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光纤传感器;第9章

光纤传感器

;光导纤维传感器（简称光纤传感器）是20世纪七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。

与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点：

1.不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；

2.可根据需要做成各种形状，可以弯曲；

3.可以用于高温、高压,绝缘性好,耐腐蚀.

;基本采用石英玻璃，

主要由三部分组成

中心——纤芯；

外层——包层；

护套——尼龙料。

光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，

纤芯折射率n1略大于包层折射率n2（n1＞n2）。;光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；

光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光线全部反射。

只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。;主要利用光学多普勒效应实现频率调制，如图。

当流体受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时，在某些条件下会在流体的下游两侧产生有规则的旋涡。

观察者在O处观察到的频率为fs。

光纤传感器的发展方向主要有以下几个方面：

普克耳（Pockels）效应

与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点：

3光纤传感器的调制形式

在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为：

利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式探头结构如图。

若物体具有弹性，便会产生振动，振动频率近似地与流速成正比。

观察者在O处观察到的频率为fs。

生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中.

当光纤处于空气中时，入射光的大部分能在端部满足全反射条件而返回光纤。

板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。

图9-17光弹性式光纤压力传感器

生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中.;由斯奈尔（Snell）定律：;入射角的最大值为：;NA意义讨论：

NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2θc张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射??超出这一范围，光线会进入包层漏光。

一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。

产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA。;9.1.3光纤的种类;9.2光纤传感器的结构原理及分类;由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。;式中A——电场E的振幅矢量；

ω——光波的振动频率；

φ——光相位；

t——光的传播时间。

可见，只要使光的强度、偏振态（矢量A的方向）、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，即可获得所需要的被测量的信息。;9.2.2光纤传感器的类型;功能型光纤传感器;非功能型光纤传感器;9.2.3光纤传感器的发展方向;9.3光纤传感器的调制形式;输出ID;9.3.2偏振调制;图9-5普克耳效应;2.法拉第磁光效应;图9-6法拉第磁光效应;3.光弹效应;图9-7光弹效应实验装置;9.3.3频率调制;9.3.4相位调制;光信号相位的变化Δ?与温度变化ΔT的关系为;9.3.5波长调制;9.4光纤传感器的应用;图9-10热双金属式光纤温度开关

1遮光板；2双金属片

;?0——自由空间光波长；

Eg与温度t的关系可表示为：

当传感器接触液体时，由于液体的折射率比空气大，使一部分光不能满足全反射条件而折射入液体中，返回光纤的光强就减小。

振动、压力、加速度、位移

3光纤传感器的调制形式

由斯奈尔（Snell）定律：

利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式探头结构如图。

偏振调制光纤温度传感器

当有与入射光偏振方向呈45o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，

主要利用光学多普勒效应实现频率调制，如图。

测对象作用下，如光强、相位、偏振态等

3光纤传感器的调制形式

图9-9水银柱式光纤温度开关

2光纤传感器的结构原理及分类

1光纤传感器结构原理

图9-10热双金属式光纤温度开关;这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。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，即通过检

测透射光的强度

或透射率，即可

检