sin

1=n2sin

2

sinθ0=(n1/n0)sinθ1

sin1=(n2/n1)sin2數(shù)值孔徑NA——光纖集光性能參數(shù)2023/2/413光纖端面入射角與包層中折射角之間關(guān)系數(shù)值孔徑NA——光纖集光性能參數(shù)當(dāng)光線發(fā)生全反射時，

2>90o，則θ0<θc=arcsinNA當(dāng)

2<90o時，θ0>θc=arcsinNA，光線消失。為“數(shù)值孔徑”NA(Numerical

Aperture)。光線剛好不發(fā)生折射，即：

2=90o

則臨界入射角：

θc=arcsinNA

14數(shù)值孔徑的意義是：無論光源發(fā)射功率有多大，只有2θc

張角之內(nèi)的光功率被光纖被傳播。數(shù)值孔徑是反映纖芯集光性能的主要參數(shù)。15§9-3光纖傳感器的主要元器件

一、光纖纖芯：玻璃纖維，折射率n1包層：與纖芯同質(zhì)，折射率n2<n1護套：塑料16光纖模式§9-3光纖傳感器的主要元器件

一、光纖2R2R2R2r2r2r2R2R2R2r2r2r

單模光纖纖芯直徑僅有幾微米，接近波長。其折射率分布均為階躍型。單模光纖原則上只能傳送一種模數(shù)的光，常用于光纖傳感器。這類光纖傳輸性能好，頻帶很寬，具有較好的線性度；但因芯小，難以制造和耦合。多模光纖允許多個模數(shù)的光在光纖中同時傳播，通常纖芯直徑較大，達幾十微米以上。由于每一個“模”光進入光纖的角度不同，它們在光纖中走的路徑不同，因此它們到達另一端點的時間也不同，這種特征稱為模分散。特別是階躍折射率多模光纖，模分散最嚴重。這限制了多模光纖的帶寬和傳輸距離。例如：600MB/KM的光纖在2KM時則只有300MB的帶寬了。漸變折射率多模光纖纖芯內(nèi)的折射率不是常量，而是從中心軸線開始沿徑向大致按拋物線形成遞減，中心軸折射率最大，因此，光纖在纖芯中傳播會自動地從折射率小的界面向中心會聚，光纖傳播的軌跡類似正弦波形，如圖所示，具有光自聚焦效果，故漸變折射率多模光纖又稱為自聚焦光纖。因此漸變折射率多模光纖的模分散比階躍型小得多。20(一)光纖的數(shù)值孔徑NA

§9-3光纖傳感器的主要元器件

一、光纖0.2≤NA<0.4

對大多數(shù)光纖傳感器應(yīng)用來說，不存在信息容量的問題。因此，傳感器所用光纖以具有最大孔徑為宜。一般要求是:21(二)光纖傳輸損耗§9-3光纖傳感器的主要元器件

一、光纖一般傳輸損耗<10dB/km的光纖均可采用，這樣的光纖價格較低。22(三)色散

§9-3光纖傳感器的主要元器件

一、光纖色散影響光纖信息容量。但對大多數(shù)傳感器來說，不存在信息容量的問題，因而可以放寬對光纖色散的要求。光纖中傳輸?shù)墓庑盘柧哂幸欢l譜寬度。在光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕牟煌l率成份或不同的模式分量以不同的速度傳播，到達一定距離后必然產(chǎn)生信號失真，稱為光纖的色散。23(四)光纖的強度對通信或傳感器來說，都毫無例外地要求光纖有較高的強度?！?-3光纖傳感器的主要元器件

一、光纖24

二、光源

§9-3光纖傳感器的主要元器件

白熾光源覆蓋波長范圍很寬，實際在可見光到紅外波段上，其輻射密度約0.1W/(sr·cm2)。價廉、容易獲得、使用方便。因其輻射密度小，只能與光纖束和粗芯階躍光纖配合使用。穩(wěn)定性較差，壽命短(通常只有幾百小時)。氣體激光器常見氣體激光器有：氦氖激光器、二氧化碳激光器和氬離子激光器等。氦氖激光器有三個主要輸出波長：0.63μm、1.15μm和3.39μm。價廉、低功率、高相干光源。易單模工作，線寬窄；輻射密度高，與單模光纖耦合效率高；噪聲?。?/p>

固體激光器主要指固態(tài)釹離子激光器。體積小巧，堅固耐用；高功率，高輻射密度，輻射波長在1.06～1.35μm；發(fā)射光譜均勻且窄，容許單模工作等。相干性和頻率穩(wěn)定性都不如氣體激光器。25具有體積小巧、堅固耐用、壽命長、可靠性高、輻射密度適中，電源簡單等優(yōu)點。

二、光源

§9-3光纖傳感器的主要元器件

半導(dǎo)體激光器LEDLD輻射光的相干長度只有幾μm，輸出隨正向偏置電流的變化接近于線性；可直接進行幅度調(diào)制是具有諧振腔、異質(zhì)結(jié)構(gòu)的LED，在大電流密度激勵下產(chǎn)生激光。輻射功率大都為10mW左右，但由于其方向性相當(dāng)強，故輻射密度高達108W/(sr·cm2)，工作波長在850nm～900nm，平均壽命可超過106h。是一種通用的高功率密度光源26(五)傳感器用光源的選擇準則

二、光源

§9-3光纖傳感器的主要元器件

①根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇輻射強度足夠大的光源，而且要求在敏感元件的工作波長上有最大的輻射功率；②光源必須與光纖相匹配，以便獲得最好的耦合效率；③光源的穩(wěn)定性要好，能長期在室溫下工作。

把光信號變?yōu)殡娦盘柕淖饔??！?-3光纖傳感器的主要元器件

三、檢測器光檢測器功率范圍波段量子效率響應(yīng)頻率暗電流光電二極管(PIN)受閃爍噪聲限制，一般P>100nW0.4～1.6μm視材料而定60%～90%以上，視材料而定>16HzSi-PIN100pA～1μAGe-PIN1μA～10μA微型組件(PIN-FET)受熱噪聲限制，一般P<100nW0.8～0.9μm最好在1.3～1.5μm超過50%>1GHz雪崩光電二極管(APD)增益為10～10時，P<100nW0.8～0.9μm也可用于1.3～1.5μm90%以上>1GHzSi-APD500pA～5AGe-APD5NA～5μA光電倍增管(PMT)能檢測10-19W，通常用于<1nW功率，過高會損壞陰極0.1～1.0μm<50%～100MHz28光電檢測器的選擇原則選擇光電檢測器的主要依據(jù)是：能獲得理想的光信號強度、光背景電平和所需要的信噪比等因素。而信噪比則由所要求的信號分辨力決定。為了獲得足夠大的信噪比，檢測必須滿足下列條件。

§9-3光纖傳感器的主要元器件

三、檢測器①在工作波段內(nèi)靈敏度要高。Si-LED適用于0.8～0.9μm波段，鍺器件則適用于紅外波段。②由檢測器引入的噪聲必須最小。因此應(yīng)當(dāng)選用暗電流、漏電流和并聯(lián)電導(dǎo)盡可能小的器件。③可靠性高，穩(wěn)定性好。硅光電二極管的溫度系數(shù)較小，是比較可靠、穩(wěn)定的光檢測器；而雪崩二極管和光電倍增管的增益都隨偏壓而變，尤其是雪崩二極管的增益是溫度的函數(shù)，因此需要高度穩(wěn)定的偏壓和溫度補償裝置。

29光就是一種電磁波，其波長范圍從極遠紅外的1mm到極遠紫外線的10nm。通常用下式表示：

E=Asin(ωt+φ)

式中A—電場E的振幅矢量；

ω—光波的振動頻率；

φ—光相位；

t—光的傳播時間。使光強、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，或者說受被測量調(diào)制強度調(diào)制型光纖傳感器偏振調(diào)制型光纖傳感器頻率調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制型光纖傳感器二、光纖傳感器的分類30表9-1光纖傳感器的原理及分類傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測量光纖分類干涉型相光位纖調(diào)傳制感器干涉(磁致伸縮)干涉(電致伸縮)Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場電場、電壓角速度振動、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaaa非干涉型強光度纖調(diào)傳制感器遮光板遮斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄模溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏光振纖調(diào)傳制感器法拉第效應(yīng)泡爾效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場電場、電壓溫度振動、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb頻光率纖調(diào)傳制感器多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動、加速度氣體濃度溫度MMMMMMcbb注：MM—多模光纖；SM—單模光纖；PM—偏振保持光纖。

a、b、c為圖9-5所示的三類光纖傳感器。31利用被測對象的變化引起敏感元件的折射、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。二、光纖傳感器的分類優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、成本低。缺點：受光源強度的波動和連接器損耗變化等的影響較大。1.強度調(diào)制型光纖傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測量（1）光纖微彎損耗壓力、位移、振動（2）氣體分子吸收氣體濃度（3）遮光板壓力、位移、振動（4）熒光、黑體輻射溫度（5）半導(dǎo)體透過率變化溫度（6）反射現(xiàn)象壓力、位移、振動（7）散射損失壓力強度調(diào)制

1.光纖微彎效應(yīng)光纖機械變形器強度調(diào)制

2.光強的外調(diào)制（1）發(fā)送光纖接收光纖光纖測頭反射鏡反射調(diào)制ABCD強度調(diào)制

2.光強的外調(diào)制（1）反射調(diào)制強度調(diào)制

2.光強的外調(diào)制（1）反射調(diào)制醫(yī)學(xué)中常用的胃鏡是什么？電子胃鏡無光導(dǎo)纖維導(dǎo)像束，導(dǎo)像系統(tǒng)由CCD和電纜代替，不像光導(dǎo)纖維容易折斷，更加耐用?？色@得高清晰圖像，通過計算機可以進行各種圖像處理。光纖胃鏡強度調(diào)制

2.光強的外調(diào)制（2）遮光調(diào)制發(fā)送光纖接收光纖光閘強度調(diào)制

3.折射率調(diào)制被測量38利用光的偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象信息的傳感器。二、光纖傳感器的分類2.偏振調(diào)制光纖傳感器優(yōu)點：可避免光源強度變化的影響，因此靈敏度高。光學(xué)現(xiàn)象被測量法拉第效應(yīng)電流、磁場普克耳效應(yīng)電場、電壓光彈效應(yīng)壓力、位移、振動被測量入射光出射光起偏器檢偏器偏振態(tài)調(diào)制

1.普克耳效應(yīng)入射光出射光起偏器檢偏器壓電晶體雙折射當(dāng)強電場施加于光正在穿行的各向異性晶體時，所引起的感生雙折射正比于所加電場的一次方偏振態(tài)調(diào)制

2.法拉第磁光效應(yīng)入射光出射光起偏器檢偏器磁光材料偏振面偏轉(zhuǎn)一束線偏振光在磁場作用下通過磁光材料時它的偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)角θ正比于磁場沿著偏振光通過材料路徑的線積分偏振態(tài)調(diào)制

3.光彈效應(yīng)入射光出射光起偏器檢偏器應(yīng)力材料雙折射某些物體在自然狀態(tài)下表現(xiàn)各向同性，在彈性形變時產(chǎn)生雙折射。光彈效應(yīng)的應(yīng)用透明的環(huán)氧樹脂制成模擬吊鉤，通過光彈效應(yīng)，了解內(nèi)部應(yīng)力的分布。42若應(yīng)力均勻,則觀察到均勻的干涉光強.若應(yīng)力不均勻：各處F/S不同→各處△φ不同→各處干涉情況不同→出現(xiàn)干涉條紋。應(yīng)力變化大的地方,條紋密;應(yīng)力變化小的地方,條紋疏。43利用由被測對象引起的光頻率的變化來進行監(jiān)測的傳感器。

二、光纖傳感器的分類3.頻率（波長）調(diào)制光纖傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測量多普勒效應(yīng)速度、流速、振動光致發(fā)光溫度喇曼散射氣體濃度敏感材料敏感器件入射光出射光被測量光波的多普勒效應(yīng)

具有波動性的光也會出現(xiàn)這種效應(yīng)，它又被稱為多普勒-斐索效應(yīng).因為法國物理學(xué)家斐索（1819-1896）于1848年獨立地對來自恒星的波長偏移做了解釋，指出了利用這種效應(yīng)測量恒星相對速度的辦法.光波與聲波的不同之處在于,光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化.如果恒星遠離我們而去,則光的譜線就向紅光方向移動，稱為紅移；如果恒星朝向我們運動，光的譜線就向紫光方向移動，稱為藍移.頻率調(diào)制

1.多普勒效應(yīng)聲波的多普勒效應(yīng)一輛汽車在我們身旁急馳而過，車上喇叭的音調(diào)有一個從高到低的突然變化；站在鐵路旁邊聽列車的汽笛聲也能夠發(fā)現(xiàn)，列車迅速迎面而來時音調(diào)較靜止時為高，而列車迅速離去時則音調(diào)較靜止時為低。此外，若聲源靜止而觀察者運動，或者聲源和觀察者都運動，也會發(fā)生收聽頻率和聲源頻率不一致的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。頻率調(diào)制

1.多普勒效應(yīng)運動物體多普勒血流儀多普勒效應(yīng)是由出生在德國的奧地利物理學(xué)家多普勒發(fā)現(xiàn)的，對于多普勒效應(yīng)中聲源頻率與接收者感受到的頻率之間的關(guān)系，要分三種情況考慮：（一）波源靜止，觀測者相對于媒質(zhì)以v0向波源運動。觀測者向著波源運動時，感到波是以速度u+v0向著他傳來。則頻率

（二）觀測者靜止，波源相對于媒質(zhì)以v向觀測者運動

（三）波源相對于媒質(zhì)以vs向觀測者運動，觀測者相對于媒質(zhì)以v0向波源運動。則易得頻率調(diào)制

2.光致發(fā)光入射光出射光發(fā)光材料當(dāng)材料受紫外、可見光或紅外的光激發(fā)所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。出射的熒光參數(shù)與溫度有一一對應(yīng)關(guān)系。49二、光纖傳感器的分類4.相位調(diào)制傳感器優(yōu)點：靈敏度很高，缺點：需用特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本高。光源參考光纖工作光纖被測量利用被測對象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，然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息。光學(xué)現(xiàn)象被測量光彈效應(yīng)聲、壓力或振動磁致伸縮效應(yīng)電流、磁場電致伸縮電場、電壓Sagnac效應(yīng)旋轉(zhuǎn)角速度(光纖陀螺)相位調(diào)制

5.Sagnac效應(yīng)光源分光器將光束分成兩束光，分別從光纖線圈兩端耦合進光纖傳感線圈并反向回轉(zhuǎn)。從光纖線圈兩端出來的光,再次經(jīng)過合束分束器而復(fù)合,產(chǎn)生干涉。當(dāng)光纖線圈靜止時,從光纖線圈兩端出來的兩束光,相位差為零。當(dāng)光纖線團旋轉(zhuǎn)時,這兩束光產(chǎn)生相位差。51根據(jù)光纖在傳感器中的作用劃分：(c)拾光型光纖傳感器二、光纖傳感器的分類(a)功能型光纖傳感器(b)非功能型光纖傳感器521.功能型(全光纖型)光纖傳感器光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制。此類傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。但是，它需用特殊光纖和先進的檢測技術(shù)，因此成本高，其典型例子如光纖陀螺、光纖水聽器等。

二、光纖傳感器的分類532.非功能型(或稱傳光型)光纖傳感器光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在非光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。目前，已實用化或尚在研制中的光纖傳感器，大都是非功能型的。

二、光纖傳感器的分類54

3.拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。二、光纖傳感器的分類55§9-4光纖傳感器的應(yīng)用一、溫度的檢測(一)遮光式光纖溫度計

浸液水銀光纖自聚焦透鏡這種光纖開關(guān)溫度計可用于對設(shè)定溫度的控制，溫度設(shè)定值靈活可變。水銀柱式遮光板雙金屬片56§9-4光纖傳感器的應(yīng)用一、溫度的檢測(一)遮光式光纖溫度計

熱雙金屬式溫度升高時，雙金屬的變形量增大，帶動遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強發(fā)生變化。能測量10～50℃的溫度。檢測精度約為0.5℃

。缺點是輸出光強受殼體振動影響，且響應(yīng)時間較長，一般需幾分鐘。57§9-4光纖傳感器的應(yīng)用一、溫度的檢測(二)透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器光纖環(huán)氧膠半導(dǎo)體反射膜光纖中的入射光線經(jīng)探頭頂部的反射膜反射后返回，在光路中放入對溫度敏感的半導(dǎo)體薄片對光進行吸收，則出射光強將隨溫度的變化而變化。58當(dāng)一束白光經(jīng)過半導(dǎo)體晶體片時，低于某個特定波長λg的光將被半導(dǎo)體吸收而高于該波長的光將透過半導(dǎo)體。這種現(xiàn)象主要是由于半導(dǎo)體的本征吸收引起的，λg稱為半導(dǎo)體的本征吸收波長?！?-4光纖傳感器的應(yīng)用一、溫度的檢測(二)透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器產(chǎn)生本征吸收的條件：對于波長大于λg的光，能透過半導(dǎo)體，而波長小于λg的光將被半導(dǎo)體強烈地吸收。59下圖為在室溫(20℃)時，120μm厚的GaAs材料的透射率曲線?！?-4光纖傳感器的應(yīng)用一、溫度的檢測(二)透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器不同種類的半導(dǎo)體材料具有不同的本征吸收波長。20℃時，本征吸收波長約為880nm60半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度的不同而不同，Eg與溫度t的關(guān)系可表示為：

式中Eg(0)—絕對零度時半導(dǎo)體的禁帶寬度；

α—經(jīng)驗常數(shù)(eV/K)；

β—經(jīng)驗常數(shù)(K)。對于GaAs材料，由實驗得到§9-4光纖傳感器的應(yīng)用一、溫度的檢測(二)透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器Eg(0)=1.522eVα=5.8×10-4eV/Kβ=300K61一、溫度的檢測(二)透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器§9-4光纖傳感器的應(yīng)用溫度↑半導(dǎo)體材料的Eg↓本征吸收波長λg↑透射率曲線向長波方向移動若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的λg(t)相匹配的發(fā)光二極管作為光源，則透射光強度將隨著溫度的升高而減小光源的發(fā)射光譜寬越窄，溫度靈敏度越高，測溫范圍就越小。62其中半導(dǎo)體材料采用厚度為0.2mm的半絕緣GaAs材料，光源采用AlGaAsLED，其發(fā)光中心波長為880nm，光譜寬度為80nm。在

-50～200

℃范圍內(nèi)，該傳感器的測定精度為±3

℃

，響應(yīng)時間約為2s。

一、溫度的檢測(二)透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器§9-4光纖傳感器的應(yīng)用

-50～200

℃相對輸出功率和溫度關(guān)系曲線問題：受到光源功率波動、損耗變化等因素的影響，其檢測精度受到一定的限制63其中LED1為信號光源，中心波長與半導(dǎo)體的本征吸收波長λg相匹配。LED2為參考光源，其中心波長大于λg。當(dāng)溫度變化時，LED1通過半導(dǎo)體的透射光強隨溫度變化而變化，而LED2的透射光強保持不變。一、溫度的檢測(二)透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器§9-4光纖傳感器的應(yīng)用補償檢測法：光纖光纖光纖光纖探頭耦合器對于LED1發(fā)出的光，在兩個探測器PD1和PD2上接收的光強度可分別表示為:一、溫度的檢測(二)透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器§9-4光纖傳感器的應(yīng)用64光纖光纖光纖光纖探頭耦合器對于LED2發(fā)出的光，兩個探測器上接收的光強度分別可表示為:式中α1～α4—與各段光纖有關(guān)的綜合損耗系數(shù)；

γ—兩個Y形光纖耦合器的聯(lián)合分光比；

M(t)—信號的調(diào)制函數(shù)，即LED1的光過

半導(dǎo)體的透射系數(shù)；

I1—光源LED1的光強；

I2—光源LED2的光強。65一、溫度的檢測(二)透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器§9-4光纖傳感器的應(yīng)用

若將I11、I12、I21、I22分別檢測出來后作如下運算

得到處理結(jié)果只與溫度信號有關(guān)，而與其他所有的損耗及光源強度無關(guān)。采用了補償法的光纖溫度傳感器的精度及穩(wěn)定性都有很大的提高，檢測精度可達0.1℃

。其中光源的開關(guān)控制及信號的檢測、運算均可由微處理機系統(tǒng)方便地實現(xiàn)。

66原理：某些熒光物質(zhì)在紫外光下發(fā)出可見光，熒光強度對溫度有強烈的依存關(guān)系，通過檢測特定波長的熒光強度即可測出溫度的變化。一、溫度的檢測(二)熒光發(fā)光型光纖溫度傳感器§9-4光纖傳感器的應(yīng)用圖中光纖探頭的端部裝有磷光物質(zhì)(Cd0.99Eu0.01)2O2S，紫外激勵光由光纖導(dǎo)向磷光物質(zhì)，受激光發(fā)射的熒光亦由該光纖導(dǎo)出。磷光物質(zhì)外殼光纖分束器分束器濾光片濾光片67用干涉濾光片分別檢測出這a和b兩條譜線的熒光強度，取它們的比值(圖(a)中的曲線c)作為輸出，可有效消除激勵光源強度不穩(wěn)定及光纖耦合、傳輸損耗變化等因素的影響。一、溫度的檢測(二)熒光發(fā)光型光纖溫度傳感器§9-4光纖傳感器的應(yīng)用波長510nm波長為630nm

二、壓力的檢測§9-4光纖傳感器的應(yīng)用(一)采用彈性元件的光纖壓力傳感器原理：利用彈性體的受壓變形，將壓力信號轉(zhuǎn)換成位移信號，從而對光強進行調(diào)制。光纖探頭LEDPDP反射膜片入射光纖接收光纖

二、壓力的檢測§9-4光纖傳感器的應(yīng)用(一)采用彈性元件的光纖壓力傳感器光纖探頭P反射膜片差動式P>0P<070

兩束輸出光的光強之比可表示為

二、壓力的檢測§9-4光纖傳感器的應(yīng)用(一)采用彈性元件的光纖壓力傳感器式中A—與膜片尺寸、材料及輸入光纖束數(shù)值孔徑等有關(guān)的常數(shù);

p—待測量壓力。輸出光強比I2/I1與膜片的反射率、光源強度等因素均無關(guān)，因而可有效地消除這些因素的影響。71發(fā)自LED的入射光經(jīng)起偏器后成為直線偏振光。當(dāng)有與入射光偏振方向呈45°的壓力作用于晶體時，使晶體呈雙折射從而使出射光成為橢圓偏振光，由檢偏器檢測出與入射光偏振方向相垂直方向上的光強，即可測出壓力的變化。其中1/4波長板用于提供一偏置，使系統(tǒng)獲得最大靈敏度。

二、壓力的檢測§9-4光纖傳感器的應(yīng)用(二)光彈性式光纖壓力傳感器原理：晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，從而呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，這種效應(yīng)稱為光彈性效應(yīng)。光源起偏器1/4波長板光彈性元件檢偏器72

二、壓力的檢測§9-4光纖傳感器的應(yīng)用(二)光彈性式光纖壓力傳感器起偏器1/4波長板光彈性元件檢偏器光纖自聚焦透鏡73原理：基于光纖的微彎效應(yīng)，即由壓力引起變形器產(chǎn)生位移，使光纖彎曲而調(diào)制光強度。

二、壓力的檢測§9-4光纖傳感器的應(yīng)用(三)微彎式光纖壓力傳感器聚碳酸酯薄膜可動變形板固定變形板光纖光纖DSFF變形器光纖d光纖被夾在一對鋸齒板中間，當(dāng)光纖不受力時，光線從光纖中穿過，沒有能量損失。當(dāng)鋸齒板受外力作用而產(chǎn)生位移時，光纖則發(fā)生許多微彎，這時在纖芯中傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁糠稚⑸涞桨鼘又?4

二、液位、流量、流速的檢測§9-4光纖傳感器的應(yīng)用(一)液位的檢測1.球面光纖液位傳感器原理：光源的光由光纖的一端導(dǎo)入。在球狀對折端部一部分光透射出去，另一部分光反射回來。反射光強的大小取決于被測介質(zhì)的折射率。LEDPIN液體LEDPIN液體被測介質(zhì)的折射率與光纖折射率越接近，反射光強度越小。探頭處于空氣中時比處于液體中時的反射光強要大。因此，該探頭可用于液位報警。若以探頭在空氣中時的反射光強度為基準，則當(dāng)探頭接觸水時反射光強變化-6～-7dB，接觸油時變化-25～-30dB。75這種液位報警探頭體積小、響應(yīng)快、成本低?？捎糜冢?/p>

液位監(jiān)視、報警；兩種液體分界面的監(jiān)測；將多個探頭安裝在不同的高度，可揭示出多個液位高度。

二、液位、流量、流速的檢測§9-4光纖傳感器的應(yīng)用(一)液位的檢測76

二、液位、流量、流速的檢測§9-4光纖傳感器的應(yīng)用(一)液位的檢測光纖探頭LEDPD斜端面棱鏡面U型裸纖單光纖液體771.光纖渦街流量計

二、液位、流量、流速的檢測§9-4光纖傳感器的應(yīng)用(二)流量、流速的檢測f=sv/d

一個非流線體置于流體中液流的下游產(chǎn)生有規(guī)律的旋渦。旋渦將會在該非流線體的兩邊交替地離開每個旋渦產(chǎn)生并瀉下時，會在物體壁上產(chǎn)生一側(cè)向力。周期產(chǎn)生的旋渦將使物體受到一個周期的壓力。若物體具有彈性，它便會產(chǎn)生振動，振動頻率近似地與流速成正比。式中v—流體的流速；

d—物體相對于液流方向的橫向尺寸；

s—與流體有關(guān)的無量綱常數(shù)。78在流速很小時，光纖振動會消失，因此存在一定的測量下限。光源探測器光纖夾密封膠液體流管光纖張緊重物頻譜分析記錄1.光纖渦街流量計

二、液位、流量、流速的檢測§9-4光纖傳感器的應(yīng)用(二)流量、流速的檢測在橫貫流體管道的中間裝有一根繃緊的多模光纖，