1、.,第12章 光纖傳感器,光導(dǎo)纖維簡稱光纖 光纖傳感器是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一門新技術(shù)，光纖最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器得到進一步發(fā)展。與其它傳感器相比較，光纖傳感器有如下特點： 不受電磁干擾，防爆性能好，不會漏電打火； 可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲； 可以用于高溫、高壓、絕緣性能好，耐腐蝕。,.,第12章 光纖傳感器,（1）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理 光纖結(jié)構(gòu)：,基本采用石英玻璃， 有不同摻雜，主要 由三部分組成 中心纖芯； 外層包層； 護套尼龍料。 光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)， 纖芯折射率N1略大于包層折射率N2（N1N2）。,.,第12章 光纖傳感器

2、,光纖的傳播基于光的全反射。當光線以不同角 度入射到光纖端面時，在端面發(fā)生折射后進入光纖； 光線在光纖端面入射角減小到某一角度c時，光線全部反射。 只要c，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。,（1）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理 光纖的傳光原理：,.,第12章 光纖傳感器,可見，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)（N1、N2）決定的，與光纖的幾何尺寸無關(guān)。,.,第12章 光纖傳感器,10.3 光纖傳感器（2）光纖的性能（幾個重要參數(shù)） 數(shù)值孔徑（NA）,臨界入射角c的正弦函數(shù)定義為光纖的數(shù)值孔徑.,空氣中：,.,第12章 光纖傳感器,NA意義討論： NA表示光纖的集光能

3、力，無論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2c張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會進入包層漏光。 一般NA越大集光能力越強，光纖與光源間耦合會更容易。但NA越大光信號畸變越大，要選擇適當。 產(chǎn)品光纖不給出折射率N，只給數(shù)值孔徑NA，石英光纖的數(shù)值孔徑一般為：,.,第12章 光纖傳感器,光纖模式是指光波沿光纖傳播的途徑和方式，不同入射角度光線在界面上反射的次數(shù)不同。光波之間的干涉產(chǎn)生的強度分布也不同，模式值定義為：,（2）光纖的性能（幾個重要參數(shù)） 光纖模式（V）,.,第12章 光纖傳感器,光纖模式,.,第12章 光纖傳感器,模式討論： 模式值越大，允許傳播的模式值越多。

4、在信息傳播中，希望模式數(shù)越少越好，若同一光信號采用多種模式會使光信號分不同時間到達多個信號，導(dǎo)致合成信號畸變。 模式值V小，就是值小，即纖芯直徑小，只能傳播一種模式，稱單模光纖。單模光纖性能最好，畸變小、容量大、線性好、靈敏度高，但制造、連接困難。 除單模光纖外，還有多模光纖（階躍多模、梯度多模），單模和多模光纖是當前光纖通訊技術(shù)最常用的普通光纖。,.,第12章 光纖傳感器,光纖在傳播時，由于材料的吸收、散射和彎曲 處的輻射損耗影響，不可避免的要有損耗，用率減 率A表示：,在一根率減率為10dB/Km的光纖中，表示當光纖傳輸1Km后，光強下降到入射時的1/10。,（2）光纖的性能（幾個重要參數(shù)

5、） 傳播損耗（A）,.,第12章 光纖傳感器,光纖目前可以測量70多種物理量，光纖的類 型較多，大致可分為功能型和非功能型兩類。 光纖傳感器進行產(chǎn)品檢測動畫,(3) 光纖傳感器應(yīng)用,.,第12章 光纖傳感器,功能型 FF （Function Fibre Optil Sensor） 又稱傳感型 這類傳感器利用光纖 本身對外界被測對象具有 敏感能力和檢測功能，光 纖不僅起到傳光作用，而 且在被測對象作用下，如 光強、相位、偏振態(tài)等光 學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后 的信號攜帶了被測信息。,(3) 光纖傳感器應(yīng)用,.,第12章 光纖傳感器,馬赫澤德干涉儀,分束器1把激光器的 輸出光束分成兩部分， 經(jīng)上、下光

6、路的傳輸后 又重新合路，使其在光 檢測器處互相干涉。這 種干涉儀靈敏度，可精 確到10-13nm 。但實現(xiàn) 非常困難，限制在實驗 室工作。,.,第12章 光纖傳感器,光纖干涉?zhèn)鞲衅?，幾公里光路對光纖是容易實現(xiàn)的。 在光源和檢測器之間，干涉儀只含光纖元件，換能把被測量轉(zhuǎn)換成光束的相位變化，利用集成和光電技術(shù)可把所有元件裝入一個很小裝置內(nèi)與光纖對接耦合。,光纖干涉?zhèn)鞲衅髟?各種光纖耦合器,.,第12章 光纖傳感器,馬赫澤德光纖干涉儀原理,.,第12章 光纖傳感器,NFF（Non-Function Fibre Optil Sensor） 稱傳光型 傳光型光纖傳感器的 光纖只當作傳播光的媒介， 待測

7、對象的調(diào)制功能是由 其它光電轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)的， 光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的， 光纖只起傳光作用。,非功能型,.,第12章 光纖傳感器,利用半導(dǎo)體材料的能量隙隨溫度幾乎成線性變化。 敏感元件是一個半導(dǎo)體光吸收器，光纖用來傳輸信 號。當光源的光強度經(jīng)光纖達到半導(dǎo)體薄片時，透 過薄片的光強受溫度的調(diào)制溫度T升高，材料吸收光 波長向長波移動，半導(dǎo)體薄片透過的光強度變化。,光纖溫度傳感器,.,第12章 光纖傳感器,利用光纖實現(xiàn)無接觸位移測量。光源經(jīng)一束多 股光纖將光信號傳送至端部，并照射到被測物體 上。另一束光纖接受反射的光信號，并通過光纖 傳送到光敏元件上。 被測物體與光纖間 距離變化，反射到 接受光纖上，光

8、通 量發(fā)生變化。再通 過光電傳感器檢測 出距離的變化。,反射式光纖位移傳感器,.,第12章 光纖傳感器,反射式光纖位移傳感器,.,第12章 光纖傳感器,反射式光纖位移傳感器一般是將發(fā)射和接收光纖捆綁組合在一起，組合的形式有不同， 如：半分式、 共軸式、 混合式， 混合式靈敏度高， 半分式測量范圍大。,反射式光纖位移傳感器,.,第12章 光纖傳感器,工作原理： 由于光纖有一定的數(shù)值孔徑，當光纖探頭端緊貼 被測物體時，接收光敏元件無光電信號； 被測物體逐漸遠離光纖時 接收光纖照亮的區(qū)域B2越 來越大 ； 當整個接收光纖被照亮?xí)r， 輸出曲線達到光峰值； 被測體繼續(xù)遠離時部分光 線被反射光信號減弱，曲 線下降。,反射式光纖位移傳感器,.,第12章 光纖傳感器,反射式光纖位移傳感器,.,第12章 光纖傳感器,討論： 前坡區(qū) 輸出信號的強度增加快，位移輸出曲 線有較好的線性關(guān)系，可進行小位移測量； 后坡區(qū) 信號隨探頭和被測體之間的距離增加 而減弱，該區(qū)域可用于距離較遠要求不高的測量； 光峰區(qū)