第十二章-光导纤维传感器课件

第十二章第十二章光导纤维传感器光导纤维传感器第十二章光导纤维传感器1 1光纤传感器外形光纤传感器外形光纤传感器外形2 212.2 12.2 光导纤维以及光在其中的传输光导纤维以及光在其中的传输12.1 12.1 概论概论12.3 12.3 光调制技术光调制技术12.4 12.4 光纤传感器应用光纤传感器应用12.2光导纤维以及光在其中的传输12.1概论12.33 312.1 12.1 概论概论12.1.112.1.1光纤传感技术的形成及其特点光纤传感技术的形成及其特点p光纤传感器是光纤传感器是2020世纪世纪7070年代中期发展起来的一门新技术，光年代中期发展起来的一门新技术，光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。一步发展。p光导纤维光导纤维(光纤光纤)受到外界环境因素的影响，如温度、压力、受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等环境条件变化，将引起其传输的光波量，如光电场、磁场等环境条件变化，将引起其传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。强、相位、频率、偏振态等变化。p光纤传感技术就是将温度、压力、电场、磁场的变化转化为光纤传感技术就是将温度、压力、电场、磁场的变化转化为光波量的变化的技术。光纤传感器通过光导纤维把输入变量光波量的变化的技术。光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。转换成调制的光信号。p光纤传感器有如下特点：光纤传感器有如下特点：不受电磁干扰，高灵敏度；可根据需要做成各种形状，可以不受电磁干扰，高灵敏度；可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。弯曲；可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。12.1概论12.1.1光纤传感技术的形成及其特点光纤传4 4第十二章-光导纤维传感器课件5 512.1.2 12.1.2 光纤传感器光源光纤传感器光源光源光源光源光源：（一）白炽灯光源（一）白炽灯光源（一）白炽灯光源（一）白炽灯光源 （二）气体激光器（二）气体激光器（二）气体激光器（二）气体激光器 （三）固体激光器（三）固体激光器（三）固体激光器（三）固体激光器 （四）半导体激光器（四）半导体激光器（四）半导体激光器（四）半导体激光器光源选用准则：光源选用准则：光源选用准则：光源选用准则：1.1.1.1.辐射强度足够大，且光谱特性与光敏元件的光谱特辐射强度足够大，且光谱特性与光敏元件的光谱特辐射强度足够大，且光谱特性与光敏元件的光谱特辐射强度足够大，且光谱特性与光敏元件的光谱特性相匹配；性相匹配；性相匹配；性相匹配；2.2.2.2.光源必须与光纤相匹配，以获得最佳耦合效率；光源必须与光纤相匹配，以获得最佳耦合效率；光源必须与光纤相匹配，以获得最佳耦合效率；光源必须与光纤相匹配，以获得最佳耦合效率；3.3.3.3.光源稳定性好，能长期稳定的工作。光源稳定性好，能长期稳定的工作。光源稳定性好，能长期稳定的工作。光源稳定性好，能长期稳定的工作。12.1.2光纤传感器光源光源：（一）白炽灯光源（二6 6 12.1.312.1.3光纤传感器的光探测器光纤传感器的光探测器 光探测器：光探测器：光探测器：光探测器：（一）半导体光电检测器（光敏二极管和光（一）半导体光电检测器（光敏二极管和光（一）半导体光电检测器（光敏二极管和光（一）半导体光电检测器（光敏二极管和光敏三极管）敏三极管）敏三极管）敏三极管）（二）光电倍增管（二）光电倍增管（二）光电倍增管（二）光电倍增管光检测器件的选择原则：光检测器件的选择原则：光检测器件的选择原则：光检测器件的选择原则：光电检测器件选择的主要依据是：获得理想光电检测器件选择的主要依据是：获得理想光电检测器件选择的主要依据是：获得理想光电检测器件选择的主要依据是：获得理想的光信号强度、光背景电平和所需要的信噪的光信号强度、光背景电平和所需要的信噪的光信号强度、光背景电平和所需要的信噪的光信号强度、光背景电平和所需要的信噪比等。比等。比等。比等。12.1.3光纤传感器的光探测器7 712.1.4 12.1.4 光纤传感器分类光纤传感器分类光纤传感器一般可分为两大类：光纤传感器一般可分为两大类：光纤传感器一般可分为两大类：光纤传感器一般可分为两大类：n n一类是一类是一类是一类是功能型传感器功能型传感器功能型传感器功能型传感器，又称，又称，又称，又称FF(Functional Fiber)FF(Functional Fiber)FF(Functional Fiber)FF(Functional Fiber)型光纤传感器；该类是利用光纤本身的特性，把光型光纤传感器；该类是利用光纤本身的特性，把光型光纤传感器；该类是利用光纤本身的特性，把光型光纤传感器；该类是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称纤作为敏感元件，所以又称纤作为敏感元件，所以又称纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器传感型光纤传感器传感型光纤传感器传感型光纤传感器；12.1.4光纤传感器分类光纤传感器一般可分为两大类：8 8n n另一类另一类另一类另一类是非功能传感器是非功能传感器，又，又，又，又NF(Non-Function NF(Non-Function NF(Non-Function NF(Non-Function Fiber)Fiber)Fiber)Fiber)型光纤传感器。它是利用其他敏感元件感型光纤传感器。它是利用其他敏感元件感型光纤传感器。它是利用其他敏感元件感型光纤传感器。它是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称也称也称也称传光型光纤传感器传光型光纤传感器传光型光纤传感器传光型光纤传感器。另一类是非功能传感器，又NF(Non-FunctionFi9 912.2 12.2 光导纤维以及光在其中的传输光导纤维以及光在其中的传输12.1 12.1 概论概论12.3 12.3 光调制技术光调制技术12.4 12.4 光纤传感器应用光纤传感器应用12.2光导纤维以及光在其中的传输12.1概论12.3101012.2.1 12.2.1 光导纤维及其传光原理光导纤维及其传光原理1 1）光纤的结构）光纤的结构主要由三部分组成：主要由三部分组成：主要由三部分组成：主要由三部分组成：中心圆柱体中心圆柱体中心圆柱体中心圆柱体纤芯；纤芯；纤芯；纤芯；环绕纤芯的套层环绕纤芯的套层环绕纤芯的套层环绕纤芯的套层包层；包层；包层；包层；最外面的抱覆最外面的抱覆最外面的抱覆最外面的抱覆护套护套护套护套。光导纤维的导光能力取决于光导纤维的导光能力取决于光导纤维的导光能力取决于光导纤维的导光能力取决于纤芯纤芯纤芯纤芯和和和和包层包层包层包层的性质，的性质，的性质，的性质，纤芯折射率纤芯折射率纤芯折射率纤芯折射率n n n n1 1 1 1略大于包层折射率略大于包层折射率略大于包层折射率略大于包层折射率n n n n2 2 2 2（n n n n1 1 1 1 n n n n2 2 2 2 ）。）。）。）。纤芯的强度则由护套来维持。纤芯的强度则由护套来维持。纤芯的强度则由护套来维持。纤芯的强度则由护套来维持。纤芯纤芯纤芯纤芯包层包层包层包层涂敷层涂敷层涂敷层涂敷层护套护套护套护套12.2.1光导纤维及其传光原理1）光纤的结构纤芯包层涂敷11112）传光原理）传光原理 光的全反射光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。根据现象是研究光纤传光原理的基础。根据几何光学原理，当光线以较小的入射角几何光学原理，当光线以较小的入射角11由光密由光密介质介质1 1射向光疏介质射向光疏介质2(2(即即n1n1n2)n2)时，则一部分入射时，则一部分入射光将以折射角光将以折射角22折射入介质折射入介质2 2，其余部分仍以，其余部分仍以11反射回介质反射回介质1 1。光的反射、折射光的反射、折射光的反射、折射光的反射、折射2）传光原理光的反射、折射121213 当增加入射角时，当增加入射角时，当增加入射角时，当增加入射角时，进入介质进入介质进入介质进入介质2 2 2 2的折射光与分的折射光与分的折射光与分的折射光与分界面的夹角将相应减小，界面的夹角将相应减小，界面的夹角将相应减小，界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介将导致折射波只能在介将导致折射波只能在介将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这质分界面上传播。对这质分界面上传播。对这质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，个极限值时的入射角，个极限值时的入射角，个极限值时的入射角，定义为定义为定义为定义为临界角临界角临界角临界角c c c c。当入。当入。当入。当入射角大于射角大于射角大于射角大于c c c c时，光线将时，光线将时，光线将时，光线将不再折射入介质不再折射入介质不再折射入介质不再折射入介质2 2 2 2，入射入射入射入射光线将发生全反射光线将发生全反射光线将发生全反射光线将发生全反射。光的全反射光的全反射光的全反射光的全反射依据斯涅尔依据斯涅尔(Snell)(Snell)定律定律临界角临界角临界角临界角c c c c13当增加入射角时，进入介质2的折射光与分界面的1313光纤的传输原理光纤的传输原理n只要只要只要只要c c c c，光在纤，光在纤，光在纤，光在纤芯和包层界面上经若芯和包层界面上经若芯和包层界面上经若芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，干次全反射向前传播，干次全反射向前传播，干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。最后从另一端面射出。最后从另一端面射出。最后从另一端面射出。n光纤光纤光纤的传输原理只要c，光在纤芯和包层界面上经若干次全反1414 光线由折射率为空气光线由折射率为空气光线由折射率为空气光线由折射率为空气(n(n(n(n0 0 0 0=1)=1)=1)=1)射入纤芯时实现全反射射入纤芯时实现全反射射入纤芯时实现全反射射入纤芯时实现全反射的临界角的临界角的临界角的临界角(始端最大入射角始端最大入射角始端最大入射角始端最大入射角)为为为为 式中式中式中式中NANANANA定义为定义为定义为定义为“数值孔径数值孔径数值孔径数值孔径”。它是衡量光纤集。它是衡量光纤集。它是衡量光纤集。它是衡量光纤集光性能的主要参数。光性能的主要参数。光性能的主要参数。光性能的主要参数。NANANANA愈大愈大愈大愈大，光纤的，光纤的，光纤的，光纤的集光能力愈强集光能力愈强集光能力愈强集光能力愈强。光越容易耦合入光纤。但光越容易耦合入光纤。但光越容易耦合入光纤。但光越容易耦合入光纤。但NANANANA越大光信号畸变越大，越大光信号畸变越大，越大光信号畸变越大，越大光信号畸变越大，要选择适当要选择适当要选择适当要选择适当.产品光纤通常不给出折射率，而只给产品光纤通常不给出折射率，而只给产品光纤通常不给出折射率，而只给产品光纤通常不给出折射率，而只给出出出出NANANANA。石英光纤的。石英光纤的。石英光纤的。石英光纤的NA=0.2NA=0.2NA=0.2NA=0.20.40.40.40.4。数值孔径数值孔径为保证全反射，必须满足全反射条件（即为保证全反射，必须满足全反射条件（即cc）光线由折射率为空气(n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界1515 传播模式光纤传播模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同光纤传播模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同。涉产生的强度分布也不同。模式值定义为：模式值定义为：其中其中其中其中a a a a为纤芯半径，为纤芯半径，为纤芯半径，为纤芯半径，0000为入射光为入射光为入射光为入射光在真空中的波长。在真空中的波长。在真空中的波长。在真空中的波长。模式值越大模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同分不同时间时间到达多个信号，导致合成信号畸变。到达多个信号，导致合成信号畸变。模式值模式值V V小小，就是，就是值小，即纤芯直径小，只能传播一种模式，值小，即纤芯直径小，只能传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。灵敏度高，但制造、连接困难。传播模式光纤传播模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同1616u除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。普通光纤。除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模1717 阶跃型：光纤纤芯的折阶跃型：光纤纤芯的折阶跃型：光纤纤芯的折阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，射率分布各点均匀一致，射率分布各点均匀一致，射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。称为多模光纤。称为多模光纤。称为多模光纤。梯度型：梯度型光纤的梯度型：梯度型光纤的梯度型：梯度型光纤的梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即的折射率呈聚焦型，即的折射率呈聚焦型，即的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，在轴线上折射率最大，在轴线上折射率最大，在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，离开轴线则逐步降低，离开轴线则逐步降低，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降至纤芯区的边沿时，降至纤芯区的边沿时，降至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。低到与包层区一样。低到与包层区一样。低到与包层区一样。单孔型光纤的纤芯直单孔型光纤的纤芯直单孔型光纤的纤芯直单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于径较小（数微米）接近于径较小（数微米）接近于径较小（数微米）接近于被传输光波的波长，光以被传输光波的波长，光以被传输光波的波长，光以被传输光波的波长，光以电磁场电磁场电磁场电磁场“模模模模”的原理在纤的原理在纤的原理在纤的原理在纤芯中传导，能量损失很小，芯中传导，能量损失很小，芯中传导，能量损失很小，芯中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输。适宜于远距离传输。适宜于远距离传输。适宜于远距离传输。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。181812.2 12.2 光导纤维以及光在其中的传输光导纤维以及光在其中的传输12.1 12.1 概论概论12.3 12.3 光调制技术光调制技术12.4 12.4 光纤传感器应用光纤传感器应用12.2光导纤维以及光在其中的传输12.1概论12.3191912.3 光调制技术n n光的调制和解调可分为：光的调制和解调可分为：光的调制和解调可分为：光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频强度、相位、偏振、频强度、相位、偏振、频强度、相位、偏振、频率和波长率和波长率和波长率和波长等方式。等方式。等方式。等方式。n n光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做波光波上；完成这一过程的器件叫做波光波上；完成这一过程的器件叫做波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器调制器调制器调制器。n n在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行检测。测器进行检测。测器进行检测。测器进行检测。n n光纤传感器可分为强度调制型、相位调制型、频光纤传感器可分为强度调制型、相位调制型、频光纤传感器可分为强度调制型、相位调制型、频光纤传感器可分为强度调制型、相位调制型、频率调制型、波长调制型和偏振态调制型五种类型。率调制型、波长调制型和偏振态调制型五种类型。率调制型、波长调制型和偏振态调制型五种类型。率调制型、波长调制型和偏振态调制型五种类型。12.3光调制技术光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、202012.3.112.3.1相位调制与干涉测量相位调制与干涉测量n n传感器需要用到光的干涉技术，将光的传感器需要用到光的干涉技术，将光的传感器需要用到光的干涉技术，将光的传感器需要用到光的干涉技术，将光的相位变化相位变化相位变化相位变化转变为转变为转变为转变为光强变化光强变化光强变化光强变化。n n干涉技术中常用的干涉法是将光纤分为两根，一根光纤中的导波干涉技术中常用的干涉法是将光纤分为两根，一根光纤中的导波干涉技术中常用的干涉法是将光纤分为两根，一根光纤中的导波干涉技术中常用的干涉法是将光纤分为两根，一根光纤中的导波相位受外界光调制，而另一根作为参考光。测量时通过检测两根相位受外界光调制，而另一根作为参考光。测量时通过检测两根相位受外界光调制，而另一根作为参考光。测量时通过检测两根相位受外界光调制，而另一根作为参考光。测量时通过检测两根光纤出射光的干涉条纹变化来测出使相位变化的待测物理量。光纤出射光的干涉条纹变化来测出使相位变化的待测物理量。光纤出射光的干涉条纹变化来测出使相位变化的待测物理量。光纤出射光的干涉条纹变化来测出使相位变化的待测物理量。12.3.1相位调制与干涉测量传感器需要用到光的干涉技术，将212112.3.2 12.3.2 频率调制型频率调制型pp 频频频频率率率率调调调调制制制制时时时时光光光光纤纤纤纤往往往往往往往往只只只只起起起起传传传传输输输输光光光光信信信信号号号号的的的的作作作作用用用用，而而而而不不不不作作作作为为为为敏敏敏敏感感感感元元元元件件件件。(光光光光学学学学中中中中的的的的多多多多普普普普勒勒勒勒效效效效应应应应是是是是指指指指由由由由于于于于观观观观察察察察者者者者和和和和目目目目标标标标的的的的相对运动，使观察者接收到的光波频率产生变化的现象相对运动，使观察者接收到的光波频率产生变化的现象相对运动，使观察者接收到的光波频率产生变化的现象相对运动，使观察者接收到的光波频率产生变化的现象)pp 光光光光纤纤纤纤利利利利用用用用单单单单色色色色光光光光照照照照射射射射到到到到运运运运动动动动物物物物体体体体上上上上后后后后，反反反反射射射射回回回回来来来来时时时时，由由由由于于于于多多多多普普普普勒勒勒勒效效效效应应应应，其其其其频频频频率率率率将将将将发发发发生生生生变变变变化化化化，被被被被测测测测对对对对象象象象利利利利用用用用引引引引起起起起的的的的光频率的变化来进行监测。光频率的变化来进行监测。光频率的变化来进行监测。光频率的变化来进行监测。采用光纤多普勒测量系统对研究流采用光纤多普勒测量系统对研究流体流动特别有效，尤其是微小流量体流动特别有效，尤其是微小流量范围内的介质流动，如医学上血液范围内的介质流动，如医学上血液流动的测量，能不干扰流体流动情流动的测量，能不干扰流体流动情形下实现高精度测量。形下实现高精度测量。12.3.2频率调制型频率调制时光纤往往只起传输光信号222212.2 12.2 光导纤维以及光在其中的传输光导纤维以及光在其中的传输12.1 12.1 概论概论12.3 12.3 光调制技术光调制技术12.4 12.4 光纤传感器应用光纤传感器应用12.2光导纤维以及光在其中的传输12.1概论12.32323光纤传感器同样是将被测量（光纤传感器同样是将被测量（温度、压力、电场、磁场温度、压力、电场、磁场温度、压力、电场、磁场温度、压力、电场、磁场等）等）转换成光的某些参数（转换成光的某些参数（光强、相位、波长光强、相位、波长光强、相位、波长光强、相位、波长等）的变化来进行等）的变化来进行测量的传感器。测量的传感器。其基本原理是将光从光源经过光纤传到光调制器（敏感元件）其基本原理是将光从光源经过光纤传到光调制器（敏感元件），在光被调制后，再经过光纤进入光探测器，最后经信号处，在光被调制后，再经过光纤进入光探测器，最后经信号处理获得与被测量呈确定关系的电量理获得与被测量呈确定关系的电量.工作原理工作原理12.4 12.4 光纤传感器应用光纤传感器应用光纤传感器同样是将被测量（温度、压力、电场、磁场等）转换成光2424第十二章-光导纤维传感器课件2525注：注：MM多模光纤；多模光纤；SM单模光纤；单模光纤；PM偏振保持光纤偏振保持光纤传感器传感器光学现象光学现象被测量被测量光纤光纤分类分类干干涉涉型型光纤传感器相位调制光纤传感器相位调制干涉（磁致伸缩）干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应效应光弹效应光弹效应干涉干涉电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压角速度角速度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移温度温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa非非干干涉涉型型光纤传感器强度调制光纤传感器强度调制遮光板断光路遮光板断光路半导体透射率的变化半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射振动膜或液晶的反射气体分子吸收气体分子吸收光纤漏泄模光纤漏泄模温度、振动、压力、加速度、位移温度、振动、压力、加速度、位移温度温度温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移振动、压力、位移气体浓度气体浓度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纤传感器偏振调制光纤传感器偏振调制法拉第效应法拉第效应泡克尔斯效应泡克尔斯效应双折射变化双折射变化光弹效应光弹效应电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纤传感器频率调制光纤传感器频率调制多普勒效应多普勒效应受激喇曼散射受激喇曼散射光致发光光致发光速度、流速、振动、加速度速度、流速、振动、加速度气体浓度气体浓度温度温度MMMMMMCbb注：MM多模光纤；SM单模光纤；PM偏振保持光纤262612.4.112.4.1光纤位移传感器光纤位移传感器n n许多机械量测量都是由位移量的测量转换来的。光纤位移传感器是通过光纤位移传感器是通过强度调制、强度调制、相位调制、频率调制等来完成检测过程。相位调制、频率调制等来完成检测过程。n n有功能型和传光型两类有功能型和传光型两类12.4.1光纤位移传感器许多机械量测量都是由位移量的测量转2727第十二章-光导纤维传感器课件2828一一.光纤式光电开关光纤式光电开关反射型反射型遮断型遮断型反射镜反射型反射镜反射型一.光纤式光电开关反射型遮断型反射镜反射型2929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3030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3131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光纤式光电开关应用采用遮断型光纤光电开关对IC芯片3232二二.传光型光纤位移传感器传光型光纤位移传感器（透射式）（透射式）将两根同样芯径的光纤端面靠近并装配到一起，光从一根光纤将两根同样芯径的光纤端面靠近并装配到一起，光从一根光纤输出通过空隙进入另一根光纤。如果两根光纤的中心轴为同轴，输出通过空隙进入另一根光纤。如果两根光纤的中心轴为同轴，光在连接处的损失很小，但当两根光纤产生错位时，其损耗就光在连接处的损失很小，但当两根光纤产生错位时，其损耗就增加。光纤输出的光通量变化反应了光轴的错开距离增加。光纤输出的光通量变化反应了光轴的错开距离.光强度位移变化曲线光强度位移变化曲线二.传光型光纤位移传感器（透射式）将两根同样芯径的光纤端3333利用光纤实现无接触位移测量。利用光纤实现无接触位移测量。光源经一束多股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物光源经一束多股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤传送到体上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤传送到光敏元件上。光敏元件上。被测物体与光纤间距离变化，反射到接受光纤上，光通量被测物体与光纤间距离变化，反射到接受光纤上，光通量发生变化。再通过光电传感器检测出距离的变化。发生变化。再通过光电传感器检测出距离的变化。二二.传光型光纤位移传感器传光型光纤位移传感器 （反射式）（反射式）位移位移位移位移-输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线微米微米级的级的位移位移测量。测量。精度要求不高的测量精度要求不高的测量利用光纤实现无接触位移测量。二.传光型光纤位移传感器（反3434三三.光纤液位传感器光纤液位传感器 由由由由于于于于同同同同种种种种溶溶溶溶液液液液在在在在不不不不同同同同浓浓浓浓度度度度时时时时的的的的折折折折射射射射率率率率不不不不同同同同，经经经经标标标标定定定定，这这这这种种种种液液液液位位位位传传传传感器也可作浓度计。感器也可作浓度计。感器也可作浓度计。感器也可作浓度计。结构特点：结构特点：结构特点：结构特点：光纤测头端有一个圆锥体反射器。当测头置于光纤测头端有一个圆锥体反射器。当测头置于光纤测头端有一个圆锥体反射器。当测头置于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光电二极管。当测头接触液面时，由于液体折射率与空气不光电二极管。当测头接触液面时，由于液体折射率与空气不光电二极管。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，同，全内反射被破坏，有部分光线透入液体内，同，全内反射被破坏，有部分光线透入液体内，同，全内反射被破坏，有部分光线透入液体内，使返回到光使返回到光使返回到光使返回到光电二极管的光强变弱电二极管的光强变弱电二极管的光强变弱电二极管的光强变弱；返回光强是；返回光强是；返回光强是；返回光强是液体折射率液体折射率的线性函数。的线性函数。的线性函数。的线性函数。返回光强发生突变时，表明测头已接触到液位。返回光强发生突变时，表明测头已接触到液位。返回光强发生突变时，表明测头已接触到液位。返回光强发生突变时，表明测头已接触到液位。三.光纤液位传感器由于同种溶液在不同浓度时的折射率不同，经3535四四.微弯光纤位移（力、压力）传感器微弯光纤位移（力、压力）传感器光纤被夹在一对锯齿板光纤被夹在一对锯齿板光纤被夹在一对锯齿板光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时中间，当光纤不受力时中间，当光纤不受力时中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，光线从光纤中穿过，光线从光纤中穿过，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿没有能量损失。当锯齿没有能量损失。当锯齿没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位板受外力作用而产生位板受外力作用而产生位板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多移时，光纤则发生许多移时，光纤则发生许多移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传微弯，这时在纤芯中传微弯，这时在纤芯中传微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中输的光在微弯处有部分散射到包层中输的光在微弯处有部分散射到包层中输的光在微弯处有部分散射到包层中.微弯程度不同，泄露光波强度不同微弯程度不同，泄露光波强度不同微弯程度不同，泄露光波强度不同微弯程度不同，泄露光波强度不同，光强与位移有一定函数，光强与位移有一定函数，光强与位移有一定函数，光强与位移有一定函数关系。关系。关系。关系。D DS SF FF F变形器变形器变形器变形器光纤光纤光纤光纤d d四.微弯光纤位移（力、压力）传感器光纤被夹在一对锯齿板DSF3636 保保护管管内内为高高温温光光纤低低温温光光纤12.4.2 光纤温度传感器 保护管内为高温光纤低温光纤12.4.2光纤温度传感器3737第十二章-光导纤维传感器课件3838热双金属式光纤温度开关热双金属式光纤温度开关热双金属式光纤温度开关热双金属式光纤温度开关1 1 1 1 遮光板；遮光板；遮光板；遮光板；2 2 2 2 双金属片双金属片双金属片双金属片接收接收接收接收光源光源光源光源1 1 1 12 2 2 2例例 遮光式光纤温度计遮光式光纤温度计当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。热双金属式光纤温度开关接收光源12例遮光式光纤温度计当温3939 （涡街）旋涡流量计（涡街）旋涡流量计（涡街）旋涡流量计（涡街）旋涡流量计 当一个非流线体置于流体中时，流体流动时，某些条件下会当一个非流线体置于流体中时，流体流动时，某些条件下会当一个非流线体置于流体中时，流体流动时，某些条件下会当一个非流线体置于流体中时，流体流动时，某些条件下会在非流线体的后方产生有规律的在非流线体的后方产生有规律的在非流线体的后方产生有规律的在非流线体的后方产生有规律的漩涡漩涡漩涡漩涡，这种漩涡会在该非流线，这种漩涡会在该非流线，这种漩涡会在该非流线，这种漩涡会在该非流线体的两边交替地离开。每个漩涡体的两边交替地离开。每个漩涡体的两边交替地离开。每个漩涡体的两边交替地离开。每个漩涡产生并离开时产生并离开时产生并离开时产生并离开时会在物体上产生会在物体上产生会在物体上产生会在物体上产生一一一一侧向力。侧向力。侧向力。侧向力。于是物体在该力的作用下于是物体在该力的作用下于是物体在该力的作用下于是物体在该力的作用下发生振动，振动频率发生振动，振动频率发生振动，振动频率发生振动，振动频率f f f f近近近近似与流速似与流速似与流速似与流速v v v v成正比即成正比即成正比即成正比即 d d d d液体中物体横向尺寸大小液体中物体横向尺寸大小液体中物体横向尺寸大小液体中物体横向尺寸大小 S S S S 常数（液流）常数（液流）常数（液流）常数（液流）12.4.3 12.4.3 光纤流量传感器光纤流量传感器（涡街）旋涡流量计当一个非流线体置于流体中时，流体4040 光纤涡街流量计的结构参见下图。当测试管内的液体流经光纤涡街流量计的结构参见下图。当测试管内的液体流经光纤涡街流量计的结构参见下图。当测试管内的液体流经光纤涡街流量计的结构参见下图。当测试管内的液体流经光纤时将出现诱导性振荡，并以相同的频率作用于光纤。若测光纤时将出现诱导性振荡，并以相同的频率作用于光纤。若测光纤时将出现诱导性振荡，并以相同的频率作用于光纤。若测光纤时将出现诱导性振荡，并以相同的频率作用于光纤。若测出光纤的振荡频率出光纤的振荡频率出光纤的振荡频率出光纤的振荡频率f f f f，则可计算出流体的平均流速，则可计算出流体的平均流速，则可计算出流体的平均流速，则可计算出流体的平均流速v v v v。光纤光纤光纤光纤测试管测试管测试管测试管夹具夹具夹具夹具光纤涡街流量计的特点是可靠光纤涡街流量计的特点是可靠光纤涡街流量计的特点是可靠光纤涡街流量计的特点是可靠性好、对被测流体阻力小。但性好、对被测流体阻力小。但性好、对被测流体阻力小。但性好、对被测流体阻力小。但在流速很小时，光纤振动会消在流速很小时，光纤振动会消在流速很小时，光纤振动会消在流速很小时，光纤振动会消失，因此存在一定的测量下限。失，因此存在一定的测量下限。失，因此存在一定的测量下限。失，因此存在一定的测量下限。光纤涡街流量计的结构参见下图。当测试管内的液体流经光4141 由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的各模式中传播的各模式光强光强光强光强出现强弱变化，其出现强弱变化，其振幅振幅振幅振幅的变化与的变化与流速流速流速流速成正比成正比.实例：光纤流速传感器实例：光纤流速传感器由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播4242例：膜片反射式光纤压力传感器例：膜片反射式光纤压力传感器例：膜片反射式光纤压力传感器例：膜片反射式光纤压力传感器光源光源光源光源接收接收接收接收Y Y形光纤束形光纤束形光纤束形光纤束壳体壳体壳体壳体P P弹性膜片弹性膜片弹性膜片弹性膜片Y Y Y Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y Y Y Y形形形形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使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，从而使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受输出光强受到调制。到调制。12.4.4光纤压力传感器光纤压力传感器例：膜片反射式光纤压力传感器光源接收Y形光纤束壳体P弹性膜片4343第十二章-光导纤维传感器课件4444本章要点本章要点1 1、光纤传感器的原理、特点及分类。、光纤传感器的原理、特点及分类。、光纤传感器的原理、特点及分类。、光纤传感器的原理、特点及分类。2 2、光纤传感器的模式、类型及调制方法、光纤传感器的模式、类型及调制方法、光纤传感器的模式、类型及调制方法、光纤传感器的模式、类型及调制方法3 3、光纤传感器的应用（可测量哪些物理量）、光纤传感器的应用（可测量哪些物理量）、光纤传感器的应用（可测量哪些物理量）、光纤传感器的应用（可测量哪些物理量）本章要点1、光纤传感器的原理、特点及分类。4545