9-第6章光纤传感器讲解

6.1 光纤的结构与传光原理
6.1.1 光纤的结构
玻璃纤维 包层
尼龙外层
基本采用石英玻璃， 外层直径1mm 主要由三部分组成 中心——纤芯； 100 ~200μm 外层——包层； 纤芯（玻璃，涂敷层(塑料) 护套——尼龙料。 石英，塑料） 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性 质， 纤芯折射率n1略大于包层折射率n2 （ n1 ＞ n2 ）。
6.2.1 光纤传感器结构原理
光纤传感器是一种把被测量的状态转变为 可测的光信号的装置。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。
由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感 元件。这时，光的某一性质受到被测量的 调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器， 使光信号变为电信号，最后经信号处理得 到所期待的被测量。 光是一种电磁波：
第六章
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光纤传感器
光导纤维传感器（简称光纤传感器）是20 世纪七十年代迅速发展起来的一种新型传 感器。光纤最早用于通讯，随着光纤技术 的发展，光纤传感器得到进一步发展。 与其它传感器相比较，光纤传感器有如 下特点： 1.不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电 打火； 2.可根据需要做成各种形状，可以弯曲； 3.可以用于高温、高压,绝缘性好,耐腐蚀.
6.1.3 光纤的种类 光纤按纤芯和包层材料的性质分类，有石 英光纤、玻璃光纤（钠玻璃SiO2-Na2O-CaO） 和塑料光纤三种类；按折射率分有阶跃型 和梯度型二种 。
光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模 式来分，可分为多模光纤和单模光纤两类。 多模光纤多用于非功能型（NF）光纤传感 器；单模光纤多用于功能型（FF）光纤传 感器。
光纤被夹在一对锯 F 变形器 F 齿板中间，当光纤 不受力时，光线从 光纤 S D 光纤中穿过，没有 d 能量损失。当锯齿 微弯光纤压力传感器 板受外力作用而产 生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤 芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中.
原来光束以大于临界角θC的角度θ1在纤芯内 传输为全反射；但在微弯处θ2<θ1，一部分 光将逸出，散射入包层中。当受力增加时， 光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射 光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。 因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能 测得引起微弯的压 n2 n0 n1 力，或检测由压力 θ θ1 θ2 引起的位移等物理量。
入射角的最大值 为： 1 2 2 sin c n1 -n 2 n0 将sinθ0定义为光导纤维的数值孔径,用NA 表示,则
1 2 2 N A sin c n1 -n 2 n0
NA意义讨论： • NA表示光纤的集光能力，无论光源的发 射功率有多大，只要在2θc张角之内的入 射光才能被光纤接收、传播。若入射角 超出这一范围，光线会进入包层漏光。 • 产品光纤不给出折射率n，只给数值孔径 NA，一般为0.14～0.5的数值。
非功能型光纤传感器 传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的 媒介，待测对象的调 制功能是由其它光电 转换元件实现的，光 纤的状态是不连续的， 光纤只起传光作用。
6.3 光纤传感器的应用
例1 光纤温度开关
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
例2 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。
1 光源 2 接收
热双金属式光纤温度开关 1 遮光板； 2 双金属片
例3 透射型半导体光纤温度传感器
半导体的吸收光谱与半导体材料的禁带宽 度Eg有关，而Eg却随温度的不同而不同。
由于半导体材料的Eg随温度的上升而减小， 其本征吸收波长λg随温度的上升而增大。
则透射光强度将随着温度的升高而减小， 即通过检测透射光的强度即可检测温度变 化。
6.1.2 光纤的传光原理 光纤的传播基于光的全反射。当光线 以不同角度入射到光纤端面时，在端 面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角 度θc时，光线全部反射。 只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经 若干次全反射向前传播，最后从另一 端面射出。
• 当光线以较小的入射角φ 1（ φ 1 < φ c） 由光蜜媒质（折射率为n1）射入光疏媒质 （折射率为n2）时，折射角φ 2满足斯乃尔 法则： n sin n sin
9.2.2 光纤传感器的类型 光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能 型传感器，又称FF型光纤传感器；另一类是 非功能型传感器又称NF型光纤传感器。
功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤 本身对外界被测对象 具有敏感能力和检测 功能，光纤不仅起到 传光作用，而且在被 测对象作用下，如光强、相位、偏振态等 光学特性得到调制，调制后的信号携带了 被测信息。
E A sint
式中 A——电场E的振幅矢量； ω——光波的振动频率； φ——光相位； t——光的传播时间。 可见，只要使光的强度、偏振态（矢量A的 方向）、频率和相位等参量之一随被测量状 态的变化而变化，那么，通过对光的强度调 制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行 解调，即可获得所需要的被测量的信息。
半导体吸收波长 LED发光光谱
T1 T T3 2
波长
T1<T2<T3
半导体透射测量原理
利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感 器如图。光纤中的入射光线经探头顶部的反 射膜反射后返回，在光路中放入对温度敏感 的半导体薄片对光进行吸收，则出射光强将 随温度的变化而变化。
环氧胶 光纤 半导体
反射膜
例4 微弯光纤压力传感器
1 1 2 2
n2 sin1 n1
n0 2θ0
B
θ0
φ
1
D C
n2
n1 d
θ1 A
图6-4 光纤导光示意图
由斯奈尔（Snell）定律：
n0 sin0 n1sin1 n1cos1
若满足
n2 sin1 n1
即
1 sin 0 n0
n -n
2 1
2 2
就能产生全反射。可见，光纤临界入射 角的大小是由光纤本身的性质（n1、n2） 决定的，与光纤的几何尺寸无关。
• 模的定义：在光纤内传播的光波，可 以分解为沿轴向传播的平面波和沿剖 面传播的平面波，沿剖面传播的平面 波在纤芯和包层的界面上发生全发射。 如果此波在一个往复中相位变化为2∏ 的整数倍，才会形成驻波。只有能形 成驻波的那些以特定入射角入射的光 才能被光纤传播，这些光波称为模。
6.2 光纤传感器的结构原理及分类