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传感器光纤式传感器1现在学习的是第1页，共26页第九章 光纤式传感器n光导纤维（简称光纤）是一种用于传输光频电磁波的介质光波导。n光纤式传感器n是伴随光纤通讯和光电技术发展起来的一种新型传感器。n具有灵敏度高、响应速度快、动态范围大、防电磁干扰、超高电绝缘、防燃防爆等优点。可以测量力、温度、位移、角度、加速度、电流等物理量。n第一节 光纤式传感器原理n第二节 光纤式传感器应用光波导能将光能量限制并维持在一特定窄区域内，并使光沿此空间轴向传输的光通道。2现在学习的是第2页，共26页9.1 光纤式传感器原理n光纤的结构n由可以导光的透明介质纤维组成，具有圆形截面n一根实用化的光纤由多层透明介质组成，包括：n折射率较高的纤芯，用直径为微米级的圆柱形石英玻璃制成n折射率较低的包层n外层的涂敷层折射率n1=1.473现在学习的是第3页，共26页9.1 光纤式传感器原理n光纤的传光原理n根据光学原理，在空间是直线传播的，而在光纤中，光的传输却能限制在光纤之中，并随光纤的弯曲而走弯曲的路线，能够传递到很远的距离（如同导线中电流能在导线上传输一样的性能）。n由于光具有从光密物质射向光疏物质时，在一定的入射角范围内（即大于临界角）光线能产生全反射，即反射光不再离开光密介质。而光就能在光密介质中通过在光密介质和光疏介质的界面上产生多次全反射，而以锯齿形的路线在光密介质中传播。4现在学习的是第4页，共26页9.1 光纤式传感器原理n光的全反射现象n根据几何光学原理，当光线以较小的入射角1由光密介质1射向光疏介质2（即介质的折射率n1n2）时，则一部分入射光将以折射角2折射入介质2，其余部分仍以1反射回介质1。n当1角逐渐增大，直至1=c时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播(2=90)。对应于2=90时的入射角1称为临界角c 。n当1c时，光线将不再折射入介质2，而在介质内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。分界面5现在学习的是第5页，共26页9.1 光纤式传感器原理n光在光纤中的全反射n光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为 式中，NA光纤的数值孔径n数值孔径是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有2c张角内的光，才能被光纤接收、传播(全反射)。NA越大，光纤的集光能力就越强，但传输时信号畸变也越大，影响带宽。产品中通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的NA = 0.20.4。n如果入射角过大，光线进入纤芯后将在包层中消失。导波（导模）6现在学习的是第6页，共26页9.1 光纤式传感器原理n光在光纤中的传播路径n光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，该光线称为子午光线。包含子午光线和光纤轴线的固定平面称为子午面。n光线在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，该光线称为空间光线（斜光线）。(a) 子午光线(b) 空间光线7现在学习的是第7页，共26页9.1 光纤式传感器原理n光纤的分类n按纤芯的材料不同，有：玻璃光纤（主流）、塑料光纤n按光纤截面上折射率分布不同，有：阶跃型、渐变型n阶跃型：纤芯的折射率n1是常数n渐变型：纤芯的折射率不是常数，而是随着半径的增加而递减直到等于包层的折射率n2n按光纤传输的模式数目，分为：单模光纤、多模光纤n1n2渐变型光纤抛物线正弦曲线费马原理：光线的行进轨迹是从低折射率区弯向高折射率区8现在学习的是第8页，共26页9.1 光纤式传感器原理n光纤的传输模式n光以某一角度射入光纤端面，并在纤芯-包层交界面产生全反射，即为光的一个传输模式。n单模光纤：只能传输一种模式（即基模）的光纤n多模光纤：允许存在多个传输模式的光纤n光在传输过程中所呈现的空间分布形式（即电磁波场场形或光场场形）。不同模式的光会发生交叠和耦合。n当光纤的结构参数一定时，由入射光的角度和频率决定。高次模 基模 低次模9现在学习的是第9页，共26页9.1 光纤式传感器原理n单模光纤（SMF）n只能传输基模（即沿纤芯轴线传播的模）n纤芯直径D为810mn当光纤满足归一化频率V 30km）传输。制成的单模光纤传感器线性好，灵敏度高。n单模光纤使用的光波长主要为1.31m 。n需要极为昂贵的激光作为光源体 。n多模光纤n模间色散较大，限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几千米，传输容量较小。n与光器件的耦合相对容易，价格相对便宜，一般以价格较低的发光二极管作为光源。12现在学习的是第12页，共26页9.1 光纤式传感器原理n总结n每种光纤只允许某些特定的光波通过，每一种允许在光纤中传输的特定形式的光波即为一个模式。n在同一光纤中传输的不同模式的光，其传播方向、速度和路径不同，导致光纤的衰减也不同。若观察光纤的横截面，不同模式的光波在截面上的光的强度分布图形也不同，有的是一个光斑，有的为几个光斑。根据光斑的数目可以判断是单模或多模光纤。n能够在光纤内实现全反射的光波，在传输时损耗小，可以作远距离传输，称为传导模。n不同模式的光的传输方向不是连续改变的。以不同角度在光纤中传输的光所走的路径也不同。13现在学习的是第13页，共26页9.1 光纤式传感器原理n光纤的色散n光可以是强度连续变化的光束，也可以是光脉冲。光脉冲通过光纤传播时，其幅值衰减下降，此外，由于其它因素的影响，光脉冲被展宽，这种在光纤中产生脉冲展宽现象称为色散，将会使施加在光束上的信息丢失。n光信号在光纤中是由不同频率成分、不同模式成分携带的，这些不同频率、不同模式的光波具有不同的传输路径，从而引起色散。引起色散的原因有很多，由于信号不是单一频率而引起的色散有材料色散和波导色散，由于信号不是单一模式而引起的色散为模式色散。从影响大小看：模式色散 材料色散 波导色散14现在学习的是第14页，共26页9.1 光纤式传感器原理n传输损耗n由于光纤纤芯材料吸收、散射，以及光纤弯曲处的辐射损耗影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要损耗。n材料的吸收损耗n光纤的散射损耗n辐射损耗n弯曲损耗n光纤的时延差n与纤芯-包层的相对折射率差和光纤长度有关。因此，常使用相对折射率差较小的光纤，称为弱导光纤。15现在学习的是第15页，共26页9.1 光纤式传感器原理n光的波动理论n是一种比几何光学方法更严格的数学分析工具n从光波的本质特性电磁波出发，通过求解电磁波所遵从的麦克斯韦方程，导出电磁波场的分布，具有理论严谨性。n未作任何前提近似，因此适用于各种折射率分布的单模、多模光波导。n模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征。16现在学习的是第16页，共26页9.1 光纤式传感器原理n光纤式传感器n是用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒介，把被测量的状态转变成可测的光信号装置。n与传统传感器相比，它不受电磁干扰，体积小、重量轻、灵敏度高、动态范围大、电绝缘性能好。在易爆、易燃、强腐蚀、高压、强电磁场等恶劣环境下能发挥传感功能。n用于位移、速度、加速度、压力、液位、流量、温度、电流等多种物理量的检测，应用前景极为广泛。17现在学习的是第17页，共26页9.1 光纤式传感器原理n光纤式传感器的组成n光发送器（光源）：白炽灯、激光、半导体光源n敏感元件n光接收器（光电器件）：光敏二极管、光电（倍增）管n光纤和接头n光纤耦合器(a) 传统传感器 (b) 光纤传感器18现在学习的是第18页，共26页9.1 光纤式传感器原理n光纤式传感器的分类n功能型n光纤不仅作为导光媒质而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制n非功能型（传光型）n光纤在其中仅作导光作用，光照在非光纤型敏感元件上受被测量调制n拾光型n用光纤作为探头，接收由被测对象幅射的光或被其反射、散射的光19现在学习的是第19页，共26页9.2 光纤式传感器应用n光纤传感器外形20现在学习的是第20页，共26页9.2 光纤式传感器应用n光纤温度传感器n利用被测对象表面幅射能随温度变化而变化的特性，通过光纤将幅射能传输到温度敏感元件上，经过信号处理再变换成可供记录、显示的电信号。n由半导体光吸收器、光纤、光源和接收器等组成。当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定的波长的光将被半导体吸收而高于该波长的光将透过半导体。不同类的半导体具有不同的本征吸收波长，并且半导体薄片吸收波长随温度上升而增大。外套加强管光纤半导体薄片光源接收III21现在学习的是第21页，共26页9.2 光纤式传感器应用n光纤式光电开关反射型遮断型反射镜反射型22现在学习的是第22页，共26页9.2 光纤式传感器应用n光纤式光电开关标志孔电路板标志检测 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 光纤 耦合器传输光纤出射光纤23现在学习的是第23页，共26页9.2 光纤式传感器应用n光纤式光电开关 采用遮断型光纤光电开关对IC 芯片引脚进行检测24现在学习的是第24页，共26页9.2 光纤式传感器应用n光纤式光电开关遮断型出射光纤接收光纤25现在学习的是第25页，共26页9.2 光纤式传感器应用n光纤液位传感器n光纤测头端有一个圆锥体反射器。当测头置于空气中没接触液面时，光线在圆锥体内发生全内反射而回到光电二极管。当测头接触液面时，由于液体折射率与空气不同，全内反射被破坏，有部分光线透入液体内，使返回到光电二极管的光强变弱；返回光强是液体折射率的线性函数。返回光强发生突变时，表明测头已接触到液位。光源 光接收器光源 光接收器26现在学习的是第26页，共26页