光纖傳感器課件

光纖傳感器8.2.1概述

光纖傳感器可以分為兩大類：一類是功能型（傳感型）傳感器；另一類是非功能型（傳光型）傳感器?！艄δ苄蛡鞲衅魇抢霉饫w本身的特性把光纖作為敏感元件，被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過對(duì)被調(diào)制過的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測(cè)信號(hào)。◆非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)。8.2光纖傳感器◆光纖傳感器所用光纖有單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑通常為2~12μm，很細(xì)的纖芯半徑接近于光源波長(zhǎng)的長(zhǎng)度，僅能維持一種模式傳播，一般相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感器采用單模光纖；光強(qiáng)度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖?！魹榱藵M足特殊要求，出現(xiàn)了保偏光纖、低雙折射光纖、高雙折射光纖等。所以采用新材料研制特殊結(jié)構(gòu)的專用光纖是光纖傳感技術(shù)發(fā)展的方向。8.2光纖傳感器8.2.2光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理1．光纖的結(jié)構(gòu)◆光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱為光纖，目前基本上是采用比頭發(fā)絲還細(xì)的石英玻璃絲所制成的，其結(jié)構(gòu)示于圖8-40。圖8-40光纖的結(jié)構(gòu)圖8.2光纖傳感器2．光纖的傳輸原理◆

眾所周知，光在空

間是直線傳播的。

在光纖中，光的傳

輸限制在光纖中，

并隨光纖能傳送到

很遠(yuǎn)的距離，光纖

的傳輸是基于光的

全內(nèi)反射。圖8-41光纖的傳光原理◆當(dāng)光纖的直徑比光的波長(zhǎng)大很多時(shí)，可以用幾何光學(xué)的方法來(lái)說(shuō)明光在光纖內(nèi)的傳播。如圖8－41所示。8.2光纖傳感器圖8-42光纖發(fā)射電路3．光纖發(fā)射器◆光纖發(fā)射器包括緩沖器，驅(qū)動(dòng)器和光源，本例用振蕩器產(chǎn)生光源信號(hào)，如圖8-42所示。發(fā)射光源是接近紅外線的LED，其波長(zhǎng)約為820nm。此光源人類眼睛能看到。8.2光纖傳感器圖8-43光纖接收電路4．光纖接收器◆光纖接收器含有三個(gè)單元：檢測(cè)器/預(yù)放大，放大器及數(shù)字化。圖8-43為光纖接收電路。8.2光纖傳感器8.2.3光纖傳感器的調(diào)制原理◆光纖傳感器的核心就是光被外界參數(shù)調(diào)制的原理，調(diào)制的原理就能代表光纖傳感器的機(jī)理?！粞芯抗饫w傳感器的調(diào)制器就是研究光在調(diào)制區(qū)與外界被測(cè)參數(shù)的相互作用，外界信號(hào)可能引起光的特性（強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等）變化，從而構(gòu)成強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)調(diào)制原理。下面將介紹幾種常用的調(diào)制原理。8.2光纖傳感器1．強(qiáng)度調(diào)制◆光源發(fā)射的光經(jīng)入

射光纖傳輸?shù)秸{(diào)制

器——它由可動(dòng)反

射器等組成，經(jīng)反

射器把光反射到出

射光纖，通過出射圖8-44三種強(qiáng)度調(diào)制原理示意圖

光纖傳輸?shù)焦怆娊邮掌?。而可?dòng)反射器的動(dòng)作受到被測(cè)信號(hào)的控制，因此反射器射出的光強(qiáng)是隨被測(cè)量變化的。光電接收器接收到光強(qiáng)變化的信號(hào)，經(jīng)解調(diào)得到被測(cè)物理量的變化。當(dāng)然還可采用可動(dòng)透視調(diào)制器或內(nèi)調(diào)制型——微彎調(diào)制等。圖8-44為三種強(qiáng)度調(diào)制原理示意圖。8.2光纖傳感器2．相位調(diào)制原理◆光纖相位調(diào)制是光

纖比較容易實(shí)現(xiàn)的

調(diào)制形式，所有能

夠影響光纖長(zhǎng)度、

折射率和內(nèi)部應(yīng)力

的被測(cè)量都會(huì)引起

相位變化，例如壓圖8-45馬赫-琴特干涉儀原理圖

力、應(yīng)變、溫度和磁場(chǎng)等。相位調(diào)制型光纖傳感器比強(qiáng)度型復(fù)雜一些，一般采用干涉儀檢測(cè)相位的變化，因此，這類傳感器靈敏度非常高。常用的干涉儀有四種：邁克爾遜（Mich1son）、馬赫-琴特（Mach-Zehnder）、薩古納克（Sagnac）、法布里-珀羅（Fabry-perot）。圖8-45表示馬赫-琴特干涉儀原理圖。8.2光纖傳感器3．頻率調(diào)制原理◆單色光照射到運(yùn)動(dòng)物體上后，反射回來(lái)時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，其移后的頻率為：（8-13）◆式中f為單色光頻率；c為光速；v為運(yùn)動(dòng)物體的速度?！魧⒋祟l率的光與參考光共同作用于光探測(cè)器上，并產(chǎn)生差拍，經(jīng)頻譜分析器處理求出頻率變化，即可推知速度。8.2光纖傳感器4．偏振調(diào)制◆外界因素作用下，使光的某一方向振動(dòng)比其它方向占優(yōu)勢(shì)。這種調(diào)制方式為偏振調(diào)制?！舾鶕?jù)電磁場(chǎng)理論，光波是一種橫波；光振動(dòng)的電場(chǎng)矢量E和磁場(chǎng)矢量H始終與傳播方向垂直。當(dāng)光波的電場(chǎng)矢量E和磁場(chǎng)矢量H的振動(dòng)方向在傳播過程中保持不變，只是它的大小隨香味改變，這種光稱為線偏振光。◆在光的傳播過程中，如果E和H的大小不變，而振動(dòng)方向繞傳播軸均勻地轉(zhuǎn)動(dòng)，矢量端點(diǎn)軌跡為一個(gè)圓，這種光稱為圓偏振光。如果矢量軌跡為一個(gè)橢圓，這種光稱為8.2光纖傳感器橢圓偏振光；如果自然光在傳播過程中，受到外界的作用而造成各個(gè)振動(dòng)方向上強(qiáng)度不等，使某一個(gè)方向上的振動(dòng)比其他方向占優(yōu)勢(shì)，所造成的這種光稱為部分偏振光；如果外界作用使自然光的振動(dòng)方向只有一個(gè)，造成的光稱為完全偏振光。偏振調(diào)制正是利用了光波的這些偏振性質(zhì)。光纖傳感器中的偏振調(diào)制器常用電光、磁光、光彈等物理效應(yīng)進(jìn)行調(diào)制。8.2光纖傳感器8.2.4光纖傳感器的應(yīng)用◆光纖微位移測(cè)量?jī)x是光纖傳感器的一個(gè)應(yīng)用?！艄饫w和光纖傳感器其電絕緣性極好，抗電場(chǎng)和無(wú)線電波干擾，靈敏度高，利用光纖作為信號(hào)傳輸和敏感元件來(lái)測(cè)量微小位移或距離，其分辨率可達(dá)l微米。。◆給入射光纖輸入一個(gè)穩(wěn)定的光強(qiáng)I0，這就需要給發(fā)光器（例如燈泡或激光）一個(gè)穩(wěn)定的