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1、第九章 光導纖維式傳感器,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) 容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。,一、斯乃爾定理 當光有光密物質(zhì)進入光疏物質(zhì)，發(fā)生折射時入射角 小于折射角 。如圖。根據(jù)斯乃爾定理有,9.1 光導纖維導光的基本原理,有上式可知，當入射角 增大時，折射角 也增大，且始終 。當 時，此時出射光線沿界面?zhèn)鞑?，稱為臨界狀態(tài)。此時 當 時， ，這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，其出射光不再折射而全部反射回來。 二、光纖結(jié)構(gòu) 光纖通常由圓柱形的玻璃纖維芯和玻璃包

2、層兩個同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)。參見圖。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、光纖導光幾何光學原理及數(shù)值孔徑NA 光纖導光原理，參見圖。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，上式簡化為 當 時， 考慮 上式中 稱為相對折射率差。 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、光纖導光波動光學解釋與幾何光學解釋的關(guān)系 幾何光學把光源看成射線源，光的傳播問題就是射線的軌跡問題，完全不涉及波動的概念，隨之也就不再涉及波長或波數(shù)等。 在波長與所討論系統(tǒng)的空間尺寸比較起來可忽略不計時，用幾何

3、光學或射線分析來研究光學現(xiàn)象有形象鮮明、數(shù)學處理簡單、能達到工程上滿意精度的優(yōu)點。射線分析的誤差隨著波長與系統(tǒng)線度比的增大而增大，所以幾何光學是波動光學在波長趨于零時的極限。 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，其信號傳輸和處理均由金屬導線連接。光纖傳感器將被測物理量轉(zhuǎn)換為光信號，信號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，在討論光的敏感測量時，必須考慮光的電矢量 的振動。通常電矢量可表示為 有上式知，只要使光的強度、偏振態(tài)（矢量 的方向）、

4、頻率和相位等參量之一隨被測量狀態(tài)變化而變化，即可完成測量過程。 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光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制。 2. 非功能型（傳光型）光纖傳感器 光纖在其中僅起導光作用，光照在非光線型敏感元件上受被測量調(diào)制。 3. 拾光型光纖傳感器 光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。 （二）根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式 分為：強度調(diào)制型光纖傳感器、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 常見光纖有階躍型和梯

5、度型多模及單模光纖。它們的結(jié)構(gòu)參見下圖。,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，光纖的模色散越嚴重，傳輸信息的容量就越小。對大多數(shù)光纖傳感器應用來說，不存在信息容量的問題。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度都很短，最多數(shù)米長，因此對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。這樣的光纖價格很低。,（三）色散 色散是影響光纖信息容量的重要參量。對于大多數(shù)傳感器來說，不存在信息容量的問題，因而可

6、以放寬對光纖色散的要求。 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)點是：價廉、容易獲得、使用方便；缺點：穩(wěn)定性差，壽命短（通常幾百小時）。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)點有：,1.相干性好，最好的相干長度達180km； 2.容易實現(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)點是：體積小、堅固耐用、高功率、高輻射密度、發(fā)射光譜均勻且窄、容許單模工作。缺點是：相干性和頻率穩(wěn)定性都不如氣體激光器。 （四）半導

7、體激光器 特點是：體積小巧、堅固耐用、壽命長(106h-107h)、可靠性高、輻射密度適中、電源簡單。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。其共同特點是相干長度只有數(shù)微米，輸出與電流接近線性，可直接進行幅度調(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、而無時間相干性。其耦合率較表面出光LED要好。 超輻射LED是一種細長條形結(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

8、小了光譜密度，需要較大的激勵電流。,2.半導體激光二極管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108W/(Srcm2)左右，工作波長在850nm-900nm，平均壽命可達106h以上。 （五）傳感器用光源選擇準則 選用準則有： 1.輻射強度足夠大，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，能長期穩(wěn)定的工作。,三、檢測器 （一）半導體光電檢測器 這類檢測器主要有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)點是本身具有增益，但雪崩增益是一

9、個隨機過程，增益的均方值(m2)大于其平均值的平方(M2)，于是產(chǎn)生過剩噪聲，通常用噪聲因子F(m)=m2/M2來描述。 （二）光電倍增管 倍增過程可 很好控制，不存 在過剩噪聲。,（三）光電檢測器件的選擇原則 光電檢測器件選擇的主要依據(jù)是：獲得理想的光信號強度、光背景電平和所需要的信噪比等。,一、溫度檢測 （一）遮光式光纖溫度計 下面圖中為兩種不同的遮光式光纖溫度計,9.4 光纖傳感器的應用,（二）透射型半導體光纖溫度傳感器 當一束白光，經(jīng)過半導體晶體片時，低于某個特定波長 的光將被半導體吸收而高于該波長的光將透過半導體。 稱為本征吸收波長。入射光子通過光電效應，將電子從價帶激發(fā)到導帶，稱為

10、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體的禁帶寬度 ，即 將上式轉(zhuǎn)化為波長表示，得到產(chǎn)生本征吸收的條件為,2006.11. 27JC204-,對于波長大于 的光能透過半導體，而波長小于 的光將被半導體強烈吸收。 由上可知，半導體吸收光譜與禁帶寬度有關(guān)，而半導體材料的禁帶寬度隨溫度變化而變化，即 對于GaAs材料，由實驗得到 由此可知，半導體的本征吸收波長隨溫度升高而增大。即透射率曲線向長波方向移動。,若采用發(fā)射光譜與半導體的 相匹配的發(fā)光二極管作為光源，則透射光強將隨溫度的升高而減小。參見下圖。,利用半導體吸收的光纖溫度傳感器其結(jié)構(gòu)如下圖。,2007.11. 15JGLX303-

11、,上面簡單結(jié)構(gòu)的半導體光纖溫度傳感器，由于受到光源功率的波動、損耗變化等因素的影響，其精度受到限制。下圖為帶補償?shù)墓饫w溫度傳感器機構(gòu)框圖。,圖中LED1為信號光源，其中心波長與半導體本征吸收波長相匹配。LED2為參考光源，其中心波長大于半導體的本征吸收波長。當溫度變化時，LED1發(fā)射光通過半導體時光強隨溫度變化而變化，而LED2發(fā)射光的透光強度則不變。 因此，對于LED1發(fā)出的光，在兩個探測器PD1和PD2上接收的光強度分別表示為：,對于LED2發(fā)出的光，在兩個探測器PD1和PD2上接收的光強度分別表示為： 將 分別檢測出來后，作如下運算,（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

12、勵下能發(fā)出可見光，其發(fā)射光譜與溫度有關(guān)。某些波長的熒光強度對溫度有強烈的依存關(guān)系，而某些波長的熒光強度幾乎不受溫度變化的影響。因此通過檢測特定波長的熒光強度即可測出溫度。,此種形式的熒光光纖溫度傳感器能精確地測量-50-200 的溫度，檢測精度達到0.1 。,二、壓力檢測 （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，利用形變完成對光強的調(diào)制。參見下圖。,上圖中，膜片厚度在0.05mm-0.2mm間，對于四周固定的膜片，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

13、感器的輸出光功率與待測壓力呈線性關(guān)系。 用于動態(tài)測量時，傳感器的固有頻率為,下圖為改進型的膜反射式光纖壓力傳感器機構(gòu)。 圖中兩束輸出光強比為,將上式兩邊取對數(shù)，在滿足 時等式右邊展開后取第一項，得 從上式可看出，壓力與兩束光強之比的對數(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，這種效應稱為光彈效應。 出現(xiàn)雙折射時，無論入射光是自然光還是偏振光，都將分解成兩束傳播速度不同、振動方向相互垂直的線偏振光。,2006.12. 1JC204-,對于光彈效應晶體，兩束光線的相位差 其中 是光彈常數(shù)， 為元件長度， 為機械應力， 為波長。,光彈式壓力傳感器

14、結(jié)構(gòu)參見下圖。,（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，通過壓力引起變形器產(chǎn)生位移，使光纖發(fā)生微彎對光強進行調(diào)制。微彎原理參見下圖,光纖,變形器,下面為兩種微彎式光纖水聽器探頭結(jié)構(gòu)。,三、液位、流量、流速的檢測 （一）液位的檢測技術(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。,多個球面液位光纖傳感器安裝在不同高度上可以測出多個液位高度。如下圖,2.斜面光纖液位傳感器 結(jié)構(gòu)參見下圖。,3.單光纖液位傳感器 結(jié)構(gòu)參見下圖。,（二）流量、流速的檢測 1.光纖渦街流量計 當一個非流線體置于流體中時，流體流動時，某些條件下會在非流線體的后方產(chǎn)生有規(guī)律的漩渦，這種

15、漩渦會在該非流線體的兩邊交替地離開。每個漩渦產(chǎn)生并離開時會在物體上產(chǎn)生一側(cè)向力。于是物體在該力的作用下發(fā)生振動，振動頻率近似與流速成正比即,光纖渦街流量計的結(jié)構(gòu)參見下圖。光纖渦街流量計的特點是可靠性好、對被測流體阻力小。但在流速很小時，光纖振動會消失，因此存在一定的測量下限。,2.光纖多普勒流速計 參見下圖。激光束照射到流體上，發(fā)生散射，由于流體在流動，使得光電傳感器接收到的散射光發(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，可以對氣泡的流速、氣泡直徑和氣泡率等參數(shù)進行測量。檢測原理參見下圖。,根據(jù)菲涅爾反射定律，在上圖中三種情況下，

16、從光纖端面反射回光纖的反射光強分別可表示為 另外，在氣泡和液體的界面上也要產(chǎn)生反射，由于氣泡的運動，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)過光纖端部時，光纖端面反射光與氣泡端面反射光混合后形成拍頻信號，光強變化頻率為 和 。下圖為氣泡通過光纖端部時的反射光強波形。,在一定時間 內(nèi)記錄到多個氣泡經(jīng)過光纖端面時，可由下式，計算出氣泡率。 將輸出信號中的多普勒信號提取出來后，根據(jù)拍頻可以計算出氣泡直徑 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 參見下圖。,本章重點： 1. 掌握光纖傳光的幾何光學原理，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技術(shù)。 習題：9-1，9-2，9-3，9-4，9-6，9-9，9-8，9-9,