传感器与检测技术第十二章.ppt

光纤传感器常用的相关器件有以下部分： 　　(1)　光纤传感器的光源：大多采用相干光源(激光器)，例如半导体激光器、氦氖激光器和固体激光器。 　　(2)　光纤接头：光源与光纤、探测器与光纤以及光纤与光纤之间均由光纤接头连接。使用时的插入损耗越小越好。活接头主要用于光源与光纤耦合；死接头多用于光纤对接，连接的专用工具是光纤融接器。 　　(3)　光纤耦合器：可将光源射出的光束分别耦合进两条以上的光纤，或者将两束光纤的出射光同时耦合给探测器。分立式耦合器主要由棱镜、聚焦透镜和调节支架组成。固定式耦合器由两块基板嵌入光纤加工后用匹配胶粘合而成。 12.2.2 光纤传感器的组成 12.2.3 光纤传感器的分类 　光纤传感器的一般分类方法如下： 1)功能型(或称物性型、传感型) 　　这类光纤传感器不仅作为光传播的媒介而且还充当敏感元件，将被测量转换成光信号的变化量。因为光纤既是电光材料又是磁光材料，所以可以利用克尔效应、法拉第效应等，制成测量强电流、高电压等传感器；其次可利用光纤的传输特性把输入量变为调制的光信号。因为表征光波特性的参量，如振幅(光强)、相位和偏振态会随着光纤的环境(如应变、压力、温度、电场、射线等)而改变，故利用这些特性便可实现传感测量。 12.2.3 光纤传感器的分类 2)非功能型(或称结构型、传光型) 　　光纤在非功能型光纤传感器中只作为传光的介质，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化。非功能型传感器的特点是结构比较简单，能够充分综合其他敏感器件和光纤本身的优点，因此发展很快。 　　在用途上，非功能型传感器要多于功能型传感器，而且非功能型传感器的制作和应用也比较容易，所以目前非功能型传感器品种较多。功能型传感器的构思和原理往往比较巧妙，可解决一些特别棘手的问题。但无论哪一种传感器，最终都利用光探测器将光纤的输出变为电信号。 12.2.3 光纤传感器的分类 　　按调制手段不同，光纤传感器可分为为强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制、波长调制型光纤传感器。 　　按被测量不同，光纤传感器可分为电压、电流、磁场、位移、速度、加速度、振动、应变、压力、温度、流量、化学量、生物量光纤传感器。 12.3 光纤传感器的应用 －－12.3.1 光强调制光纤传感器 　　能够对光纤内光强产生调制作用的因素很多，如能够引起传输光强变化的光纤弯曲、光纤内光路截断或遮挡、吸收、反射、接收等过程中光纤反射光强变化等。光强调制类光纤传感器对光纤的性能要求不高，为了增强调制深度，一般采用多模光纤。 　　这种传感器利用的微弯状态下的光纤所产生的弯曲损耗对光强进行幅值调制的传感器。其原理如下图所示。如前所述，在直光纤段，正常传输的光线打到纤芯和包层之间的界面上时，其入射角大于临界角(Φ1Φ2)，则光线在界面上产生全反射。理想情况下，光在直光纤中传播是无损的。当光线入射到微弯曲段的界面上时，入射角将小于临界角(Φ1Φ2)。此时，将会有一部分光能投射进入包层，从而导致光能的损耗。 12.3.1 光纤传感器的应用 　　光纤微弯传感器如图所示，其变形器由两个波浪型板构成。上面的板是活动的，下面的板是固定的。波形板一般采用有机玻璃、尼龙等非金属材料构成。一根光纤（阶跃型或梯度型多模光纤）从中穿过。当活动板受到微绕（位移或压力）作用时，光纤会发生波浪微弯，引起传播光的弯曲损耗，使光能在芯模中再分配：一部分在界面上反射回纤芯；另一部分从纤芯折射到包层。当活动板的位移或所施加的压力增加时，泄漏到包层的散射光随之增大，则纤芯输出光的强度相应减小，光强得到了调制。通过检测光能衰减的程度，或光纤纤芯透射光强度就能测出位移（或压力）信号。光纤微弯曲传感器实际测量光路如图（b）所示。 　　光纤微弯传感器最大的优点是光功率维持在光纤内部，这样可以避免周围环境的影响，适宜在恶劣环境中使用。其灵敏度很高，能检测小至100μPa的压力变化。它具有兼容多模光纤技术，结构简单，动态范围宽、线性度较好、性能稳定等优点。 　　光纤微弯传感器最大的优点是光功率维持在光纤内部，这样可以避免周围环境的影响，适宜在恶劣环境中使用。其灵敏度很高，能检测小至100μPa的压力变化。它具有兼容多模光纤技术，结构简单，动态范围宽、线性度较好、性能稳定等优点。 12.3.1 光纤传感器的应用 　　传输光强调制型光纤传感器，一般在两根光纤(输入光纤和输出光纤)之问配置有机械式或光学式的敏感元件，敏感元件在被测量作用下调制传输光强的方式有：改变输入光纤和输出光纤之间的相对位置、遮断光路和影响光能吸收程度等。 12.3.1 光纤传感器的应用 　　受抑全内反射光纤压力传感器，是典型的利用改变光纤轴向相对位置对光强进行调制的光纤传感器，如左下图所示。传感器由两根光纤组成，一根固定，另