光纤传感器的原理及应用.pdf

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1、图1光纤传光原理围大、抗电磁干扰能力强、超高电绝缘、防燃防爆、安全性能高、成本低、体积小、使用方便等优点。光纤传感器可实现的传感物理量很广，广泛应用于对磁、声、力、温度、位移、旋转、加若光在纤芯和包层的界面上发生全反射，则界面上的光速度、液位、应变、光、传像及某些化学量的测量等，应用前景线临界折射角‘p)0。，即‘pqow90。。而十分广阔Ⅲ。msinO_n．sin(r_一J=ncostp。、／ir2．光纤的基本知识=11V1一((n12sin(p)‘2．1光纤的定义及结构光导纤维简称光纤，它是一种介

2、质圆柱光波导。所谓“光当(p=cOc=90。时，有msinO、／n．n：所以，为满足光在光纤中的全内反射，光入射到光纤端面波导”是指以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理的入射角0应满足约束并引导光波在其内部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质。Oi量0~arcsin(~n2,-n2)光纤是一种特殊结构的光学纤维，是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，3．光纤传感器损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输3．1光纤传感器的基本原理及组成提供反射面和光隔

3、离，并起一定的机械保护作用。光纤传感器由光源、敏感元件(光纤或非光纤的)、光探测2．2光纤传光原理器、信号处理器系统以及光纤等组成。在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤能传送很光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤送入远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。设有一段圆柱形光调制器，使待测量参数与进入调制区的光相互作用后，导致光纤，如下图1所示，他的两个端面均为光滑的平面。当光线射的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变入端面并与圆柱的轴线成角Oi时，在端面发生折射进入光纤

4、后，化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调又以(p角射入纤芯与包层的界面，光线有一部分透射到包层，器解调后，获得被测参数。一部分反射回纤芯。但当入射角e小于临界入射角e。时，光线3．2光纤传感器分类就不会透射出界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上3．2．1强度调制光纤传感器反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光强度调制光纤传感器的基本原理是：待测物理量引起光纤的另一端射出，这就是光纤的传光原理【2_。纤中传输光的光强变化，通过检测光强的变化实现对待测量根据斯涅耳(

5、Snel1)光的折射定律，由图1可得：的测量。待测量作用于光纤敏感元件，使通过光纤的光强发生nosinO1sinOnlsinq~=n2sincp’变化。设输入光强为恒量I，输出光强为I，即待测量对光纤作者简介：葛晓静，女，河南林州人，本科在读。研究方向：电子技术，通信工程。聂帅华，男，江西南昌人，本科在读。研究方向：电子技术，通信工程。一68—应用技术与研究囊中的光强度产生调制。可直接连接光探测器变成电信号(即调单模参考光纤制的强度包括电信号)。3．2．2相位调制光纤传感器激光器卜I干涉仪l相位调制光

6、纤传感器的基本原理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传输的光波相位发生变化，再用干涉测量技术／把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。所有能够影响光纤长度、折射率和内部应力的被测量都会引起相．广-lJ—1／I处理电路位变化，如应力、应变、温度和磁场等外界物理量。但是，目前的各类光探测器都不能探测敏感光的相位变化，必须采用干一L]=⋯纤涉测量技术，才能实现对外界物理量的检测。与其他调制方式图2光纤加速度传感器结构简图相比，相位调制技术由于采用干涉技术而具有很高的检测灵敏度。常用的干涉仪有四种：

7、迈克尔逊、马赫一琴特、法布里一半导体光吸收器珀罗和萨格耐克。它们的共同点是：光源发出的光都要分成两兰兰一输入光纤广—-1-“{钎探测罂束或更多束的光，沿不同的路径传播后，分离的光束又重新汇r-IIII合，产生干涉现象。————JII-_●I3．2．3偏振态调制光纤传感器利用光波的偏振性质，可以制成偏振调制光纤传感器。偏图3光强调制型的光纤温度传感器结构原理图振调制主要是利用光纤的磁光效应、弹光效应等物理效应来实现外界信号对光纤中光波偏振的调制。磁光效应导致旋光化。半导体材料的光透射率特性曲线随温度的增

8、加向长波方现象，弹光效应导致双折射。在许多光纤系统中，尤其是包含向移动，如果适当的选定一种在该材料工作波长范围内的光单模光纤的系统，偏振起着重要作用。光纤偏振调制技术可用源，那么就可以使透过半导体材料的光强度随温度而变化，探于温度、压力、振动、机械形变、电流和电场等检测。目前主要测器检测输出光强的变化即达到测量温度的目的。是用于检测强电流。4．3光纤图像传感器3．2．4分布式光纤传感器光纤图像传感器[3_是采用传像束来完成的，传像束由玻璃为获得呈一定空间