光纤检测及应用ppt课件.ppt

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1、第七章第七章 光纤检测技及应用光纤检测技及应用背景介绍 光纤传感器光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是是20世纪世纪70年代年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒媒介。因此，它同时具有光纤及光学测为传递敏感信息的媒媒介。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。量的特点。 经过经

2、过20余年的研究，光纤传感器取得了十分重要的进展，余年的研究，光纤传感器取得了十分重要的进展，目前正进入研究和实用并存的阶段。它对军事、航天航空技目前正进入研究和实用并存的阶段。它对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着十分重要的作用。随着新兴学科术和生命科学等的发展起着十分重要的作用。随着新兴学科的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量主要优点：主要优点：灵敏度

3、高、电绝缘性能好、抗电磁干扰灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可靠性强、可实、可靠性强、可实现不带电的全光型探头。现不带电的全光型探头。频带宽、动态范围大频带宽、动态范围大。可用很可用很相近的技术基础相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器构成传感不同物理量的传感器便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测系统的遥测和控制和控制。可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境恶劣环境。结构简单、体积小、重量轻、耗能少。结构简单、体积小、重量轻、耗能少。一 光纤的基础知识 光纤就是光导纤维的简称，是用光透射率高的

4、电介质（如石英、玻璃、塑料等）构成的光通路，它是一种介质圆柱光波导。 所谓光波导是指将以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束引导光波在光纤内部或表面附近沿轴线方向传播。1.1 基础一次涂覆层纤芯 包层套层一次涂覆层 包层 纤芯 套层1.2光纤波导的结构多层介质结构：多层介质结构：1 1、纤芯：石英玻璃，直径、纤芯：石英玻璃，直径5-75um5-75um，材料以二氧化硅为主，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素。掺杂微量元素。2 2、包层：直径、包层：直径100-200um100-200um，折射率略低于纤芯。，折射率略低于纤芯。3 3、涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。、涂敷层：硅酮

5、或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。4 4、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。 石英系列光纤（以SiO2为主要材料） 按光纤组成材料划分 多成分玻璃光纤（材料由多成分玻璃组成） 液芯光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤（以塑料为材料） 阶跃型光纤（单包层，折射率均布）（SIF） 按光纤纤芯折射率分布划分 渐变型光纤（单包层，折射率渐变）（GIF） W型光纤（双包层，折射率均布） 单模光纤（SMF） 按光纤传输模式数划分 多模光纤（MMF ）1.3 光纤的分类光纤的纤芯折射率剖面分布 2b 2b 2b 2c 2a 2a 2a n n n n1 n1 n1

6、n2 n2 n2 n3 0 a b r 0 a b r 0 a c b r （a）阶跃光纤 （b） 渐变光纤 （c）W型光纤 光纤的类型阶跃型多模光纤阶跃型多模光纤阶跃型多模光纤阶跃型多模光纤1.51.5光纤的损耗光纤的损耗损耗散射损耗制作缺陷折射率分布不均匀芯-涂层界面不理想气泡、条纹、结石本征散射及其他瑞利散射布里渊散射拉曼散射吸收损耗本征吸收紫外吸收红外吸收杂质离子的吸收过渡族金属离子OH- 离子其他损耗1.5.1光纤的损耗特性损耗的定义损耗的定义当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。损耗

7、一般用损耗系数这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数表示：表示：oiPPLlg10损耗的种类损耗的种类吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用；吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用；散射损耗：光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射；散射损耗：光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射；其他损耗：如光纤弯曲也引起散射损耗。其他损耗：如光纤弯曲也引起散射损耗。1.5.2 1.5.2 光纤的色散特性光纤的色散特性色散的定义色散的定义色散的种类色散的种类光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。色散主要影响系统的传输容量，也对中继

8、距离有影响。色散的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差。模式色散：模式色散：模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延不同而产生的色散。只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决于光纤的折射率分布。材料色散：材料色散：材料色散是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同产生的色散。取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。波导色散：波导色散：波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的色散。取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折射率差。 波导色散和材料色散都是模式的本身色散，也称模内色散。对于多模光纤，既有模式色

9、散，又有模内色散，但主要以模式色散为主。梯度型光纤中模式色散大为减少。 而单模光纤不存在模式色散，只有材料色散和波导色散，由于波导色散比材料色散小很多，通常可以忽略。采用激光光源可有效减小材料色散的影响。1.5 光纤的耦合光纤的耦合分为强耦合和弱耦合。 光纤的强耦合是光纤纤芯间形成直通，传输模直接进入耦合臂。 光纤的弱耦合是通过光纤的弯曲，或使其耦合处成锥状。于是，纤芯中的部分传导模变为包层模，再由包层进入耦合臂中的纤芯，形成传导模。光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器图2 光纤传感器信号处理电 源信号接收敏感元件图1 传统传感器 导线 由光发送器发出的光源经光纤引导至敏感元件。这时，光的某一

10、特性受到被测量的调制，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。2.1 光纤传感器结构 以电为基础的传统传感器是一种把被测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图1。 光纤传感器则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、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图2。二二 光纤传感器光纤传感器 根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类1）功能型（全光纤型）光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件

11、，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器2.2光纤传感器的分类2）非功能型（或称传光型）光纤传感器 光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤功能型光纤传感

12、器非功能型光纤传感器这类传感器利用光纤本身对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、偏振态等光特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。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。 2.3 几种主要的光纤传感器2.3.1 光纤陀螺光纤陀螺原理图1 光纤陀螺原理图光纤陀螺是基于Sagnac 效应，用光纤构成环状光路，组成光纤Sagnac 干涉仪。 来自光源的光束被分束器BS1分成两束光，分别从光纤圈的两端藕合进光纤敏感线圈，沿顺、逆时针方向传播。从光纤圈两端出来的

13、两束光，再经过合束器BS1而叠加产生干涉。 当光纤圈处于静止状态时，从光纤圈两端出来的两束光，光程差为零。当光纤圈以角速率旋转时由于Sagnac效应，顺、逆时针方向传播的两束光产生光程差L可表示为：引起的相应的相位差为上式就是光纤陀螺的基本公式，通过检测相位差（即干涉光强）就可以获得角速率的信息。应用 光纤陀螺信号检测的主要目的是从强噪声中取出弱信号。对开环系统，则主要是检测出由于光纤环旋转而引入的相位变化，为获得大动态范围和好的标度因数线性度，还必须对开环输出信号进行处理或建立闭环系统。简介 光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声

14、信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。 光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的监测。它既可用于海洋、陆地石油天然气勘探，也可用于海洋、陆地地震波检测以及海洋环境检测，它又是现代海军反潜作战及水下兵器试验的先进检测手段。 光纤水听器与传统水听器相比，在未来的声纳系统中作为接收阵列显示了更大的吸引力。它可以将大量单元的信号经由一单根光纤传输的大规模成阵的能力并具有水听器单元设计的灵活性。另外，它还具有灵敏度高，响应的带宽宽，单元及信号传输不受电磁干扰的影响等重要特点。 2.3.2 光纤水听器1光纤水听器原理 光纤水听器按原理可分为

15、干涉型、光栅型等。干涉型光纤水听器关键技术已经逐步发展成熟，在部分领域已经形成产品，而光纤光栅水听器则是当前光纤水听器研究的热点。（1）.干涉型光纤水听器原理 干涉型光纤水听器是基于光学干涉仪的原理构造的。 图1是基于Michelson光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。 由激光器发出的激光经3dB光纤耦合器分为两路:一路构成光纤干涉仪的传感臂,接受声波的调制,另一路则构成参考臂,提供参考相位. 两束波经后端反射膜反射后返回光纤耦合器,发生干涉,干涉的光信号经光电探测器转换为电信号,经过信号处理就可以拾取声波的信息。图1 基于Michelson光纤干涉仪光纤水听器 图2是基于Mach-Zehnd

16、er光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图. 激光经3dB 光纤耦合器分为两路,分别经过传感臂与参考臂,由另一个耦合器合束发生干涉,经光电探测器转换后拾取声信号。图2 基于Mach-Zehnder光纤干涉仪光纤水听器2).光纤光栅型光纤水听器原理 该型水听器基于光纤布拉格光栅反射波长随外界应力变化而移动原理，由于可在1根光纤上刻写多个光纤光栅，易构成准分布式传感。当宽带光源（BBS）输出光波经光纤布拉格光栅（FBG）时，波长满足该条件的光波将被反射，其余则透射effBn2式中：B为FBG 的中心反射波长；neff 为纤芯有效折射率，为光栅栅距。当传感光栅周围应力随水中声压变化时，将导致neff或的变

17、化，从而产生传感光栅相应的中心反射波长偏移。 即实现水声声压对反射信号光的波长调制。据检测中心反射波长偏移，再根据neff、与声压间的线性关系，即可获得声压变化信息。 偏移量为effeffnnB222 光纤水听器的特点(1). 低噪声特性. 光纤水听器采用光学原理构成,灵敏度高,由于噪声低的特性决定了其可检测的最小信号比传统压电水听器要高2 3 个数量级,这使弱信号探测成为可能.(2). 动态范围大. 压电水听器的动态范围一般在8090dB , 而光纤水听器的动态范围可以到120140dB.(3). 抗电磁干扰与信号串扰能力强. 全光光纤水听器信号传感与传输均以光为载体,几百兆赫以下的电磁干扰

18、影响非常小,各通道信号串扰也十分小。(4).适于远距离传输与组阵. 光纤传输损耗小,适于远距离传输. 光纤水听器采用频分、波分及时分等技术进行多路复用,适于水下阵列的大规模组阵.(5).信号传感与传输一体化,提高系统可靠性.激光由光源发出,经光纤传输至光纤水听器,并在拾取声信号后再经光纤传回到岸上或船上的信号处理设备,水下无电子设备. 另外,光纤对水密性要求低,耐高温、抗腐蚀,这些都将大大提高系统的可靠性.(6).工程应用条件降低. 采用全光光纤水听器的声纳系统,探测缆及传输缆皆为光缆,重量轻体积小,系统容易收放,使过去无法实现的方案成为可能,特别对拖曳阵列,由于工程应用条件的降低而使许多问题

19、简单化。3 光纤水听器的应用 光纤水听器主要是用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的监测。通过光纤传感与传输组合,可构成水下目标搜索、预警、探测和识别的阵列系统。光纤水听器由于采用光纤作为信息载体,适宜远距离、大范围监测,是现代海军反潜作战及水下兵器试验的先进检测手段。 随着各种先进技术在潜艇制造工艺中的应用,现代潜艇在水下运行时噪音不断降低,这给反潜作战带来巨大的挑战。目前大量装备的传统压电型水听器灵敏度已不能满足水声探测的实战需要,而且由于压电材料物理本质的原因,性能也难有较大的改进,而光纤传感器技术的发展,为研制高性能的水听器提供了技术可能性。2.3.3光

20、纤光栅传感器 光纤光栅是利用光纤中的光敏性(也称为光致折射率变化效应)制成的。 光纤光栅实质上是一种波长选择反射器，它的反射信号波长会受施于其上的温度和应变的影响而发生变化，这种反射波长的变化称之为波长位移。 利用光纤光栅的温度和应变两种效应，即采用光纤光栅做敏感元件，可以检测许多物理量。图1 光纤光栅传感器的应用框n如图1所示，光纤光栅在传感技术中应用前景十分广泛，尤其是利用光纤应变敏感性间接测量物理量方面大有发展潜力。光纤光栅的结构及传感原理利用紫外激光的干涉条纹在一个较小的长度范围内照射具有光敏性的光纤，可使该段光纤芯的折射率发生周期性的改变，从而形成光纤布拉格光栅，如图2所示当宽带光源

21、射入具有这种光栅的光纤时，光谱中以光栅的布拉格波长为中心的窄光谱在光栅处被反射，其他大部分将透射而沿原来方向传输。图2 全息法在光纤内制作光纤布拉格光栅的示意图当光栅发生应变时，由于弹性变形光栅的周期将发生改变，并且由于光弹效应使纤芯的折射率变化，这将引起中心波长的改变。光栅中心波长的改变与光栅温度的改变成良好的线性关系。测定光栅的中心波长的改变量，即可计算应变和(或)温度。通过适当转换，这一现象就可以用来传感多种物理量和化学量等。由相位变化量可以得到波长偏移量，进而获得温度或压力信息。例如通过实时测量应力、温度、振动等传感信息，以同时进行建筑物健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测时，光

22、纤光栅传感器是最理想的灵敏元件。光纤光栅传感器的应用某些类型的光纤光栅传感器已经商业化，虽然其在性能和功能方面需要不断提高，但可以说光纤光栅传感技术已开始向成熟阶段接近，目前对于光纤光栅传感的研究主要致力于实用和廉价解调系统的研究。这里分几个部分介绍光纤光栅传感器在地球动力学、航天器和船舶航运、民用工程结构、电力工业、医药和化学传感中的应用。在地球动力学中的应用在地震检测等地球动力学领域中，地表骤变等现象的原理及其危险性的估定和预测是非常复杂的，而火山区的应力和温度变化是目前为止能够揭示火山活动性及其关键活动范围演变的最有效手段。光纤光栅传感器在这一领域中的应用主要是在岩石变形、垂直震波的检测

23、以及作为地形检波器和光学地震仪使用等方面。活动区的应变通常包含静态和动态两种。光纤光栅传感器是能实现远距离和密集排列复用传感的宽带、高网络化传感器，符合地震检测等的要求，因此它在地球动力学领域中无疑具有较大的潜在用途。在航天器及船舶中的应用先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，而且可以减轻船体或航天器的重量，对于快速航运或飞行具有重要意义，因此复合材料越来越多地被用于制造航空航海工具(如飞机机翼) 。为全面地衡量船体的健康状况，需要了解其不同部位的变形力矩、剪切压力、甲板所受的抨击力，对于普通船体大约需要100个传感器，因此波长复用能力极强的光纤光栅传感器最适合于船体检测。光纤光栅传感系统可测

24、量船体的弯曲应力，而且可测量海浪对湿甲板的抨击力。另外，为了监测一架飞行器的应变、温度、振动、起落驾状态、超声波场和加速度情况，通常需要100多个传感器，故传感器的重量要尽量轻，尺寸尽量小，因此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。在民用工程结构中的应用民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康状况监测是非常关键。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及健康状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器

25、可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。在电力工业中的应用光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，从而成为电力工业应用的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的温度、大电流等都可利用光纤光栅传感器测量。在医学中的应用传感器的小尺寸在医学应用中是非常重要的，因为小的尺寸对人体组织的伤害较小，光纤光栅传感器是目前为止能够做到的最小的传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式测量人体组织内部的温度、压力、声波场的精确局部信息。到目前为止，光纤光栅传感系统已经成功地检测了病变组织的温度和超声波场,这为研究病变组织提供了有用的信息。光纤光栅传

26、感器还可用来测量心脏频率。在这种方法中，医生把嵌有光纤光栅的热稀释导管插入病人心脏的右心房，并注射入一种冷溶液，可测量肺动脉血液的温度，结合脉功率就可知道心脏的血液输出量，这对于心脏监测是非常重要的。新加坡南洋理工大学已经为国家总医院研制了一种光纤光栅压力传感器，帮助医生对病人进行外科手术校正。四 光纤传感器的应用 光纤传感器的应用开发根据当前的应用热点领域和技术类型大致分为如下方向： 1 光(纤)层析成像分析技术OCT; 2 光纤智能材料(SMART MATERIAL); 3 常规工业工程传感器。光(纤)层析成像分析技术OCT 光纤层析成像分析技术从兴起到应用不过只有二、三十年的时间，根据不

27、同的原理和应用场合，可将光纤层析技术分为光相干层析成像分析(OCT)和光过程层析成像分析技术(OPT)。 光层析成像技术源于X射线层析成像分析(CT)。其基本原理如图1所示。当X射线或光线传输经过被测样品时，不同的样品材料对射线的吸收特性不同，因此对经过样品的射线或光线进行测量、分析，并根据预定的拓扑结构和设计进行解算就可以得到所需要的样品参数。 图1 CT 的基本原理 光纤相干层析成像技术（OCT）主要应用于生物、医学、化学分析等领域，如视网膜扫描、胃肠内视和用于实现彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。其工作原理基于光的相干检测原理，基本系统结构如图2所示。图2 光相干层析成像系统基本结构

28、OCT为生物细胞和机体的活性检测提供了一种有效的方式，世界上有许多国家都开发出相应的产品。图3为视网膜的CT扫描图像。德国的科学家近期推出了一台可用作皮肤癌诊断的OCT设备。此外，利用OCT可以实现深度测量（1mm）的优势，已有实例应用于对生长中的细胞进行观察和监测中。 图3 眼科视网膜CT扫描图像 而OPT则面向工业工程油井、管线等场所，高精度地解决流体的过程测量问题。由于OPT所关心的是光线路径上的积分过程，因此相关的系统集成设计、测量理论分析中的单元分割与信号处理都是关键。 图4简单描绘了传统OPT的测量原理。由于OPT具有适用于狭小的或不规则的空间、安全性高、测量区域不受电磁干扰以及可

29、组成测量网络的多项优点，为工业过程的安全测量提供了一种优良的手段。图4 OPT基本测量原理智能材料 智能材料的提出和研究已有相当长的一段时间，为业内人士所熟悉。智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和材料中，从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、故障等的实时监控。其中，光纤和电导线与多种材料的有效结合是关键问题之一，尤其是实现与纺织材料的自动化编织。美国南卡罗来那州立大学、佛吉尼亚理工大学和费城纺织学院都在此方面进行了大量工作。 图5展示了一件嵌入光纤和电导线的背心。其中光纤和电导线的嵌入均已实现了自动化，为智能型服装的商业化解决了又一难题。图5 智能背心工业工程类传感器 传统的工业

30、工程类传感器包括应用光纤的电光和磁光效应进行测量的电力工业用大电压、电流传感器。图6为加拿大BC水电站所安装NXVCT的照片。图6 安装与加拿大BC水电站的NXVCT 在许多特殊场合核工业、化工和石油钻探中都应用了监测传感系统。图7是安装了嵌入式FBG温度传感器阵列的发电机定子。光纤传感器系统正日益走向成熟，并逐步融入日常的生产和生活之中。图7 安装嵌入式FBG温度传感器阵列的发电机定子光纤传感器有待研究的课题虽然如此，光纤传感技术的现状仍然远远不能满足实际需要，还有许多有待研究的课题：传感器的实用化研究。提高传感系统，尤其是传感器的性价比；传感器的应用研究。在现有的科研成果基础上，大力开展应

31、用研究和应用成果宣传；新传感机理的研究，开拓新型光纤传感器；传感器用特殊光纤材料和器件的研究,例如：增敏和去敏光纤、荧光光纤、电极化光纤的研究等。这一切都需要科研人员不断的努力。3.1 光纤位移传感器光纤位移传感器反射式光纤位移传感器结构如图所示。根据被测目标表面光反射反射式光纤位移传感器结构如图所示。根据被测目标表面光反射至接收光纤束的至接收光纤束的光强度的变化光强度的变化来测量被测表面距离的变化。来测量被测表面距离的变化。mmd127. 0三 光纤的应用典典型位移输出曲线如图所示。在型位移输出曲线如图所示。在输出曲线的前坡区输出曲线的前坡区I,I,输出信号强度输出信号强度增加得很快增加得很

32、快, ,这一区域可以用于微这一区域可以用于微米级的位移测量。在后坡区米级的位移测量。在后坡区II,II,信信号的减弱约与探头和被测表面之间号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比的距离平方成反比, ,可用于距离较可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。高的测量。反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器的原的原理如右图。理如右图。1 1、探头紧贴被测件时，无光接探头紧贴被测件时，无光接收没有电信号。收没有电信号。2 2、被测表面逐渐远离探头时，、被测表面逐渐远离探头时，有一个有一个线性增长线性增长的输出信号。有的输出信号。有一最大输出值一最大输出值

33、“光峰点光峰点”。3 3、继续远离时，输出信号越来继续远离时，输出信号越来越弱，与越弱，与距离平方成反比距离平方成反比。III5 . 01光纤液位传感器光纤液位传感器(a)Y型光纤；型光纤；(b)U型光纤；型光纤；(c)棱镜耦合棱镜耦合 3.2光纤液面位移传感器光纤液面位移传感器由由LED光源，光电二极管（光源，光电二极管（PD），），多模光纤等组成。多模光纤等组成。当测头置于空气中，没有接触液当测头置于空气中，没有接触液面时，光线在圆锥体内发生全内面时，光线在圆锥体内发生全内反射而返回到光电二极管。反射而返回到光电二极管。当测头接触液面时，由于液体折当测头接触液面时，由于液体折射率与空气不同

34、，全内反射被破射率与空气不同，全内反射被破坏，将有部分光线透入液体内，坏，将有部分光线透入液体内，使返回到光电二极管的光强变弱；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，表明数。返回光强发生突变时，表明测头已接触到液位。测头已接触到液位。 浸液自聚透镜光纤水银3.3 光纤温度传感器光纤温度传感器1、水银式光纤温度开关、水银式光纤温度开关简单类型的光纤温度传感器简单类型的光纤温度传感器左图为一种简单的利左图为一种简单的利用水银柱升降温度的用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，于对设定温度的控制

35、，温度设定值灵活可变。温度设定值灵活可变。下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当温度下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。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。这种形式的光纤向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤温度计能测量温度计能测量10105050的温度。检测精度约为的温度。检测精度约为0.50.5。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。长，一般需几分钟。接收光源遮光板双金属片2、遮光式光纤温度计、

36、遮光式光纤温度计3.4 光纤压力传感器光纤压力传感器反射式光纤压力反射式光纤压力传感器传感器是在前面介绍的光纤位移传感器的是在前面介绍的光纤位移传感器的探头前面加上一个膜片构成的，其结构如图所示。探头前面加上一个膜片构成的，其结构如图所示。膜片反射式光纤压力传感器示意图光源接收121 Y形光纤束 2 壳片 3 膜片3P利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就可以实现压力的检测。可以实现压力的检测。上图为简单的利用上图为简

37、单的利用Y Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。在形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。在Y Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。D DS SF FF F变形器变形器光纤光纤A A微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器光纤被夹在一对锯齿板中间，光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在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纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中分散射到包层中. . 光纤微弯增大，散射掉的光随之光纤微弯增大，散射掉的光随之增加，纤芯输出光强度相应减小。增加，纤芯输出光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移声压，或检测由压力引起的位移等物理量。等物理量。