光纤式传感器讲解

光电传感器 二、光纤传感器
第一节
光电效应及光电元件
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。
光电传感器
第一节
光电效应及光电元件
光纤传感器
光电传感器
第一节
光电效应及光电元件
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。
与其它传感相比较，光纤传感器有如下特点： 1)不受电磁干扰。光纤主要由电绝缘材料做成，工作时利用光子 传输信息，因而不怕电磁干扰；此外光波易于屏蔽，外界光的干 扰也很难进入光纤。
n1
)
光电传感器 二、光纤传感器
第一节
光电效应及光电元件
3 光强度调制型
光纤弯曲
原来光束以大于临界角的角度在纤芯中传播为全内反射，但在 弯曲处，光束以小于临界角的角度入射到界面。部分光逸出散 射到包层。 这种检测原理可以实现对力、位移和压强等物理量的测量
光电传感器 二、光纤传感器
第一节
光电效应及光电元件
2)可根据需要做成各种形状，可以弯曲； 可渗入机器内部或人
体弯曲的内脏等常规传感器不宜到达的部位进行探测 3)光纤传感器与信号传输于一体，利用它很容易构成分布式传感
测量。
光电传感器
第一节
光电效应及光电元件
光纤传感器优点突出，发展极快，自1977年以来，已研发出 测量位移、速度、加速度、压力、温度、流量、电场、磁场 等各种物理量的数百种光纤传感器。
C
则射入的光线在光纤的界面上发生全反射
n1
n0
2θ
B
0
φ
’
D C
n2
n1 d
θ
Θ A
光电传感器 一、 光纤的结构与传光原理 第一节
光电效应及光电元件
2 光纤的传光原理
光线会在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播至 另一端面。实际工作时光纤可能弯曲，主要仍满足全反射定 律，光线仍继续前进。由于光纤具有一定的柔软性，很容易 使光线转弯，这给传感器的设计带来了很大的方便。
光电传感器 一、 光纤的结构与传光原理 第一节
光电效应及光电元件 尼龙外层
1 光纤的结构
基本采用石英玻璃， 主要由三部分组成 中心——纤芯； 外层——包层；
玻璃纤维 包层
外层直径1mm 100 ~200μm 纤芯 涂敷层
护套——尼龙料。
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 ）。
n0
2θ
B
0
φ
’
D C
n2
n1 d
θ
Θ A
光电传感器 一、 光纤的结构与传光原理 第一节 由斯奈尔（Snell）定律：
光电效应及光电元件
n 0sin 0 n1sin n1cos n1 1 sin
2


1
2
设当Φ到达临界角ΦC时的入射角为θC，则：
n 0sin C n - n
光电传感器 二、光纤传感器
第一节
光电效应及光电元件
4 反射式光纤位移传感器
光纤只起传光作用。
光电传感器 二、光纤传感器
第一节
光电效应及光电元件
3 光强度调制型
光强度调制是光纤传感器最基本的调制形式。被测量通过 影响光纤的全内反射实现对输出光强度的调制。 从几何光学角度讲，调制的条件是：
arcsin(
n2
调制的具体途径： ① 改变光纤的几何形状，从而改变光线的传播入射角Φ； ② 改变光纤纤芯或者包层的折射率、
2 1
2 2
式中n0sinθC称为光纤的数值孔径，用NA表示。
它表示当入射光从折射率为n0的外部介质进入光纤时，只有入射
角小于θC的光才能在光纤中传播。否则，光线会从包层中逸出 而产生漏光。
光电传感器 一、 光纤的结构与传光原理 第一节
光电效应及光电元件
3 光纤的种类
光纤按纤芯和包层材料的性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两类； 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。
光电传感器 二、光纤传感器
第一节
光电效应及光电元件
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。
光电传感器 功能型光纤传感器 第一节 二、光纤传感器
光电效应及光电元件
2 光纤传感器的类型
功能型光纤传感器 这类传感器利用光纤
光电传感器 一、 光纤的结构与传光原理 第一节
光电效应及光电元件
2 光纤的传光原理
光纤传光的基础是光的全内反射。当光线以入射角θ进入光 纤的端面时，在端面发生折射，设折射角为θ’,然后光线以Φ角 入射至光纤与包层的界面。当Φ角大于纤芯与包层间的临界角 ΦC时，即 arcsin( n2 )
3 光强度调制型
折射率变化
改变光纤折射率实现调制的方法也很常用，对于不同的测量 对象可以采用不同的材料做包层，例如电光材料、磁光材料、 光弹材料等。 上图为光纤中光强度被油滴所调制的情况。
光电传感器 二、光纤传感器
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光电效应及光电元件
4 反射式光纤位移传感器
Y形光纤束 被 测 目 标
光源
接收 反射式光纤位移传感器结构简单，设计灵活，性能稳定，造价低 廉，能适应恶劣的环境，在实际工作中得到了广泛的应用。由光 源发出的光经发射光纤束传输入射到被测目标表面，目标表面的 反射光由与发射光纤束扎在一起接收光纤束传输至光敏元件。根 据被测目标表面反射至接收光纤束的光强度变化来测量被测表面 距离的变化。
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。
光电传感器 二、光纤传感器
第一节
光电效应及光电元件
2 光纤传感器的类型
传光型光纤传感器 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，