光纖傳感(教案)

PAGEPAGE5第一章光纖傳感器1.1概論1.1.1光纖傳感器技術(shù)的形成及其特點(diǎn)來源上世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一門嶄新的技術(shù)，是傳感器技術(shù)的新成就。最早用于光通信技術(shù)中。在實(shí)際光通信過程中發(fā)現(xiàn)，光纖受到外界環(huán)境因素的影響，如：壓力、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等環(huán)境條件變化時(shí)，將引起光纖傳輸?shù)墓獠?，如光?qiáng)、相位、頻率、偏振態(tài)等變化。（2）特點(diǎn)靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、耗電量少、耐腐蝕、絕緣性好、光路可彎曲，以及便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)等。1.1.1光纖傳感器的組成與分類（1）組成光纖、光源、探測(cè)器（2）分類：一般分為兩大類功能型傳感器：利用光纖本身的某種敏感特性或功能制成的傳感器。只能用單模光纖構(gòu)成。傳光型傳感器：光纖僅僅起傳輸光波的作用，必須在光纖端面或中間加裝其它敏感元件才能構(gòu)成傳感器。主要由多模光纖構(gòu)成。（a）功能型（b）傳光型圖1-1光纖類型根據(jù)對(duì)光調(diào)制的手段不同，光纖傳感器分為：強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型、頻率調(diào)制型、偏振調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型等。根據(jù)被測(cè)參量的不同，光纖傳感器又可分為位移、壓力、溫度、流量、速度、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、電壓、電流、磁場(chǎng)、化學(xué)量、生物量等各種光纖傳感器。舉例：功能型：測(cè)溫等傳光型：光纖血流計(jì)1.2光導(dǎo)纖維以及光在其中的傳輸1.2.1光導(dǎo)纖維及其傳光原理(1)芯子：直徑只有幾十個(gè)微米；芯子的外面有一圈包層，其外徑約為：(2)數(shù)值孔徑：(3)光纖（或激光）的模：包括橫模和縱模激光的橫模：光束在諧振腔的兩個(gè)反射鏡之間來回反射將形成各種光程差的光波存在，這些光波的相互干涉可能使振動(dòng)加強(qiáng)或減弱。但是只有那些加強(qiáng)的光波才有可能產(chǎn)生振蕩。顯而易見，這些光波的位相差必須是的整數(shù)倍，即—光波在諧振腔中經(jīng)過一個(gè)來回時(shí)的位相差。同時(shí)又知道：L—諧振腔的長(zhǎng)度；n—腔內(nèi)介質(zhì)的折射率；—激光波長(zhǎng)。根據(jù)上面兩個(gè)式子得出符合諧振條件的光波波長(zhǎng)為或諧振頻率為激光的縱模：原則上諧振腔內(nèi)可以有無限多個(gè)諧振頻率，每一種諧振頻率代表一種振蕩方式，成為一個(gè)模式。對(duì)軸向穩(wěn)定的光場(chǎng)分布模式通常稱為軸?；蚩v模。光纖的縱模：沿著芯子傳輸?shù)墓?，可以分解為沿軸向與沿界面?zhèn)鬏數(shù)膬煞N平面波成分。因?yàn)檠亟孛鎮(zhèn)鬏數(shù)钠矫娌ㄊ窃谛咀优c包層的界面處全反射的，所以，每一往復(fù)傳輸?shù)南辔蛔兓钦麛?shù)倍時(shí)，就可以在界面內(nèi)形成駐波。像這樣的駐波光線組又稱為“?！?。“?！敝荒茈x散地存在。就是說，光導(dǎo)纖維內(nèi)只能存在特定數(shù)目的“?！眰鬏敼獠?。如果用歸一化頻率表達(dá)這些傳輸模的總數(shù)，其值一般在之間。歸一化頻率能夠傳輸較大值的光纖成為多模光纖；僅能傳輸小于2.41的光纖稱為單模光纖。二者都稱為普通光纖。越小，越容易實(shí)現(xiàn)單模。1.3光纖傳感器對(duì)光源的要求1.3.1對(duì)光源的要求（1）由于光纖傳感器結(jié)構(gòu)有限，要求光源的體積小，便于與光纖耦合；（2）光源要有足夠的亮度；（3）光波長(zhǎng)適合，以減少傳輸損耗；（4）光源工作時(shí)穩(wěn)定性好、噪聲小，能在室溫下連續(xù)長(zhǎng)期工作； （5）便于維修，使用方便。1.3.2光源的種類光纖傳感器使用的光源分為相干光源和非相干光源兩大類。常用的相干光源有：半導(dǎo)體激光器、氦氖激光器和固體激光器等。常用的非相干光源有：白熾光源、發(fā)光二極管。1.4光纖傳感器用光探測(cè)器1.4.1光纖傳感器對(duì)光探測(cè)器的要求一般要求如下：線性好，按比例地將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；靈敏度高，能敏感微小的輸入光信號(hào)，并輸出較大的電信號(hào)；響應(yīng)頻帶寬、響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)特性好；性能穩(wěn)定，噪聲小等。1.4.2光纖傳感器常用的光探測(cè)器在光纖傳感器中常用的光探測(cè)器大多是光電式傳感器（也稱光電器件）。光電式傳感器所應(yīng)用的效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光磁電效應(yīng)。光纖傳感器常用的光探測(cè)器有：（1）光敏二極管、光電倍增管。它們的特點(diǎn)是響應(yīng)速度較快，一般只需要幾個(gè)納秒。一般只適宜于近紅外輻射或可見光范圍內(nèi)使用。（2）光敏電阻它是利用光電導(dǎo)效應(yīng)：即當(dāng)光照射在某些半導(dǎo)體材料表面上時(shí)，透入內(nèi)部的光子能量足夠大，半導(dǎo)體材料中一些電子吸收了光子的能量，從原來束縛狀態(tài)變成為能導(dǎo)電的自由狀態(tài)，這時(shí)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加，也就是電阻值下降。（3）光電池利用光生伏特效應(yīng)，直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，它是一個(gè)大面積的pn結(jié)。1.5光調(diào)制技術(shù)光纖傳感器也利用光調(diào)制技術(shù)。按照調(diào)制方式分類，光調(diào)制可以分為強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制和波長(zhǎng)調(diào)制等。所有這些調(diào)制過程都可以歸結(jié)為將一個(gè)攜帶信息的信號(hào)疊加到光在波上。而能完成這一過程的器件稱為調(diào)制器。1.5.1相位調(diào)制與干涉測(cè)量相位調(diào)制常與干涉測(cè)量技術(shù)并用，構(gòu)成相位調(diào)制的干涉型光纖傳感器。其基本原理是通過被測(cè)物理量的作用，使某段單模光纖內(nèi)傳播的光波發(fā)生相位變化。實(shí)現(xiàn)干涉測(cè)量的常用干涉儀主要有四種：邁克耳遜干涉儀、馬赫—澤德干涉儀、賽格納克干涉儀和法布里—珀羅干涉儀。光學(xué)干涉儀的共同特點(diǎn)是它們的相干光在空氣中傳播，由于空氣受環(huán)境溫度變化的影響，引起空氣的折射擾動(dòng)及聲波干擾。這種影響就會(huì)導(dǎo)致空氣光程的變化，從而引起測(cè)量工作不穩(wěn)定，以致準(zhǔn)確度降低。利用單模光纖作干涉儀的光路，就可以排除上述影響，并可以克服光路加長(zhǎng)時(shí)對(duì)相干長(zhǎng)度的嚴(yán)格限制，從而可以制造出千米量級(jí)光路長(zhǎng)度的干涉儀。圖1-23db耦合器當(dāng)一真空中波長(zhǎng)為的光入射到長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖時(shí)，若以其入射端面為基準(zhǔn)，則出射光的相位為式中，為光在真空中的傳播常數(shù)；n為纖芯折射率。由此可見，纖芯折射率的變化和光纖長(zhǎng)度L的變化都會(huì)導(dǎo)致光相位的變化，即3dB耦合器：如圖所示，圓圈內(nèi)的兩股光纖是融合到一起的，所以輸入為1，輸出就為0.5，故稱為3dB耦合器。1.5.2頻率調(diào)制光纖傳感中的相位調(diào)制（或強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制）是通過改變光纖本身的內(nèi)部性能來達(dá)到調(diào)制的目的，通常稱為內(nèi)調(diào)制。而頻率（或波長(zhǎng)調(diào)制），基本上不是以改變光纖的特性來實(shí)現(xiàn)調(diào)制。因此，在這種調(diào)制中光纖往往只起著傳輸光信號(hào)的作用，而不是作為敏感元件。光學(xué)多普勒頻移原理（1）相對(duì)論多普勒頻移基本公式光學(xué)中的多普勒現(xiàn)象是指由于觀察者和目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀察者接受的光波頻率產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。式中，c為真空中的光速；為物體至光源方向與物體運(yùn)動(dòng)方向的夾角。上述公式是相對(duì)論多普勒頻移的基本公式。但是，一般最關(guān)心的還是物體所散射的光的頻移，而光源與觀察者是相對(duì)靜止的。對(duì)于這種情況，可以作為雙重多普勒來考慮。圖1-3多普勒頻移當(dāng)物體相對(duì)于光源以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，在P點(diǎn)所觀察到的光頻率為上面公式：在Q處觀察到的光頻率為由于v＜＜c，所以上式寫成二、光纖多普勒技術(shù)利用光纖多普勒頻移原理，利用光纖傳光功能組成測(cè)量系統(tǒng)，可用于普通光學(xué)多普勒測(cè)量裝置不能安裝的一些特殊場(chǎng)合，如密封容器中流速的測(cè)量和生物體中液體的測(cè)量。1.6光纖位移傳感器一、簡(jiǎn)單的光纖開關(guān)、定位裝置最簡(jiǎn)單的位移測(cè)量時(shí)采用各種光開光裝置進(jìn)行的，即利用光纖中光強(qiáng)度的跳變來測(cè)出各種移動(dòng)物體的極端位置，如定位、技術(shù)，或者是判斷某種情況。測(cè)量精度最低，它只反映極限位置的變化，其輸出是跳變的信號(hào)。圖1-4簡(jiǎn)單的光纖開關(guān)、定位裝置（a）計(jì)數(shù)裝置；（b）編碼器裝置；（3）定位裝置；（4）液位控制裝置二、移動(dòng)球鏡光學(xué)開關(guān)傳感器圖1-5所示為一種移動(dòng)球鏡位移傳感器原理圖，這是一種高靈敏度面位移檢測(cè)裝置。當(dāng)球透鏡在平衡位置時(shí)，從兩個(gè)接收光纖得到的光強(qiáng)和