传感器原理及其应用 第9章 光.ppt

传感器原理及应用光纤传感器(FOS：FiberOpticalSensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。
9.1光纤传感器的基本知识9.1.2光纤的传光原理如图，根据几何光学理论，当光线以某一较小的入射角，由折射率为n1的光密物质射向折射率为n2的光疏物质(即n1＞n2)时，则一部分入射光以折射角折射入光疏物质，其余部分以角度反射回光密物质，根据折射定律(斯涅尔定律)，光折射和反射之间的关系为：当入射角＞时，光线不会透过其界面，而全部反射到光密物质内部，也就是说光被全反射。根据这个原理，如图所示，只要使光线射入光纤端面的光与光轴的夹角小于一定值，则入射到光纤纤芯和包层界面的角就满足小于临界角的条件，光线就射不出光纤的纤芯。光线在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播，光就能从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是光纤传光的基本原理。9.1.3光纤的种类2．按折射率分类
分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤，如图所示。在纤芯和包层的界面上，纤芯的折射率不随半径而变,但在纤芯与包层界面处折射率有突变的称为阶跃型；而光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致的称为渐变型。3．按光纤的传播模式分类单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光，常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性度；但因芯小，难以制造和耦合。多模光纤允许多个模数的光在光纤中同时传播，通常纤芯直径较大，达几十微米以上。由于每一个“模”光进入光纤的角度不同，它们在光纤中走的路径不同，因此它们到达另一端点的时间也不同，这种特征称为模分散。特别是阶跃折射率多模光纤，模分散最严重。这限制了多模光纤的带宽和传输距离。渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线形成递减，中心轴折射率最大，因此，光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形，如图所示，具有光自聚焦效果，故渐变折射率多模光纤又称为自聚焦光纤。因此渐变折射率多模光纤的模分散比阶跃型小得多。9.1.4光纤传感器的基本组成专用的光纤连接头及光纤插座光电转换器件采用光电二极管9.2光纤传感器的分类及其工作原理9.2.1光纤传感器分类2．非功能型(传光型)光纤传感器传感器9.2.2光调制技术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。强度调制型示例：膜片反射式光纤压力传感器强度调制型示例：微弯光纤压力传感器2．相位调制与干涉测量
相位调制型光纤传感器的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系数发生变化，而导致光的相位变化，然后用干涉仪把相位变化变换为振幅变化，从而还原所检测的物理量。因此，相位调制与干涉测量技术并用，构成相位调制的干涉型光纤传感器。实现干涉测量的仪器称为干涉仪。常用的干涉仪主要有4种：迈克尔逊干涉仪、赛格纳克干涉仪、马赫-泽德干涉仪和法布里-珀罗干涉仪，如图所示。光学干涉仪的共同特点就是它们的相干光在空气中传播，由于空气受环境温度变化的影响，引起空气的折射振动及声波干扰。这种影响都会导致空气光程的变化从而引起干涉测量工作的不稳定，使精度降低。而光纤干涉仪利用单模光纤作干涉仪的光路，就可以排除上述影响，并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制，从而可以制造出千米量级光路长度的光纤干涉仪，这种干涉仪成为相位调制型光纤传感器的一个重要组成部分。常见相位调制方法：3．频率调制
频率调制光纤传感器是利用由被测对象引起的光频率的变化来进行监测的传感器。通常有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的速度、流速、振动、压力、加速度光纤传感器；利用物质受强光照射时的拉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。一般最关心的还是运动物体所散射的光的频移，而光源与观察者则是相对静止的。对于这种情况，可以作为一个双重多普勒频移来考虑。即先考虑从光源到运动物体，然后再考虑从运动物体到观察者。典型的激光多普勒光纤测速系统9.3光纤传感器的应用接