光纤检测技术

就能测出被测电压的大小。信号经光电转换、滤波、放大等处理，最后由计算机显示
出被测电压。
六、光纤检测技术在其它方面的应用
1.光纤液位传感器 反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的
折射率与光纤折射率越接近，则反射光强度越小。
球面光纤液位传感器 ( a ) 探头结构 ( b ) 检测原理
Y型光纤液位探头
二、光纤传感器及其分类特点
1.光纤传感器的组成 光纤传感器是一种把被测的某种量转换为可测的光信号的
装置，它是由光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理电 路及光纤构成的。
光纤传感器用的光源的种类很多，按照光的相干性可以 分为两大类：相干光源和非相干光源。激光器为相干光源， 白炽光源和发光二极管为非相干光源。
t 2 Eg (t) Eg (0) t
式中 Eg (0)—— 绝对零度时半导体材料的禁带宽度；α —— 经验常数 （eV/K） ； β —— 经验常数（K）。
由上式可知，半导体材料的Eg 随温度上升而减小，随温度下降而增
大。由普朗克定律可得
Eg = h fg
式中 fg —— 与能量差为禁带宽度Eg相对应的频率；h —— 普朗克常
光接收器有光电池、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极 管、光电管、光电倍增管等.
2. 光纤传感器分类 根据光纤的传感原理，光纤传感器分为功能型（或称传
感型）和非功能型（或称传光型、结构型）两类。
功能型光纤传感器方框图
光纤压力计
非功能型光纤传感器方框图
光纤温度报警器
根据被调制的光波参数不同，光纤传感器可分为强度调制光 纤传感器、相位调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器、频
测温探头的结构分为两类：直接耦合式探头和透镜耦合 式探头。① 光导棒探头（石英光纤预制棒）
② 透镜测温探头
(2) 传送光纤 传送光纤一般由多根大芯径、大数值孔径的石英光纤束
组成，外加金属软管保护，是软性材料，可以弯曲。 它的作用是将端部耦合进入光纤的辐射能传输至尾部光
电转换元件。
(3) 信号处理装置 ■ 作用是将光信息转换成电量输出并加以显示。根据不 同的测温范围选用不同的光电元件。 ■ 光电元件输出的电信号经处理后，由显示器（数字量或 模拟量）显示出被测温度值。显示部分与一般的辐射温度计
n1 sini n2 sinr
n1 ＞n2 , θr＞θi
sinr sin 90 1时
s in i 0

n2 n1
θi＞θi0并继续增大时，θr＞90°,这时便发生全反射现象
根据光纤结构图和光的全反射现象进一步分析光由所在空间 入射至光纤的传播情况
n0 sini n1 sin j
光纤检测技术
主要内容:
● 光纤检测的基本知识 ● 光纤传感器及其分类特点 ● 光纤在温度检测中的应用 ● 光纤电压电流测量 ● 光纤检测技术在其它方面的应用
一、光纤检测的基本知识
1.光纤的基本结构、材料和分类
基本结构 实用的光导纤维的中央有个细芯（半径a，折射率n1）纤
芯，直径只有几十微米，纤芯的外面有一圈包层（半径b，折射率n2）， 其外径约为100～200μm。包层的外表面还涂上一被覆层（环氧树脂或
五、光纤电压电流测量
1.法拉第效应光纤电流传感器
利用法拉第旋光效应，由电流所形成的磁场会引起光纤中线偏振光 的偏转，检测偏振角的大小，可以得到相应的电流数值。
电流检测装置示意图 1-激光器；2-起偏器；3-显微物镜；4-耦合器；5-高压载流导线；6-绕在导线上的光纤；
7-显微物镜；8-沃拉斯顿棱镜；9-接收器；10-信号处理系统；11-显示器
偏振角θ与磁场强度H、磁场中光纤的长度L成正比：
VHL
式中，V是费尔德常数。 由于载流导线在周围空间产生的磁场满足安培 环路定律，故对于长直导线有
H I
2R
式中，R —— 电流产生的磁场回路半径。 由上两式可得：
VLI 2R
I 2R
VL
由上式可知，偏振角θ与电流I成线性关系。因此，只要测出θ、L、R， 就可求出长直导线中的电流I 。
硅胶），作为光纤的保护层 。要求n1＞ n2 。
材料 有石英、多组分玻璃、塑料等
分类 按材料来分，可分为石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、
液芯光纤等。
根据纤芯径向的折射率分布不同，光纤又可分为阶跃折射率光纤 和渐变折射率光纤。
根据光纤能传输的模式数目，可将其分为单模光纤和多模光纤。
2. 光纤导光的基本原理 采用几何光学的方法来分析
棱镜耦合液位传感器
改进的光纤探头结构
液位的检测
同一种溶液在不同浓度时的折射率也不同，如掺有砂糖水溶液，含糖量不同， 折射率也不同，经过标定之后，这种光纤探测器实质上就是一个使用方便的浓度计。
2.光纤转速表
光纤转速表系统
)
n1 2
式中
n1 n2 n1
为相对折射率。
sinθi0定义为“数值孔径”：NA。当θr =90°时，sinθi =
NA；当θr ＞90°时，sinθi ＜NA，发生全反射；当θr ＜
90°时，sinθi ＞NA ，光线散失。
3.光纤的传输特性 光纤的损耗主要有吸收损耗、散射损耗和微扰损耗三种。

z2 n32
1
对于双轴晶体，主折射率n1≠n2 ≠n3 ，对于单轴晶体，主折射率 n1=n2 =n0，n3 =ne，其中，n0称为寻常光折射率，ne称为非常光折射
率。
晶体的两端设有电极，并在两极间加一个高压电场，外加电场平行 于通光方向，这种工作方式称为纵向运用，或称为纵向调制。晶体折射 率的变化Δn与电场E的关系为：
U /2 0 / 2n03
如果检偏器与起偏器正交，而且与电场方向成45°，则出射光波的光强 为：
I

I 0 sin 2

2

I0
sin

Lk


U d
2
2.结构 它由Bi12SiO20晶体、起偏器、检偏器、光电检测装置和光纤组成。
从光源（激光器或发光二极管）发出一定波长的光波沿光纤传送到电压传感器，
率调制光纤传感器。
三、光纤在温度检测中的应用
1. 辐射式光纤温度计 辐射光纤温度计是基于全辐射体辐射的原理来工作的。
辐射式光纤温度 计的组成框图
（a） 单（双）波段 光纤温度计 （b） 多点温度测量系统
温度计基本由三部分组成：测温探头（光纤传感元
件）、传送光纤、显示仪表（或信号处理装置）
测温探头
由信号处理系统输出的函数为 P I1 I2 I1 I2
式中，I1、I2分别为两偏振光的强度。 计算表明，P和θ的关系为
P sin 2
由于一般电力系统中偏振面旋转的角度θ都很小，因此有
P 2
这种测量电流方式的优点是：测量范围大，约0～1000 A，与高压线无接触，电绝缘性好，特别适用于高压大电流 的测量。
j 90 k
n0 =1
n1 sink n2 sinr
sini

n1 n0
1
( n2 n1
s in r
)2
sini n12 n22 sin2 r
当n r =90°，即临界状态时，θi =θi0
sinio
n12 n22
2n12
(
n1
n2 n1
2.光纤电压传感器
(1) 工作原理 当强电场施加于光正在穿行的各向异性晶体时，所引起的感生双折
射正比于所加电场的一次方，这种效应称为普克耳效应，也称为线性电 光效应。光纤电压传感器是基于普克耳效应工作的。
普克耳效应使晶体的双折射性质发生改变，晶体的折射率可用折射 率椭球方程表示：
x2 n12

y2 n2 2
n n03E
式中 γ­­—— 晶体的纵向运用的电光系数。两正交的平面偏振光穿过厚 度为l的晶体后，光程差为
ΔL=Δn l= n03γE l= n03γU
式中，U = EL是加在晶体上的纵向电压。由折射率变化所引起的相位变 化为
2n03U / 0
当相位差为π 时，所加电压称为半波电压
先经起偏器变成线偏振光，然后经波片变成椭圆偏振光，当光通过电光晶体时，在电 压（或电场）的作用下发生双折射，经检偏器检偏后变成强度与被测电压成正比的偏 振光。其输出光强为：
I

I 0 sin 2
2

I
0
sin
2


n0
3U

式中 γ—— Bi12SiO20晶体的光电系数； I0 —— 射入晶体的光强。 上式说明，传感器的输出光强与被测电压之间有对应关系，通过测量光强的大小
半导体光纤温度计的测温系统及结构
一种实用的半导体光纤温度计
1-脉冲发生器；2-LED驱动器；3-AlGaAs-LED(λ1)；4-InGaAs-LED(λ2 )；5-光耦合器；6-光 纤连接器；7-探头；8-APD；9-光接收电路；10-采样放大器；11-除法器；12-光纤
四、Y形光纤位移及压力传感器
数。
λg = c h / Eg
结论: 吸收波长λg随着禁带宽度Eg的增大而减小，而Eg随着温度T的 增大而减小，所以吸收波长λg随着温度T的增加而增大，随着温度T的 减小而减小。
当一个辐射光谱峰值波长与λg 相一致的光源发出的光通过此半导 体，其透射光的强度随温度的增加而减少。
2.结构
由半导体吸收器、光纤、光源和包括光探测器的信号处理系统等组 成。
测温时测温探头将接近被测对象，它是决定拾光大小和温度计灵敏
度的主要元件，而耦合效率是其重要参数。 对于辐射面元dF入射到具 有
平端面的光纤时，其耦合效率为：

W
/WA

1 n0 2
Leabharlann Baidu
( NA) 2
式中，WA —— 辐射面元dF沿半球空间的辐射能量； W —— 经耦合进入光纤被传播的辐射能量；
n0 —— 辐射面元dF所在介质的折射率。
相同。
辐射式光纤温度计在电厂锅炉灭火保护装置中的应用
在电厂锅炉灭火保护装置中，测定燃烧器火焰“燃”或“灭”的探 头就是 利用了光纤辐射温度计的原理。
光纤火焰监测器探头结构和测量电路
2. 半导体光纤温度计
1.工作原理
工作的基本原理是利用有些半导体材料（GaAs或CdTe）的光吸收 随着温度的变化而变化。半导体的禁带宽度Eg随着温度的变化关系式为