光纤传感器+红外传感器

8.5 光纤传感器
棱镜式全内反射光纤位移传感器，如图8-49所示，棱镜 耦合。
图8-49 棱镜式全内反射光纤位移传感器
8.5 光纤传感器
全内反射光纤液面探测器，如图8-50所示，空气耦合。
图8-50 光纤液面探测器 （a）圆锥体测头；（b）U型测头；（c）棱镜测头
8.5 光纤传感器
光纤液体分界面探测器，如图8-51所示，液体耦合。
2．光弹效应光纤振动传感器

2

d ne no
2

d kp
相互正交、具有一定相位差的e光、 o光，经偏振器N后，又变成同一振动 方向、具有相位差的两束相干光， 在屏幕上产生干涉现象（偏振光干涉）
图8-61 观察应力双折射现象
8.5 光纤传感器
图8-62就是利用光弹效应制成的光纤振动传感器原理示意图。质量 块受振动作用产生惯性力作用在光弹元件4上，使其成为以振荡方向为 光轴的双折射晶体。起偏器3和检偏器7的偏振化方向均与振荡方向成 45角。光源1发出的光经光纤投射到起偏器3变为线偏振光，通过光弹 元件4后变成振幅相等、具有一定相位差的e光、o光，再经检偏器7的 作用而产生干涉现象，由光电探测器2检测干涉光强的变化，从而达到 测压力或振动的目的。
图8-43 简单光纤开关 定位装置
8.5 光纤传感器
移动球镜式光纤开关传感器，如图8-44所示。
图8-44 移动球透镜位移传感器 （a）原理图；（b）光强比值与位移关系
8.5 光纤传感器
2.传光型光纤位移传感器 由两段光纤构成，当它们之间产生相对位移时，通过它们 的光强发生变化，从而达到测量位移的目的。 反射型光纤位移传感器，如图8-46所示。
图8-62 光纤振动传感器 结构示意图
8.5 光纤传感器
8.5.3.4 光纤温度传感器
1．传光型光纤温度传感器 图8-63为半导体吸光型光纤温度传感器示意图。 测温原理：半导体感温元件的吸光性与温度有关，从而达到检测温度 的目的。半导体材料的光透过率与温度的特性曲线如图8-64所示。
图8-63 半导体吸光型光纤温度传感器 （a）装置简图；（b）感温探头
图8-51 光纤液体分界面探测器 （a）原理图；（b）改进测头
8.5 光纤传感器
4．光纤干涉型位移传感器 为了提高测量精度或扩大测量范围，常使用相位调制的 光 纤干涉仪作为位移传感器。 迈克尔逊（Michelson）光纤干涉仪，如图8-52所示。被 测量引起棱镜5位移，从而改变测量光束光程，与参考光束 间产生光程差，致使干涉条纹移动。干涉条纹量反映被测 位 移的大小，测位移。
图8-40 光纤的基本结构
8.5 光纤传感器
2．光导纤维wk.baidu.com导光原理
光纤导光是利用光传输的全反射原理，如图8-41所示。
图8-41 光纤导光示意图
8.5 光纤传感器
由几何光学的折射定律可得出 n0sini=n1sinj n1sink=n2sinr 由以上两式可以推出
sin i n1 n0 sin j n1 n0 sin 90 k n1 n0 cos k n1 n0 1 sin 2 k n1 n0 n2 1 sin r 1 n0 n1
图8-60 垂直表面振动分量 光纤振动传感器原理图
8.5 光纤传感器
光弹效应 透明的各向同性介质在机械应力作用下，显示出光学上的各向异性而 产生双折射现象称为光弹性效应。 应力 双折射现象 线偏振光 o光、e光（相互正交） neno=kp 其中，p—应力，p=F/S，S为正受力F处的面积；ne、no—分别为e光、o 光的折射率，k—非晶体E应变光学系数。 两束光（e光、o光）穿过厚度为d的物体后，产生的相位差为
8.5 光纤传感器
5．功能型光纤压力传感器 图8-54是一种功能型光纤压力传感器原理原理图。 基本原理：利用光纤微弯损耗效应，可测压力或位移。 压力（位移） 光纤微弯 传输光全反射条件受到一定破 坏 光传输损耗。
图8-54 功能型光纤压力传感器原理图 1-He-Ne激光光源；2-固定齿板；3-光电元件；4-活动齿板；5-单模光纤
图8-46 反射型光纤位移传感器 （a）原理图；（b）输出电压与位移关系
8.5 光纤传感器
直射型光纤位移传感器，如图8-45所示。
图8-45 直射型光纤 位移传感器
8.5 光纤传感器
膜片
光栅 输出光纤
输入光纤
相 对 光 强
图8-45光栅式光纤 水声传感器
相对位移/m
8.5 光纤传感器
其它光纤位移传感器，如图8-47所示。
8.5 光纤传感器
c是入射光线在纤芯中全反射传输的临界角，只要入射 角小于c，全反射条件成立。NA越大，c也越大，满足全 反射条件的入射光的范围也越大。因此，NA是光纤的一个 重要参数。 传感器所用光纤一般要求： 0.2NA0.4(11.5 c 23.6)；传输损耗10dB/km。 光纤的“模” 光纤中能传输的光波是其横向分量在光 纤 中形成驻波的光线组。这样一些光线组称为“模”。通信 技 术上常用的光纤模式： 单模（基模）光纤：5~10m纤芯，只能传输一个模 式（基模）的光波；
图8-65 Mach-Zehnrer光纤 温度传感器
8.5 光纤传感器
8.5.3.5 光纤流速、流量传感器
1．激光多普勒（Doppler）测速传感器 图8-66是光纤激光多普勒测速传感器示意图，把光纤探头以与管中心 线夹角的方向插入管道中，由光纤梢端发出的激光被运动流体中微粒 散射，产生多普勒频移的散射光信号，再由同一光纤耦合回传，并与原 信号光重叠产生差拍。 2nv cos 多普勒频移 f
图8-55 光纤加速度计实验装置
8.5 光纤传感器
马赫-泽德干涉仪输出电压与加速度的关系曲线如图8-55 所示，线性度很好。
图8-56光纤加速度干涉仪输出电压与加速度的关系
8.5 光纤传感器
2．倾斜镜式光纤加速度计
图8-57是倾斜镜式光纤加速度计原理图，基于光强度调制原理： 加速度a 质量块（含倾斜镜）m惯性力ma 悬臂梁弯曲变形 倾斜镜倾斜 反射光偏移 两接收光纤光强差异。
8.5 光纤传感器
光在光纤中的传播
8.5 光纤传感器
8.5.2 光纤传感器的结构和类型
结构：光纤传感器一般由光源、敏感元件、光纤、光敏 元件（光电接收）和信号处理系统组成。 类型： 按工作原理分类： 1．功能型光纤传感器 利用光纤本身的某种特性或功能 制成的传感器，如图8-42（a）所示。功能型光纤传感器只 能用单模光纤。 2．传光型光纤传感器 光纤仅仅起传输光波的作用，必 须在光纤端面加装其它敏感元件，才能构成传感器，如图842（b）所示。传光型光纤传感器主要采用多模光纤。
2 2 n12 n2 sin 2 r
(8-10) (8-11)


(8-12)
2 n12 n2 sin 2 r , (空气空气折射率n0 1)
8.5 光纤传感器
当r=/2临界状态时，i=c，折射光线CK变为CG，式 （8-12）变为 2 sin c n12 n2 NA （8-13） 纤维光学中把sinc定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture）。由于n1与n2相差较小，即n1+n22n1，则式（813）又变为 NA sin c n1 2 式中，=(n1n2)/n1，称为相对折射率差。由此可得： r=90时，sini=sinc=NA， c=arcsinNA； r>90时，光线发生全反射，i<c =arcsinNA； r<90时，式（8-12）成立，可以看出sini>sinc =NA， i>arcsinNA，光线散失。
8.5 光纤传感器
图8-42 光纤传感器类型 （a）功能型；（b）传光型
8.5 光纤传感器
按对光波的调制方式分类： 1.强度调制型光纤传感器 利用被测对象的变化引起敏感 元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度 变化来实现敏感测量的传感器。 2.相位调制型光纤传感器 利用被测对象对敏感元件的作 用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光 的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被 测对象的信息。 3.频率调制型光纤传感器 利用被测对象引起光频率的变 化来进行检测的传感器。 4.偏振调制型光纤传感器 利用光的偏振状态的变化来传 递被测对象信息的传感器。
图8-52 迈克尔逊光纤 位移干涉仪
8.5 光纤传感器
法布里-泊罗（Fabry-Perot）光纤干涉仪，如图8-53所
示。振动模片5与光纤4端面间的多光束干涉（F-P干涉仪） 受其间距的影响，可测振动模片的位移或振动。分辨率极 高，能反映0.01的微小位移。
图8-52 Fabry-Perot光纤位移干涉仪 1-He-Ne激光光源；2-透镜；3-半反镜；4-单模光纤； 5-振动模片；6-光探测器
图8-59 悬臂梁变形图 图8-57 倾斜镜式光纤加速度计原理图 图8-58 输入与接收 1-黄铜支撑体；2-黄铜板悬臂梁 光纤排列图 3-质量块；4-倾斜镜；5-自聚焦透镜 1-输入光纤；2、3-输出光纤 4-反射镜 6-光纤套筒；7-输入光纤；8-输出光纤
8.5 光纤传感器
8.5.3.3 光纤振动传感器 阻尼油
8.5 光纤传感器
8.5.3.2 光纤加速度传感器
1．马赫-泽德干涉仪光纤加速度计 图8-55是利用马赫-泽德（Mach-Zehnder）干涉仪的光纤 加速度计实验装置。 加速度a 质量块m产生惯性力（ma） 圆柱顺变体变 形 绕在顺变柱体上的单模光纤伸缩 产生传输光光程 （相位）差 干涉条纹（信号）变化。
8.5 光纤传感器
8.5.3 光纤传感器的应用
8.5.3.1 光纤位移传感器
1．光纤开关与定位装置 利用光纤中光强度的跳变（开关）来测出各种移动物体 的极端位置，输出信号是跳变信号。
8.5 光纤传感器
简单光纤开关、定位装置，如图8-43所示。 图8-43(a)：光纤计数；测位移（工件间隔均匀、已知）。 图8-43(b)：测角为移；测转速。 图8-43(c)：工件加工定位装置。 图8-43(d)：光纤液位检测、控制装置。
8.5 光纤传感器
8.5.1 光导纤维导光的基本原理
图8-40 光纤的基本结构
8.5 光纤传感器
8.5.1 光导纤维导光的基本原理
1．光导纤维的结构
光纤结构如图8-40所示。 纤芯，玻璃或石英，直径Φ为几十微米，折射率n1； 包层，玻璃或塑料，Φ=100~200m , 折射率n2； 保护层，塑料，折射率n3； 其中n2<n3<n1，故称为阶跃型光纤，光在纤芯中传播。 此外还有一种梯度型光纤，其断面折射率分布从中央高折射率逐步变 化到包皮的低折射率。
图8-47 光纤位移传感器 （a）档光型；（b）楔合型
8.5 光纤传感器
3.受抑全内反射光纤位移（液面）传感器 基于全内反射被破坏，而导致光纤传输特性改变的原理， 可以制成位移传感器来测位移、压力]温度、液位等。 受抑全内反射光纤位移传感器，如图8-48所示，直接耦 合。
图8-48 受抑全内反射位移传感器
图8-64 半导体的光透过率特性曲线 1-光源光谱分布；2-透过率曲线
8.5 光纤传感器
2．相位调制型光纤温度传感器 图8-65是Mach-Zehnrer光纤温度传感器原理图。 测量臂光纤受到温度场的作用时，传输光产生相应的相 位 变化，与参考臂光纤传输的光之间产生一定的相位差， 从而引起干涉条蚊的移动。光探测器接收干涉移动的变化 信 息反映被测温度的变化。
悬臂光纤 输入光
质量块
输出光纤
支架
8.5 光纤传感器
8.5.3.3 光纤振动传感器
1．相位调制光纤振动传感器 图8-60为检测垂直表面振动分量的光纤振动传感器原理图。 振动体振动 反射体位移 反射光束光程（相位）改变 信号光 束与参考光束间相位差 干涉。
特性： •可测振动体垂直分量振幅和面内振动 振幅，线性度好； •垂直分量振幅，106m； •表面内振动振幅，0.5107m； •可测频率范围：1kHz~30MHz。