光电式传感器-光纤传感器.ppt

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1、第8章 光电式传感器 8.2光光纤纤传传感感器器光纤传感器（FOS）是基于光导纤维它制成的新型传感器。1.光纤传感器光纤传感器与常规传感器相比也有很多特点：与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能力强、高灵敏度抗电磁干扰能力强、高灵敏度、耐腐蚀、可挠曲、体积、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。2.特点特点第8章 光电式传感器 光纤传感器可应用于：光纤传感器可应用于：位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、电流、磁场、电压

2、、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等值等70多个物理量的测量多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。3.光纤传感器的应用光纤传感器的应用第8章 光电式传感器 8.2.1光纤结构及其传光原理光纤结构及其传光原理光导纤维简称光纤，光导纤维简称光纤，中心的圆柱体叫纤纤芯芯，围绕着纤芯的圆形外层叫包层包层。纤芯和包层通常由不同掺杂的石英玻璃石英玻璃制成。纤芯的折射率n1(光密介质光密介质)略大于包层的折射率n2(光疏介质光疏介质)，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。在包层外面还常有一层保护套保护套，多为尼尼龙材料龙材料，以增加机械强度。1.光纤结构光纤结构第8章 光电式传感器 光

3、缆的外形及光纤的拉制光缆的外形及光纤的拉制光缆的外形及光纤的拉制光缆的外形及光纤的拉制第8章 光电式传感器 2.光纤传光原理光纤传光原理根据几何光学原理，当光线以较小的入射角1由光密介质光密介质1射向光疏介质光疏介质2（n n1 1n n2 2）时，一部分入射光将以折射角一部分入射光将以折射角一部分入射光将以折射角一部分入射光将以折射角 2 2折射折射折射折射入介质入介质入介质入介质2 2，其余部分仍以，其余部分仍以，其余部分仍以，其余部分仍以 1 1反射回反射回反射回反射回介质介质介质介质1 1。光在两介质界面光在两介质界面上的折射和反射上的折射和反射光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。

4、光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。第8章 光电式传感器 图840光纤的传光原理若光在若光在纤芯和包层的界面纤芯和包层的界面上发生全反射上发生全反射，则界面上的光线临界折射角临界折射角c=90，即c=90。根据斯涅耳（斯涅耳（Snell）光的折射定律）光的折射定律，由图8-40可得n0为光纤外界介质的折射率。为光纤外界介质的折射率。第8章 光电式传感器 当当=c=90时（即发生全反射条件），有时（即发生全反射条件），有产生全反射的条件产生全反射的条件产生全反射的条件产生全反射的条件第8章 光电式传感器 为满足光在光纤内的全内反射，满足光在光纤内的全内反射，光入射到光纤端面的入射角光入射到光

5、纤端面的入射角i应满足应满足一般光纤所处环境为空气，则空气，则n0=1，这样上式可表示为实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍然继续前进。可见这里的光线光线“转弯转弯”实际上是由光的全反射所形成的实际上是由光的全反射所形成的。第8章 光电式传感器 光的全反射实验光的全反射实验第8章 光电式传感器 8.2.2光纤基本特性光纤基本特性数数值值孔孔径径是是表表征征光光纤纤集集光光本本领领的的一一个个重重要要参参数数，即即反反映映光光纤纤接接收收光光量量的的多少。多少。其其意意义义是是：无论光源发射功率有多大，只只有有入入射射角角处处于于2c的的光光椎椎角角内内，光光纤纤才才能能导导光光

6、。如入射角过大，光线便从包层逸出而产生漏光。光纤的NA越越大大，表表明明它它的的集集光光能能力力越越强强，一一般般希希望望有有大大的的数数值值孔孔径径，这这有有利利于于提提高高耦耦合合效效率率；但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为石英光纤数值孔径一般为0.20.4。数值孔径（数值孔径（NA）定义为）定义为1.数值孔径（数值孔径（NA）第8章 光电式传感器 2.按光纤传输模数分类按光纤传输模数分类根据光纤的传输模式分类，可以把光纤分为多多模模光光纤纤和单模光纤单模光纤两类。模的概念可简单介绍如下：模的概念可简单介绍如下：在纤芯内传播的光波，可以

7、分解为沿轴向分解为沿轴向传播的平面波平面波和沿垂直方向垂直方向（剖面方向剖面方向）传播的平面波平面波。沿剖面方向传播的平面波沿剖面方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上将产生反射将产生反射。如果此波在一个往复（入射和反射）中相位变化为2的整数倍，就会形成驻波。只有能只有能形成驻波形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光波才能在光纤内传的那些以特定角度射入光纤的光波才能在光纤内传播播，这些光波就称为模模。第8章 光电式传感器 一般纤芯直径为一般纤芯直径为212m，只能传输一种模式称为单模光纤，只能传输一种模式称为单模光纤，常用于光常用于光纤传感器纤传感器。这类光纤的传输性能好，信号畸变小，信息容量大，

8、线性好，灵敏度高，但由于纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困难。在光纤内只能传输一定数量的模在光纤内只能传输一定数量的模。通常，纤芯直径较粗（几十m以上）时，能传播几百个以上的模，而纤芯很细（510m）时，只能传播一个模。前者称为多模光纤多模光纤，后者称为单模光纤单模光纤。纤芯直径较大（纤芯直径较大（50100m）传输模式较多称为多模光纤）传输模式较多称为多模光纤。这类光纤的性能较差，输出波形有较大的差异，但由于纤芯截面积大，故容易制造，连接和耦合比较方便。第8章 光电式传感器 3.光纤传输损耗光纤传输损耗目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。在这些材料中，由于存在杂质离子、原

9、子的缺陷由于存在杂质离子、原子的缺陷等都会吸收光，从而造成材料吸收损耗。等都会吸收光，从而造成材料吸收损耗。（1）吸收损耗）吸收损耗光纤传输损耗主要来源于材料吸收损耗吸收损耗吸收损耗吸收损耗、散射损耗散射损耗散射损耗散射损耗和光波导弯曲损耗光波导弯曲损耗光波导弯曲损耗光波导弯曲损耗。第8章 光电式传感器 散散射射损损耗耗主主要要是是由由于于材材料料密密度度及及浓浓度度不不均均匀匀引引起起的的，这这这这种种种种散散散散射射射射与与与与波波波波长长长长的的的的四四四四次次次次方方方方成成成成反反反反比比比比。因此散射随着波长的缩短而迅速增大。所所以以可可见见光光波波段段并并不不是是光光纤纤传传输输

10、的的最最佳佳波波段段，在在在在近近近近红红红红外外外外波波波波段段段段（11.7m11.7m）有有有有最最最最小小小小的的的的传传传传输输输输损损损损耗耗耗耗。因因因因此此此此长长长长波波波波长长长长光光光光纤纤纤纤已成为目前发展的方向。已成为目前发展的方向。已成为目前发展的方向。已成为目前发展的方向。（2）散射损耗）散射损耗光光纤纤拉拉制制时时粗粗细细不不均均匀匀，造成纤维尺寸沿轴线变化，同样会引起光的散射损耗。另外纤芯和包层界面的不光滑、污染等，也会造成严重的散射损耗。第8章 光电式传感器 光波导弯曲损耗是使用过程中可能产生的一种损耗。光波导弯曲会引起传输模式的转换，激发高阶模进入包层产生

11、损耗。当弯曲半径大于弯曲半径大于弯曲半径大于弯曲半径大于10cm10cm时，损耗可忽略不计时，损耗可忽略不计时，损耗可忽略不计时，损耗可忽略不计。（3）光波导弯曲损耗）光波导弯曲损耗第8章 光电式传感器 光纤传输损耗光纤传输损耗光纤传输损耗光纤传输损耗设光纤入射端与出射端的光功率分别为Pi 和Po，光纤长度为L（单位：km），则光纤的损耗a(单位：dBkm)可以用下式计算：第8章 光电式传感器 光纤传感器原理实际上是研究光光在在调调制制区区内内，外外界界信信号号（温温度度、压压力力、应应变变、位位移移、振振动动、电电场场等等）与与光光的的相相互作用互作用，即研究光被外界参数的调制原理。即研究光

12、被外界参数的调制原理。即研究光被外界参数的调制原理。即研究光被外界参数的调制原理。8.2.3光纤传感器光纤传感器1.光纤传感器的基本工作原理及组成光纤传感器的基本工作原理及组成（1）基本工作原理）基本工作原理外界信号外界信号可能引起光的强度、光的强度、波长、频率、相位、偏波长、频率、相位、偏振态等振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制从而形成不同的调制。第8章 光电式传感器 光纤传感器由光源、敏感元件（光源、敏感元件（光纤或非光纤的光纤或非光纤的）、光探）、光探测器、信号处理系统、光纤等组成。测器、信号处理系统、光纤等组成。（2）光纤传感器的组成）光纤传感器的组成如图8-41所示。由光源发出

13、的光通过源光纤引到敏感元件，被测参数作用于敏感元件，在光的调制区内，使光的某一性质受到被测量的调制，调制后的光信号经接收光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号，最后经信号处理得到所需要的被测量。第8章 光电式传感器 图图8-41光纤传感器组成示意图光纤传感器组成示意图（a）传感型；传感型；（b）（）（c）传光型；（传光型；（d）拾光型）拾光型第8章 光电式传感器 光纤传感器外形光纤传感器外形光纤位移传感器光纤位移传感器光纤应变传感器光纤应变传感器西门子光纤传感器西门子光纤传感器第8章 光电式传感器 2.光纤传感器的分类光纤传感器的分类光纤传感器分为两大类：光纤传感器分为两大类：功能型功能型功

14、能型功能型非功能型非功能型非功能型非功能型1 1）根据光纤在传感器中的作用）根据光纤在传感器中的作用）根据光纤在传感器中的作用）根据光纤在传感器中的作用第8章 光电式传感器（1）功能型（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器利用光纤本身光纤本身的某种敏感特性或功能敏感特性或功能制成的传感器，称为功能型传感器（功能型传感器（FunctionalFiber，缩写为缩写为FF），），又称为传感型传感器；传感型传感器；利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特或特殊光纤殊光纤)作传感元件，作传感元件，将将“传传”和和“感感”合为一体的传感器合

15、为一体的传感器。第8章 光电式传感器 光纤不仅起传光作用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，其光学特性光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现变化来实现“传传”和和“感感”的功能的功能。因此，传感器中光纤是连续光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。第8章 光电式传感器（2 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器）非功能型（或称传光型）光纤传感器是光光纤纤仅仅仅仅起起传传输输光光的的作作用用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化，这类传感器称为非非功功能能型型（NonFunctionalFiber，缩缩写写为为NFF）传感器，又称为

16、传光型传感器。）传感器，又称为传光型传感器。光纤仅起导光作用，光纤仅起导光作用，只只“传传”不不“感感”，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。在这种情况下，光纤只是作为光的传输回路，如图如图8-14(b)、（、（c）所示）所示，光纤不连续。光纤不连续。光纤不连续。光纤不连续。第8章 光电式传感器 在在非非功功能能型型光光纤纤传传感感器器中中，也也有有并并不不需需要要外外加加敏敏感感元元件件的的情情况况，光纤把测量对象所辐射、反射的光信号传播到光电元件如如图图8-14（d）所示所示。这种光纤传感器也叫探针型（拾光型）光纤传感器探针型（拾光型）光纤传感器。该类传感器中通常使用单

17、模光纤或多模光纤。典型的例子有光纤激光多普勒速度光纤激光多普勒速度传感器传感器、光纤液位传感器（外加激光光源）、光纤辐射温度传感器光纤液位传感器（外加激光光源）、光纤辐射温度传感器等，其特点是非接触式测量，而且具有较高的精度。第8章 光电式传感器 2 2）根据光受被测对象的调制形式）根据光受被测对象的调制形式强度调制型强度调制型偏振调制型偏振调制型频率调制型频率调制型相位调制型相位调制型第8章 光电式传感器（1 1）强度调制型光纤传感器）强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率折射率、吸收吸收或反射反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。而导致光强度

18、变化来实现敏感测量的传感器。而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗微弯损耗；各物质的吸收特性吸收特性；振动膜或液晶的反射反射光光强度强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而粒子射线或化学、机械的激励而发光发光的现象的现象；以及物质的荧光物质的荧光辐射辐射或或光路的光路的遮断遮断等来等来构成压力、振动、温度、位移、气体构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。等各种强度调制型光纤传感器。优点优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。第8章 光电式传感器 是一种利用

19、光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法法拉拉第第效效应应做成的电电流流、磁磁场传感器场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡泡尔尔效效应应做成的电电场场、电压传感器电压传感器；这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。（2 2）偏振调制光纤传感器）偏振调制光纤传感器第8章 光电式传感器（3 3）频率调制光纤传感器）频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光单色光射到被测物体上反射回来的光单色光射到被测物体上反射回来的光单色光射到被测物体

20、上反射回来的光的频率频率发生变化发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应多普勒效应的光纤速度、速度、流速、振动、压力、加速度传感器流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射喇曼散射构成的测量气体浓度测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器或监测大气污染的气体传感器。第8章 光电式传感器 （4 4）相位调制传感器）相位调制传感器 其基本原理是利利用用被被测测对对象象对对敏敏感感元元件件的的作作用用，使使敏敏感感元元件件的的折折射射率率或或传传播播常常数数发发生生变变化化，而而导导致致光光的的相相位位变变化化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通通

21、过过检检测测干干涉涉条条纹纹的的变变化化量量来来确确定定光光的的相相位位变变化化量量，从从而得到被测对象的信息而得到被测对象的信息。通常有：利用磁致伸缩效应磁致伸缩效应的电流、磁场传感器电流、磁场传感器；利用电电致致伸伸缩缩的电电场场、电电压压传传感感器器以及利用光光纤纤赛赛格格纳纳克克（Sagnac）效效应应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。利用用光光弹弹效效应应（物物质质的的弹弹性性应应变变，产产生生双双折折射射，引引起起其其折折射射率率变变化化的的现现象象 ）的声、压力或振动传感器的声、压力或振动传感器；这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系

22、统，因此成本高成本高。第8章 光电式传感器 传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光线传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa非干涉型强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调制光纤温度传感器法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流

23、、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制光纤温度传感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、加速度气体浓度温度MMMMMMcbb注：注：MM多模；多模；SM单模；单模；PM偏振保持；偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型功能型、非功能型、拾光型第8章 光电式传感器 8.2.4功能型光纤传感器举例功能型光纤传感器举例当一束波长为的相干光相干光在光纤中传播时，光波的相位角相位角与光纤的长度长度L、纤芯折射率、纤芯折射率n1和纤芯直径和纤芯直径d有关。光纤受到光纤受到物理量的作用时物理量的作用时，这三个参数就会发生不同程度的变化，从这三个参数

24、就会发生不同程度的变化，从而引起光相移。而引起光相移。一般说来，光纤长度和折射率的变化引起光相位的变化要比纤心直径引起光相位的变化大得多，因此纤芯直径纤芯直径纤芯直径纤芯直径d d引起引起引起引起的光相位变化可以忽略的光相位变化可以忽略的光相位变化可以忽略的光相位变化可以忽略。1.相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器（1 1）相位调制的原理）相位调制的原理第8章 光电式传感器 当光纤受到物理量的作用时，则相位角变化为当光纤受到物理量的作用时，则相位角变化为式中：光波相位角的变化量；L光纤长度的变化量；n1光纤纤芯折射率的变化量；L光纤轴向应变（光纤轴向应变（L=LL）。）。由普通物理学知道

25、由普通物理学知道由普通物理学知道由普通物理学知道，在一段长为L的单模光纤（纤芯折射率为n1）中，波长为的输出光相对输入端输出光相对输入端来说，其相角为第8章 光电式传感器 于是，就可以应用光的应用光的相位检测技术测量出相位检测技术测量出温度、压力、温度、压力、加速度、电流等物理量。加速度、电流等物理量。由于光的频率很高（约为1014Hz），光电探测器光电探测器不能跟踪不能跟踪以这样高的频率高的频率进行变化的瞬时值变化的瞬时值，因此，光波的相位变化因此，光波的相位变化因此，光波的相位变化因此，光波的相位变化是不能够直接被检测到的。是不能够直接被检测到的。是不能够直接被检测到的。是不能够直接被检测

26、到的。为此，应用光学干涉测量技术将应用光学干涉测量技术将应用光学干涉测量技术将应用光学干涉测量技术将相位调制相位调制相位调制相位调制转换成转换成转换成转换成振幅（强振幅（强振幅（强振幅（强度）调制度）调制度）调制度）调制。第8章 光电式传感器 在光纤传感器光纤传感器中常采用采用马赫马赫马赫马赫-泽德（泽德（泽德（泽德（Mach-ZehaderMach-Zehader）干）干）干）干涉仪涉仪涉仪涉仪等几种不同的干涉测量仪。它们有一个共同之处，即光源的输出光都被分束器（棱镜或低损耗光纤耦合器）分成光功率相等的两束光分成光功率相等的两束光（也有分成几束光的），并分别耦合到两根或几根光纤中去并分别耦合

27、到两根或几根光纤中去。在光纤的输出端再将这些分离光束汇合起来，输到一个光电输出端再将这些分离光束汇合起来，输到一个光电探测器探测器。在干涉仪中，采用锁相零差、合成外差等解调技术，就可以检测出相位调制信号。第8章 光电式传感器 利用马赫马赫-泽德干涉仪泽德干涉仪测量压力或温度的相位调制型光纤传感器组成原理图如图8-42所示。He-Ne(氦-氖)激光器发出的一束相干光（相位恒定的光）相干光（相位恒定的光）经经过扩束以后，被分束器分成两束光，分别耦合到传感光纤传感光纤和参考光纤参考光纤中。传感光纤被置于被测对象的环境中，感受压力（或温度）信号；参考光纤不感受被测物理量。这两根单模光纤构成干涉仪的两个

28、臂。这两根光纤再通过光纤耦合器这两根光纤再通过光纤耦合器组合起来，以便产生相互干涉，形成一系列明暗相间的干涉组合起来，以便产生相互干涉，形成一系列明暗相间的干涉条纹。条纹。（2）相位调制型光纤压力和温度传感器）相位调制型光纤压力和温度传感器第8章 光电式传感器 图图8-42用马赫用马赫-泽德干涉仪测量压力或温度的相位调制型泽德干涉仪测量压力或温度的相位调制型光纤传感器组成原理图光纤传感器组成原理图第8章 光电式传感器 当传感光纤感受到温度变化时，光纤的折射率折射率会发生变化，而且因光纤的热胀冷缩使其长度长度发生改变发生改变。由式（8-16）知，光纤的长度和折射率变化，将会引起传播光的相位角变化

29、相位角变化。这样，传感光纤和参考光纤的两束输出光的相位也发生了变传感光纤和参考光纤的两束输出光的相位也发生了变化化，从而使合成光强随着相位的变化而变化（增强或减弱），合成光强随着相位的变化而变化（增强或减弱），即干涉。即干涉。于是，通过光电探测器，就可以将合成光强的强弱变化通过光电探测器，就可以将合成光强的强弱变化转换成电信号大小的变化转换成电信号大小的变化。第8章 光电式传感器 图8-43随着温度T的上升，光相位变化与输出电流的关系光相位变化与输出电流的关系第8章 光电式传感器 如图如图8-438-43所示。由图中可以看出：所示。由图中可以看出：在初始情况（室温26），传感光纤中的传播光与参

30、考光纤中的传播光同同相相，输出光电流最大。，输出光电流最大。随着随着T的上升，相位增加，光电流逐渐减小。的上升，相位增加，光电流逐渐减小。T继续上升，到26.03，相移增加增加弧度弧度，光电流达到最小值。继续上升到26.06，相移增加到2弧度弧度，光电流又上升到最大值。这样，光的相位调制便转换成电信号的幅值调制光的相位调制便转换成电信号的幅值调制。T上升了上升了0.06，相位，相位变化了变化了2弧度，干涉条纹移动了一根弧度，干涉条纹移动了一根。如果在两光纤的输出端用光电元件来扫描干涉条纹的移动，如果在两光纤的输出端用光电元件来扫描干涉条纹的移动，并变换成电信号，再经放大后输入记录仪，从从记录的

31、移动条纹数记录的移动条纹数就可以就可以检测出温度（或检测出温度（或压力）信号压力）信号。第8章 光电式传感器 2.光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器图图8-44光纤微弯对传播光的影响光纤微弯对传播光的影响光纤微弯曲位移和压力传感器光纤微弯曲位移和压力传感器是光强调制型光纤传感器的一个典型例子。它是基于光纤微弯而产生的弯曲损耗原理制成的它是基于光纤微弯而产生的弯曲损耗原理制成的。微弯曲损耗的机理可用图8-44中光纤微弯对传播光的影响来说明。第8章 光电式传感器 假如光线在光纤的直线段以大于临界角射入界面（1c），则光线在界面上产生全反射产生全反射。理想情况下，光将无衰减地在纤芯内传播。当光

32、线射入微弯曲段的当光线射入微弯曲段的界面上时界面上时，入射角将小于临界角（1c）。这时，一部分光在纤芯一部分光在纤芯和包层的界面上反射；另一部分光则透射进入包层，从而导致光能的损和包层的界面上反射；另一部分光则透射进入包层，从而导致光能的损耗耗。基于这一原理，人们研制成了光纤微弯曲传感器如图如图8-45所示所示。图图8-45光纤微弯曲位移（压力）传感器原理图光纤微弯曲位移（压力）传感器原理图第8章 光电式传感器 该传感器由两块波形板（变形器）两块波形板（变形器）构成，其中一块是活动板一块是活动板，另一另一块是固定板块是固定板。波形板一般采用尼龙、有机玻璃等非金属材料制成。一根一根阶跃型多模光纤

33、（或渐变型多模光纤）阶跃型多模光纤（或渐变型多模光纤）从一对波形板之间通过。当活动当活动板受到微扰（位移或压力）板受到微扰（位移或压力）作用时作用时，光纤就会发生，光纤就会发生周期性微弯曲周期性微弯曲，引起，引起传播光的散射损耗，使传播光的散射损耗，使光在芯模中重新分配光在芯模中重新分配：一部分光从芯模（传播模）耦合到包层模（辐射模）；另一部分光反射回芯模。当活动板的位移或压力增加时，泄漏到包层的散射光随当活动板的位移或压力增加时，泄漏到包层的散射光随之增大，光纤芯模的输出光强度就减小。之增大，光纤芯模的输出光强度就减小。第8章 光电式传感器 参见图参见图8-46。于是光强就受到了调制。于是光

34、强就受到了调制。通过检测泄漏出包层的散射光通过检测泄漏出包层的散射光强度或光纤芯透射光强度就能测出位移（或压力）信号强度或光纤芯透射光强度就能测出位移（或压力）信号。图图8-46光纤芯透射光强度与外力的关系光纤芯透射光强度与外力的关系第8章 光电式传感器 特点：特点：光纤微弯曲传感器的一个突出优点是光功率维持在光纤内部，这样就可以免除周围环境污染的影响，适宜在恶劣环境免除周围环境污染的影响，适宜在恶劣环境中使用中使用。它还有灵敏度较高灵敏度较高（能检测小至100Pa的压力变化）、结结构简单、动态范围宽、线性度较好、性能稳定构简单、动态范围宽、线性度较好、性能稳定等优点。因此，光纤微弯曲传感器是

35、一种有发展前途的传感器光纤微弯曲传感器是一种有发展前途的传感器。第8章 光电式传感器 图图8-47偏振态调制型光纤电流传感器测试原理偏振态调制型光纤电流传感器测试原理偏振态调制型光纤传感器的典型应用例子之一是输电线电流的测量输电线电流的测量。偏振态调制型光纤电流传感器测试原理如图如图8-47所示。3.偏振态调制型光纤传感器偏振态调制型光纤传感器法拉第磁光效应法拉第磁光效应（偏振光面发生偏转）（偏振光面发生偏转）第8章 光电式传感器 如如图图8-47中所示，从激光器发出的激光经经起起偏偏器器变变成成线线偏偏振振光光，再经显微物镜（10）聚焦耦合到单模光纤中。为为了了消消除除光光纤纤中中的的包包层

36、层模模，可可把把光光纤纤浸浸在在折折射射率率高高于于包包层层的的油油中中，再再将将单单模模光光纤纤以以半半径径R绕绕在在高高压压载载流流导线上。导线上。根据法拉第旋光效应法拉第旋光效应，由电流所形成的磁场会引起光纤中线偏振光电流所形成的磁场会引起光纤中线偏振光的偏转的偏转。检测偏转角的大小，就可得到相应的电流值检测偏转角的大小，就可得到相应的电流值。设通过其中的电电流流为为I，由此产产生生的的磁磁场场H满足安培环路定律。对于无限长直导线，则有第8章 光电式传感器 由磁场H产生的法拉第旋光效应引起光纤中线偏振光的偏转角为引起光纤中线偏振光的偏转角为引起光纤中线偏振光的偏转角为引起光纤中线偏振光的

37、偏转角为式中：V费尔德常数费尔德常数（对于石英：V=3.710-4radA）；L受磁场作用的光纤长度；受磁场作用的光纤长度；R粗导线的半径。受磁场作用的光束由光纤出端经显微物镜耦合到偏振棱镜，并分解成分解成振动方向相互垂直的两束偏振光振动方向相互垂直的两束偏振光，分别进入光探测器分别进入光探测器，再经信号处理后输再经信号处理后输出信号为出信号为：第8章 光电式传感器 式中N N为光纤绕在输电线上的匝数为光纤绕在输电线上的匝数为光纤绕在输电线上的匝数为光纤绕在输电线上的匝数。由此可见，只要系统的只要系统的V和和N一经确定，就可通过一经确定，就可通过输出信号输出信号P的大小，获的大小，获得被测输电

38、线上的电流值得被测输电线上的电流值。对大多数光纤材料，费尔德常数V随着波长的增长而减小。另外，当波长较小(如为0.5m)时，材料的吸收系数又急剧增加。因此，为了获得较高的信噪比，光源激光器应在波长为光源激光器应在波长为光源激光器应在波长为光源激光器应在波长为0.550.550.9m0.9m范围内选择范围内选择范围内选择范围内选择。第8章 光电式传感器 8.2.5非功能型光纤传感器举例非功能型光纤传感器举例非功能型光纤传感器又可分为非功能型光纤传感器又可分为非功能型光纤传感器又可分为非功能型光纤传感器又可分为 传输光强调制型传输光强调制型传输光强调制型传输光强调制型反射光强调制型反射光强调制型反

39、射光强调制型反射光强调制型第8章 光电式传感器 传输光强调制型光纤传感器，一般是在输入光纤与一般是在输入光纤与输出光纤之间输出光纤之间放置有机械式或光学式的敏感元件放置有机械式或光学式的敏感元件。敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件在物理量的作用之下，对传输的光强进行调制，如吸收光的能量、遮断光路、改变光纤之间的相能量、遮断光路、改变光纤之间的相对位置等对位置等。1.传输光强调制型光纤传感器传输光强调制型光纤传感器第8章 光电式传感器 图8-48半导体吸收式光纤传感器测温系统原理图现在我们来看一个通过吸收光的能量，对传输的光强进行通过吸收光的能量，对传输的光强进行调制调制的半导体吸收式传感器实例。

40、图图8-48为其系统电原理图。由图可以看出，整个系统结构简单。第8章 光电式传感器 光光光光源源源源：系统应用恒流源电路激励光源，光光源源应应选选择择其其发发光光光光谱谱的的峰峰值值对对应应波长与半导体吸收边波长波长与半导体吸收边波长g一致的光源一致的光源。敏敏敏敏感感感感元元元元件件件件：测试系统组成时，须将光光纤纤的的一一端端与与光光电电接接收收管管固固化化耦耦合合，光光纤纤的的另另一一端端与与发发光光管管固固化化耦耦合合，这样就构构成成了了一一个个光光纤纤耦耦合合器器。敏敏感感材材料料的的夹夹入入可可看看成成是是在在光光纤纤耦耦合合器器的的中中部部切切断断的的置置入入。系统组成并通过调试

41、后，光源发出的稳定光通过输入光纤传到半导体薄片，透射光强受到所测温度的调制，并由输出光纤接收，传到光电探测器。光电探测器。光光光光电电电电探探探探测测测测器器器器：利用雪雪雪雪崩崩崩崩光光光光电电电电二二二二极极极极管管管管或或或或PINPIN光光光光电电电电二二二二极极极极管管管管，转换成电信号输出，从而达到测温的目的。该该系系统统的的温温度度测测量量范范围围为为-20300，精精度度约约为为3，响响应应时时间间常常数数约约2s，能在强电场环境中工作能在强电场环境中工作。第8章 光电式传感器 在图示输入光纤和输出光纤两端面输入光纤和输出光纤两端面间夹一片厚度约零点几毫米的半导间夹一片厚度约零

42、点几毫米的半导体光吸收片体光吸收片，并用不锈钢管加以固定，使半导体与光纤成为一体。它它的关键部件是半导体光吸收片的关键部件是半导体光吸收片。由半导体物理知道，半导体的禁由半导体物理知道，半导体的禁带宽度带宽度Eg随温度随温度T增加增加近似线性近似线性地地减小减小，如图如图8-49所示。图图8-49半导体的禁带宽度与温度的关系半导体的禁带宽度与温度的关系第8章 光电式传感器 图8-50半导体的透射光强与温度的关系ggLED的具有一定的具有一定谱线宽度的光谱，谱线宽度的光谱，且且g使之处使之处于半导体吸收边界于半导体吸收边界光谱吸收边界光谱吸收边界T1T2T3第8章 光电式传感器 在在T一定时的情

43、况下，一定时的情况下，半导体引起的光吸收随着吸收边波长g的变短的变短而急剧增加，也即透过率急剧下降透过率急剧下降，直至光几乎不能穿透半导体。直至光几乎不能穿透半导体。反之，随着吸收边波长g的变长，的变长，半导体的透光率增大透光率增大。由图由图8-50可以看出：可以看出：半导体的本征半导体的本征吸收限吸收限（或吸收边）（或吸收边）波长波长随温度增加而向长波长的方向位移随温度增加而向长波长的方向位移。对于某一对于某一的光，的光，通过半导体的透射光强随温度通过半导体的透射光强随温度T的增加而减小。的增加而减小。第8章 光电式传感器 2.反射光强调制型光纤传感器反射光强调制型光纤传感器下面分析一个依据

44、反射光调制的光纤传感器实例反射光调制的光纤传感器实例光纤动态压力传感器光纤动态压力传感器。图图8-51为光纤动态压力传感器原理图。整个系统由光光源源、压力膜片压力膜片、光敏二极管光敏二极管、Y形光纤束形光纤束和放大器放大器等组成。第8章 光电式传感器 图8-51光纤动态压力传感器原理图第8章 光电式传感器 光的反射面光的反射面是压力敏感元件膜片压力敏感元件膜片，它是用不锈钢不锈钢等材料制成的圆形平膜片，通过一定工艺制作在传感头端面上。膜片膜片的内表面进行了抛光处理，以提高光反射率的内表面进行了抛光处理，以提高光反射率。如在内表面再蒸镀一层反射膜，反射效率会更高。Y形光纤束约由3000根直径为5

45、0m的阶跃型多模光纤（NA=0.603）集束而成。它被分成纤维数目大致相等、长度相同的两束：发送光纤束和接收光纤束发送光纤束和接收光纤束。为了补偿光源光功率的波动以及光敏二极管的噪声，为了补偿光源光功率的波动以及光敏二极管的噪声，为了补偿光源光功率的波动以及光敏二极管的噪声，为了补偿光源光功率的波动以及光敏二极管的噪声，系统增加了一根补偿光纤束补偿光纤束。第8章 光电式传感器 该系统是用于动态压力测量该系统是用于动态压力测量的，因此，膜片感受到的压力有压力流场的平均压力和脉动压力两种。于是，当系统工作时，光敏二极管接收的反射光光强也由两部分组成：光敏二极管接收的反射光光强也由两部分组成：恒定光

46、恒定光强和随压力变化的光强强和随压力变化的光强。为此，在膜片设计时，既要考虑平均压力的大小，又要考虑脉动压力的最大值。也就是说，当膜片在动态压力作用下，应保证膜片的最大位移不超过如图图8-52所示AB段工作范围，故系统的偏置工作点选择在系统的偏置工作点选择在AB段的中点段的中点M。第8章 光电式传感器 由膜片的挠度理论知，周边固定的圆形平膜片，其中心位中心位移与压力成正比移与压力成正比。当压力增加（或减小）时，膜片与光纤端面之间的距离将线性地减小（或增加）。这样，光纤接收的反射光强度就将随压力变化而线性变化光纤接收的反射光强度就将随压力变化而线性变化。此时，随压力变化的随压力变化的光信号光信号

47、被光敏二极管接收，变成相应的微被光敏二极管接收，变成相应的微弱弱光电流光电流，经放大、滤波后输出与压力成正比的，经放大、滤波后输出与压力成正比的电压信号电压信号。第8章 光电式传感器 图8-52光纤动态压力传感器的膜片反射光强与距离的关系曲线第8章 光电式传感器 优点：优点：结构简单，容易实现；频率响应好，脉动压力的频率在018kHz的范围内变化，传感器的灵敏度几乎不变；输出幅度大，放大后的输出信号可达几伏。缺点：缺点：精度不高，一般情况下，非线性、迟滞、重复性等误差约1%2%。光纤动态压力传感器虽不如高精度静态压力传感器，但还是能满足动态压力测量的需要。优缺点：优缺点：优缺点：优缺点：第8章

48、 光电式传感器 光纤式光电开关应用光纤式光电开关应用标志孔标志孔电路板标志检测电路板标志检测 当当光光纤纤发发出出的的光光穿穿过过标标志志孔孔时时，若若无无反反射射，说说明明电电路路板板方方向向放置正确。放置正确。光纤光纤 耦合器耦合器传输光纤传输光纤出射光纤出射光纤第8章 光电式传感器 光纤式光电开关应用光纤式光电开关应用遮断型光纤遮断型光纤光电开关光电开关出射光纤出射光纤接收光纤接收光纤第8章 光电式传感器 光纤式光电开关应用光纤式光电开关应用 采采用用遮遮断断型型光光纤纤光光电电开开关关对对IC 芯芯片片引引脚脚进进行检测行检测第8章 光电式传感器 光纤的其他应用光纤的其他应用 军用光纤陀螺：军用光纤陀螺：将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可以测得出射光的相位发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，无机械磨擦力。光纤内窥镜光纤内窥镜第8章 光电式传感器