光纤传感器 强度

1、功能型传感器
利用光纤本身具有的某种敏感功能。 光纤一方面起传输光的作用，另一方面作为敏感元件， 被测物理量的变化将影响光纤的传输特性，从而将被 测物理量的变化转变为调制的光信号。也称传感型光纤传感器。
2、非功能型光纤传感器 非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化， 光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号． 所以也称为传光型传感器．或混合型传感器。
光纤传感
1970年，美国康宁玻璃公司研制成功传输损耗为20db/km的 光导纤维。光导纤维的诞生，是20世纪人类的重要发明。现已广 泛应用于工程技术、及通讯技术。 光导纤维作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通讯 技术，但人们在实际光通讯过程中发现，光导纤维受到如压力， 温度、电场、磁场等外界环境因素变化的影响时，将引起光纤传 输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等的变化。若能测量 光波量的变化，就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、 电场、磁场等物理量的大小。于是，诞生了光导纤维传感器技术。 光纤传感器亦称光导纤维传感器，光纤传感器技术是70年代 末发展起来的一门崭新技术，是传感器技术领域里的新成就。
1．微弯调制
当光纤发生弯曲时，将引起界面入射角φ 发生变化， 若当φ ＜φ m时，入射到界面的光将发生折射而形成辐射 模，引起纤芯中传导模强度减小，其调制方式如图9－7 所示。
图9 －7
光强度微弯调制方式 φ
当光纤受微弯板作用产生弯曲时，使原沿纤芯轴线传 输的传导模中的一部分（φ减小）泄漏到包层中，成为 辐射模，如图9－7（b）所示，使纤芯中的传导模减少。 作用力F 越大，光纤微弯程度增加，纤芯的传导模损耗越 大，从而实现对传导光波强度的调制。
光纤烟雾传感器
• 光纤烟雾传感器通过两种方式判断有无烟 雾。 • 一种方式是反射式光强调制，当发射光遇 到烟雾时引起光强变化来对烟雾有无进行 判断 • 一种是透射式光强调制传感器，通过光透 过烟雾产生的变化来判断烟雾的有无以及 烟雾的强度
光纤二维位移传感器
• 光纤位移传感器通过两种方式判断位置的 移动，其具体方式和烟雾类似 • 一种方式是反射式光强调制，通过对于反 射面的距离对于光强的影响 • 一种是透射式光强调制传感器，通过光透 过某种物质因位移产生的变化来判断位移 的长短


光的折射与反射
根据光线理论，当光线由光密物质（折射率大） 入射至光疏物质（折射率小）时，其折射角φ c大于 入射角 φ ，折射率 n1 大于 n2 ，在光密物质与光疏物 质的界面处,光纤将产生折射或反射。
光纤传感器的几个重要数值
• 一.数值孔径（NA） • 定义：光从空气入射到光纤输入端面时，处在某一角锥内 的光线一但进入光纤，就将被截留在纤芯中，此光锥半角 的正弦称之为数值孔径。 •
• 二.传播模式 • 根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程，考 虑到光纤边界的几何条件，则只存在波动 方程的特定解，允许存在的不同解所代表 的离散的沿光轴传播的波称为一个模。 • 实际中常用麦克斯韦方程导出的归一化频 率V作为光纤传输模数的参数。V的值可由 纤芯半径，传输光波波长及光纤的数值孔 径决定，如下：（a是纤芯半径，λ0为光真 空波长）
光纤式光电开关 应用 电路板标志检测
光纤 耦合器
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。
图1
传输光纤 出射光纤
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。
发光 二极管产生 多种颜色的 光线，通过 光导纤维传 导到东方明 珠球体的表 面。在计算 机控制下， 可产生动态 图案。
光导纤维传感器技术是随着光导纤维的实用化和光通讯技术 的发展而发展起来的，它与以电为基础的传感器相比有本质的区 别。光纤传感器是以光来作敏感信息的载体，用光导纤维作为传 递敏感信息的媒质。
各种装饰性光导纤维
光纤传感器外形
光纤的结构
光导纤维简称光纤，光纤是用石 英玻璃或塑料等光透射率高的电 介质材料制作的极细的纤维，在 结构上是由纤芯、包层和护套三 部分组成
光强度调制
光强度调制分内调制和外调制两种形式。内调制过程 发生在光纤内部，是通过光纤本身特性改变来实现光强度 的调制；即光纤既是光的传导媒质，又是光的敏感元件， 内调制光纤传感器称之为功能型光纤传感器（微弯）。外 调制是指调制过程发生在光纤之外的环节，此时光纤只作 传光媒质，外调制光纤传感器又称为非功能型光纤传感器 或传光型光纤传感器（透射式光纤温度传感器）。无论是 哪种光强调制，其调制方式主要有微弯、反射和透射三种 ,除此之外还有吸收，散射，荧光，偏振和光栅型等。
光纤传感器特点
• • • • 传光性能良好，光损耗小,最高≤0.2dB/km; 频带宽、可进行超高速测量； 灵敏度、线性好； 体积小、重量轻，适应于非接触、远距离、 恶劣环境测量。
传输光的调制技术
传输光的调制是指将被测量加载于传输光的光波之上 ，使传输光的某些性能参数发生变化，这一技术是光纤传 感器的物理基础和关键技术。按照光性能的调制方式分类 ，光纤传感器可以分为强度调制型、相位调制型、偏振调 制型和频率调制型等四类。同一种调制技术，可实现对多 种不同物理量的检测；
光纤压力传感器
• 利用压力造成的光纤微弯效应来进行压力 的判断
光纤液位传感器 • 利用液体压力造成的 光纤微弯来进行压力 的判断
光纤传感器应用前景
光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术 发展而形成的一门崭新的传感技术。 光纤传感器的传感灵敏度要比传统传感器高许多 倍，而且它可以在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性 等很多特殊环境下正常工作，还可以与光纤遥感、遥 测技术配合，形成光纤遥感系统和光纤遥测系统。
• 光纤V值越大，则光纤允许传输的模式数越 多。当V值低于2.404时，只允许一个波在 光纤中传播，就是所谓的单模光纤。
• 单模传导的条件是：
• 三.传播损耗 • 光在光纤的传播过程中由于材料的吸收， 散射，反射和弯曲辐射等不可避免的会造成光 的损耗。通常用衰减率A表示传播损耗。
• l为光纤长度，I0为输入端光强，I1为输出端光 强
上海东方明珠
光纤温度传感器
保护管内 为高温光纤 低温光纤
光纤式光电开 关应用
出射光纤
遮断型光纤 光电开关
接收光纤
实现电光转换的元件通常是发光二极管或
与光纤耦合的电光与光 电转换器件
激光二极管。
激光二极管
激光二极管芯片
光纤传感器在医学上的应用
1
光纤血 流计
2
光纤 pH 值 传感器
3
光纤体 压计
• 光纤传感器组成原理框图： • 光纤 压力、温度 光纤
• 光发送器 敏感元件(光纤)
引起光波量变化
光接收器 信号处理
•
• 光纤既是导光媒质又是敏感元件，称功能型光纤传感器 • 光纤仅起导光媒质作用，敏感元件用光敏元件，称非功能 型光纤传感器 实用居多


原理
光纤导光是利用光传输的全反射原理。 严格地用光场电磁波的理论分析光波在光纤中 的传输原理是十分复杂的，工程中一般把光波在光 纤中的传输看成光线在光纤中传输，从而以光线理 论近似描述光纤的传光原理。
图9 －8 光强度透射调制方式
3．反射调制
如图9－9所示，接收光纤接收到的光强度，将直接受 被测物端面对光的反射特性调制。通常被测物表面涂有反 光物而形成反光面，当发射光强度一定时，接收光强度的 大小将由反光面到光纤端面的距离X 来调制
图9 －9 光强度反射调制方式
由上分析可知，微弯调制属功能型光纤调制，透射调 制和反射调制都属于非功能型光纤调制。它们广泛应用于 测力、位移、温度等光纤传感器中。
光纤传感技术是许多经济、军事强国争相研究的 高新技术，它可广泛应用于国民经济的各个领域和国 防军事领域。在航天（飞机及航天器各部位压力测量、 温度测量、陀螺等）、航海（声纳等）、石油开采 （液面高度、流量测量、二相流中空隙度的测量）、 电力传输（高压输电网的电流测量、电压测量）、核 工业（放射剂量测量、原子能发电站泄漏剂量监测） 医疗（血液流速测量、血压及心音测量）、科学研究 （地球自转，敏感蒙皮）等众多领域都得到了广泛的 应用。 由于光纤传感器具有高灵敏度、耐腐蚀、抗干扰、 体积小等优点，使用范围广泛，可以检测温度、压力、 角位移、电压、电流、声音和磁场等多种物理量。因 而深受各方面欢迎，军民兼用，效果很好，发展速度 快。
2．透射调制
在发射光纤和接收光纤之间插入被测对象，如图9－8 所示，当发射光强度一定时，被测对象的变化将引起接收 光强度的变化，因而被测对象起到了光强度透射调制的作 用。
图9－8（a）中的 被测对象一般为光吸 收物质，被测对象的 规律变化，将引起接 收光强度的规律变化 。图9－8（b）是通过 遮光盘的上下移动来 调制透射到接收光纤 中的光强度。
纤芯和包层主要由不同掺 杂的石英玻璃制作，纤芯 的折射率n1大于包层的折射 率n2；纤芯的直径约5～ 75μ m，包层(玻璃、塑料） 的直径约100～200μ m。护 套一般为带色的尼龙外套， 一方面增加光纤的机械强 度，另一方面可以颜色区 分不同类型的光纤。
光纤传感器的分类
光纤传感器一般分为两大类： 一类是传光型，也称非功能型光纤传感器； 多数使用多模光纤，以传输更多的光量。 一类是传感型，或称为功能型光纤传感器。 传感型光纤传感器，是利用被测对象调制 或改变光纤的特性，所以只能用单模光纤。
反映纤芯接收量的多少，标志光线的接收性能。
• 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 • 但是数值孔径过大，光信号畸变也越严重。 • 如入射角过大，光线便从包层逸出而产生漏 光 • 光纤的NA越大，表明它的集光能力越强，一 般希望有大的数值孔径，有利于光纤的聚光 能力的提高。 • 如石英光纤的数值孔径为0.2<NA<0.4