第8章光电式传感器-光纤传感器 .ppt

光的全反射实验 光纤式光电开关应用 光纤式光电开关应用 光纤式光电开关应用 光纤的其他应用 军用光纤陀螺： 将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可以测得出射光的相位发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，无机械磨擦力。 标志孔 电路板标志检测 当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。 光纤 耦合器 传输光纤 出射光纤 遮断型光纤光电开关 出射光纤 接收光纤 8.2.4 功能型光纤传感器举例 当一束波长为λ的相干光在光纤中传播时，光波的相位角与光纤的长度L、纤芯折射率n1和纤芯直径d有关。 光纤受到物理量的作用时，这三个参数就会发生不同程度的变化，从而引起光相移。 一般说来，光纤长度和折射率的变化引起光相位的变化要比纤心直径引起光相位的变化大得多，因此纤芯直径d引起的光相位变化可以忽略。 1. 相位调制型光纤传感器 （1）相位调制的原理 当光纤受到物理量的作用时，则相位角变化为 式中：ΔФ——光波相位角的变化量； ΔL——光纤长度的变化量； Δn1——光纤纤芯折射率的变化量； εL——光纤轴向应变（ εL =ΔL／L）。 由普通物理学知道，在一段长为L的单模光纤（纤芯折射率为n1）中，波长为λ的输出光相对输入端来说，其相角为 于是，就可以应用光的相位检测技术测量出温度、压力、加速度、电流等物理量。 由于光的频率很高（约为1014Hz），光电探测器不能跟踪以这样高的频率进行变化的瞬时值，因此，光波的相位变化是不能够直接被检测到的。 为此，应用光学干涉测量技术将相位调制转换成振幅（强度）调制。 在光纤传感器中常采用马赫-泽德（Mach-Zehader）干涉仪等几种不同的干涉测量仪。 它们有一个共同之处，即光源的输出光都被分束器（棱镜或低损耗光纤耦合器）分成光功率相等的两束光（也有分成几束光的），并分别耦合到两根或几根光纤中去。在光纤的输出端再将这些分离光束汇合起来，输到一个光电探测器。在干涉仪中，采用锁相零差、合成外差等解调技术，就可以检测出相位调制信号。 利用马赫-泽德干涉仪测量压力或温度的相位调制型光纤传感器组成原理图如图8-42所示。 He-Ne(氦-氖)激光器发出的一束相干光（相位恒定的光）经过扩束以后，被分束器分成两束光，分别耦合到传感光纤和参考光纤中。传感光纤被置于被测对象的环境中，感受压力（或温度）信号；参考光纤不感受被测物理量。这两根单模光纤构成干涉仪的两个臂。这两根光纤再通过光纤耦合器组合起来，以便产生相互干涉，形成一系列明暗相间的干涉条纹。 （2）相位调制型光纤压力和温度传感器 图8-42 用马赫-泽德干涉仪测量压力或温度的相位调制型 光纤传感器组成原理图 当传感光纤感受到温度变化时，光纤的折射率会发生变化，而且因光纤的热胀冷缩使其长度发生改变。由式（8-16）知，光纤的长度和折射率变化，将会引起传播光的相位角变化。这样，传感光纤和参考光纤的两束输出光的相位也发生了变化，从而使合成光强随着相位的变化而变化（增强或减弱），即干涉。 于是，通过光电探测器，就可以将合成光强的强弱变化转换成电信号大小的变化。 图8-43 随着温度T的上升，光相位变化与输出电流的关系 如图8-43所示。由图中可以看出： 在初始情况（室温26℃），传感光纤中的传播光与参考光纤中的传播光同相，输出光电流最大。随着T的上升，相位增加，光电流逐渐减小。 T继续上升，到26.03 ℃，相移增加π弧度，光电流达到最小值。 Ｔ继续上升到26.06℃， 相移增加到2π弧度，光电流又上升到最大值。 这样，光的相位调制便转换成电信号的幅值调制。T上升了0.06℃，相位变化了2π弧度，干涉条纹移动了一根。 如果在两光纤的输出端用光电元件来扫描干涉条纹的移动，并变换成电信号，再经放大后输入记录仪，从记录的移动条纹数就可以检测出温度（或压力）信号。 2. 光强调制型光纤传感器 图8-44 光纤微弯对传播光的影响 ? 光纤微弯曲位移和压力传感器是光强调制型光纤传感器的一个典型例子。它是基于光纤微弯而产生的弯曲损耗原理制成的。 微弯曲损耗的机理可用图8-44中光纤微弯对传播光的影响来说明。 假如光线在光纤的直线段以大于临界角射入界面（φ1＞φc），则光线在界面上产生全反射。 理想情况下，