第10章 光纤传感器课程辅导

2.56t gE fr = P 2 2 π R 3ρ (1 − µ )
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10.4 光纤传感器的应用 压力 光纤传感器的应用—压力
束为输出光纤。
第10章数字式传感器
光纤束的一端分成三束，其中一束为输入光纤，两
三束光纤在另一端结合成一束，并且在端面成同心 环排列分布。
3 输出光纤 2 输入光纤
I1 I0 I2
θr θi
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(a) 光的折射示意图
(b) 临界状态示意图
(c) 光全反射示意图
10.1 光导纤维导光的基本原理
第10章数字式传感器
入射角θi增大时，折射角θr也随之增大，且始终θr＞θi。 当θr=90º时，θi仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播如图(b)， 称为临界状态。这时有：
sinθr＝sin90º＝1 ＝ sinθi0=n2/n1 θi0=arcsin(n2/n1)
热双金属式光纤温度开关 1 遮光板 2 双金属片 第22页 光源 1 2 接收
10.4 光纤传感器的应用 压力 光纤传感器的应用—压力
第10章数字式传感器
采用弹性元件的光纤压力传感器
利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信 号，从而对光强进行调制。
2 3 P 接收 膜片反射式光纤压力传感器示意图 1 Y形光纤束 形光纤束 2 壳片 3 膜片
作业件检测
液位检测 流量检测 光纤桥梁检测法
颜色检测
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10.4 光纤传感器ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ应用 温度 光纤传感器的应用—温度
遮光式光纤温度计
第10章数字式传感器
一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。 可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。
1
2
3
4
水银柱式光纤温度开关 1 浸液 2 自聚焦透镜 3 光纤 4 水银
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10.4 光纤传感器的应用 压力 光纤传感器的应用—压力
第10章数字式传感器
光弹性式光纤压力传感器 晶体在受压后其折射率发生变化，呈现双折射的现象称为 光弹性效应。 利用光弹性效应测量压力的原理及传感器结构如图。
偏振光
线偏振光 P
椭圆偏振光 6 7
P
1
2
3
4
5
8
9 1011
(a)检测原理 1 光源 2、8 起偏器 3、9 1/4波长板 4、10 光弹性元件 5、11 检偏器 6 光纤 7 自聚焦透镜 (b)传感器结构
传感器 干 涉 型 光学现象 被测量 干涉（磁致伸缩） 相位调 干涉（电致伸缩） 制光线 Sagnac效应 传感器 光弹效应 干涉 遮光板遮断光路 半导体透射率的变化 强度调制 荧光辐射、黑体辐射 光纤温度 光纤微弯损耗 振动膜或液晶的反射 传感器 气体分子吸收 光纤漏泄膜 偏振调 制光纤 温度传 感器 法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 光弹效应
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10.4 光纤传感器的应用 温度 光纤传感器的应用—温度
第10章数字式传感器
热双金属式光纤温度开关
利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。 当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光 板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。 测温范围：10℃～50℃； 检测精度：0.5℃。 缺点：
输出光强受壳体振动的影响； 响应时间较长，一般需几分钟。
p
2 1 驱动
3 4 5
输出
I2 － I1 I2+I1
I1 I2
前置 放大 前置 放大
PD1
6
PD2
光弹性式光纤压力传感器的另一种结构
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10.4 光纤传感器的应用 压力 光纤传感器的应用—压力
第10章数字式传感器
微弯式光纤压力传感器
基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产生位 移，使光纤弯曲而调制光强度。 用于声压检测的微弯式光纤水听器的探头结构
数值孔径反映纤芯接收光量的多少，是标志光导纤维接收 性能的一个重要参数。 其意义是无论光源发射功率有多大，只有张角之内的光功 率能被光纤接收传播。 一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但 数值孔径太大，光信号畸变也越严重，所以要适当选择。
0.2 ≤ NA ≤ 0.4
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10.2 光导纤维导光的重要参数
传播损耗
第10章数字式传感器
由于光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗 等影响，光信号在光纤中传播不可避免地要有损耗。 以A来表示传播损耗(单位为dB)， 则
I0 A = al = 10lg I
式中，l 为光纤长度； a 为单位长度的衰减； I0为光导纤维输入端光强； I为光导纤维输出端光强。
光发送器 光纤 信号处理 光受信器 敏感元件
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10.3 光纤传感器的分类
③拾光型
第10章数字式传感器
用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其 反射、散射的光。 其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤 温度传感器等。
耦合器 光发送器 光纤 信号 处理 光受 信器
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10.3 光纤传感器的分类
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10.3 光纤传感器的分类
光信号的装置。
第10章数字式传感器
光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的
由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收 器、信号处理系统以及光纤构成。
电 源 导线 信号处理 信号接收 （a）传统传感器 ） 敏感元件 信号处理 光接收器 （b）光纤传感器 ） 光发送器 光纤 敏感元件
当膜片受压变形后，使得处于里面一圈的光纤束， 接收到的反射光强减小，而处于外面一圈的光纤束 2接到的反射光强增大，形成差动输出：
I 2 1 + AP = I1 1 − AP
I2 P ln = I1 2 A
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10.4 光纤传感器的应用 压力 光纤传感器的应用—压力
第10章数字式传感器
若选用的光纤束中每根光纤的芯径为70µm，包层厚 度为3.5µm，纤芯和包层折射率分别为1.52和1.62， 则该传感器可获得115dB的动态范围，线性度为 0.25％。 采用不同的尺寸、材料的膜片，即可获得不同的测 量范围。
2 = n12 − n2 sin2 θr 2
Qn0 ≈ 1（空气）
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10.1 光导纤维导光的基本原理
第10章数字式传感器
2 sin θ i = n12 − n2 sin 2 θ r 当θ r = 90o 临界状态时，
sin θ i 0 = n − n
2 1
2 2
sin θ i 0定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture）
由于n1和n 2 相差较小，即 n1 + n 2 ≈ 2n1 sin θ i 0 ≈ n1 2∆ ∆ = ( n1 − n 2 ) / n1 称为相对折射率
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10.1 光导纤维导光的基本原理
第10章数字式传感器
(1) 临界状态
θ r = 90 时， θ i 0 = NA 或 θ i 0 = arcsin NA sin
第10章 光纤传感器 章
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光纤传感器
第10章数字式传感器
光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世纪70 年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感 器。 它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电 为基础的传感器有本质区别。 光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为 传递敏感信息的媒质。
式中：θi0——临界角 当θi＞θi0并继续增大时，θr＞90º，这时便发生全反射现象， 如图(c)，其出射光不再折射而全部反射回来。
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10.1 光导纤维导光的基本原理
第10章数字式传感器
n0
θi
θr
θj
θk
n1
n2
光纤导光示意图
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10.1 光导纤维导光的基本原理
第10章数字式传感器
n0 sin θ i = n1 sin θ j n1 sin θ k = n2 sin θ r
Qθ j = 90o − θ k
n1 n1 n1 sin θ i = sin(90° − θ k ) = cos θ K = 1 − sin 2 θ K n0 n0 n0
n2 n1 sinθi = 1 − sinθr n0 n1 1 2 2 2 = n1 − n2 sin θr n0
o
(2) 全反射
θ r >90 时， θ i < NA 或 θ i < arcsin NA sin
o
(3) 光线消失 sin θ r <90 时， θ i > NA 或 θ i > arcsin NA
o
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10.2 光导纤维导光的重要参数
第10章数字式传感器
数值孔径(Numerical Aperture) 数值孔径
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偏振光
第10章数字式传感器

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10.4 光纤传感器的应用 压力 光纤传感器的应用—压力
第10章数字式传感器
输出光用偏振分光镜分别检测出两个相互垂直方向的偏振 分量；并将这两个分量经“差／和”电路处理，即可得到 与光源强度及光纤损耗无关的输出。
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件， 光在光纤内受被测量调制。 光纤连续。 典型例子如光纤陀螺、光纤水听器等 。
光发送器 光纤敏感元件 信号处理 光受信器
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10.3 光纤传感器的分类
②非功能型
第10章数字式传感器
光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信 息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完 成。 光纤不连续。
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10.3 光纤传感器的分类
(1)根据光纤的传感器中的作用：