光纤传感器的应用举例

1
解
2π
光纤温度传感器
d 2π dn dL n L dT l dT dT
根据式(8.20)，对温度求导得
nL (8.20)

l
d 2π dn n dL LdT l dT L dT 代入已知条件得 d 107 rad/( C m) LdT
光纤位移传感器
发送光纤束和接收光纤束在汇集处端面的分布 有多种，如随机分布、对半分布、同轴分布(分为接 收光纤在外层和接收光纤在内层两类)，如图所示。
1
反 射 光 强 1随机分布 2对半分布 发送光纤 3同轴分布 4同轴分布 接收光纤
2 A M B 3 4
X
M
2
1
光纤位移传感器
反射光强与位移的关 2 反 C 系如图所示。可以看出， C A A 3 射 4 M 光 M 随机分布时传感器的灵敏 D D 强 B B 度和线性都较好。还可以 看出， AB 段的灵敏度和 线性好，但测量范围小， XM 位移 1—随机分布；2—对半分布； CD 段的斜率小即灵敏度 低，但线性范围宽。 3—同轴分布；4—同轴分布
5
医用光纤传感器
1.医用内窥镜 由于光纤柔软、自由 度大、传输图像失真小， 引入医用内窥镜后，可以 方便的检查人体的许多部 位。上图为腹腔镜的剖视 图 。 图 像 导 管 直 径 约 3.4 mm 。下图为观察部位的 照片。
5
医用光纤传感器
2.光纤体压计 可用来检测人体各部位的体压，如膀胱、直肠、 颅内和心血管等，测量范围通常为0～40 kPa。 图所为一种医用体压计探针的结构示意图，在探 针端部的开孔上安装有对压力敏感的防水薄膜。膜片 通过悬臂梁与反射镜相连。
重物
3
光纤流量、流速传感器
当每个漩涡产生并泻下时，它会在光纤上产生一 种侧向力，这样就有一个周期力作用在光纤上，使其 振动。野外的电线等在风吹动下会嗡嗡作响，就是这 种现象。实验证明，光纤振动的频率由下式得出
f s / d
(8.23)
式中，为流速；d为光纤直径；s为斯特罗哈数(无量 纲)，当雷诺数Re在500～150000范围内时，对圆柱体 s≈0.2。
3
光纤流量、流速传感器
图示为光纤多普勒血流传感器的原理图。测量 光束通过光纤探针进到被测血流中，经直径约7 mm 的红血球散射，一部分光按原路返回，得到多普勒 频移信号f ＋Df，频移Df为 2ncos Df (8.24) l 式中，为血流速度；n 为血液的折射率； 为 fDf 光纤轴线与血管轴线的 夹角；l为激光波长。
M
2
光纤位移传感器
光纤位移传感器一般用来测量小位移。最 小能检测零点几 mm 的位移量。这种传感器已 在镀层不平度、零件椭圆度、锥度、偏斜度等 测量中得到应用，它还可用来测量微弱振动， 而且是非接触测量。
2
光纤位移传感器
2.干涉型光纤位移传感器 干涉型光纤位移传感器和反射光强调制型位移 传感器相比，测量范围大，测量精度高。 测量位移的迈克尔逊干涉仪如图所示。
M
2
光纤位移传感器
假设传感器工作在AB 1 段，偏置工作点在 M ，被 2 反 C C A 射 A 3 测物体的反射面与光纤端 4 M 光 M D D 强 面之间的初始距离是 M 点 B B 所对应的距离XM。由曲线 可知，随位移增加光强增 XM 位移 加，反之则光强减少，故 1—随机分布；2—对半分布； 3—同轴分布；4—同轴分布 由此可确定位移方向。
2 1 3 4 6 7 10 9 8 8 5
1 －氦氖激光器； 2 －分束 器； 3 －扩束镜； 4 －反射 镜；5－可移动四面体棱镜； 6 －全息照片； 7 －光纤参 考臂； 8 －光探测器； 9 － 可逆计数器；10－光阑
2
光纤位移传感器
物光和参考光干涉，在全息干板上形成干涉 条纹。四面体棱镜移动时，由于光程差变化而使干 涉条纹移动，从干涉条纹的移动量可以确定位移的 大小。两个光探测器用来确定移动方向。
I1 I 0 cos (45 )
2
(8.25) (8.26)
I 2 I 0 sin 2 (45 )
式中，为偏振面的旋转角度；I0为入射光强；I的“加”、“减”和“除”法运算后， 其输出
I1 I 2 P sin 2 I1 I 2
4
光纤磁传感器
图示为结构原理图。其灵敏度与磁性体磁致伸 缩效应的强弱、膜厚度和膜长度有关，主要取决于 材料的磁致伸缩常数。
磁场 光源 磁性膜 参考光纤 光纤 电输出 光检测器
5
医用光纤传感器
医用光纤传感器体积小、电绝缘和抗电磁干扰 性能好，特别适于身体的内部检测。可以用来测量 体温、体压、血流量、 pH 值等医学参量。光纤多 普勒血流传感器已用于薄壁血管、小直径血管、蛙 的蛛网状组织，老鼠的视网膜皮层的血流测量等。
ff1
fDf f1+Df
3
光纤流量、流速传感器
典型的光纤血流传感器可在0～1000 cm/s速度 范围内使用，空间分辨率为100 mm，时间分辨率为 8 ms。光纤血流传感器的缺点是光纤插入血管中会 干扰血液流动，另外背向散射光非常微弱，在设计 信号检测电路时必须考虑。
4
光纤磁传感器
按工作原理可分为：①根据法拉第磁光效应直 接实现磁光转换，②根据磁致伸缩效应，利用力或 其他物理量间接实现磁光转换。 1.利用法拉第磁光效应的光纤传感器 利用法拉第磁光效应测量磁场的方法很多，如 强度调制方式，偏振光度测量方式和外差方式等， 这里仅介绍偏振光度测量方式。
3
光纤流量、流速传感器
另一束进入驱动频率为f1＝40 MHz的布喇格盒 (频移器)，得到频率为f－f1的参考光信号。
f f1
fDf f1+Df
将参考光信号与 多普勒频移信号进行 混频，就得到要探测 的信号。这种方法称 为光学外差法。
3
光纤流量、流速传感器
经光电二极管将混频信号变换成光电流送入频 谱分析仪，得出对应于血流速度的多普勒频移谱 (速 度谱)，如右图所示。
水管
重物 斑图
3
光纤流量、流速传感器
根据流体力学原理，由于光纤不是流线体，在 一定条件下，在其下游会产生涡流。这种涡流是在 光纤下游两侧产生的有规律的漩涡，称为卡门“涡 街”，由于漩涡列之间的相互作用，涡列一般不稳 定，但是实验证明，当满足 h/l ＝ 0.281 时，涡列是 入射光 稳定的。
水管 d l h
1
光纤温度传感器
光纤测温技术是一种新技术，光纤温度传感器 是工业中应用最多的光纤传感器之一。按调制原理 分为相干型和非相干型两类。在相干型中有偏振干 涉、相位干涉以及分布式温度传感器等；在非相干 型中有辐射温度计、半导体吸收式温度计、荧光温 度计等。
1
光纤温度传感器
1.半导体吸收式温度传感器 半导体材料的光吸收和温度的关系曲线如图所 示。半导体材料的吸收边波长lg(T)随温度增加而向 较长波长方向位移。
光纤式传感器应用举例
1 2 3 4 5 6 光纤温度传感器 光纤位移传感器 光纤流量、流速传感器 光纤磁传感器 医用光纤传感器 分布式光纤传感器
光纤式传感器应用举例
7 工业用内窥镜 8 光纤加速度传感器 9 光纤光栅传感器 10 光纤层析成像分析技术及应用 11 光纤纳米生物传感器 12 光纤传感领域的发展
1
光纤温度传感器
若能适当选择发光二极管，使其光谱范围正好 落在吸收边的区域，即可做成透射式光纤温度传感 器。透过半导体的光强随温度升高而减少。
1
光纤温度传感器
图示为双光纤参 考基准通道法半导体 吸收式光纤温度传感 器的结构框图。
光源为GaAlAs发光二极管，测温介质为测量光纤 上的半导体材料 CdTe。参考光纤上面没有敏感材料。 采用除法器消除外界干扰，提高测量精度。测温范围 在40 ℃～120 ℃之间，精度为±1 ℃。
1
光纤温度传感器
2.干涉型光纤温度传感器 温度变化能引起光纤中传输光的相位变化，利用 光纤干涉仪检测相位变化即可测得温度。图示是利用 马赫—曾特尔干涉仪测温的原理图。光通过信号臂产 生的相位变化为 分束器 氦氖
l 式中，L为感受温度变化的光 纤段的长度，l为光源波长。

2π
激光器
nL
(8.20)
3
光纤流量、流速传感器
这种流量计结构简单而且安全可靠，可用于易 燃、易爆及有腐蚀性的液体测量。因为光纤直径很 细，对流体的流阻小，对流场几乎没有影响。不足 之处是对低速流体不敏感。
3
光纤流量、流速传感器
2.光纤多普勒血流传感器 利用多普勒效应可构成光纤速度传感器。由于光 纤很细 ( 外径约几十 mm) ，能装在注射器针头内，插 入血管中。又由于光纤速度传感器没有触电的危险， 所以用于测量心脏内的血流十分安全。
2 1 3 4 6 7 10 9 8 8 5
1 －氦氖激光器； 2 －分束 器； 3 －扩束镜； 4 －反射 镜；5－可移动四面体棱镜； 6 －全息照片； 7 －光纤参 考臂； 8 －光探测器； 9 － 可逆计数器；10－光阑
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光纤流量、流速传感器
入射光
1.光纤涡流流量计 原理如图所示。采用一根 横贯液流管的大数值孔径的多 模光纤作为传感元件。光纤受 到液体涡流的作用而振动，这 种振动与液体的流速有关。
6
分布式光纤传感器
根据不同的原理，可构成不同的分布式光纤传 感器，如利用后向瑞利散射的、利用喇曼效应的、 利用布里渊效应的和利用前向传输模耦合的分布式 光纤传感技术等。
6
分布式光纤传感器
瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹 性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相 同。光脉冲在光纤中传播时，由于瑞利散射而发生 能量损耗，通过检测后向散射光的强度，就可获得 衰减程度沿光纤的分布状况，这是一种最简单的分 布式传感器，也是光纤通信中查找光缆故障和缺陷 定位的一种诊断技术。
则条纹移动数 m
d /(2π) 17 /(C m)。 LdT
2
光纤位移传感器
1.反射强度调制型位移传感器 通过改变反射面与光纤端面之间的距离来调制 反射光的强度。 Y 形光纤束由几百根至几千根直径 为几十mm的阶跃型多模光纤集束而成。它被分成纤 维数目大致相等，长度相同的两束。
2
扩束器 显微物镜 单模光纤
被测温度场 光探测器
1
光纤温度传感器
例8.1 若已知光源波长l＝0.6328 mm，对n＝ 1.456的单模石英玻璃光纤，有
dL 5 10 7 / C, LdT
dn 10 10 6 / C dT
试计算在1 m的光纤上，温度每变化1 ℃时，将有 几根条纹移动。
导管 反射镜 光纤束
p P 防水薄膜 防水薄膜
悬臂梁
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分布式光纤传感器
分布式传感器是指能同时测量空间多个点甚至空 间连续分布的环境参数的传感器。 利用光纤本身特征的功能型光纤可构成性能优良 的分布式光纤传感器，特别适于需要同时监测在光纤 通过的路途上大量位置处连续变化的物理量，如建筑 物、桥梁、水坝、储油罐等大型结构中应力的检测， 石油钻井平台、飞机、航天器、电力变压器、发电机 组、反应堆等场合应力和温度分布的实时监测等。
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光纤流量、流速传感器
当光通过未受扰动的光纤时，如果光纤直径为 200 mm～300 mm，在距离光纤端面约15～20 cm的 地方可以观察到清晰而稳定的斑图，但它的分布是 无规则的。当光纤振动时，这些斑图就会不断地振 动，如用光探测器接收斑图的一个小区域，即可通 过频谱仪读出光纤振动的频率。由式(8.23)算出流 速，在管子尺寸一定的条件下，就可得出流量。
(8.27)
通过测量P就能确定，利用式(8.17)即可确定B。
4
光纤磁传感器
2.利用磁致伸缩效应的光纤传感器 在磁场作用下，磁性物体的尺寸会发生改变，这 种现象即为磁致伸缩效应。光纤磁致伸缩效应传感器 是在光纤上涂覆磁致伸缩性能良好的材料薄膜，或者 将光纤紧绕在磁致伸缩材料芯棒上。在外磁场作用下， 由于磁致伸缩效应，纤芯长度变化及纤芯折射率变化， 都会导致光程的相应变化。
4
光纤磁传感器
偏振光经保偏光 纤、自聚焦透镜进入 H 法拉第磁光盒，经多 次反射后进入渥拉斯 登棱镜，把偏振光变 成振动方向相互垂直 法拉第盒 的两束光。
光源 +
保偏光纤 D1
P
÷
渥拉斯 登棱镜
D2
4
光纤磁传感器
设无磁场时出射光的偏振轴与棱镜的偏振轴夹 角为45 ，这样D1和D2光电管接收的光强为