光電式傳感器-光纖傳感器

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1、第 8章 光電式傳感器 8.2 光 纖 傳 感 器 光纖傳感器（ FOS）是基于光導(dǎo)纖維它制成的新型傳感器。 1. 光纖傳感器 與常規(guī)傳感器相比也有很多特點(diǎn)： 抗電磁干擾能力強(qiáng)、高靈敏度 、耐腐蝕、可撓曲、體積 小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、以及與光纖傳輸線路相容等。 2. 特點(diǎn) 第 8章 光電式傳感器 光纖傳感器可應(yīng)用于： 位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力、彎曲、應(yīng)變、速度、加速度、 電流、磁場(chǎng)、電壓、濕度、溫度、聲場(chǎng)、流量、濃度、 pH 值等 70多個(gè)物理量的測(cè)量 ，且具有十分廣泛的應(yīng)用潛力和發(fā) 展前景。 3. 光纖傳感器的應(yīng)用 第 8章 光電式傳感器 8.2.1 光纖結(jié)構(gòu)及其傳光原理 光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱光纖， 中心的圓

2、柱體叫 纖 芯 ，圍繞著纖芯的圓形外層叫 包層 。纖芯 和包層通常由不同摻雜的 石英玻璃 制成。 纖芯的折射率 n1 (光密介質(zhì) )略大于包層 的折射率 n2 (光疏介質(zhì) ) ，光纖的導(dǎo)光能力 取決于纖芯和包層的性質(zhì)。 在包層外面還常有一層 保護(hù)套 ，多為 尼 龍材料 ，以增加機(jī)械強(qiáng)度。 1. 光纖結(jié)構(gòu) 第 8章 光電式傳感器 光纜的外形及光纖的拉制 第 8章 光電式傳感器 2. 光纖傳光原理 根據(jù)幾何光學(xué)原理，當(dāng)光線以 較小的入射角 1由 光密介質(zhì) 1射向 光疏介質(zhì) 2（ n1 n2） 時(shí)， 一部分入射光將以折射角 2折射 入介質(zhì) 2，其余部分仍以 1反射回 介質(zhì) 1。 光在兩介質(zhì)界面 上的

3、折射和反射 光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的基礎(chǔ)。 第 8章 光電式傳感器 圖 8 40 光纖的傳光原理 若光在 纖芯和包層的界面 上發(fā)生全反射 ，則界面上的光線 臨界折射角 c=90 ，即 c=90 。 根據(jù) 斯涅耳（ Snell）光的折射定律 ，由圖 8-40可得 s ins in s ins in 21 10 nn nn i i n0為光纖外界介質(zhì)的折射率。 第 8章 光電式傳感器 當(dāng) =c=90 時(shí)（即發(fā)生全反射條件），有 2 2 2 11 s in nnn 2 / 1 2 1 2 1111 s i n1 s i n1c o s 2 s i ns i n n n n nnnn iii

4、 產(chǎn)生全反射的條件 第 8章 光電式傳感器 為 滿足光在光纖內(nèi)的全內(nèi)反射， 光入射到光纖端面的入射角 i應(yīng)滿足 2 2 2 1 0 1a r c s in nn nci 一般光纖所處環(huán)境為 空氣，則 n0=1，這樣上式可表示為 2221a r c s in nnci 實(shí)際工作時(shí)需要光纖彎曲 ， 但只要滿足全反射條件 ， 光線仍然繼續(xù)前 進(jìn) 。 可見(jiàn)這里的 光線 “ 轉(zhuǎn)彎 ” 實(shí)際上是由光的全反射所形成的 。 第 8章 光電式傳感器 光的全反射實(shí)驗(yàn) 第 8章 光電式傳感器 8.2.2 光纖基本特性 2 2 2 1 0 1s in nn nNA c 數(shù)值孔徑是表征光纖集光本領(lǐng)的一個(gè)重要參數(shù) ， 即

5、反映光纖接收光量 的多少 。 其意義是： 無(wú)論光源發(fā)射功率有多大 ， 只有入射角處于 2c的光椎角內(nèi) ， 光纖才能導(dǎo)光 。 如入射角過(guò)大 ， 光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光 。 光纖的 NA 越大 ， 表明它的集光能力越強(qiáng) ， 一般希望有大的數(shù)值孔徑 ， 這有利于提高耦 合效率； 但數(shù)值孔徑過(guò)大 ， 會(huì)造成光信號(hào)畸變 。 所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的 數(shù)值 ， 如 石英光纖數(shù)值孔徑一般為 0.20.4。 數(shù)值孔徑（ NA）定義為 1. 數(shù)值孔徑（ NA） 第 8章 光電式傳感器 2. 按光纖傳輸模數(shù)分類 根據(jù)光纖的傳輸模式分類 ， 可以把光纖分為 多模光纖 和 單模光纖 兩類 。 模的概念可簡(jiǎn)單介紹如

6、下： 在纖芯內(nèi)傳播的光波，可以 分解為沿軸向 傳播的 平面波 和沿 垂直方向 （ 剖面方向 ）傳播的 平面波 。 沿剖面方向傳播的平面波 在纖芯與包層的界面 上 將產(chǎn)生反射 。 如果此波在一個(gè)往復(fù)（入射和反射）中相位變化為 2 的整數(shù)倍，就會(huì)形 成駐波。 只有能 形成駐波 的那些以特定角度射入光纖的光波才能在光纖內(nèi)傳 播 ，這些光波就稱為 模 。 第 8章 光電式傳感器 一般纖芯直徑為 212m，只能傳輸一種模式稱為單模光纖 ， 常用于光 纖傳感器 。這類光纖的傳輸性能好，信號(hào)畸變小，信息容量大，線性好， 靈敏度高， 但由于纖芯尺寸小，制造、連接和耦合都比較困難。 在光纖內(nèi)只能傳輸一定數(shù)量的模

7、 。通常，纖芯直徑較粗（幾十 m 以上）時(shí)，能傳播幾百個(gè)以上的模，而纖芯很細(xì)（ 5 10m）時(shí)，只能 傳播一個(gè)模。前者稱為 多模光纖 ，后者稱為 單模光纖 。 纖芯直徑較大（ 50100m）傳輸模式較多稱為多模光纖 。 這類光纖的 性能較差，輸出波形有較大的差異，但由于纖芯截面積大，故容易制造， 連接和耦合比較方便。 第 8章 光電式傳感器 3. 光纖傳輸損耗 目前常用的光纖材料有石英玻璃、多成分玻璃、復(fù)合 材料等。 在這些材料中， 由于存在雜質(zhì)離子、原子的缺陷 等都會(huì)吸收光，從而造成材料吸收損耗。 （ 1）吸收損耗 光纖傳輸損耗主要來(lái)源于材料 吸收損耗 、 散射損耗 和 光波導(dǎo)彎曲損耗 。

8、第 8章 光電式傳感器 散射損耗主要是由于材料密度及濃度不均勻引起的 ， 這種 散射與波長(zhǎng)的四次方成反比 。 因此散射隨著波長(zhǎng)的縮短而迅 速增大 。 所以 可見(jiàn)光波段并不是光纖傳輸?shù)淖罴巡ǘ?， 在 近紅外波段 （ 11.7m） 有最小的傳輸損耗 。 因此長(zhǎng)波長(zhǎng)光 纖已成為目前發(fā)展的方向 。 （ 2）散射損耗 光纖拉制時(shí)粗細(xì)不均勻 ， 造成纖維尺寸沿軸線變化 ， 同樣 會(huì)引起光的散射損耗 。 另外纖芯和包層界面的不光滑 、 污染 等 ， 也會(huì)造成嚴(yán)重的散射損耗 。 第 8章 光電式傳感器 光波導(dǎo)彎曲損耗是使用過(guò)程中可能產(chǎn)生的一種損耗 。 光波導(dǎo)彎曲會(huì)引起傳輸模式的轉(zhuǎn)換 ， 激發(fā)高階模進(jìn)入包 層

9、產(chǎn)生損耗 。 當(dāng) 彎曲半徑大于 10cm時(shí) ， 損耗可忽略不計(jì) 。 （ 3）光波導(dǎo)彎曲損耗 第 8章 光電式傳感器 光纖傳輸損耗 設(shè)光纖入射端與出射端的光功率分別為 Pi 和 Po，光纖長(zhǎng) 度為 L（單位： km），則光纖的損耗 a (單位： dB km)可以 用下式計(jì)算： o i P P L a lg10 第 8章 光電式傳感器 光纖傳感器原理實(shí)際上是研究 光在調(diào)制區(qū)內(nèi) ， 外界信 號(hào) （ 溫度 、 壓力 、 應(yīng)變 、 位移 、 振動(dòng) 、 電場(chǎng)等 ） 與光的相 互作用 ， 即研究光被外界參數(shù)的調(diào)制原理 。 8.2.3 光纖傳感器 1. 光纖傳感器的基本工作原理及組成 （ 1）基本工作原理 外

10、界信號(hào) 可能引起 光的強(qiáng)度、 波長(zhǎng)、頻率、相位、偏 振態(tài)等 光學(xué)性質(zhì)的變化， 從而形成不同的調(diào)制 。 第 8章 光電式傳感器 光纖傳感器由 光源、敏感元件（ 光纖或非光纖的 ）、光探 測(cè)器、信號(hào)處理系統(tǒng)、光纖等組成。 （ 2）光纖傳感器的組成 如圖 8-41所示。由光源發(fā)出的光通過(guò)源光纖引到敏感元件， 被測(cè)參數(shù)作用于敏感元件，在光的調(diào)制區(qū)內(nèi)，使光的某一性質(zhì) 受到被測(cè)量的調(diào)制，調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)接收光纖耦合到光探測(cè) 器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 最后經(jīng)信號(hào)處理得到所需要的 被測(cè)量。 第 8章 光電式傳感器 圖 8-41 光纖傳感器組成示意圖 （ a） 傳感型； （ b）（ c） 傳光型；（ d）拾光

11、型 測(cè) 量 對(duì) 象 光纖 光源 光電元件 測(cè) 量 對(duì) 象 敏感 元件 光源 光電元件 ( a ) ( b ) 測(cè) 量 對(duì) 象 敏感 元件 光纖 光源 光電元件 測(cè) 量 對(duì) 象 光纖 光電元件 ( c ) ( d ) 光纖 第 8章 光電式傳感器 光纖傳感器外形 光纖位移傳感器 光纖應(yīng)變傳感器 西門子光纖傳感器 第 8章 光電式傳感器 2. 光纖傳感器的分類 光纖傳感器分為兩大類： 功能型 非功能型 1）根據(jù)光纖在傳感器中的作用 第 8章 光電式傳感器 （ 1）功能型（全光纖型）光纖傳感器 利用 光纖本身 的某種 敏感特性或功能 制成的傳感器，稱 為 功能型傳感器（ Functional Fib

12、er， 縮寫為 FF）， 又稱為 傳感型傳感器； 利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)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 。 第 8章 光電式傳感器 光纖不僅起傳光作用 ，而且還利用光纖在外界因素 (彎曲、相變 )的作用下，其 光學(xué)特性 (光強(qiáng)、相位、偏振 態(tài)等 )的 變化來(lái)實(shí)現(xiàn) “傳”和“感”的功能 。 因此，傳感器中 光纖是連續(xù) 的。由于光纖連續(xù)，增加 其長(zhǎng)度，可提高靈敏度。 第 8章 光電式傳感器 （ 2） 非功能型 （ 或稱傳光型 ） 光纖傳感器 是 光纖僅僅起傳輸光的作用 ， 它在光纖端面或中間加裝其它敏感元件感受 被測(cè)量的變化 ， 這類

13、傳感器稱為 非功能型 （ Non Functional Fiber， 縮寫為 NFF） 傳感器 ， 又稱為傳光型傳感器 。 光纖僅起導(dǎo)光作用， 只 “傳” 不 “感” ， 對(duì)外界信息的“感覺(jué)”功能依 靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。 在這種情況下，光纖只是作為光的傳輸回 路， 如圖 8-14(b)、（ c）所示 ， 光纖不連續(xù)。 第 8章 光電式傳感器 在非功能型光纖傳感器中 ， 也有并不需要外加敏感元件的情況 ， 光纖把測(cè)量對(duì)象所輻射 、 反射的光信號(hào)傳播到光電元件 如圖 8-14（ d） 所示 。 這種光纖傳感器也叫 探針型（拾光型）光纖傳感器 。該類傳感器 中通常使用單模光纖或多模光纖。典

14、型的例子有 光纖激光多普勒速度 傳感器 、 光纖液位傳感器（外加激光光源）、光纖輻射溫度傳感器 等 ，其特點(diǎn)是非接觸式測(cè)量，而且具有較高的精度。 第 8章 光電式傳感器 2） 根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式 強(qiáng)度調(diào)制型 偏振調(diào)制型 頻率調(diào)制型 相位調(diào)制型 第 8章 光電式傳感器 （ 1） 強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 是一種利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件的 折射率 、 吸收 或 反射 等 參數(shù)的變化， 而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感器。 有利用光纖的 微彎損耗 ；各物質(zhì)的 吸收特性 ；振動(dòng)膜或液晶的 反射 光 強(qiáng)度 的變化；物質(zhì)因各種 粒子射線或化學(xué)、機(jī)械的激勵(lì)而 發(fā)光 的現(xiàn)象 ；以 及 物質(zhì)的熒光

15、 輻射 或 光路的 遮斷 等來(lái) 構(gòu)成壓力、振動(dòng)、溫度、位移、氣體 等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。 優(yōu)點(diǎn) ：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，成本低。 缺點(diǎn) ：受光源強(qiáng)度波動(dòng)和連接器損耗變化等影響較大 。 第 8章 光電式傳感器 是一種 利用光偏振態(tài)變化來(lái)傳遞被測(cè)對(duì)象信息的傳感器 。 有利用光在磁場(chǎng)中媒質(zhì)內(nèi)傳播的 法拉第效應(yīng) 做成的 電流 、 磁場(chǎng)傳感器 ； 利用光在電場(chǎng)中的壓電晶體內(nèi)傳播的 泡爾效應(yīng) 做成的 電場(chǎng) 、 電壓傳感器 ； 這類傳感器可以避免光源強(qiáng)度變化的影啊 ， 因此靈敏度高 。 （ 2）偏振調(diào)制光纖傳感器 第 8章 光電式傳感器 （ 3） 頻率調(diào)制光纖傳感器 是一種利用 單色光射到被測(cè)物體上反射

16、回來(lái)的光 的 頻率 發(fā)生變化 來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。 有利用運(yùn)動(dòng)物體反射光和散射光的 多普勒效應(yīng) 的光纖 速度 、流速、振動(dòng)、壓力、加速度傳感器 ； 利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時(shí)的 喇曼散射 構(gòu)成的 測(cè)量氣體濃度 或監(jiān)測(cè)大氣污染的氣體傳感器 。 第 8章 光電式傳感器 （ 4） 相位調(diào)制傳感器 其基本原理是 利用被測(cè)對(duì)象對(duì)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(dǎo)致光的 相位 變化 ， 使兩束單色光所產(chǎn)生的干 涉條紋發(fā)生變化 ， 通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化量來(lái)確定光的相位變化量 ， 從 而得到被測(cè)對(duì)象的信息 。 通常有： 利用 磁致伸縮效應(yīng) 的 電流 、 磁場(chǎng)傳感器 ； 利

17、用 電致伸縮 的 電場(chǎng) 、 電壓傳感器 以及利用 光纖賽格納克 （ Sagnac） 效 應(yīng) 的 旋轉(zhuǎn)角速度傳感器 （ 光纖陀螺 ） 等 。 利 用光彈效應(yīng) （ 物質(zhì)的彈性應(yīng)變 ， 產(chǎn)生雙折射 ， 引起其折射率變化的現(xiàn) 象 ） 的聲 、 壓力或振動(dòng)傳感器 ； 這類傳感器的靈敏度很高 。 但由于須用特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng) ， 因此 成本高 。 第 8章 光電式傳感器 傳感器 光學(xué)現(xiàn)象 被測(cè)量 光纖 分類 干 涉 型 相位調(diào) 制光線 傳感器 干涉（磁致伸縮） 干涉（電致伸縮） Sagnac效應(yīng) 光彈效應(yīng) 干涉 電流、磁場(chǎng) 電場(chǎng)、電壓 角速度 振動(dòng)、壓力、加速度、位移 溫度 SM、 PM SM、 P

18、M SM、 PM SM、 PM SM、 PM a a a a a 非 干 涉 型 強(qiáng)度調(diào)制 光纖溫度 傳感器 遮光板遮斷光路 半導(dǎo)體透射率的變化 熒光輻射、黑體輻射 光纖微彎損耗 振動(dòng)膜或液晶的反射 氣體分子吸收 光纖漏泄膜 溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移 溫度 溫度 振動(dòng)、壓力、加速度、位移 振動(dòng)、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(diào) 制光纖 溫度傳 感器 法拉第效應(yīng) 泡克爾斯效應(yīng) 雙折射變化 光彈效應(yīng) 電流、磁場(chǎng) 電場(chǎng)、電壓、 溫度 振動(dòng)、壓力、加速度、位移 SM MM SM MM b,a b b b 頻率調(diào)制 光纖溫度

19、傳感器 多普勒效應(yīng) 受激喇曼散射 光致發(fā)光 速度、流速、振動(dòng)、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 第 8章 光電式傳感器 8.2.4 功能型光纖傳感器舉例 當(dāng)一束波長(zhǎng)為 的 相干光 在光纖中傳播時(shí)， 光波的 相位角 與光纖的 長(zhǎng)度 L、纖芯折射率 n1和纖芯直徑 d有關(guān)。 光纖受到 物理量的作用時(shí) ， 這三個(gè)參數(shù)就會(huì)發(fā)生不同程度的變化，從 而引起光相移。 一般說(shuō)來(lái)，光纖長(zhǎng)度和折射率的變化引起光相位的變化 要比纖心直徑引起光相位的變化大得多，因此 纖芯直徑 d引起 的光相位變化可以忽略 。 1.

20、相位調(diào)制型光纖傳感器 （ 1）相位調(diào)制的原理 第 8章 光電式傳感器 Ln 12 )(2)(2 1111 nnLnLLn L 當(dāng)光纖受到物理量的作用時(shí)，則相位角變化為 式中： 光波相位角的變化量； L 光纖長(zhǎng)度的變化量； n1 光纖纖芯折射率的變化量； L 光纖軸向應(yīng)變（ L =L L）。 由普通物理學(xué)知道 ，在一段長(zhǎng)為 L的單模光纖（纖芯折射率為 n1）中， 波長(zhǎng)為 的 輸出光相對(duì)輸入端 來(lái)說(shuō)，其相角為 第 8章 光電式傳感器 于是，就可以 應(yīng)用光的 相位檢測(cè)技術(shù)測(cè)量出 溫度、壓力、 加速度、電流等物理量。 由于光的頻率很高（約為 1014Hz）， 光電探測(cè)器 不能跟蹤 以這樣 高的頻率 進(jìn)

21、行 變化的瞬時(shí)值 ， 因此，光波的相位變化 是不能夠直接被檢測(cè)到的。 為此， 應(yīng)用光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)將 相位調(diào)制 轉(zhuǎn)換成 振幅（強(qiáng) 度）調(diào)制 。 第 8章 光電式傳感器 在 光纖傳感器 中常 采用 馬赫 -澤德（ Mach-Zehader）干 涉儀 等幾種不同的干涉測(cè)量?jī)x。 它們有一個(gè)共同之處，即光源的輸出光都被分束器（棱 鏡或低損耗光纖耦合器） 分成光功率相等的兩束光 （也有 分成幾束光的）， 并分別耦合到兩根或幾根光纖中去 。在 光纖的 輸出端再將這些分離光束匯合起來(lái)，輸?shù)揭粋€(gè)光電 探測(cè)器 。在干涉儀中，采用鎖相零差、合成外差等解調(diào)技 術(shù)，就可以檢測(cè)出相位調(diào)制信號(hào)。 第 8章 光電式傳感器

22、利用 馬赫 -澤德干涉儀 測(cè)量壓力或溫度的相位調(diào)制型光纖 傳感器組成原理圖如圖 8-42所示。 He-Ne(氦 -氖 )激光器發(fā)出的一束 相干光（相位恒定的光） 經(jīng) 過(guò)擴(kuò)束以后，被分束器分成兩束光，分別耦合到 傳感光纖 和 參考光纖 中。傳感光纖被置于被測(cè)對(duì)象的環(huán)境中，感受壓 力（或溫度）信號(hào)；參考光纖不感受被測(cè)物理量。這兩根單 模光纖構(gòu)成干涉儀的兩個(gè)臂。 這兩根光纖再通過(guò)光纖耦合器 組合起來(lái)，以便產(chǎn)生相互干涉，形成一系列明暗相間的干涉 條紋。 （ 2）相位調(diào)制型光纖壓力和溫度傳感器 第 8章 光電式傳感器 圖 8-42 用馬赫 -澤德干涉儀測(cè)量壓力或溫度的相位調(diào)制型 光纖傳感器組成原理圖 激

23、光器 擴(kuò)束器 傳感光纖 分束器 顯微物鏡 壓力( 溫度) 參考光纖 干涉條紋 第 8章 光電式傳感器 當(dāng)傳感光纖感受到溫度變化時(shí)，光纖的 折射率 會(huì)發(fā)生變 化，而且因光纖的熱脹冷縮使其 長(zhǎng)度 發(fā)生改變 。由式 （ 8-16） 知，光纖的長(zhǎng)度和折射率變化，將會(huì)引起傳播光的 相位角變 化 。這樣， 傳感光纖和參考光纖的兩束輸出光的相位也發(fā)生 了變化 ，從而使 合成光強(qiáng)隨著相位的變化而變化（增強(qiáng)或減 弱）， 即干涉。 于是， 通過(guò)光電探測(cè)器，就可以將合成光強(qiáng)的強(qiáng)弱變化 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)大小的變化 。 第 8章 光電式傳感器 圖 8-43 隨著溫度 T的上升， 光相位變化與輸出電流的關(guān)系 2 3 4 5

24、0 輸出光電流 ( i ) i m ax i m i n 26 2 6 . 0 3 2 6 . 0 6 2 6 . 0 9 2 6 . 1 2 2 6 . 1 5 光波相位移 / r a d T / 第 8章 光電式傳感器 如圖 8-43所示。由圖中可以看出： 在初始情況（室溫 26 ），傳感光纖中的傳播光與參考光纖中的傳播光 同相 ，輸出光電流最大。 隨著 T的上升，相位增加，光電流逐漸減小。 T繼續(xù)上升，到 26.03 ，相移 增加 弧度 ，光電流達(dá)到最小值。 繼續(xù)上升到 26.06 ， 相移增加到 2弧度 ，光電流又上升到最大值。 這樣， 光的相位調(diào)制便轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的幅值調(diào)制 。 T上升

25、了 0.06 ，相 位變化了 2弧度，干涉條紋移動(dòng)了一根 。 如果在兩光纖的輸出端用光電元件來(lái)掃描干涉條紋的移動(dòng)， 并變換成 電信號(hào)，再經(jīng)放大后輸入記錄儀， 從 記錄的移動(dòng)條紋數(shù) 就可以 檢測(cè)出溫度 （或壓力）信號(hào) 。 第 8章 光電式傳感器 2. 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器 0 1 c 1 c 1 c n 1 n 2 包層 n 2 纖芯 n 1 圖 8-44 光纖微彎對(duì)傳播光的影響 光纖微彎曲位移和壓力傳感器 是光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器的一個(gè)典型 例子。 它是基于光纖微彎而產(chǎn)生的彎曲損耗原理制成的 。 微彎曲損耗的機(jī)理可用圖 8-44中光纖微彎對(duì)傳播光的影響來(lái)說(shuō)明。 第 8章 光電式傳感器 假如光線在

26、光纖的直線段以大于臨界角射入界面（ 1 c），則光 線在界面上 產(chǎn)生全反射 。 理想情況下，光將無(wú)衰減地在纖芯內(nèi)傳播。 當(dāng)光線射入微彎曲段的 界面上時(shí) ，入射角將小于臨界角（ 1 c ）。這時(shí)， 一部分光在纖芯 和包層的界面上反射；另一部分光則透射進(jìn)入包層，從而導(dǎo)致光能的損 耗 。基于這一原理，人們研制成了光纖微彎曲傳感器 如圖 8-45所示 。 位移( 壓力) 活動(dòng)板 光纖 輸出光 固定板 輸入光 圖 8-45 光纖微彎曲位移（壓力）傳感器原理圖 第 8章 光電式傳感器 該傳感器由 兩塊波形板（變形器） 構(gòu)成，其中 一塊是活動(dòng)板 ， 另一 塊是固定板 。波形板一般采用尼龍、有機(jī)玻璃等非金屬材

27、料制成。 一根 階躍型多模光纖（或漸變型多模光纖） 從一對(duì)波形板之間通過(guò)。 當(dāng)活動(dòng) 板受到微擾（位移或壓力） 作用時(shí) ，光纖就會(huì)發(fā)生 周期性微彎曲 ，引起 傳播光的散射損耗，使 光在芯模中重新分配 ： 一部分光從芯模（傳播模）耦合到包層模（輻射模）； 另一部分光反射回芯模。 當(dāng)活動(dòng)板的位移或壓力增加時(shí)，泄漏到包層的散射光隨 之增大，光纖芯模的輸出光強(qiáng)度就減小。 第 8章 光電式傳感器 參見(jiàn)圖 8-46。 于是光強(qiáng)就受到了調(diào)制。 通過(guò)檢測(cè)泄漏出包層的散射光 強(qiáng)度或光纖芯透射光強(qiáng)度就能測(cè)出位移（或壓力）信號(hào) 。 圖 8-46 光纖芯透射光強(qiáng)度與外力的關(guān)系 1 0 0 80 60 40 20 0 0

28、 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 外力 / N 透射光 強(qiáng) / % 第 8章 光電式傳感器 特點(diǎn)： 光纖微彎曲傳感器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是光功率維持在光纖內(nèi) 部，這樣就可以 免除周圍環(huán)境污染的影響，適宜在惡劣環(huán)境 中使用 。 它還有 靈敏度較高 （能檢測(cè)小至 100Pa的壓力變化）、 結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)范圍寬、線性度較好、性能穩(wěn)定 等優(yōu)點(diǎn)。 因此， 光纖微彎曲傳感器是一種有發(fā)展前途的傳感器 。 第 8章 光電式傳感器 圖 8-47 偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器測(cè)試原理 I 1 I 2 21 21 II II 光纖 高折射率 浸油 顯微物鏡 激光器 信號(hào)處理 裝置 輸出 光接收器 偏振 棱鏡

29、起偏器 顯微物鏡 粗導(dǎo)線 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器的典型應(yīng)用例子之一是 輸電線電流的測(cè)量 。 偏振態(tài)調(diào)制型光纖 電流傳感器測(cè)試原理 如圖 8-47所示。 3. 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器 法拉第磁光效應(yīng) （偏振光面發(fā)生偏轉(zhuǎn)） 第 8章 光電式傳感器 R IH 2 如圖 8-47 中所示 ， 從激光器發(fā)出的激光 經(jīng)起偏器變成線偏振光 ， 再經(jīng) 顯微物鏡 （ 10） 聚焦耦合到單模光纖中 。 為了消除光纖中的包層模 ， 可 把光纖浸在折射率高于包層的油中 ， 再將單模光纖以半徑 R繞在高壓載流 導(dǎo)線上 。 根據(jù) 法拉第旋光效應(yīng) ，由 電流所形成的磁場(chǎng)會(huì)引起光纖中線偏振光 的偏轉(zhuǎn) 。 檢測(cè)偏轉(zhuǎn)角的大小，就

30、可得到相應(yīng)的電流值 。 設(shè)通過(guò)其中的 電流為 I， 由此 產(chǎn)生的 磁場(chǎng) H 滿足安培環(huán)路定律 。 對(duì)于 無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線 ， 則有 第 8章 光電式傳感器 由磁場(chǎng) H產(chǎn)生的法拉第旋光效應(yīng) 引起光纖中線偏振光的偏轉(zhuǎn)角為 R V L I 2 式中： V 費(fèi)爾德常數(shù) （對(duì)于石英： V=3.7 10-4rad A）； L 受磁場(chǎng)作用的光纖長(zhǎng)度； R 粗導(dǎo)線的半徑。 受磁場(chǎng)作用的光束由光纖出端經(jīng)顯微物鏡耦合到偏振棱鏡，并 分解成 振動(dòng)方向相互垂直的兩束偏振光 ， 分別進(jìn)入光探測(cè)器 ， 再經(jīng)信號(hào)處理后輸 出信號(hào)為 ： 第 8章 光電式傳感器 VN P I V N I R V LI II II P 2 2s i

31、n 21 21 式中 N為光纖繞在輸電線上的匝數(shù) 。 由此可見(jiàn)， 只要系統(tǒng)的 V和 N一經(jīng)確定，就可通過(guò) 輸出信號(hào) P的大小，獲 得被測(cè)輸電線上的電流值 。 對(duì)大多數(shù)光纖材料，費(fèi)爾德常數(shù) V隨著波長(zhǎng)的增長(zhǎng)而減小。另外，當(dāng)波 長(zhǎng)較小 (如為 0.5 m)時(shí)，材料的吸收系數(shù)又急劇增加。因此，為了獲得較高 的信噪比， 光源激光器應(yīng)在波長(zhǎng)為 0.55 0.9 m 范圍內(nèi)選擇 。 第 8章 光電式傳感器 8.2.5 非功能型光纖傳感器舉例 非功能型光纖傳感器又可分為 傳輸光強(qiáng)調(diào)制型 反射光強(qiáng)調(diào)制型 第 8章 光電式傳感器 傳 輸光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器， 一般是在輸入光纖與 輸出光纖之間 放置有機(jī)械式或光學(xué)

32、式的敏感元件 。 敏感元件 在物理量的作用之下，對(duì)傳輸?shù)墓鈴?qiáng)進(jìn)行 調(diào)制，如吸收光的 能量、遮斷光路、改變光纖之間的相 對(duì)位置等 。 1. 傳輸光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器 第 8章 光電式傳感器 圖 8-48 半導(dǎo)體吸收式光纖傳感器測(cè)溫系統(tǒng)原理圖 R 2 發(fā)光 二極管 R 3 R 1 穩(wěn)壓管 2 C W 7 C 光電 二極管 溫度敏感元件 ( 半導(dǎo)體光吸收片) 常用 G a A s 材料 R 4 C R f A R 5 R 6 數(shù)字面板表 E 2 E 1 光纖 支架 現(xiàn)在我們來(lái)看一個(gè) 通過(guò)吸收光的能量，對(duì)傳輸?shù)墓鈴?qiáng)進(jìn)行 調(diào)制 的半導(dǎo)體吸收式傳感器實(shí)例。 圖 8-48為其系統(tǒng)電原理圖。 由圖可以看出，整

33、個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 第 8章 光電式傳感器 光源： 系統(tǒng)應(yīng)用恒流源電路激勵(lì)光源 ， 光源應(yīng)選擇其發(fā)光光譜的峰值對(duì)應(yīng) 波長(zhǎng)與半導(dǎo)體吸收邊波長(zhǎng) g一致的光源 。 敏感元件： 測(cè)試系統(tǒng)組成時(shí) ， 須將 光纖的一端與光電接收管固化耦合 ， 光 纖的另一端與發(fā)光管固化耦合 ， 這樣就 構(gòu)成了一個(gè)光纖耦合器 。 敏感材料 的夾入可看成是在光纖耦合器的 中部切斷 的置入 。 系統(tǒng)組成并通過(guò)調(diào)試后 ， 光源發(fā)出的穩(wěn)定光通過(guò)輸入光纖傳到半導(dǎo)體薄片 ， 透射光強(qiáng)受到所測(cè)溫度的 調(diào)制 ， 并由輸出光纖接收 ， 傳到 光電探測(cè)器 。 光電探測(cè)器： 利用 雪崩光電二極管或 PIN光電二極管 ， 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出 ， 從而

34、達(dá)到測(cè)溫的目的 。 該系統(tǒng)的溫度測(cè)量范圍為 -20 300 ， 精度約為 3 ， 響應(yīng)時(shí)間常數(shù) 約 2 s， 能在強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境中工作 。 第 8章 光電式傳感器 在圖示 輸入光纖和輸出光纖兩端面 間夾一片厚度約零點(diǎn)幾毫米的半導(dǎo) 體光吸收片 ，并用不銹鋼管加以固 定，使半導(dǎo)體與光纖成為一體。 它 的關(guān)鍵部件是半導(dǎo)體光吸收片 。 由半導(dǎo)體物理知道，半導(dǎo)體的禁 帶寬度 Eg 隨溫度 T 增加 近似線性 地 減小 ， 如圖 8-49所示。 圖 8-49 半導(dǎo)體的禁帶寬度與溫度的關(guān)系 2 . 4 2 . 2 2 . 0 1 . 8 1 . 6 1 . 4 1 . 2 1 . 0 0 . 8 0 . 6 0

35、 . 4 0 . 2 0 200 400 600 T / K G a P G a A s Si I n P 禁帶寬度/ eV 第 8章 光電式傳感器 圖 8-50 半導(dǎo)體的透射光強(qiáng)與溫度的關(guān)系 1 . 5 1 . 4 1 . 3 1 . 2 1 . 1 0 . 8 0 . 9 1 . 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 相 對(duì) 光 強(qiáng) 波 長(zhǎng) / m 透 過(guò) 率 / % 光 源 光 譜 吸 收 邊 T 3 T 2 T 1 g LED的具有一定 譜 線寬度的光譜，且 g使之處于 半導(dǎo)體吸收邊界 光譜吸收邊界 T1T2T3 第 8章 光電式傳感器 在 T 一定時(shí)的情況下， 半導(dǎo)體引起的光吸

36、收隨著吸收邊波長(zhǎng) g的變短 而 急劇增加，也即 透過(guò)率急劇下降 ， 直至光幾乎不能穿透半導(dǎo)體。 反之，隨著 吸收邊波長(zhǎng) g的變長(zhǎng)， 半導(dǎo)體的 透光率增大 。 由圖 8-50可以看出： g g E ch 半導(dǎo)體的本征 吸收限 （或吸收邊） 波長(zhǎng) 隨溫度增加而向長(zhǎng)波長(zhǎng)的方向位移 。 對(duì)于某一 的光， 通過(guò)半導(dǎo)體的透射光強(qiáng)隨溫度 T 的增加而減小。 第 8章 光電式傳感器 2. 反射光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器 下面分析一個(gè)依據(jù) 反射光調(diào)制的光纖傳感器實(shí)例 光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器 。 圖 8-51為光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器原理圖。整個(gè)系統(tǒng)由 光 源 、 壓力膜片 、 光敏二極管 、 Y形光纖束 和 放大器 等組成。

37、第 8章 光電式傳感器 圖 8-51 光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器原理圖 A 2 R 16 R 15 A 3 R 17 R 18 C 1 C 2 R 19 R 20 輸 出 R 11 A 1 R 5 R 7 R 9 R 3 R 6 R 2 R 10 15V R 8 R 1 R 4 光接 收電 路 光源 裝置 光接 收電 路 V 3 15V R 12 R 13 R 14 接收 光纖 發(fā)送 光纖 補(bǔ)償 光纖 定位套 傳感頭 壓力膜片 P V 1 V 2 第 8章 光電式傳感器 光的反射面 是 壓力敏感元件膜片 ，它是用 不銹鋼 等材料制 成的圓形平膜片，通過(guò)一定工藝制作在傳感頭端面上。 膜片 的內(nèi)表面進(jìn)行了

38、拋光處理，以提高光反射率 。如在內(nèi)表面再 蒸鍍一層反射膜，反射效率會(huì)更高。 Y形光纖束約由 3000根直徑為 50 m的階躍型多模光纖 （ NA=0.603）集束而成。它被分成纖維數(shù)目大致相等、長(zhǎng)度 相同的兩束： 發(fā)送光纖束和接收光纖束 。 為了補(bǔ)償光源光功率的波動(dòng)以及光敏二極管的噪聲， 系統(tǒng) 增加了一根 補(bǔ)償光纖束 。 第 8章 光電式傳感器 該系統(tǒng)是用于動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量 的，因此，膜片感受到的壓力 有壓力流場(chǎng)的平均壓力和脈動(dòng)壓力兩種。于是，當(dāng)系統(tǒng)工作 時(shí)， 光敏二極管接收的反射光光強(qiáng)也由兩部分組成： 恒定光 強(qiáng)和隨壓力變化的光強(qiáng) 。 為此，在膜片設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮平均壓力的大小，又要考 慮脈動(dòng)壓

39、力的最大值。 也就是說(shuō)，當(dāng)膜片在動(dòng)態(tài)壓力作用下， 應(yīng)保證膜片的最大位移不超過(guò)如 圖 8-52所示 AB段工作范圍， 故 系統(tǒng)的偏置工作點(diǎn)選擇在 AB段的中點(diǎn) M。 第 8章 光電式傳感器 由膜片的撓度理論知，周邊固定的圓形平膜片，其 中心位 移與壓力成正比 。當(dāng)壓力增加（或減小）時(shí)，膜片與光纖端面 之間的距離將線性地減小（或增加）。 這樣， 光纖接收的反射光強(qiáng)度就將隨壓力變化而線性變化 。 此時(shí)， 隨壓力變化的 光信號(hào) 被光敏二極管接收，變成相應(yīng)的微 弱 光電流 ，經(jīng)放大、濾波后輸出與壓力成正比的 電壓信號(hào) 。 第 8章 光電式傳感器 圖 8-52 光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器的膜片反射光強(qiáng)與距離的關(guān)系

40、曲線 100 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120 x / m C D A M B 80 x 3 / 2 x 3 反射光強(qiáng) /% 第 8章 光電式傳感器 優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)；頻率響應(yīng)好，脈動(dòng)壓力的頻率 在 0 18 kHz的范圍內(nèi)變化，傳感器的靈敏度幾乎不變；輸出 幅度大，放大后的輸出信號(hào)可達(dá)幾伏。 缺點(diǎn)： 精度不高，一般情況下，非線性、遲滯、重復(fù)性等誤 差約 1% 2%。光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器雖不如高精度靜態(tài)壓力傳 感器，但還是能滿足動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的需要。 優(yōu)缺點(diǎn)： 第 8章 光電式傳感器 光纖式光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用 標(biāo)志孔 電路板標(biāo)志檢測(cè) 當(dāng)光纖發(fā)出 的光穿過(guò)標(biāo)志孔 時(shí) ， 若無(wú)反射 ， 說(shuō)明電路板方向 放置正確 。 光纖 耦合器 傳輸光纖 出射光纖 第 8章 光電式傳感器 光纖式光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用 遮斷型光纖 光電開(kāi)關(guān) 出射光纖 接收光纖 第 8章 光電式傳感器 光纖式光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用 采 用 遮 斷型光纖光 電開(kāi)關(guān)對(duì) IC 芯片引腳進(jìn) 行檢測(cè) 第 8章 光電式傳感器 光纖的其他應(yīng)用 軍用光纖陀螺： 將激光射入繞成線圈的光 纖，當(dāng)線圈的底座隨運(yùn)動(dòng)物 體旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以測(cè)得出射光 的相位發(fā)生變化，它的靈敏 度比機(jī)械陀螺高，無(wú)機(jī)械磨 擦力 。 光纖內(nèi)窺鏡 第 8章 光電式傳感器