第12章光纤传感器

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1、第12章光纤传感器光导纤维(光纤)受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等环境条件变化，将引起其传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。光纤传感技术就是将温度、压力、电场、磁场的变化转化为光波量的变化的技术。光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术，光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点：不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。第12

2、章光纤传感器（1）光纤的结构和传输原理①光纤结构：基本采用石英玻璃，有不同掺杂，主要由三部分组成中心——纤芯；外层——包层；护套——尼龙料。性质光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯折射率N1略大于包层折射率N2（N1＞N2）。纤芯保护套包层玻璃光纤塑料光纤石英光纤第12章光纤传感器光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光线全部反射。只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。（1）光纤的结构和传输原理②光纤的传光原理：

3、第12章光纤传感器为保证全反射，必须满足全反射条件（即θ＜θc）实现全反射的临界入射角为：空气中可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（N1、N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。第12章  光纤传感器（2）光纤的性能（几个重要参数）①数值孔径（NA）临界入射角θc的正弦函数定义为光纤的数值孔径.空气中：第12章光纤传感器NA意义讨论：NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2θc张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越

4、大，要选择适当。产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA，石英光纤的数值孔径一般为：第12章光纤传感器光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同。模式值定义为：式中：α为纤芯半径；为入射波长。（2）光纤的性能（几个重要参数）②光纤模式（V）第12章光纤传感器②光纤模式第12章光纤传感器模式讨论：模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号，导致合成信号畸变。模式值V小，就是α值小，即纤芯直径小，只能传播

5、一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。第12章光纤传感器光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗。用衰减率A表示：I1、I2：两接收光纤的光强在一根衰减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传输1Km后，光强下降到入射时的1/10。（2）光纤的性能（几个重要参数）③传播损耗（A）第12章光纤传感器(3)光纤传感器的基本测量原理(1)物性型光纤传感器原理      

6、物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。(1)物性型光纤传感器原理激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数（温度、压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，

7、就可测量温度或压力等。(2)结构型光纤传感器原理结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。图2结构型光纤传感器工作原理示意图(3)拾光型光纤传感器原理用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。图3拾光型光纤传感器工作原理示意图第12章光纤传感器(4)光纤传感器组成光源：要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定相干光：半导体激光器等非相干光：发光二极管、白织灯等探测器（光电探

8、测器是光电检测中不可缺少的器件，把光信号转变为电信号）：灵敏度好、响应快、线性好光电二极管、光