光纖傳感器論文[優(yōu)選材料]

1、光纖傳感器的原理、應(yīng)用及發(fā)展前景 程立安 電氣工程與信息工程學(xué)院電子一班 摘要 這個(gè)學(xué)期選修了傳感器與檢測(cè)技術(shù)這門課，我對(duì)里面講述到達(dá)光纖傳感器較為感興趣，所以就以光纖傳感器做我論文的主題。通過(guò)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(diǎn)，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(lái)說(shuō)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(huì)越來(lái)越得到應(yīng)用，它會(huì)給我們?nèi)祟悗?lái)極大的方便與利益。關(guān)鍵詞 ；光纖傳感器、靈敏度、改變形狀、可用于惡劣環(huán)境引言光纖傳感器可以用來(lái)測(cè)量多種物理量，比如聲場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力、溫度、角速度、加速度等，還

2、可以完成現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)難以完成的測(cè)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(dú)特的能力。它與我們息息相關(guān)，我們需要它，它需要我們來(lái)對(duì)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(cè)量轉(zhuǎn)換為光特性(強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)、頻率、波長(zhǎng))改變的傳感器。它的基本工作原理是將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)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(zhǎng)、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號(hào)光，在經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)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(lái)越重要。二類優(yōu)質(zhì)#二類優(yōu)

3、質(zhì)#光纖傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)：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(cè)技術(shù)的內(nèi)在相容性。二類優(yōu)質(zhì)#1、靈敏度高由于光是一種波長(zhǎng)極短的電磁波, 通過(guò)光的相位便得到其光學(xué)長(zhǎng)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(shí)其光學(xué)長(zhǎng)度要發(fā)生變化, 從而引起較大的相位變化。 圖（1） 光纖的結(jié)構(gòu)2、測(cè)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(cè)量。對(duì)雷達(dá)等信號(hào)的分析要求具有極高的檢測(cè)

4、速率, 應(yīng)用電子學(xué)的方法難以實(shí)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(cè)信號(hào)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(hào)。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(cè)量。二、光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)1、值孔徑（NA）如上圖所示，將的正弦函數(shù)定義為光導(dǎo)纖維的數(shù)值孔徑（NA），即 NA = sin =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(gè)重要參數(shù)。其意義是無(wú)論光源發(fā)射率有多大，只

5、有2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(jiǎn)單地說(shuō)，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(shí)，所傳播的光會(huì)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。階躍型的圓筒波導(dǎo)內(nèi)傳播的模式數(shù)量可以簡(jiǎn)單表示為 V=式中：d為光纖芯直徑；為光波波長(zhǎng)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(hào)在光纖中的傳播不可避免的要有損耗。以A來(lái)表示傳播損耗（單位dB），則： A = aI = 20lg式中：I為光纖長(zhǎng)度；a為單位長(zhǎng)度的衰減；為光導(dǎo)纖維輸入端光強(qiáng)；為光導(dǎo)纖維輸出端

6、光強(qiáng)。三、根據(jù)光纖在傳感器中的作用，光纖傳感器可以分為三大類一類是功能型傳感器; 二類是非功能型傳感器；還有最后一類是拾光型光纖傳感器。1、功能型傳感器功能型傳感器是利用光纖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(guò)對(duì)被調(diào)制過(guò)的信號(hào)進(jìn)行解調(diào), 從而得出被測(cè)信號(hào)。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(cè)量調(diào)制，多采用多模光纖。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高， 典型例子：光纖陀螺、光纖水聽(tīng)器等 圖（2）功能型傳感器的工作方式2、非功能型傳感器非功能型傳感器是利用其它敏感元件

7、感受被測(cè)量的變化, 光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，常采用單模光纖。光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測(cè)量調(diào)制。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù)；比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：靈敏度較低。實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來(lái)測(cè)量多種物理量，比如聲場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)難以完成的測(cè)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(dú)特的能力。三、拾光型光纖傳感器。用光纖作為探頭，接受由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。典型的例子：光纖激光多普勒速度計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。3、

8、拾光型光纖傳感器 用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)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(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。四、光纖傳感器應(yīng)用的領(lǐng)域溫度的檢測(cè)，壓力的檢測(cè)，液位、流量、流速的檢測(cè)。1、光纖高溫測(cè)量系統(tǒng)的輻射由光纖傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換及單片 圖（3） 光纖高溫測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，測(cè)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(shí)，在金屬套層被燒蝕前，光纖最前端可近似視為黑體。在測(cè)量段光纖被燒蝕前，鋼水測(cè)量點(diǎn)處的溫度可傳出。鋼水內(nèi)部溫度通過(guò)對(duì)光纖端面機(jī)處理系統(tǒng)。2、基于微彎效應(yīng)測(cè)壓力微彎效應(yīng)：光纖在微彎時(shí)引起纖芯中傳

9、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(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換為位移信號(hào)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。為改善傳感器的性能，微弱光強(qiáng)信號(hào)的檢測(cè)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(shí)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(guò)被測(cè)能量場(chǎng)的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)

10、生變化，再用干涉測(cè)量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測(cè)出待測(cè)的物理量。光纖中光的相位由光纖波導(dǎo)的物理長(zhǎng)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(gè)波導(dǎo)參數(shù)，產(chǎn)生相位變化，實(shí)現(xiàn)光纖的相位調(diào)制。簡(jiǎn)單地說(shuō)，將被測(cè)量轉(zhuǎn)為光的波長(zhǎng)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.光纖位移傳感器反射式光強(qiáng)調(diào)制測(cè)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(cè)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(shí)承擔(dān)兩種功能。為增加光通量可采用光纖束，此方法測(cè)量范圍在

11、9mm以內(nèi)，其光強(qiáng)調(diào)制的示意如下圖所示。 圖（4） 光纖位移傳感器測(cè)量位移圖（5） 光纖位移傳感器測(cè)量曲線4、光纖液位傳感器原理：基于全內(nèi)反射理論當(dāng)測(cè)頭沒(méi)有接觸液面（處于空氣中）時(shí)，光線在探頭內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，而返回到光電二極管；當(dāng)測(cè)頭接觸液面，由于液體與空氣折射率不相同，所以全內(nèi)反射被破壞，將有部分光線投入液體，使返回光電二極管的光強(qiáng)變?nèi)?。返回光?qiáng)是液體折射率的函數(shù)。返回光強(qiáng)發(fā)生 突變時(shí)，測(cè)頭已接觸到液位。光電接收器的要求不高。由于同種溶液在不同濃度時(shí)的折射率不同，經(jīng)標(biāo)定，這種液位傳感器也可作濃度計(jì)。光纖液位計(jì)可用于易燃、易爆場(chǎng)合，但不能探測(cè)污濁液體及會(huì)粘附在測(cè)頭表面的粘稠物質(zhì)。5的光纖其它應(yīng)

12、用光纖電流傳感器 圖（6） 光纖結(jié)構(gòu)電流傳感器圖（6）為一種全光纖結(jié)構(gòu)的光纖電流傳感器。其中單偏光纖代替了上述結(jié)構(gòu)中的起偏器，并用了一個(gè)多圈傳感線圈。電流測(cè)量范圍可達(dá)0.l5000A。 光纖式光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用采用遮斷型光纖光電開(kāi)關(guān)對(duì)IC 芯片引腳進(jìn)行檢測(cè)軍用光纖陀螺其原理：將激光射入繞成線圈的光纖，當(dāng)線圈的底座隨運(yùn)動(dòng)物體旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以測(cè)得出射光的相位發(fā)生變化，它的靈敏度比機(jī)械陀螺高，無(wú)機(jī)械磨擦力。（4）光纖內(nèi)窺鏡制造光纖內(nèi)窺鏡關(guān)鍵的部件是光纖傳像束它決定產(chǎn)品清晰度、分辨率和使用壽命。五、光纖傳感器發(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(lái)的新型傳感技術(shù)，當(dāng)今世界對(duì)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(shì)，如本質(zhì)防爆、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、體積小、重量輕、靈活方便等.因此其應(yīng)用范圍非常廣泛，并且特別適于惡劣環(huán)境中的應(yīng)用.光纖光柵傳感器被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)“光纖靈巧結(jié)構(gòu)”的理想器件。光纖傳感技術(shù)使用