传感器课件9光纤传感器

上 一 页 下 一 页返 回 9.1 光 纤 传 感 器 基 础9.2 光 调 制 与 解 调 技 术9.3 光 纤 传 感 器 实 例 l 光 纤 波 导 简 称 光 纤 ， 是 用 透 光 率 高 的 电 介 质 (石 英 、玻 璃 、 塑 料 等 )构 成 的 光 通 路 。l 由 圆 柱 形 内 芯 和 包 层 组 成 ， 而 且 内 芯 的 折 射 率 n1略 大 于 包 层 的 折 射 率 n2。l 通 常 直 径 为 几 微 米 到 几 百 微 米9.1.1 光 纤 波 导 原 理 纤 芯 包 层 涂 覆 层 护 套 当 一 束 光 线 以 一 定 的 入 射 角 1从 介 质 1射 到 与 介质 2的 分 界 面 上 时 ， 一 部 分 能 量 反 射 回 原 介 质 ； 另 一部 分 能 量 则 透 过 分 界 面 ， 在 另 一 介 质 内 继 续 传 播 。 斯 乃 尔 定 理当 光 由 光 密 物 质 出 射 至 光 疏 物 质 时 ， 发 生 折 射 （ a） 折 射 角 r大 于 入 射 角 i：（ b） 临 界 状 态 入 射 角 i0 ： （ c） 全 反 射 ： ri nn sinsin 21 )/arcsin( 120 nni 0ii 上 一 页 下 一 页返 回 ji nn sinsin 10 rk nn sinsin 21 上 一 页 下 一 页返 回 kj 90 kkki nnnnnn 2010101 sin1cos)90sin()/(sin ji nn sin)/(sin 01 rri sinnnn )sinnn(nnsin 222210 212011 1 n0为 入 射 光 AB所 在 空 间 的 折 射 率 ， 一 般 为 空 气 n01， 则 ：ri nn 22221 sinsin 上 一 页 下 一 页返 回 22210sin nni 当 r =90 的 临 界 状 态 时 ， 对 应 的 入 射 角 为 ： Sin i0定 义 为 “ 数 值 孔 径 ” NA（ Numerical Aperture） NAnNA ii arcsin2sin 00 1 121 /)( nnn 相 对 折 射 率 差 arcsinNA是 一 个 临 界 角 ，i arcsinNA时 ， 光 线 进 入 光 纤 后 在 包 层 消 失 ；i arcsinNA时 ， 光 线 进 入 光 纤 后 才 可 以 被 全 反 射 传 播 。 上 一 页 下 一 页返 回其 中 ： 光 的 全 反 射 实 验 l NA反 映 纤 芯 接 收 光 量 的 多 少 ， 标 志 光 纤 集 光 性 能 。l 意 义 ： 无 论 光 源 发 射 功 率 有 多 大 ， 只 有 2i0张 角 之内 的 光 功 率 能 被 光 纤 接 受 传 播 。大 的 数 值 孔 径 ： 光 纤 的 集 光 性 能 强 。但 数 值 孔 径 太 大 ， 光 信 号 畸 变 也 越 严 重 。22210sin nnNA i 上 一 页 下 一 页返 回 光 纤 按 折 射 率 变 化 类 型 分 类按 纤 芯 到 包 层 折 射 率 变 化 ： 阶 跃 折 射 率 光 纤 渐 变 折 射 率 光 纤 l 光 纤 模 式 :光 波 沿 光 导 纤 维 传 播 的 途 径 和 方 式 。l 以 不 同 角 度 入 射 的 光 线 在 (n1和 n2)界 面 上 的 反 射 次数 是 不 同 的 。l 光 纤 传 输 的 光 波 ， 可 以 分 解 为 沿 纵 轴 向 传 播 和 沿横 切 向 传 播 的 两 种 平 面 波 成 分 。 后 者 在 纤 芯 和 包层 的 界 面 上 会 产 生 全 反 射 。 当 它 在 横 向 往 返 一 次的 相 位 变 化 为 2的 整 数 倍 时 ， 将 形 成 驻 波 。 形 成驻 波 的 光 线 组 称 为 模 。在 光 导 纤 维 中 传 播 模 式 很 多 对 信 息 的 传 输 是 不 利的 ， 导 致 合 成 信 号 的 畸 变 ， 因 此 我 们 希 望 模 式 数量 较 少 为 好 。 上 一 页 下 一 页返 回 单 模 光 纤 ： V2.405 普 通 单 模 光 纤 ： n1-n2/n1310-3 r=24m多 模 光 纤 ： r=2560m 包 层 半 径 b125 m光 纤 传 输 模 的 总 数 : 渐 变 型阶 跃 型4222 NN /2 NAr r为 光 纤 半 径 ， 为 光 波 波 长 。 希 望 小 则 r不 能 太 大 ， 且 n2与 n1之 差 要 小 光 纤 内 光 传 播 的 模 式 数 量 用 归 一 化 频 率 表 示 为 l 损 耗 原 因 ： 光 纤 纤 芯 材 料 的 吸 收 、 散 射 ， 光 纤 弯 曲处 的 辐 射 损 耗 等 的 影 响 。 0lg10 PPLa i 传 播 损 耗 （ 单 位 为 dB/km） 式 中 , L 光 纤 长 度 (km)； P0光 纤 输 出 端 光 强 ； Pi光 纤 输 入 端 光 强 。 上 一 页 下 一 页返 回 2. 色 散 色 散 就 是 输 入 脉 冲 在 光 纤 中 传 输 过 程 时 ， 由 于 光波 的 群 速 度 不 同 而 出 现 的 脉 冲 展 宽 现 象 。 它 使 信 号 脉 冲 畸 变 。 限 制 了 光 纤 的 传 输 带 宽 。(1)材 料 色 散 ： 同 一 材 料 的 折 射 率 随 光 波 长 的 变 化 而 变化 ， 这 是 光 信 号 中 各 波 长 分 量 的 光 的 群 速 度 不 同 而 引起 的 色 散 ；(2)波 导 色 散 ： 由 于 波 导 材 料 的 结 构 不 同 ， 某 一 波 导 模式 的 传 播 常 数 随 着 信 号 角 频 率 的 变 化 而 引 起 的 色 散 ，也 称 结 构 色 散(3)多 模 色 散 ： 在 多 模 光 纤 中 ， 由 于 各 个 模 式 在 同 一 角频 率 下 的 传 播 常 数 不 同 ， 群 速 度 不 同 而 产 生 的 色 散 。传 输 距 离 越 长 ， 色 散 现 象 越 严 重 。 022 n传 播 常 数 ： 光 纤 传 感 器 是 通 过 对 光 纤 内 传 输 的 光 进 行 调 制 ，使 传 输 光 的 强 度 、 相 位 、 频 率 或 偏 振 等 特 性 发 生 变 化， 再 通 过 对 被 调 制 的 光 信 号 进 行 检 测 ， 从 而 得 出 相 应被 测 量 的 传 感 器 。光 纤 传 感 器 一 般 可 分 为 两 大 类 ： 功 能 型 FF和 非 功 能 型NF 功 能 型 FF:利 用 光 纤 本 身 的 特 性 ， 把 光 纤 作 为 敏 感元 件 。 所 以 也 称 传 感 型 光 纤 传 感 器 ， 或 全 光 纤 传 感 器。 非 功 能 型 ： 利 用 其 他 敏 感 元 件 感 受 被 测 量 的 变 化， 光 纤 仅 做 为 光 的 传 输 介 质 。 所 以 也 称 为 传 光 型 传 感器 或 混 合 型 传 感 器 。 a类 ： 功 能 型FFb类 ： 非 功 能型 NFC类 ： 拾 光 型NF 上 一 页 下 一 页返 回 l 光 纤 在 其 中 不 仅 是 导 光 媒 质 ， 而 且 也 是敏 感 元 件 ， 光 在 光 纤 内 受 被 测 量 调 制 。优 点 ： 结 构 紧 凑 、 灵 敏 度 高 。缺 点 ： 须 用 特 殊 光 纤 ， 成 本 高 ，典 型 例 子 ： 光 纤 陀 螺 、 光 纤 水 听 器 等 。 上 一 页 下 一 页返 回 l 光 纤 在 其 中 仅 起 导 光 作 用 ， 光 照 在 非 光 纤 型 敏感 元 件 上 受 被 测 量 调 制 。优 点 ： 无 需 特 殊 光 纤 及 其 他 特 殊 技 术 ， 比 较 容 易 实 现 ， 成 本 低 。缺 点 ： 灵 敏 度 较 低 。实 用 化 的 大 都 是 非 功 能 型 的 光 纤 传 感 器 。 上 一 页 下 一 页返 回 用 光 纤 作 为 探 头 ， 接 收 由 被 测 对 象 辐 射 的光 或 被 其 反 射 、 散 射 的 光 。 典 型 例 子 ：光 纤 激 光 多 普 勒 速 度 计辐 射 式 光 纤 温 度 传 感 器 上 一 页 下 一 页返 回 9.2 光 调 制 与 解 调 技 术光 就 是 一 种 横 波 ， 光 的 电 矢 量 E )sin( tBE可 以 用 被 测 量 调 制 光 的 不 同 参 数 ， 例 如 ：光 的 强 度 调 制 、 偏 振 调 制 、 频 率 调 制 或 相 位 调 制 上 一 页 下 一 页返 回 利 用 被 测 对 象 引 起 载 波 光 强 度 变 化 ， 从 而 实 现 对 被测 对 象 进 行 检 测 的 方 式 。 光 强 度 变 化 可 以 直 接 用 光电 探 测 器 进 行 检 测 ，优 点 : 结 构 简 单 、 容 易 实 现 、 成 本 低 。缺 点 : 易 受 光 源 波 动 和 连 接 器 损 耗 变 化 等 的 影 响 上 一 页 下 一 页返 回 1、 微 弯 损 耗 光 纤 传 感 器 基 于 微 弯 损 耗 机 理 的 强 度 调 制 型 传 感 器 的 结 构如 图 所 示 。 由 光 纤 中 光 功 率 的 数 值 可 得 到 诸 如 压 力 、位 移 等 被 测 量 的 大 小 。光 输 入 光 输 出变 形 器光 纤 L微 弯 损 耗 光 纤 传 感 器 原 理 时 ， 微 弯 效 应 最 明 显当 取 2 = 1- 2 ， 其 中 1和 2分 别 为 纤 芯 传 输 模 的 传输 常 数 和 包 层 辐 射 模 的 传 输 常 数 。 渐 变 型 光 纤 中 ： 阶 跃 型 光 纤 中 ： r 2 r 2 2. 光 强 度 的 外 调 制遮 断 型发 送 光 纤 接 收 光 纤反 射 型接 收 光 纤发 送 光 纤 光 纤探 头 发 射 光 纤 与 接 收 光 纤 的 四 种 分 布 l 利 用 光 的 偏 振 态 的 变 化 来 传 递 被 测 对 象 信 息l 应 用 ： 电 流 、 磁 场 传 感 器 ： 法 拉 第 效 应 ； 电 场 、 电 压 传 感 器 ： 泡 尔 效 应 ； 压 力 、 振 动 或 声 传 感 器 ： 光 弹 效 应 ； 温 度 、 压 力 、 振 动 传 感 器 ： 双 折 射 性l 优 点 ： 可 避 免 光 源 强 度 变 化 的 影 响 ， 灵 敏 度 高 。 上 一 页 下 一 页返 回 被 测 对 象 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 。利 用 光 弹 效 应 的 声 、 压 力 或 振 动 传 感 器 ；利 用 磁 致 伸 缩 效 应 的 电 流 、 磁 场 传 感 器 ；利 用 电 致 伸 缩 的 电 场 、 电 压 传 感 器 利 用 Sagnac效 应 的 旋 转 角 速 度 传 感 器 （ 光 纤 陀 螺 ）优 点 ： 灵 敏 度 很 高 ，缺 点 ： 特 殊 光 纤 及 高 精 度 检 测 系 统 ， 成 本 高 。 上 一 页 下 一 页返 回 1.迈 克 尔 逊 干 涉 仪 ： 两 相 干 光 的 光 程 差光 在 空 气 中 的 传 播 常 数lK lK 2 : 20 0 2.马 赫 泽 德 尔 干 涉 仪 3. 塞 格 纳 克 干 涉 仪 为 真 空 中 光 波 长为 真 空 中 光 速 ；为 光 路 围 成 的 面 积 ；为 旋 转 率 ； 0082 cAcA 4.法 布 里 -泊 罗 干 涉 仪 为 相 邻 光 束 间 的 相 位 差为 反 射 镜 的 反 射 率 ； R RRII 2sin1 41 220 l 被 测 对 象 引 起 的 光 频 率 的 变 化 来 进 行 监 测l 利 用 运 动 物 体 反 射 光 和 散 射 光 的 多 普 勒 效 应 的 光纤 速 度 、 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 构 成 的 测 量 气体 浓 度 或 监 测 大 气 污 染 的 气 体 传 感 器 等 。 上 一 页 下 一 页返 回 2112 coscos1 cvff 上 一 页 下 一 页返 回 灵 敏 度 高 、 电 绝 缘 性 能 好 、 抗 电 磁 干 扰 、 可 桡 性 、可 实 现 不 带 电 的 全 光 型 探 头 频 带 宽 动 态 范 围 大 可 用 很 相 近 的 技 术 基 础 构 成 测 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 系统 的 遥 测 和 控 制 可 用 于 高 温 、 高 压 、 强 电 磁 干 扰 、 腐 蚀 等 恶 劣 环 境 结 构 简 单 、 体 积 小 、 重 量 轻 、 耗 能 少应 用 ： 磁 、 声 、 压 力 、 温 度 、 加 速 度 、 陀 螺 、 位 移 、液 面 、 转 矩 、 光 声 、 电 流 和 应 变 等 物 理 量 的 测 量 。 阶 跃 型 ： 光 纤 纤 芯 的 折 射 率 分 布 各 点均 匀 一 致 ， 称 为 多 模 光 纤 。 单 孔 型 光 纤 的 纤 芯 直 径 较 小 （ 数 微 米 ） 接 近于 被 传 输 光 波 的 波 长 ， 光 以 电 磁 场 “ 模 ” 的 原 理在 纤 芯 中 传 导 ， 能 量 损 失 很 小 ， 适 宜 于 远 距 离 传输 。 实 现 电 光 转 换 的 元 件 通 常 是 发 光二 极 管 或 激 光 二 极 管 。 激 光 二 极 管 芯 片 单 模 光 纤必 须 采 用 能 发射 单 一 光 谱 的激 光 二 极 管 ，它 在 传 导 过 程中 的 发 散 损 耗较 小 ， 稳 定 性较 高 。 光 纤 在 传 输信 号 的 过 程 中 损耗 应 尽 量 小 且 稳定 。 在 某 些 波 长上 ， 光 纤 的 损 耗非 常 小 。 可 选 择适 当 波 长 的 电 光转 换 元 件 与 之 匹配 。 光 纤 与 电 光 转 换 元 件 耦 合 时 ， 两 者 的轴 心 必 须 严 格 对 准 并 固 定 ， 可 使 用 专 用 的连 接 头 及 光 纤 插 座 来 完 成 。 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 遮 断 型 光 纤光 电 开 关出 射 光 纤 接 收 光 纤 采 用 遮断 型 光 纤 光电 开 关 对 IC 芯 片 引 脚 进行 检 测 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