5.3光纤传感器（课件）《传感器检测技术》同步教学（机械工业出版社）

光纤传感器分类 光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感(FunctionFibreOpticSensor)，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器(Non-FunctionFivreOpticSensor)，又称NF型光纤传感器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。 5.3光纤传感器 光纤传感器原理 光纤传感器是通过被测量对光纤内传输光进行调制， 使传输光的强度(振幅)、相位、频率或偏振等特性发生 变化，再通过对被调制过的光信号进行检测，从而得出 相应被测量的传感器。 在实用的光纤传感器中,光的性能参数可能是一个或几 个同时被调制.应当指出,光电探测器只能探测光的强度, 光的其它被调制的性能参数必须变换成为光强这一可 探测的形式. 一 强度调制与解调 1．微弯效应：微弯损耗强度调制器的原理如图所示。当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，传输光有一部分会泄漏到包层中去。 (一) 调制原理 假设光纤的微弯变形函数为: 式中, 随时间变化的动态振幅,即光纤的波状弯曲幅度,受 外界信号(被测量)的控制; 空间频率; 变形点到光纤入射端的距离 设光纤微弯变形函数的微弯周期(即空间波长)为 ,则: 由光的波动理论可导出微弯损耗系数 的一阶近似表达式: 式中, 比例系数; 光纤产生微弯变形部位的长度; 光纤中光波传播常数之差. (1) 由(1)式知: 即光纤微弯幅度越大,模式耦合越严重,光能辐射越多,损耗越大. 即发生微弯的部位越长,耦合越严重,但不如微弯幅度影响显著. 随 (或 ) 而变化,当 时,产生谐振,微弯损耗最大,即调制最灵敏. 光纤的最佳微弯周期为: 其中 相对折射率差 对SIF, 微弯光纤纤芯半径 有: 对GIF, 有: 例:水听器 2．光强度的外调制 外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤本身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常用的调制器是反射器和遮光屏。 反射式强度调制器的结构原理如图所示。在光纤端面附近设有反光物体A，光纤射出的光被反射后，有一部分光再返回光纤。通过测出反射光强度，就可以知道物体位置的变化。为了增加光通量，也可以采用光纤束。 图为遮光式光强度调制器原理图。发送光纤与接受光纤对准，光强调制信号加在移动的光闸上，如图（a）， 图（a） 例子:计数器 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 图为移位式光强度调制器原理图.直接移动接受光纤，使接受光纤只接受到发送光纤发送的一部分，如图(b),从而实现光强调制。 图(b) 3．由折射率的改变引起的光强度调制 利用折射的不同进行光强度调制的原理包括：①利用被测物理量引起传感材料折射率的变化；②利用折射率不同的介质之间的折射与反射。 在一全内反射系统中，利用被测物理量(如温度和压力等)引起介质折射率的变化，使全内反射条件发生变化，再通过检测反射光强，就可监测物理量的变化。例如温度报警系统，可利用纤芯玻璃和包层玻璃具有不同的折射温度系数，在某一温度之上或之下，光纤芯和包层折射率变得相等，甚至使n2>n1，光纤失去波导作用来实现。 斜面反射式光纤温度传感器 (a) 1 2 3 (b) 1、2 光纤 3 棱镜 被测物理量(温度) 折射率改变 强度改变 例 4 由光吸收系数的改变引起的强度调制 X射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加,光纤的输出 功率降低. L D 辐射 Iin Iout (二) 解调 斩波器 参考信号 锁相放大器 L S D1 D2 S0(t) S0(t) 1 直接检测 直接检测法的优点是简单,但由于光源强度的波动、光纤损耗 的波动以及噪声等因素的影响,使得输出信号的强度不仅随被 测信号变化,而且随上述诸因素而变,给测量带来误差.这可由 下述双光路微弱信号检测技术加以弥补. 斩波器 参考信号 锁相放大器 L D1 D0 S S0(t) S0(t) D2 BS 2 双光路检测 BS为分束器(或光纤Y型分路器) 3 双波长检测 消除系统中的不稳定因素带来的误差的另一种办法是采用 双波长检测法,其原理如下图. 光源1和光源2分别发出波长为 的光,经复用器耦合到 入射光纤中.外界被测参数S0(t)只改变 的光的强度,而对 的光的强度不产生影响.所以, 叫信号波长, 叫参考波长. L1 L2 D1 S D2 D3 D4 波分 复用器 入射光纤 出射光