第9章光导纤维式传感器概述.ppt

将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉。这就是萨格纳克效应。 * 光纤耦合器又称分歧器、连接器、适配器、法兰盘，是要实现将一根光纤中传输的光能部分的耦合到另一根光纤中去，相当于光学分束器的作用，用于实现光信号的分路/合路。 * * * 一、温度的检测 (二)透射型半导体光纤温度传感器 §9-4 光纤传感器的应用 温度↑ 半导体材料的Eg ↓ 本征吸收波长λg↑ 透射率曲线向长波方向移动 若采用发射光谱与半导体的λg(t)相匹配的发光二极管作为光源， 则透射光强度将随着温度的升高而减小 光源的发射光谱宽越窄，温度灵敏度越高，测温范围就越小。 * 其中半导体材料采用厚度为0.2 mm的半绝缘GaAs材料，光源采用AlGaAs LED，其发光中心波长为880 nm，光谱宽度为80 nm。在 -50～200 ℃范围内，该传感器的测定精度为±3 ℃ ，响应时间约为2 s。 一、温度的检测 (二)透射型半导体光纤温度传感器 §9-4 光纤传感器的应用 -50～200 ℃相对输出功率和温度关系曲线 问题：受到光源功率波动、损耗变化等因素的影响，其检测精度受到一定的限制 * 其中LED1为信号光源，中心波长与半导体的本征吸收波长λg相匹配。LED2为参考光源，其中心波长大于λg。当温度变化时，LED1通过半导体的透射光强随温度变化而变化，而LED2的透射光强保持不变。 一、温度的检测 (二)透射型半导体光纤温度传感器 §9-4 光纤传感器的应用 补偿检测法： 光纤 光纤 光纤 光纤 探头 耦合器 对于LED1发出的光，在两个探测器PD1和PD2上接收的光强度可分别表示为: 一、温度的检测 (二)透射型半导体光纤温度传感器 §9-4 光纤传感器的应用 * 光纤 光纤 光纤 光纤 探头 耦合器 对于LED2发出的光，两个探测器上接收的光强度分别可表示为: 式中 α1～α4—与各段光纤有关的综合损耗 系数； γ—两个Y形光纤耦合器的联合分光比； M(t) —信号的调制函数，即LED1的光过 半导体的透射系数； I1—光源LED1的光强； I2—光源LED2的光强。 * 一、温度的检测 (二)透射型半导体光纤温度传感器 §9-4 光纤传感器的应用 若将I11、I12、I21、I22分别检测出来后作如下运算 得到处理结果只与温度信号有关，而与其他所有的损耗及光源强度无关。 采用了补偿法的光纤温度传感器的精度及稳定性都有很大的提高，检测精度可达0.1 ℃ 。其中光源的开关控制及信号的检测、运算均可由微处理机系统方便地实现。 * 原理：某些荧光物质在紫外光下发出可见光，荧光强度对温度有强烈的依存关系，通过检测特定波长的荧光强度即可测出温度的变化。 一、温度的检测 (二)荧光发光型光纤温度传感器 §9-4 光纤传感器的应用 图中光纤探头的端部装有磷光物质(Cd0.99Eu0.01)2O2S，紫外激励光由光纤导向磷光物质，受激光发射的荧光亦由该光纤导出。 磷光物质 外壳 光纤 分束器 分束器 滤光片 滤光片 * 用干涉滤光片分别检测出这a和b两条谱线的荧光强度，取它们的比值(图(a)中的曲线c)作为输出，可有效消除激励光源强度不稳定及光纤耦合、传输损耗变化等因素的影响。 一、温度的检测 (二)荧光发光型光纤温度传感器 §9-4 光纤传感器的应用 波长510 nm 波长为630 nm 二、压力的检测 §9-4 光纤传感器的应用 (一)采用弹性元件的光纤压力传感器 原理：利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。 光纤探头 LED PD P 反射膜片 入射光纤 接收光纤 二、压力的检测 §9-4 光纤传感器的应用 (一)采用弹性元件的光纤压力传感器 光纤探头 P 反射膜片 差动式 P0 P0 * 两束输出光的光强之比可表示为 二、压力的检测 §9-4 光纤传感器的应用 (一)采用弹性元件的光纤压力传感器 式中 A—与膜片尺寸、材料及输入光纤束 数值孔径等有关的常数; p—待测量压力。 输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。 * 发自LED的入射光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈45°的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，由检