光电式传感器-光纤传感器

第 8章 光电式传感器 8.2 光 纤 传 感 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 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 、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。 2. 特点 第 8章 光电式传感器 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、 电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、 pH 值等 70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 第 8章 光电式传感器 8.2.1 光纤结构及其传光原理 光导纤维简称光纤， 中心的圆柱体叫 纤 芯 ，围绕着纤芯的圆形外层叫 包层 。纤芯 和包层通常由不同掺杂的 石英玻璃 制成。 纤芯的折射率 n1 (光密介质 )略大于包层 的折射率 n2 (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 ，多为 尼 龙材料 ，以增加机械强度。 1. 光纤结构 第 8章 光电式传感器 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 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（ n1 n2） 时， 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。 光在两介质界面 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。 第 8章 光电式传感器 图 8 40 光纤的传光原理 若光在 纤芯和包层的界面 上发生全反射 ，则界面上的光线 临界折射角 c=90 ，即 c=90 。 根据 斯涅耳（ Snell）光的折射定律 ，由图 8-40可得 s ins in s ins in 21 10 nn nn i i n0为光纤外界介质的折射率。 第 8章 光电式传感器 当 =c=90 时（即发生全反射条件），有 2 2 2 11 s in nnn 2 / 1 2 1 2 1111 s i n1 s i n1c o s 2 s i ns i n n n n nnnn iii 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， 光入射到光纤端面的入射角 i应满足 2 2 2 1 0 1a r c s in nn nci 一般光纤所处环境为 空气，则 n0=1，这样上式可表示为 2221a r c s in nnci 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 “ 转弯 ” 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 第 8章 光电式传感器 8.2.2 光纤基本特性 2 2 2 1 0 1s in nn nNA c 数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数 ， 即反映光纤接收光量 的多少 。 其意义是： 无论光源发射功率有多大 ， 只有入射角处于 2c的光椎角内 ， 光纤才能导光 。 如入射角过大 ， 光线便从包层逸出而产生漏光 。 光纤的 NA 越大 ， 表明它的集光能力越强 ， 一般希望有大的数值孔径 ， 这有利于提高耦 合效率； 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 0.20.4。 数值孔径（ NA）定义为 1. 数值孔径（ NA） 第 8章 光电式传感器 2. 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 多模光纤 和 单模光纤 两类 。 模的概念可简单介绍如下： 在纤芯内传播的光波，可以 分解为沿轴向 传播的 平面波 和沿 垂直方向 （ 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 。 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 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 播 ，这些光波就称为 模 。 第 8章 光电式传感器 一般纤芯直径为 212m，只能传输一种模式称为单模光纤 ， 常用于光 纤传感器 。这类光纤的传输性能好，信号畸变小，信息容量大，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 。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（ 5 10m）时，只能 传播一个模。前者称为 多模光纤 ，后者称为 单模光纤 。 纤芯直径较大（ 50100m）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 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、原子的缺陷 等都会吸收光，从而造成材料吸收损耗。 （ 1）吸收损耗 光纤传输损耗主要来源于材料 吸收损耗 、 散射损耗 和 光波导弯曲损耗 。 第 8章 光电式传感器 散射损耗主要是由于材料密度及浓度不均匀引起的 ， 这种 散射与波长的四次方成反比 。 因此散射随着波长的缩短而迅 速增大 。 所以 可见光波段并不是光纤传输的最佳波段 ， 在 近红外波段 （ 11.7m） 有最小的传输损耗 。 因此长波长光 纤已成为目前发展的方向 。 （ 2）散射损耗 光纤拉制时粗细不均匀 ， 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 层产生损耗 。 当 弯曲半径大于 10cm时 ， 损耗可忽略不计 。 （ 3）光波导弯曲损耗 第 8章 光电式传感器 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： dB km)可以 用下式计算： o i P P L a lg10 第 8章 光电式传感器 光纤传感器原理实际上是研究 光在调制区内 ， 外界信 号 （ 温度 、 压力 、 应变 、 位移 、 振动 、 电场等 ） 与光的相 互作用 ， 即研究光被外界参数的调制原理 。 8.2.3 光纤传感器 1. 光纤传感器的基本工作原理及组成 （ 1）基本工作原理 外界信号 可能引起 光的强度、 波长、频率、相位、偏 振态等 光学性质的变化， 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（ 光纤或非光纤的 ）、光探 测器、信号处理系统、光纤等组成。 （ 2）光纤传感器的组成 如图 8-41所示。由光源发出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 8-41 光纤传感器组成示意图 （ a） 传感型； （ b）（ c） 传光型；（ d）拾光型 测 量 对 象 光纤 光源 光电元件 测 量 对 象 敏感 元件 光源 光电元件 ( a ) ( b ) 测 量 对 象 敏感 元件 光纤 光源 光电元件 测 量 对 象 光纤 光电元件 ( c ) ( d ) 光纤 第 8章 光电式传感器 光纤传感器外形 光纤位移传感器 光纤应变传感器 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 光纤传感器分为两大类： 功能型 非功能型 1）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 利用 光纤本身 的某种 敏感特性或功能 制成的传感器，称 为 功能型传感器（ Functional Fiber， 缩写为 FF）， 又称为 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 (或特殊 光纤 )作传感元件， 将 “传” 和 “感” 合为一体的传感器 。 第 8章 光电式传感器 光纤不仅起传光作用 ，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。 第 8章 光电式传感器 （ 2） 非功能型 （ 或称传光型 ） 光纤传感器 是 光纤仅仅起传输光的作用 ， 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 非功能型 （ Non Functional Fiber， 缩写为 NFF） 传感器 ， 又称为传光型传感器 。 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。 在这种情况下，光纤只是作为光的传输回 路， 如图 8-14(b)、（ c）所示 ， 光纤不连续。 第 8章 光电式传感器 在非功能型光纤传感器中 ， 也有并不需要外加敏感元件的情况 ， 光纤把测量对象所辐射 、 反射的光信号传播到光电元件 如图 8-14（ d） 所示 。 这种光纤传感器也叫 探针型（拾光型）光纤传感器 。该类传感器 中通常使用单模光纤或多模光纤。典型的例子有 光纤激光多普勒速度 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） 根据光受被测对象的调制形式 强度调制型 偏振调制型 频率调制型 相位调制型 第 8章 光电式传感器 （ 1） 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 、 吸收 或 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。 有利用光纤的 微弯损耗 ；各物质的 吸收特性 ；振动膜或液晶的 反射 光 强度 的变化；物质因各种 粒子射线或化学、机械的激励而 发光 的现象 ；以 及 物质的荧光 辐射 或 光路的 遮断 等来 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。 优点 ：结构简单、容易实现，成本低。 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 法拉第效应 做成的 电流 、 磁场传感器 ； 利用光在电场中的压电晶体内传播的 泡尔效应 做成的 电场 、 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 。 （ 2）偏振调制光纤传感器 第 8章 光电式传感器 （ 3） 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 的 频率 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 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 。 第 8章 光电式传感器 （ 4） 相位调制传感器 其基本原理是 利用被测对象对敏感元件的作用 ， 使敏感元件的 折射 率 或 传播常数 发生变化 ， 而导致光的 相位 变化 ， 使两束单色光所产生的干 涉条纹发生变化 ， 通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量 ， 从 而得到被测对象的信息 。 通常有： 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 以及利用 光纤赛格纳克 （ Sagnac） 效 应 的 旋转角速度传感器 （ 光纤陀螺 ） 等 。 利 用光弹效应 （ 物质的弹性应变 ， 产生双折射 ， 引起其折射率变化的现 象 ） 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统 ， 因此 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、 PM SM、 PM SM、 PM SM、 PM SM、 PM a a a a a 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 MM MM MM SM MM MM MM b b b b b b b 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、磁场 电场、电压、 温度 振动、压力、加速度、位移 SM MM SM MM b,a b b b 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 MM MM MM c b b 注： MM多模； SM单模； PM偏振保持； a,b,c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 当一束波长为 的 相干光 在光纤中传播时， 光波的 相位角 与光纤的 长度 L、纤芯折射率 n1和纤芯直径 d有关。 光纤受到 物理量的作用时 ， 这三个参数就会发生不同程度的变化，从 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 d引起 的光相位变化可以忽略 。 1. 相位调制型光纤传感器 （ 1）相位调制的原理 第 8章 光电式传感器 Ln 12 )(2)(2 1111 nnLnLLn L 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（ L =L L）。 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 来说，其相角为 第 8章 光电式传感器 于是，就可以 应用光的 相位检测技术测量出 温度、压力、 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 不能跟踪 以这样 高的频率 进行 变化的瞬时值 ， 因此，光波的相位变化 是不能够直接被检测到的。 为此， 应用光学干涉测量技术将 相位调制 转换成 振幅（强 度）调制 。 第 8章 光电式传感器 在 光纤传感器 中常 采用 马赫 -泽德（ Mach-Zehader）干 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 （也有 分成几束光的）， 并分别耦合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 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 -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） 经 过扩束以后，被分束器分成两束光，分别耦合到 传感光纤 和 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臂。 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 条纹。 （ 2）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 8-42 用马赫 -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 激光器 扩束器 传感光纤 分束器 显微物镜 压力( 温度) 参考光纤 干涉条纹 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 会发生变 化，而且因光纤的热胀冷缩使其 长度 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 。这样， 传感光纤和参考光纤的两束输出光的相位也发生 了变化 ，从而使 合成光强随着相位的变化而变化（增强或减 弱）， 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 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 2 3 4 5 0 输出光电流 ( i ) i m ax i m i n 26 2 6 . 0 3 2 6 . 0 6 2 6 . 0 9 2 6 . 1 2 2 6 . 1 5 光波相位移 / r a d T / 第 8章 光电式传感器 如图 8-43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考光纤中的传播光 同相 ，输出光电流最大。 随着 T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 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 ，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 。 T上升了 0.06 ，相 位变化了 2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， 并变换成 电信号，再经放大后输入记录仪， 从 记录的移动条纹数 就可以 检测出温度 （或压力）信号 。 第 8章 光电式传感器 2. 光强调制型光纤传感器 0 1 c 1 c 1 c n 1 n 2 包层 n 2 纤芯 n 1 图 8-44 光纤微弯对传播光的影响 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 。 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（ 1 c），则光 线在界面上 产生全反射 。 理想情况下，光将无衰减地在纤芯内传播。 当光线射入微弯曲段的 界面上时 ，入射角将小于临界角（ 1 c ）。这时， 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 耗 。基于这一原理，人们研制成了光纤微弯曲传感器 如图 8-45所示 。 位移( 压力) 活动板 光纤 输出光 固定板 输入光 图 8-45 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） 构成，其中 一块是活动板 ， 另一 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 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 板受到微扰（位移或压力） 作用时 ，光纤就会发生 周期性微弯曲 ，引起 传播光的散射损耗，使 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 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 8-46。 于是光强就受到了调制。 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 。 图 8-46 光纤芯透射光强度与外力的关系 1 0 0 80 60 40 20 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 外力 / N 透射光 强 / % 第 8章 光电式传感器 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 中使用 。 它还有 灵敏度较高 （能检测小至 100Pa的压力变化）、 结 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一种有发展前途的传感器 。 第 8章 光电式传感器 图 8-47 偏振态调制型光纤电流传感器测试原理 I 1 I 2 21 21 II II 光纤 高折射率 浸油 显微物镜 激光器 信号处理 装置 输出 光接收器 偏振 棱镜 起偏器 显微物镜 粗导线 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 。 偏振态调制型光纤 电流传感器测试原理 如图 8-47所示。 3. 偏振态调制型光纤传感器 法拉第磁光效应 （偏振光面发生偏转） 第 8章 光电式传感器 R IH 2 如图 8-47 中所示 ， 从激光器发出的激光 经起偏器变成线偏振光 ， 再经 显微物镜 （ 10） 聚焦耦合到单模光纤中 。 为了消除光纤中的包层模 ， 可 把光纤浸在折射率高于包层的油中 ， 再将单模光纤以半径 R绕在高压载流 导线上 。 根据 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 的偏转 。 检测偏转角的大小，就可得到相应的电流值 。 设通过其中的 电流为 I， 由此 产生的 磁场 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 R V L I 2 式中： V 费尔德常数 （对于石英： V=3.7 10-4rad A）； L 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 振动方向相互垂直的两束偏振光 ， 分别进入光探测器 ， 再经信号处理后输 出信号为 ： 第 8章 光电式传感器 VN P I V N I R V LI II II P 2 2s in 21 21 式中 N为光纤绕在输电线上的匝数 。 由此可见， 只要系统的 V和 N一经确定，就可通过 输出信号 P的大小，获 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 0.5 m)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 0.55 0.9 m 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又可分为 传输光强调制型 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 输出光纤之间 放置有机械式或光学式的敏感元件 。 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 对位置等 。 1. 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 R 2 发光 二极管 R 3 R 1 稳压管 2 C W 7 C 光电 二极管 温度敏感元件 ( 半导体光吸收片) 常用 G a A s 材料 R 4 C R f A R 5 R 6 数字面板表 E 2 E 1 光纤 支架 现在我们来看一个 通过吸收光的能量，对传输的光强进行 调制 的半导体吸收式传感器实例。 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 光源： 系统应用恒流源电路激励光源 ， 光源应选择其发光光谱的峰值对应 波长与半导体吸收边波长 g一致的光源 。 敏感元件： 测试系统组成时 ， 须将 光纤的一端与光电接收管固化耦合 ， 光 纤的另一端与发光管固化耦合 ， 这样就 构成了一个光纤耦合器 。 敏感材料 的夹入可看成是在光纤耦合器的 中部切断 的置入 。 系统组成并通过调试后 ， 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： 利用 雪崩光电二极管或 PIN光电二极管 ， 转换成电信号输出 ， 从而达到测温的目的 。 该系统的温度测量范围为 -20 300 ， 精度约为 3 ， 响应时间常数 约 2 s， 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 间夹一片厚度约零点几毫米的半导 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 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 带宽度 Eg 随温度 T 增加 近似线性 地 减小 ， 如图 8-49所示。 图 8-49 半导体的禁带宽度与温度的关系 2 . 4 2 . 2 2 . 0 1 . 8 1 . 6 1 . 4 1 . 2 1 . 0 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 2 0 200 400 600 T / K G a P G a A s Si I n P 禁带宽度/ eV 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 1 . 5 1 . 4 1 . 3 1 . 2 1 . 1 0 . 8 0 . 9 1 . 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 相 对 光 强 波 长 / m 透 过 率 / % 光 源 光 谱 吸 收 边 T 3 T 2 T 1 g LED的具有一定 谱 线宽度的光谱，且 g使之处于 半导体吸收边界 光谱吸收边界 T1T2T3 第 8章 光电式传感器 在 T 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 而 急剧增加，也即 透过率急剧下降 ， 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， 半导体的 透光率增大 。 由图 8-50可以看出： g g E ch 半导体的本征 吸收限 （或吸收边） 波长 随温度增加而向长波长的方向位移 。 对于某一 的光， 通过半导体的透射光强随温度 T 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 下面分析一个依据 反射光调制的光纤传感器实例 光纤动态压力传感器 。 图 8-51为光纤动态压力传感器原理图。整个系统由 光 源 、 压力膜片 、 光敏二极管 、 Y形光纤束 和 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 A 2 R 16 R 15 A 3 R 17 R 18 C 1 C 2 R 19 R 20 输 出 R 11 A 1 R 5 R 7 R 9 R 3 R 6 R 2 R 10 15V R 8 R 1 R 4 光接 收电 路 光源 装置 光接 收电 路 V 3 15V R 12 R 13 R 14 接收 光纤 发送 光纤 补偿 光纤 定位套 传感头 压力膜片 P V 1 V 2 第 8章 光电式传感器 光的反射面 是 压力敏感元件膜片 ，它是用 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 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 50 m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 。 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 。 第 8章 光电式传感器 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： 恒定光 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 8-52所示 AB段工作范围， 故 系统的偏置工作点选择在 AB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 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 。 此时， 随压力变化的 光信号 被光敏二极管接收，变成相应的微 弱 光电流 ，经放大、滤波后输出与压力成正比的 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 100 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120 x / m C D A M B 80 x 3 / 2 x 3 反射光强 /% 第 8章 光电式传感器 优点： 结构简单，容易实现；频率响应好，脉动压力的频率 在 0 18 kHz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： 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： 第 8章 光电式传感器 光纤式光电开关应用 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 第 8章 光电式传感器 光纤式光电开关应用 遮断型光纤 光电开关 出射光纤 接收光纤 第 8章 光电式传感器 光纤式光电开关应用 采 用 遮 断型光纤光 电开关对 IC 芯片引脚进 行检测 第 8章 光电式传感器 光纤的其他应用 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 第 8章 光电式传感器