光線傳感器的原理及應(yīng)用

光線傳感器的原理及應(yīng)用摘要通過介紹光纖傳感器的構(gòu)造及工作原理，光纖傳感器的許多優(yōu)越的特點，靈敏度高、可以任意改變形狀、可用于惡劣的環(huán)境中等等。來說明光纖傳感器是使用是非常廣泛的，其應(yīng)用領(lǐng)域是在我們的周圍環(huán)境中，其重要性日益增強(qiáng)。最后，光纖技術(shù)會越來越得到應(yīng)用，它會給我們?nèi)祟悗順O大的方便與利益。關(guān)鍵詞光纖傳感器靈敏度改變形狀可用于惡劣環(huán)境引言一一光纖傳感器可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測量技術(shù)難以完成的測量任務(wù)。在狹小的空間里，在強(qiáng)電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。它與我們息息相關(guān)，我們需要它，它需要我們來對它進(jìn)行改造，創(chuàng)新。一、 光導(dǎo)纖維的原理光纖傳感器就是利用光導(dǎo)纖維的傳光特性，把被測量轉(zhuǎn)換為光特性（強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)、頻率、波長）改變的傳感器。它的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息的獲得顯得越來越重要。光纖傳感器具有許多優(yōu)點：靈敏度較高；幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的的光纖傳感器；可以制作傳感各種不同的物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；光纖傳感器可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕和其他的惡劣環(huán)境；具有與光纖遙測技術(shù)的內(nèi)在相容性。1、 靈敏度高由于光是一種波長極短的電磁波,通過光的相位便得到其光學(xué)長度。以光纖干涉儀為例，由于所使用的光纖直徑很小，受到微小的機(jī)械外力的作用或溫度變化時其光學(xué)長度要發(fā)生變化，從而引起較大的相位變化。2、 測量速度快光的傳播速度最快且能傳送二維信息，因此可用于高速測量。對雷達(dá)等信號的分析要求具有極高的檢測速率，應(yīng)用電子學(xué)的方法難以實現(xiàn)，利用光的衍射現(xiàn)象的高速頻譜分析便可解決。信息容量大被測信號以光波為載體，而光的頻率極高，所容納的頻帶很寬，同一根光纖可以傳輸多路信號。3、 適用于惡劣環(huán)境光纖是一種電介質(zhì)，耐高壓、耐腐蝕、抗電磁干擾，可用于其它傳感器所不適應(yīng)的惡劣環(huán)境中。另外，利用光纖的柔韌性可將光纖傳感器做成各種形狀的傳感器及傳感器陣列，用于多參數(shù)測量。二、 光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)1、數(shù)值孔徑（NA）圖（1〉光纖的結(jié)構(gòu)如上圖所示，將ei的正弦函數(shù)定義為光導(dǎo)纖維的數(shù)值孔徑（na）.即R八s「“V1 ■1數(shù)值孔徑反映纖芯接受光量的多少，是標(biāo)志光導(dǎo)纖維的接受性能的一個重要參數(shù)。其意義是無論光源發(fā)射率有多大，只有20i張角之內(nèi)的光功率能被光纖接收傳播。2、 光纖模式光纖模式簡單地說，就是光波沿光導(dǎo)纖維傳播的途徑和方式。在給定的光導(dǎo)纖維中，光線只是以某些角度入射時，所傳播的光會以不同的角度入射的光線，在界面上反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波之間的干涉所產(chǎn)生的橫向強(qiáng)度分布叫模式。3、 傳播損耗由于光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗等的影響，光信號在光纖中的傳播不可避免的要有損耗。以A來表示傳播損耗（單位dB）,貝I」：A=al=20lg半式中：I為光纖長度；a為單位長度的衰減；01為光導(dǎo)纖維輸入端光強(qiáng)；I為光導(dǎo)纖維輸出端光強(qiáng)。三、光線傳感器的應(yīng)用1、光纖高溫測量系統(tǒng)測量時，測量光纖插入鋼水內(nèi)部約40cm深。光纖可采用金屬套層光纖，光纖插入鋼水瞬間,光纖被燒蝕，端面形成半圓形凹面，這時，在金屬套層被燒蝕前，光纖最前端可近似視為黑體。在測量段光纖被燒蝕前，鋼水測量點處的溫度可傳出。鋼水內(nèi)部溫度通過對光纖端面的輻射由光纖傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換及單片機(jī)處理系統(tǒng)。剎用輻射式測溫慮理，測溫公式為:-5ln-5ln2、基于微彎效應(yīng)測壓力微彎效應(yīng)：光纖在微彎時引起纖芯中傳輸?shù)墓獠糠滞度氚鼘樱ㄈ瓷錀l件受到一定破壞），造成傳輸損耗，微彎程度不同，泄漏光波的強(qiáng)度也不同，從而達(dá)到光強(qiáng)度調(diào)制的目的。光纖壓力傳感器主要有強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型三種。強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器是一種可用于測量位移、溫度、壓力、氣體濃度等多種物理量的高精度傳感器。大多基于彈性元件受壓發(fā)生機(jī)械形變，將壓力信號轉(zhuǎn)換為位移信號來進(jìn)行檢測。為改善傳感器的性能，微弱光強(qiáng)信號的檢測需要載波調(diào)制和雙光路補(bǔ)償。傳統(tǒng)的這類傳感器通常采用模擬電路實現(xiàn)，存在著元件漂移誤差、調(diào)校困難、不易組網(wǎng)、尺寸較大等固有的弊端。相位調(diào)制型光纖傳感器是利用光纖本身作為敏感元件，通過被測能量場的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再用干涉測量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測出待測的物理量。光纖中光的相位由光纖波導(dǎo)的物理長度、折射率及其分布、波導(dǎo)橫向幾何尺寸所決定，應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等外界物理量能直接改變上述三個波導(dǎo)參數(shù)，產(chǎn)生相位變化，實現(xiàn)光纖的相位調(diào)制。簡單地說，將被測量轉(zhuǎn)為光的波長或光程差的變化，從而使相位發(fā)生變化的方法稱為相位調(diào)制。3、光線位移傳感器反射式光強(qiáng)調(diào)制測量位移由光纖輸出的光照射到反射面上發(fā)生反射，其中一部分反射光返回光纖，測出反射光的光強(qiáng)，就能確定反射面位移情況。這種傳感器可使用兩根光纖，分別作傳輸發(fā)射光及接收光用；也可以用一根光纖同時承擔(dān)兩種功能。為增加光通量可采用光纖束，此方法測量范圍在9mm以內(nèi)，其光強(qiáng)調(diào)制的示意如下圖所示：圖(4)光纖位移傳感潺測址位移四、光線傳感器的發(fā)展前景光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型傳感技術(shù)，當(dāng)今世界對光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用研究已取得豐碩成果?光纖傳感器與傳統(tǒng)的機(jī)電類傳感器相比具有很多優(yōu)勢，如本質(zhì)防爆、抗電磁干擾