第9章 光纤传感器

光的全 反射
当减小入射角时，进入介质2 当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的 夹角将相应减小， 夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传 播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角θc。当 对这个极限值时的入射角， 入射光线将发生全反射。 入射角小于θc时，入射光线将发生全反射。
光在光纤中的全反射 光在光纤中的全反射 光纤中
光纤的结构
光缆的外形及光 光缆的外形及光 纤的拉制
光纤的类型
阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点 阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点 纤芯 均匀一致，称为多模光纤。 均匀一致，称为多模光纤。
梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型， 梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，
即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低， 即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至 纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。 纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。
为了满足特殊要求, 出现了保偏光纤、 低双折射光纤、高 双折射光纤等。所以采用新材料研制特殊结构的专用光纤是光 纤传感技术发展的方向。 光纤的结构和传输原理 二、 光纤的结构和传输原理 1． 光纤的结构 ． 光纤的结构 光导纤维简称为光纤, 目前基本上还是采用石英玻璃, 其结 构示于图8 - 27。 中心的圆柱体叫纤芯, 围绕着纤芯的圆形外层 叫做包层。纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯 的折射率n1略大于包层的折射率n2, 在包层外面还常有一层保 护套, 多为尼龙材料。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性 质, 而光纤的机械强度由保护套维持。
光纤传感器可以分为两大类: 一类是功能型（传感型）传 感器; 另一类是非功能型（传光型）传感器。功能型传感器是 利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传 输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等 特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出 被测信号。非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量 的变化, 光纤仅作为信息的传输介质。 光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤。单模光纤 的纤芯直径通常为2~12 µm, 很细的纤芯半径接近于光源波长 的长度, 仅能维持一种模式传播, 一般相位调制型和偏振调制 型的光纤传感器采用单模光纤; 光强度调制型或传光型光纤传 感器多采用多模光纤。
光纤液位传感器
光纤温度传感器
保护管内 为高温光纤 为高温光纤
低温光纤 低温光纤
光纤式光电开关
遮断型
反射型
反射镜反射型
光纤式光电开关应用 电路板标志检测
传输光纤 光纤 耦合器 出射光纤
标志孔 当光纤发出 的光穿过标志孔 时，若无反射， 说明电路板方向 放置正确。 放置正确。
光纤式光电开关应用 遮断型光纤 光电开关
单孔型光纤 单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米） 单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米） 接近于被传输光波的波长，光以电磁场“ 接近于被传输光波的波长，光以电磁场“模” 的原理在纤芯中传导，能量损失很小， 的原理在纤芯中传导，能量损失很小，适宜 于远距离传输。 于远距离传输。
与光纤耦合的电光与光电转换器件
光纤温度传感器 ２． 光纤温度传感器 光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而广 泛使用的光纤传感器。根据工作原理可分为相位调制型、 光 强调制型和偏振光型等。这里仅介绍一种光强调制型的半导 体光吸收型光纤温度传感器, 图8 - 30为这种传感器的结构原 理图, 它的敏感元件是一个半导体光吸收器, 光纤用来传输信 号。传感器是由半导体光吸收器、光纤、发射光源和包括光 控制器在内的信号处理系统等组成。它体积小、灵敏度高、 工作可靠, 广泛应用于高压电力装置中的温度测量等特殊场合。
φ≥φc=arcsin
n2 n1
(8 - ２)
并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射, 直至传播到 另一端面。 为满足光在光纤内的全内反射, 光入射到光纤端面的临 界入射角θc应满足下式:
n1 sin θ ′ = n1 sin(
π
2 1 1 2 2 2 2 2 = n1 (1 − sin ϕ c ) = ( n1 − n2 )
光导纤维传感器 光的全反射实验
各种装饰性光导纤维
发光 二极管产 生多种颜 色的光线， 色的光线， 通过光导 纤维传导 到东方明 珠球体的 表面。 表面。在 计算机控 制下，可 制下， 产生动态 图案。 图案。
上海东方明珠
光纤传感器外形 光纤传感器外形
光的反射、 光的反射、折射
当一束光线以一定的入射角θ1 从介质1射到介质2的分界面上时， 从介质1射到介质2的分界面上时， 一部分能量反射回原介质； 一部分能量反射回原介质；另一部 分能量则透过分界面， 分能量则透过分界面，在另一介质 内继续传播。 内继续传播。
出射光纤
接收光纤
光纤式光电开关应用
采用遮 断型光纤光 电开关对IC 电开关对 芯片引脚进 行检测
光纤的其他应用 军用光纤陀螺： 军用光纤陀螺： 光纤内窥镜
将激光射入绕成线 圈的光纤， 圈的光纤，当线圈的底 座随运动物体旋转时， 座随运动物体旋转时， 可以测得出射光的相位 发生变化， 发生变化，它的灵敏度 比机械陀螺高， 比机械陀螺高，无机械 磨擦力。 磨擦力。
Hale Waihona Puke 当流体流动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时, 根据流体力学原理, 在某些条件下, 在非流线体的下游两侧产 生有规则的旋涡, 其旋涡的频率f近似与流体的流速成正比， 即 f≈ 式中: v——流速; d——流体中物体的横向尺寸大小; S——斯特罗哈（Strouhal）数, 它是一个无量纲的常数, 仅与雷诺数有关。 式（8 - 6）是旋涡流体流量计测量流量的基本理论依据。 由此可见, 流体流速与涡流频率呈线性关系。
实现电光转换的元件通常是发光 二极管或激光二极管。 二极管或激光二极管。
激光二极管的外形
激光二极管芯片
激光二极管的与发光二极管的 激光二极管的与发光二极管的 的与 及效率的比较
单模光纤 必须采用能发 必须采用能发 射单一光谱的 激光二极管， 激光二极管， 它在传导过程 中的发散损耗 较小， 较小，稳定性 较高。 较高。
2 2 2 1 2 1 2
（8 - 5）
数值孔径反映纤芯接收光量的多少。其意义是: 无论光源 发射功率有多大, 只有入射光处于2θc的光锥内, 光纤才能导光。 如入射角过大, 如图8 - 28中角θr, 经折射后不能满足式（８ - 2） 的要求, 光线便从包层逸出而产生漏光。所以NA是光纤的一 个重要参数。一般希望有大的数值孔径, 这有利于耦合效率的 提高, 但数值孔径过大, 会造成光信号畸变, 所以要适当选择数 值孔径的数值。 光纤传感器 三、 光纤传感器 光纤传感器由于它的独特的性能而受到广泛的重视, 它的 应用正在迅速地发展。下面我们介绍几种主要的光纤传感器。
光纤传感器 光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元 也称作测量臂）， ），直接接收外界的被测 件（也称作测量臂），直接接收外界的被测 被测量可引起光纤的长度、折射率、 量。被测量可引起光纤的长度、折射率、直 径等方面的变化，从而使得在光纤内传输的 径等方面的变化， 光被调制。若将光看成简谐振动的电磁波， 光被调制。若将光看成简谐振动的电磁波， 则光可以被调制的参数有四个，即振幅（ 则光可以被调制的参数有四个，即振幅（强 ）、相位 波长和偏振方向。 相位、 度）、相位、波长和偏振方向。
第9章 光 纤 传 感 器 章
概述 一、 概述 光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术, 它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。 光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列优点，如 不受电磁干扰, 体积小, 重量轻, 可挠曲, 灵敏度高, 耐腐蚀,电绝 缘、 防爆性好, 易与微机连接, 便于遥测等。 它能用于温度、 压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等各 种物理量的测量, 具有极为广泛的应用前景。
这种传感器的基本原理是利用了多数半导体的能带随温 度的升高而减小的特性, 如图8 - 31所示, 材料的吸收光波长将 随温度增加而向长波方向移动, 如果适当地选定一种波长在该 材料工作范围内的光源, 那么就可以使透射过半导体材料的光 强随温度而变化, 从而达到测量温度的目的。 这种光纤温度传感器结构简单、制造容易、成本低、便 于推广应用, 可在-10~300℃的温度范围内进行测量, 响应时间 约为2 s。 光纤旋涡流量传感器 ３． 光纤旋涡流量传感器 光纤旋涡流量传感器是将一根多模光纤垂直地装入流管, 当液体或气体流经与其垂直的光纤时, 光纤受到流体涡流的作 用而振动, 振动的频率与流速有关系, 测出频率便可知流速。 这种流量传感器结构示意图如图8 - 32所示。
sv d
(8 - 6)
在多模光纤中, 光以多种模式进行传输, 在光纤的输出端, 各模式的光就形成了干涉花样, 这就是光斑。 一根没有外界 扰动的光纤所产生的干涉图样是稳定的, 当光纤受到外界扰动 时, 干涉图样的明暗相间的斑纹或斑点发生移动。 如果外界 扰动是由流体的涡流引起的,那么干涉图样的斑纹或斑点就会 随着振动的周期变化来回移动, 这时测出斑纹或斑点移动, 即 可获得对应于振动频率f的信号, 根据式（8 - 6）推算流体的 流速。 这种流量传感器可测量液体和气体的流量, 因为传感器没 有活动部件, 测量可靠, 而且对流体流动不产生阻碍作用, 所以 压力损耗非常小。这些特点是孔板、涡轮等许多传统流量计 所无法比拟的。
１． 光纤加速度传感器 光纤加速度传感器的组成结构如图8 - 29所示。 它是一 种简谐振子的结构形式。激光束通过分光板后分为两束光, 透射光作为参考光束, 反射光作为测量光束。当传感器感受 加速度时, 由于质量块M对光纤的作用, 从而使光纤被拉伸, 引起光程差的改变。 相位改变的激光束由单模光纤射出后 与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪的干涉条纹的移 动可由光电接收装置转换为电信号, 经过处理电路处理后便 可正确地测出加速度值。
带宽
光纤的损耗
光纤在传输 信号的过程中损 耗应尽量小且稳 定。在某些波长 上，光纤的损耗 非常小。 非常小。可选择 适当波长的电光 适当波长的电光 转换元件与之匹 转换元件与之匹 配。
专用的光纤连接头及光纤插座
光纤与电光转换元件耦合时，两者的 光纤与电光转换元件耦合时， 电光转换元件耦合时 轴心必须严格对准并固定， 轴心必须严格对准并固定，可使用专用的 连接头及光纤插座来完成。 连接头及光纤插座来完成。
2 2 2 1 2
− ϑc ) = n1 cosϑc
所以
n0 sin θ c = ( n1 − n )
实际工作时需要光纤弯曲, 但只要满足全反射条件, 光线 仍继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反 射所形成的。 一般光纤所处环境为空气, 则n0=1。 这样在界面上产生 全反射, 在光纤端面上的光线入射角为 θ≤θc= arcsin ( n 2 − n 2 ) 2 1 说明光纤集光本领的术语叫数值孔径NA, 即 NA= sinθc= ( n1 − n )
2． 光纤的传输原理 ． 光纤的传输原理 众所周知, 光在空间是直线传播的。 在光纤中, 光的传输 限制在光纤中, 并随光纤能传送到很远的距离, 光纤的传输是 基于光的全内反射。 当光纤的直径比光的波长大很多时, 可以用几何光学的 方法来说明光在光纤内的传播。 设有一段圆柱形光纤, 如图8 - 28所示, 它的两个端面均为光滑的平面。 当光线射入一个端 面并与圆柱的轴线成θ角时, 根据斯涅耳光的折射定律, 在光 纤内折射成θ′, 然后以φ角入射至纤芯与包层的界面。若要在 界面上发生全反射, 则纤芯与界面的光线入射角φ应大于临界 角φc, 即