第6章光纖傳感器

第六章

光纖傳感器光導(dǎo)纖維傳感器（簡(jiǎn)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

）。

6.1光纖的結(jié)構(gòu)與傳光原理6.1.1光纖的結(jié)構(gòu)100~200μm包層玻璃纖維尼龍外層涂敷層(塑料)纖芯（玻璃，石英，塑料）外層直徑1mm光纖的傳播基于光的全反射。當(dāng)光線以不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θ減小到某一角度θc時(shí)，光線全部反射。只要θ＜θc，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。

6.1.2光纖的傳光原理當(dāng)光線以較小的入射角φ1（φ1

<φc）由光蜜媒質(zhì)（折射率為n1）射入光疏媒質(zhì)（折射率為n2）時(shí)，折射角φ2滿足斯乃爾法則：圖6-4光纖導(dǎo)光示意圖θ1θ0φ1ABCn0n2n1dD2θ0由斯奈爾（Snell）定律：就能產(chǎn)生全反射。可見，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sinθ0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2θc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)入包層漏光。產(chǎn)品光纖不給出折射率n，只給數(shù)值孔徑NA，一般為0.14～0.5的數(shù)值。6.1.3光纖的種類光纖按纖芯和包層材料的性質(zhì)分類，有石英光纖、玻璃光纖（鈉玻璃SiO2-Na2O-CaO）和塑料光纖三種類；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。模的定義：在光纖內(nèi)傳播的光波，可以分解為沿軸向傳播的平面波和沿剖面?zhèn)鞑サ钠矫娌ǎ仄拭鎮(zhèn)鞑サ钠矫娌ㄔ诶w芯和包層的界面上發(fā)生全發(fā)射。如果此波在一個(gè)往復(fù)中相位變化為2∏的整數(shù)倍，才會(huì)形成駐波。只有能形成駐波的那些以特定入射角入射的光才能被光纖傳播，這些光波稱為模。6.2光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理及分類6.2.1光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理光纖傳感器是一種把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)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)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(cè)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(cè)量。光是一種電磁波：式中

A——電場(chǎng)E的振幅矢量；

ω——光波的振動(dòng)頻率；

φ——光相位；

t——光的傳播時(shí)間?？梢?，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(cè)量狀態(tài)的變化而變化，那么，通過對(duì)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(cè)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NF型光纖傳感器。功能型光纖傳感器這類傳感器利用光纖本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有敏感能力和檢測(cè)功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測(cè)對(duì)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(cè)信息。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(cè)對(duì)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。6.3光纖傳感器的應(yīng)用例1光纖溫度開關(guān)1234

水銀柱式光纖溫度開關(guān)1浸液；2自聚焦透鏡；3光纖；4水銀

熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)1遮光板；2雙金屬片接收光源12例2遮光式光纖溫度計(jì)當(dāng)溫度升高時(shí)，雙金屬片的變形量增大，帶動(dòng)遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強(qiáng)發(fā)生變化。例3透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器半導(dǎo)體的吸收光譜與半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg有關(guān)，而Eg卻隨溫度的不同而不同。由于半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度的上升而減小，其本征吸收波長(zhǎng)λg隨溫度的上升而增大。

則透射光強(qiáng)度將隨著溫度的升高而減小，即通過檢測(cè)透射光的強(qiáng)度即可檢測(cè)溫度變化。LED發(fā)光光譜半導(dǎo)體吸收波長(zhǎng)T1<T2<T3T3T1T2波長(zhǎng)半導(dǎo)體透射測(cè)量原理光纖環(huán)氧膠半導(dǎo)體反射膜利用半導(dǎo)體的吸收特性制作的光纖溫度傳感器如圖。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(duì)溫度敏感的半導(dǎo)體薄片對(duì)光進(jìn)行吸收，則出射光強(qiáng)將隨溫度的變化而變化。光纖被夾在一對(duì)鋸齒板中間，當(dāng)光纖不受力時(shí)，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(shí)，光纖則發(fā)生許多微彎，這時(shí)在纖芯中傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁糠稚⑸涞桨鼘又?例4微彎光纖壓力傳感器微彎光纖壓力傳感器DSFF變形器光纖d原來光束以大于臨界角θC的角度θ1在纖芯內(nèi)傳輸為全反射；但在微彎處θ2<θ1，一部分光將逸出，散射入包層中。當(dāng)受力增加時(shí)，光纖微彎的程度也增大，泄漏到包層的散射光隨之增加，纖芯輸出的光強(qiáng)度相應(yīng)減小。因此，通過檢測(cè)纖芯或包層的光功率，就能測(cè)得引起微彎的壓力，或檢測(cè)由壓力引起的位移等物理量。θ1θn0n2n1θ2例5斜端面光纖液位傳感器斜面反射式光纖液位傳感器光纖(a)(b)光纖棱鏡當(dāng)傳感器接觸液面時(shí)，將引起反射回另一根光纖的光強(qiáng)減小。例6單光纖液位傳感器單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)1光纖；2耦合器12當(dāng)光纖處于空氣中時(shí)，入射光的大部分能在端部滿足全反射條件而返回光纖。當(dāng)傳感器接觸液體時(shí)，由于液體的折射率比空氣大，使一部分光不能滿足全反射條件而折射入液體中，返回光纖的光強(qiáng)就減小。利用X形耦合器即可構(gòu)成具有兩個(gè)探頭的液位報(bào)警傳感器。若在不同的高度安裝多個(gè)探頭，則能連續(xù)監(jiān)視液位的變化。為了防止當(dāng)探頭離開液體時(shí)，由于有液滴附著在探頭上，傳感器不能立即響應(yīng)，可作一些改變。將光纖端部的尖頂略微磨平，并鍍上反射膜。這樣，即使有液體附著在頂部，也不影響輸出跳變。另外可在頂部鍍的反射膜外粘上一突出物，將附著的液體導(dǎo)引向突出物的下端。可保證探頭在離開液位時(shí)也能快速地響應(yīng)。例7光纖渦街流量計(jì)光纖渦街流量計(jì)光源探測(cè)器光纖夾密封膠液體流管光纖張緊重物頻譜分析記錄當(dāng)流體流動(dòng)受到一個(gè)垂直于流動(dòng)方向的非流線體阻礙時(shí)，在某些條件下會(huì)在流體的下游兩側(cè)產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦。這種旋渦將會(huì)在該非流線體的兩邊交替地離開。當(dāng)每個(gè)旋渦產(chǎn)生并瀉下時(shí)，會(huì)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(gè)周期的壓力。若物體具有彈性，便會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率近似地與流速成正比。因此，通過檢測(cè)物體的振動(dòng)頻率便可測(cè)出流體的流速，由上式可知，流體的流速與渦流頻率呈線性關(guān)系。光纖渦街流量計(jì)便是根據(jù)這個(gè)原理制成的，在橫貫流體管道的中間裝有一根繃緊的多模光纖，當(dāng)液體或氣體流經(jīng)與其垂直的光纖時(shí),光纖受到流體渦流的作用而振動(dòng),其振動(dòng)頻率近似與流速成正比。例8光纖多普勒流速計(jì)多普勒效應(yīng)：當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離發(fā)生變化時(shí)，發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)和接收機(jī)接收的信號(hào)頻率不同，這一現(xiàn)象，稱為多普勒效應(yīng)。Sθ2θ1vQP觀察者在Q處觀察的頻率為：由激光光源(氫-氦激光)發(fā)