【正文】 10 傳感器 光學現(xiàn)象 被測量 光纖 分類 干涉型 相位調制光線傳感器 干涉（磁致伸縮） 干涉（電致伸縮） Sagnac效應 光彈效應 干涉 電流、磁場 電場、電壓 角速度 振動、壓力、加速度、位移 溫度 SM、 PM SM、 PM SM、 PM SM、 PM SM、 PM a a a a a 非 干 涉 型 強度調制光纖溫度傳感器 遮光板遮斷光路 半導體透射率的變化 熒光輻射、黑體輻射 光纖微彎損耗 振動膜或液晶的反射 氣體分子吸收 光纖漏泄膜 溫度、振動、壓力、加速度、位移 溫度 溫度 振動、壓力、加速度、位移 振動、壓力、位移 氣體濃度 液位 MM MM MM SM MM MM MM b b b b b b b 偏振調制光纖溫度傳感器 法拉第效應 泡克爾斯效應 雙折射變化 光彈效應 電流、磁場 電場、電壓、 溫度 振動、壓力、加速度、位移 SM MM SM MM b,a b b b 頻率調制光纖溫度傳感器 多普勒效應 受激喇曼散射 光致發(fā)光 速度、流速、振動、加速度 氣體濃度 溫度 MM MM MM c b b 注： MM多模； SM單模； PM偏振保持； a,b,c功能型、非功能型、拾光型 光纖傳感器的分類 11 （ 1） 根據光纖在傳感器中的作用 光纖傳感器分為 功能型 、 非功能型 和 拾光型 三大類 。 因此 ， 討論光的敏感測量必須考慮光的電矢量 E的振動 ， 即 A——電場 E的振幅矢量； ω——光波的振動頻率； φ——光相位； t——光的傳播時間 。 光是一種電磁波 ， 其波長從極遠紅外的 lmm到極遠紫外線的 10nm。 9 可見 ,光纖傳感器與以電為基礎的傳統(tǒng)傳感器相比較 ， 在測量原理上有本質的差別 。 光纖 信號處理 光接收器 敏感元件 光發(fā)送器 （ b） 光纖傳感器 信號處理 電 源 信號接收 敏感元件 （ a） 傳統(tǒng)傳感器 導線 由光發(fā)送器發(fā)出的光經源光纖引導至敏感元件。 光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置 。時，光線發(fā)生全反射，則 sinθi0=NA θi0=arcsin NA θiθi0=arcsin NA 8 二 、 光纖傳感器結構原理及分類 光纖傳感器結構原理 以電為基礎的傳統(tǒng)傳感器是一種把測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的電信號的裝置 。 這說明 arcsinNA是一臨界角 ,凡入射角 θ i＞ arcsinNA的那些光線進入光纖都不能傳播而在包層消失；相反 ,只有入射角 θ i＜ arcsinNA的光線才可進入光纖被全反射傳播 當 θr=90186。的臨界狀態(tài)時， θi=θi0 當 θr90186。當 n０ =1時 7 上式 sinθi0為 “ 數(shù)值孔徑 ” NA(Numerical Aperture)。 則 n0sinθi=n1sinθj n1sinθ k=n2sinθ r sinθi=(n1/n0)sinθ j sinθ k=(n2/n1)sinθ r 因 θ j=90186。 纖心折射率 n1比包層折射率 n2稍大些 ． 兩層之間形成良好的光學界面 ， 光線在這個界面上反射傳播 。 光纖呈圓柱形 ， 它由玻璃纖維芯 (纖芯 )和玻璃包皮 (包層 )兩個同心圓柱的雙層結構組成 。 此時 ，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D （ b） ，稱為臨界狀態(tài) 。＝ 1 n1 n2 θr θ i (c)光全反射示意圖 n1 n2 θ r θ i (b)臨界狀態(tài)示意圖 當 θ r=90186。這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖 (c) ，其出射光不再折射而全部反射回來。 n1 n2 θ r θ i (a)光的折射示意圖 可見 ， 入射角 θ i增大時 ， 折射角θ r也隨之增大 ， 且始終 θ r＞ θ i。 斯乃爾定理 （ Snell39。 然而根據光學理論指出：在尺寸遠大于波長而折射率變化緩慢的空間 ,可以用 “ 光線 ” 即 幾何光學 的方法來分析光波的傳播現(xiàn)象 ,這對于光纖中的 多模光纖 是完全適用的 。 ⑤ 容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控 。 ③ 非侵入性 。 ① 電絕緣性能好 。光纖傳感器 用光作為敏感信息的載體 ，用光纖作為 傳遞敏感信息的媒質 。1 第一節(jié) 光纖傳感器 第二節(jié) 氣敏傳感器 第三節(jié) 濕度傳感器 第六章 其他種類的傳感器 2 光纖傳感器 (FOS Fiber Optical Sensor)是 20世紀 70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術迅速發(fā)展的產物，它與以電為基礎的傳感器有本質區(qū)別。因此，它同時具有光纖及光學測量的特點。 ② 抗電磁干擾能力強 。 ④ 高靈敏度 。 光纖傳感器可測量位移 、 速度 、 加速度 、 液位 、 應變 、壓力 、 流量 、 振動 、 溫度 、 電流 、 電壓 、 磁場等物理量 第一節(jié) 光纖傳感器 3 一 、 光導纖維導光的基本原理 光是一種電磁波 ,一般采用波動理論來分析導光的基本原理 。 為此 , 采用幾何光學的方法來分析 。s Law） 當光由光密物質 (折射率大 )入射至光疏物質時發(fā)生折射，如圖 (a)，其折射角大于入射角，即 n1＞ n2時， θ r＞ θ i。 n n θ r、 θ i之間的數(shù)學關系為 n1sinθi=n2sinθr 4 當 θ i＞ θ i0并繼續(xù)增大時， θ r＞ 90186。 式中： θ i0——臨界角 θi0=arcsin(n2/n1) sinθi0=n2/n1 sinθ r＝ sin90186。時 ， θ i仍＜ 90186。 這時有 5 光纖結構 分析光纖導光原理 ， 除了應用斯乃爾定理外還須結合光纖結構來說明 。 纖芯位于光纖的中心部位 ， 光主要在這里傳輸 。 2R 2r n2 n1 n n2 n1 纖芯 包層 光纖結構 6 光纖導光原理及數(shù)值孔徑 NA 入射光線 AB與纖維軸線 OO相交角為 θ i， 入射后折射 (折射角為 θ j)至纖芯與包層界面 C點 ， 與 C點界面法線 DE成θ k角 ， 并由界面折射至包層 ， CK與 DE夾角為 θ r。－ θ k 所以 θ j θi θ k θ r A B C D E F G K O O n0 n2 n1 光纖導光示意圖 KKki nnnnnn ???? 2010101 s i n1c o s)90s i n (s i n ??????rri nnnnnnn ??? 22221021201 s i n1s i n1s i n ????????????n0為入射光線 AB所在空間的折射率，一般為空氣，故 n０ ≈ 1， nl為纖芯折射率， n2為包層折射率。由于 n1與 n2相差較小 ， 即 n1+n2≈ 2n1,故又可因式分解為 ri nn ?? 22221 s i ns i n ??22210s in nni ????? 2s in 10 ni?Δ =(n1n2)/n1稱為相對折射率差 當 θr=90186。時 ， sinθiNA， θiarcsin NA， 光線消失 。時 當 θr90186。 它的電源 、 敏感元件 、 信號接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導線連接 ， 見圖 (a)。 由光發(fā)送器 、 敏感元件 (光纖或非光纖的 )、 光接收器 、 信號處理系統(tǒng)以及光纖構成 ， 見圖 (b)。這時，光的某一性質受到被測量的調制，已調光經接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后經信號處理得到所期待的被測量。 傳統(tǒng)傳感器是以 機 —電測量為基礎 ， 而光纖傳感器則以 光學測量 為基礎 。 它的 物理作用 和 生物化學作用 主要因其中的電場而引起 。 可見 ， 只要使光的 強度 、 偏振態(tài) (矢量 A的方向 )、 頻率和 相位 等參量之一隨被測量狀態(tài)的變化而變化 ， 或受被測量調制 ， 那么 ， 通過對光的強度調制 、 偏振調制 、 頻率調制或相位調制等進行解調 ， 獲得所需要的被測量的信息 。 1） 功能型 （ 全光纖型 ） 光纖傳感器 利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖 (或特殊光纖 )作傳感元件 ， 將 “ 傳 ” 和 “ 感 ” 合為一體的傳感器 。 因此 ，傳感器中光纖是連續(xù)的 。 信號處理 光受信器 光纖敏感元件 光發(fā)送器 12 2） 非功能型 （ 或稱傳光型 ） 光纖傳感器 光纖僅起導光作用，只 “ 傳 ” 不 “ 感 ” ，對外界信息的“ 感覺 ” 功能依靠其他物理性質的功能元件完成。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現(xiàn)，成本低。 信號處理 光受信器 敏感元件 光發(fā)送器 光纖 3） 拾光型光纖傳感器 用光纖作為探頭 ， 接收由被測對象輻射的光或被其反射 、散射的光 。 信號 處理 光受 信器 光發(fā)送器 光纖 耦合器 被測對象 13 （ 2） 根據光受被測對象的調制形式 形式： 強度調制型 、 偏振調制 、 頻率調制 、 相位調制 。 有利用光纖的 微彎損耗 ；各物質的 吸收特性 ；振動膜或液晶的 反射光強度 的變化；物質因各種粒子射線或化學 、 機械的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質的熒光輻射或光路的遮斷等來構成壓力 、 振動 、 溫度 、位移 、 氣體等各種強度調制型光纖傳感器 。 缺點 ：受光源強度波動和連接器損耗變化等影響較大 。 有利用光在磁場中媒質內傳播的法拉第效應做成的電流 、 磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體內傳播的泡爾效應做成的電場 、 電壓傳感器；利用物質的光彈效應構成的壓力 、 振動或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構成溫度 、 壓力 、 振動等傳感器 。 3） 頻率調制光纖傳感器 是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化 來進行監(jiān)測的傳感器。 15 4） 相位調制傳感器 其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用 ， 使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化 ， 而導致光的相位變化 ， 使兩束單色光所產生的干涉條紋發(fā)生變化 ， 通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量 ， 從而得到被測對象的信息 。這類傳感器的靈敏度很高 。 16 三 、 光纖傳感器的應用 （ 一 ） 溫度的檢測 光纖溫度傳感器有功能型和傳光型兩種 ?？捎糜趯υO定溫度的控制，溫度設定值靈活可變 1 2 3 4 水銀柱式光纖溫度開關 1 浸液 2 自聚焦透鏡 3 光纖 4 水銀 17 下圖為利用雙金屬熱變形的遮光式光纖溫度計 。 這種形式的光纖溫度計能測量 10℃ ～ 50℃ 的溫度 。 它的缺點是輸出光強受殼體振動的影響 ， 且響應時間較長 ， 一般需幾分鐘 。 這是由于半導體的本征吸收引起的 ,λ g稱為 半導體的本征吸收波長 。 當一定波長的光照射到半導體上時 ,電子吸收光能從價帶躍遷入導帶 ,顯然 ,要發(fā)生本征吸收 ,光子能量必須大于半導體的禁帶寬度 Eg， 即 gEh ??gg Ehc?? ??因 λ ＝ c/v，則產生本征吸收條件 h ——普朗克常數(shù)； v ——光頻率 因此 ， 對于波長大于 λ g的光 ， 能透過半導體 ， 而波長小于 λ g的光將被半導體吸收 。 19 由圖看出 ， GaAs在室溫時的 本 征 吸 收 波 長 約 為880nm左右 ， 半導體的吸收光譜與 Eg有關 ， 而半導體材料的 Eg隨溫度的不同而不同 ， Eg與溫度 t的關系可表示為 ? ? ? ? ttEtE gg ??? ?? 20式中： Eg（ 0） ——絕對零度時半導體的禁帶寬度； α——經驗常數(shù) (eV／ K)； β ——經驗常數(shù) (K)。 反