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1、第九章 光導(dǎo)纖維式傳感器,光纖式傳感器使用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。光纖傳感器的主要特點(diǎn)有： (1) 電絕緣； (2) 抗電磁干擾； (3) 非侵入性； (4) 高靈敏度； (5) 容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。,一、斯乃爾定理 當(dāng)光有光密物質(zhì)進(jìn)入光疏物質(zhì)，發(fā)生折射時(shí)入射角 小于折射角 。如圖。根據(jù)斯乃爾定理有,9.1 光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理,有上式可知，當(dāng)入射角 增大時(shí)，折射角 也增大，且始終 。當(dāng) 時(shí)，此時(shí)出射光線沿界面?zhèn)鞑?，稱為臨界狀態(tài)。此時(shí) 當(dāng) 時(shí)， ，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象，其出射光不再折射而全部反射回來(lái)。 二、光纖結(jié)構(gòu)

2、 光纖通常由圓柱形的玻璃纖維芯和玻璃包層兩個(gè)同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)。參見(jiàn)圖。纖芯位于光纖中心部位，纖芯的折射率比包層的折射率大。,三、光纖導(dǎo)光幾何光學(xué)原理及數(shù)值孔徑NA 光纖導(dǎo)光原理，參見(jiàn)圖。由圖中可知 由上式得,由圖知， 所以 綜合上面公式得,考慮空氣的折射率約等于1，上式簡(jiǎn)化為 當(dāng) 時(shí)， 考慮 上式中 稱為相對(duì)折射率差。 定義 為光纖的數(shù)字孔徑NA。由以上分析只有 的入射光線才能在光纖界面上發(fā)生全反射，從而被光線傳輸。,四、光纖導(dǎo)光波動(dòng)光學(xué)解釋與幾何光學(xué)解釋的關(guān)系 幾何光學(xué)把光源看成射線源，光的傳播問(wèn)題就是射線的軌跡問(wèn)題，完全不涉及波動(dòng)的概念，隨之也就不

3、再涉及波長(zhǎng)或波數(shù)等。 在波長(zhǎng)與所討論系統(tǒng)的空間尺寸比較起來(lái)可忽略不計(jì)時(shí)，用幾何光學(xué)或射線分析來(lái)研究光學(xué)現(xiàn)象有形象鮮明、數(shù)學(xué)處理簡(jiǎn)單、能達(dá)到工程上滿意精度的優(yōu)點(diǎn)。射線分析的誤差隨著波長(zhǎng)與系統(tǒng)線度比的增大而增大，所以幾何光學(xué)是波動(dòng)光學(xué)在波長(zhǎng)趨于零時(shí)的極限。 參考書：光纖理論與技術(shù)，曾甫泉 編著，西安交通大學(xué)出版社，1990年10月第1版；,一、光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理 傳統(tǒng)傳感器是將其它物理量轉(zhuǎn)化為電量，其信號(hào)傳輸和處理均由金屬導(dǎo)線連接。光纖傳感器將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，信號(hào)的傳輸采用光纖完成。,9.2 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理及分類,從本質(zhì)上講，光是一種電磁波，在討論光的敏感測(cè)量時(shí)，必須考慮光的電

4、矢量 的振動(dòng)。通常電矢量可表示為 有上式知，只要使光的強(qiáng)度、偏振態(tài)（矢量 的方向）、頻率和相位等參量之一隨被測(cè)量狀態(tài)變化而變化，即可完成測(cè)量過(guò)程。 二、光纖傳感器的分類 （一）根據(jù)光纖在傳感器中的作用 分為功能型、非功能型和拾光型三大類。 1. 功能型（全光纖型）光纖傳感器,光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制。 2. 非功能型（傳光型）光纖傳感器 光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在非光線型敏感元件上受被測(cè)量調(diào)制。 3. 拾光型光纖傳感器 光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。 （二）根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式 分為：強(qiáng)度調(diào)制型光

5、纖傳感器、偏振調(diào)制光纖傳感器、頻率調(diào)制型光纖傳感器、相位調(diào)制型傳感器。,一、光纖 常見(jiàn)光纖有階躍型和梯度型多模及單模光纖。它們的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)下圖。,9.3 光纖傳感器的主要元件,（一）光纖的數(shù)值孔徑NA NA是衡量光纖聚光能力的參量。從提高光源與光纖之間耦合效率的角度看，要求采用NA大的光纖。但NA越大，光纖的模色散越嚴(yán)重，傳輸信息的容量就越小。對(duì)大多數(shù)光纖傳感器應(yīng)用來(lái)說(shuō)，不存在信息容量的問(wèn)題。因此，傳感器所用光纖具有最大數(shù)字孔徑為宜。一般要求： （二）光纖傳輸損耗 由于作為傳感器的光纖其長(zhǎng)度都很短，最多數(shù)米長(zhǎng)，因此對(duì)光纖傳輸損耗要求很低，一般傳輸損耗<10dB/km的光纖均可采用。這樣的

6、光纖價(jià)格很低。,（三）色散 色散是影響光纖信息容量的重要參量。對(duì)于大多數(shù)傳感器來(lái)說(shuō)，不存在信息容量的問(wèn)題，因而可以放寬對(duì)光纖色散的要求。 二、光源 （一）白熾燈光源 這類光源通常為鎢絲燈，其輻射近似為黑體輻射。其優(yōu)點(diǎn)是：價(jià)廉、容易獲得、使用方便；缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差，壽命短（通常幾百小時(shí)）。輻射密度小，只能與光纖束和粗芯階躍光纖配合使用。 （二）氣體激光器 常用的氣體激光器，主要是氦氖激光器。其主要優(yōu)點(diǎn)有：,1.相干性好，最好的相干長(zhǎng)度達(dá)180km； 2.容易實(shí)現(xiàn)單模工作，線寬非常窄，約1kHz。 3.輻射密度高； 4.噪聲小。 （三）固體激光器 固體激光器又稱為晶體激光器。其優(yōu)點(diǎn)是：體積小

7、、堅(jiān)固耐用、高功率、高輻射密度、發(fā)射光譜均勻且窄、容許單模工作。缺點(diǎn)是：相干性和頻率穩(wěn)定性都不如氣體激光器。 （四）半導(dǎo)體激光器 特點(diǎn)是：體積小巧、堅(jiān)固耐用、壽命長(zhǎng)(106h-107h)、可靠性高、輻射密度適中、電源簡(jiǎn)單。分為非相干的發(fā)光二極管(LED)和相干的激光二極管(LD)。,1.發(fā)光二極管 發(fā)光二極管分為表面出光、端面出光和超輻射等三種。其共同特點(diǎn)是相干長(zhǎng)度只有數(shù)微米，輸出與電流接近線性，可直接進(jìn)行幅度調(diào)制。 表面出光LED是多模光纖系統(tǒng)的良好光源，由于它的輻射角大，與光纖耦合率很低。不適合干涉型光纖傳感器或單模光纖中。 端面出光LED有很高的空間相干性、而無(wú)時(shí)間相干性。其耦合

8、率較表面出光LED要好。 超輻射LED是一種細(xì)長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)的端面出光LED。它提高了端面出光LED的輸出功率，有較好的定向輸出，減小了光譜密度，需要較大的激勵(lì)電流。,2.半導(dǎo)體激光二極管LD LD是具有諧振腔、異質(zhì)結(jié)構(gòu)的LED。其輻射功率大都在10mW左右，但它的輻射密度高達(dá)108W/(Srcm2)左右，工作波長(zhǎng)在850nm-900nm，平均壽命可達(dá)106h以上。 （五）傳感器用光源選擇準(zhǔn)則 選用準(zhǔn)則有： 1.輻射強(qiáng)度足夠大，且光譜特性與光敏元件的光譜特性相匹配； 2.光源必須與光纖相匹配，以獲得最佳耦合效率； 3.光源穩(wěn)定性好，能長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。,三、檢測(cè)器 （一）半導(dǎo)體光電檢測(cè)器 這

9、類檢測(cè)器主要有PIN光電二極管、雪崩式光電二極管、PIN-FET微型組件等。 雪崩式光電二極管APD的優(yōu)點(diǎn)是本身具有增益，但雪崩增益是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，增益的均方值(m2)大于其平均值的平方(M2)，于是產(chǎn)生過(guò)剩噪聲，通常用噪聲因子F(m)=m2/M2來(lái)描述。 （二）光電倍增管 倍增過(guò)程可 很好控制，不存 在過(guò)剩噪聲。,（三）光電檢測(cè)器件的選擇原則 光電檢測(cè)器件選擇的主要依據(jù)是：獲得理想的光信號(hào)強(qiáng)度、光背景電平和所需要的信噪比等。,一、溫度檢測(cè) （一）遮光式光纖溫度計(jì) 下面圖中為兩種不同的遮光式光纖溫度計(jì),9.4 光纖傳感器的應(yīng)用,（二）透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器 當(dāng)一束白光，經(jīng)過(guò)半導(dǎo)

10、體晶體片時(shí)，低于某個(gè)特定波長(zhǎng) 的光將被半導(dǎo)體吸收而高于該波長(zhǎng)的光將透過(guò)半導(dǎo)體。 稱為本征吸收波長(zhǎng)。入射光子通過(guò)光電效應(yīng)，將電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，稱為本征吸收。要發(fā)生本征吸收，入射光子的能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度 ，即 將上式轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)表示，得到產(chǎn)生本征吸收的條件為,2006.11. 27JC204-,對(duì)于波長(zhǎng)大于 的光能透過(guò)半導(dǎo)體，而波長(zhǎng)小于 的光將被半導(dǎo)體強(qiáng)烈吸收。 由上可知，半導(dǎo)體吸收光譜與禁帶寬度有關(guān)，而半導(dǎo)體材料的禁帶寬度隨溫度變化而變化，即 對(duì)于GaAs材料，由實(shí)驗(yàn)得到 由此可知，半導(dǎo)體的本征吸收波長(zhǎng)隨溫度升高而增大。即透射率曲線向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。,若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的 相匹

11、配的發(fā)光二極管作為光源，則透射光強(qiáng)將隨溫度的升高而減小。參見(jiàn)下圖。,利用半導(dǎo)體吸收的光纖溫度傳感器其結(jié)構(gòu)如下圖。,2007.11. 15JGLX303-,上面簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光纖溫度傳感器，由于受到光源功率的波動(dòng)、損耗變化等因素的影響，其精度受到限制。下圖為帶補(bǔ)償?shù)墓饫w溫度傳感器機(jī)構(gòu)框圖。,圖中LED1為信號(hào)光源，其中心波長(zhǎng)與半導(dǎo)體本征吸收波長(zhǎng)相匹配。LED2為參考光源，其中心波長(zhǎng)大于半導(dǎo)體的本征吸收波長(zhǎng)。當(dāng)溫度變化時(shí)，LED1發(fā)射光通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)光強(qiáng)隨溫度變化而變化，而LED2發(fā)射光的透光強(qiáng)度則不變。 因此，對(duì)于LED1發(fā)出的光，在兩個(gè)探測(cè)器PD1和PD2上接收的光強(qiáng)度分別表示為：,對(duì)于LE

12、D2發(fā)出的光，在兩個(gè)探測(cè)器PD1和PD2上接收的光強(qiáng)度分別表示為： 將 分別檢測(cè)出來(lái)后，作如下運(yùn)算,（三）熒光發(fā)光型光纖溫度傳感器 某些熒光物質(zhì)在紫外光激勵(lì)下能發(fā)出可見(jiàn)光，其發(fā)射光譜與溫度有關(guān)。某些波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度對(duì)溫度有強(qiáng)烈的依存關(guān)系，而某些波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度幾乎不受溫度變化的影響。因此通過(guò)檢測(cè)特定波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度即可測(cè)出溫度。,此種形式的熒光光纖溫度傳感器能精確地測(cè)量-50--200 的溫度，檢測(cè)精度達(dá)到0.1 。,二、壓力檢測(cè) （一）采用彈性元件的光纖壓力傳感器 此種形式的壓力傳感器是利用壓力引起形變，利用形變完成對(duì)光強(qiáng)的調(diào)制。參見(jiàn)下圖。,上圖中，膜片厚度在0.05mm-0.2m

13、m間，對(duì)于四周固定的膜片，在小撓度的條件下( 為膜片厚度)，其中心撓度 與壓力 的關(guān)系如下 由上式，可見(jiàn)中心撓度與所加壓力呈線性關(guān)系。若利用Y型光纖束位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率與待測(cè)壓力呈線性關(guān)系。 用于動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，傳感器的固有頻率為,下圖為改進(jìn)型的膜反射式光纖壓力傳感器機(jī)構(gòu)。 圖中兩束輸出光強(qiáng)比為,將上式兩邊取對(duì)數(shù)，在滿足 時(shí)等式右邊展開(kāi)后取第一項(xiàng)，得 從上式可看出，壓力與兩束光強(qiáng)之比的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。 （二）光彈性式光纖壓力傳感器 晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，從而呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，這種效應(yīng)稱為光彈效應(yīng)。 出現(xiàn)雙折射時(shí)，無(wú)論入射光是自然光還是偏振光，都將分解成兩

14、束傳播速度不同、振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光。,2006.12. 1JC204-,對(duì)于光彈效應(yīng)晶體，兩束光線的相位差 其中 是光彈常數(shù)， 為元件長(zhǎng)度， 為機(jī)械應(yīng)力， 為波長(zhǎng)。,光彈式壓力傳感器結(jié)構(gòu)參見(jiàn)下圖。,（三）微彎式光纖壓力傳感器 微彎式壓力傳感器是基于光纖的微彎效應(yīng)，通過(guò)壓力引起變形器產(chǎn)生位移，使光纖發(fā)生微彎對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。微彎原理參見(jiàn)下圖,,,,光纖,變形器,下面為兩種微彎式光纖水聽(tīng)器探頭結(jié)構(gòu)。,三、液位、流量、流速的檢測(cè) （一）液位的檢測(cè)技術(shù) 1.球面光纖液位傳感器 球面液位光纖傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。,多個(gè)球面液位光纖傳感器安裝在不同高度上可以測(cè)出多個(gè)液位高度。如下圖,2.斜面

15、光纖液位傳感器 結(jié)構(gòu)參見(jiàn)下圖。,3.單光纖液位傳感器 結(jié)構(gòu)參見(jiàn)下圖。,（二）流量、流速的檢測(cè) 1.光纖渦街流量計(jì) 當(dāng)一個(gè)非流線體置于流體中時(shí)，流體流動(dòng)時(shí)，某些條件下會(huì)在非流線體的后方產(chǎn)生有規(guī)律的漩渦，這種漩渦會(huì)在該非流線體的兩邊交替地離開(kāi)。每個(gè)漩渦產(chǎn)生并離開(kāi)時(shí)會(huì)在物體上產(chǎn)生一側(cè)向力。于是物體在該力的作用下發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率近似與流速成正比即,,,,,,,,,,光纖渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)下圖。光纖渦街流量計(jì)的特點(diǎn)是可靠性好、對(duì)被測(cè)流體阻力小。但在流速很小時(shí)，光纖振動(dòng)會(huì)消失，因此存在一定的測(cè)量下限。,2.光纖多普勒流速計(jì) 參見(jiàn)下圖。激光束照射到流體上，發(fā)生散射，由于流體在流動(dòng)，使得光電傳感器

16、接收到的散射光發(fā)生多普勒頻移。,3.氣液兩相流的光纖檢測(cè)技術(shù) 氣液兩相流是氣體和液體的混合流體。在透明液體中存在氣泡時(shí)，可以對(duì)氣泡的流速、氣泡直徑和氣泡率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。檢測(cè)原理參見(jiàn)下圖。,根據(jù)菲涅爾反射定律，在上圖中三種情況下，從光纖端面反射回光纖的反射光強(qiáng)分別可表示為 另外，在氣泡和液體的界面上也要產(chǎn)生反射，由于氣泡的運(yùn)動(dòng)，反射光與輸入光之間存在多普勒頻移。其頻移為,在氣泡接近光纖端部及氣泡將要經(jīng)過(guò)光纖端部時(shí)，光纖端面反射光與氣泡端面反射光混合后形成拍頻信號(hào)，光強(qiáng)變化頻率為 和 。下圖為氣泡通過(guò)光纖端部時(shí)的反射光強(qiáng)波形。,在一定時(shí)間 內(nèi)記錄到多個(gè)氣泡經(jīng)過(guò)光纖端面時(shí)，可由下式，計(jì)算出氣泡率。 將輸出信號(hào)中的多普勒信號(hào)提取出來(lái)后，根據(jù)拍頻可以計(jì)算出氣泡直徑 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 參見(jiàn)下圖。,本章重點(diǎn)： 1. 掌握光纖傳光的幾何光學(xué)原理，理解數(shù)字孔徑的概念； 2. 了解光線傳感器主要部件及特性； 3. 掌握透光型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器工作原理； 4. 掌握光纖壓力傳感器的工作原理； 5. 掌握光纖氣液兩相流的光線檢測(cè)技術(shù)。 習(xí)題：9-1，9-2，9-3，9-4，9-6，9-9，9-8，9-9,