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传感器技术及应用机械06 2008～2009第二学期 2009年4月 第9章 光纤传感器 信息载体——光 传递媒质——光纤 兼具光纤及光学测量的特点。 光纤传感器的特点： 优点： 不受电磁干扰，可绕曲，耐腐蚀， 高绝缘强度，防爆性好， 灵敏度高，能与数字通信系统兼容等。 被测量范围广： 温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、 声和PH值等70多个物理量； 应用领域： 自动控制、 在线检测、 故障诊断、安全报警等方面 一、 光纤 1、 基本原理 1）几何光学的基本定义和定律 光在均匀介质中：直线传播 在两介质1和2的界面上发生： 2）斯乃尔定律（Snell‘s Law)——折射定律 折射定律 ：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧， 且满足：n1sin?1=n2sin ? 2 3）光的全内反射原理 （1）当光由光密介质（大折射率n1）射向光疏介质（小折射率n2）时，?2? 1 2、光导纤维——光纤 纤芯：玻璃纤维，折射率n1 包层：与纤芯同质， 折射率n2 n1 护套：塑料， 光纤端面入射角θ0与包层中折射角? 2之间关系 n0sinθ0=n1sinθ1 n1sin ? 1=n2sin ? 2 sinθ0=(n1/n0)sinθ1 sin ? 1 =(n2/n1)sin ?2 光线刚好不发生折射，  即：? 2 =90o 则临界入射角： 数值孔径的大小由纤芯和包层材料性质决定 数值孔径NA对光传输的影响： 大的数值孔径，有利于耦合效率的提高。 但数值孔径大， 光信号将产生大的“模色散”会使信号发生严重畸变 典型的光纤θ≈10°（sin 10° ＝0.175） 石英光纤的NA＝0.2～0.4 3）光纤的类型 （1）按折射率变化分类 a) 阶跃型（stepped） 纤芯与包层之间的折射率是突变的， b) 渐变型（graded） 在纤芯横截面中心处折射率最大其值为n1 ，由中心向外逐渐变小到与包层交界处折射率n2 ， 通常折射率变化为抛物线型式，又称为梯度型。 （2）光纤按传输模式分类 a） 多模光纤 纤芯直径在50～200μm，光信号在光纤中可多光线传输，以多个模式同时传输，由于模间色散较大，限制了传输数字信号的频率和传输距离。可使用LED光源 b） 单模光纤 纤芯直径很小（8～10μm)，只能传输基模(最低阶模)，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。需要用激光源。 现在实用的石英光纤通常有以下三种： 阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。 3、 光纤的特性指标 评价信号通过光纤的损耗和色散 1） 损耗特性评价指标： 光强的衰减系数a 2）色散 特别在光纤通讯中，色散使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽 3）光纤的分布类型 影响光纤传感器灵敏度的有： 光纤束的数量、尺寸和分布,以及每根光纤的数值孔径 塑料光纤 玻璃光纤 常规光纤与纱芯光纤 217－纱芯光纤直径66 ?m 613－纱芯光纤直径42?m 二、光纤传感器 1、 光纤传感器分类及其工作原理 A）功能型（元件型）光纤传感器 光纤为敏感元件，光在光纤内受被测量调制。 此类传感器要求高、成本也高。 B）非功能型（传光型）光纤传感器 利用其他敏感元件感受被测量的变化， 光纤仅作为光传输介质，又称为传光型光纤传感器 2、 光调制解调技术 光的调制：将信号叠加到光波上。 调制原理：外界信号可引起光的强度、 波长或频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制： 分类 ： 强度调制型、频率调制型、 相位调制型、偏振调制型 3、几种常用的光强调制技术 1） 微弯调制 光纤的弯曲能够使光从纤芯射入包层而产生损耗。 微弯光纤传感器 敏感元件——变形器。 变形器如一对错开的带锯齿槽的平行板, 能引起光纤产生微弯 2）光强度的外调制 调制环节在外部，光纤只起传光作用。 分为： 反射型和透光型 应用1：反射式光纤位移传感器 工作原理： 根据被测目标表面光反射至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。 输入输出特性: 1)位移为零 光纤探头端部紧贴被测件表面 发射光锥和接收光锥无重合面积, 接收光纤中无光信号; 2)随着被测表面逐渐远离光纤探头 发射光锥和接收光锥重合面积B1增大, 接收光纤端面上被照亮的B2区也增大, 有一个线性增长的输出信号; 3)当接收光纤端面被全部照亮, 输出信号达到了位移-输出信号曲线上的“光峰点” 4)当被测表面继续远离 反射光面积B2大于接收光纤端面积C, 光纤探头更加远离被测表面 使接收到的光强逐渐减小, 光敏输出器的输出信号逐渐减弱,进入曲线的后坡区, 位移-输出特性曲线 2) 后坡