第五章 光纤传感器.ppt

光纤传感器FOS(FiberOpticalSensor)是20世纪70年代发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。
①电绝缘；
②抗电磁干扰高电压大电流,强磁场噪声,强辐射；
③非侵入性；
④高灵敏度;
⑤容易实现对被测信号的远距离监控。
测量物理量：位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等各种装饰性光导纤维发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。一、光导纤维导光的基本原理
光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理，然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此,采用几何光学的方法来分析。当θi＞θi0并继续增大时，θr＞90º，这时便发生全反射现象，其出射光不再折射而全部反射回来。2、光纤结构
光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包皮(包层)两个同心圆柱的双层结构以及护套组成。光的全反射实验3、光纤导光原理及数值孔径NA
入射光线AB与纤维轴线OO相交角为θi，入射后折射(折射角为θj)至纤芯与包层界面C点，与C点界面法线DE成θk角，并由界面折射至包层，CK与DE夹角为θr。则上式sinθi0为“数值孔径”NA(NumericalAperture)。由于n1与n2相差较小，即n1+n2≈2n1,故又可因式分解为4、光纤的主要参数二、光纤传感器结构原理及分类
1、光纤传感器结构原理
以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。见图(a)。
光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。见图(b)。光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即

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，获得所需要的被测量的信息。传感器（1）按光纤在传感器中的作用
功能型、非功能型和拾光型三类。
1）功能型（全光纤型）光纤传感器
FF（FunctionFibreOptilSensor）
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。此类传感器的优点是结构紧凑、灵敏度高。但是，它须用特殊光纤和先进的检测技术。因此，成本高，其典型例子如光纤陀螺、光纤水听器等。2）非功能型（或称传光型）光纤传感器
NFF（Non-FunctionFibreOptilSensor）
光纤仅起导光作用，光照在非光纤型敏感元件上受被测量调制。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。目前，已实用化或尚在研制中的光纤传感器，大都是非功能型的。（2）根据光受被测对象的调制形式
强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制
1）强度调制型光纤传感器
是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗，各物质的吸收特性，振动膜或液晶的反射光强度的变化，物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象，以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。
优点：结构简单、容易实现，成本低。
缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。2）偏振调制光纤传感器
是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器，利用光在电场中的压电晶体内传播的泡克耳斯效应做成的电场、电压传感器，利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器，以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。
3）频率调制光纤传感器
是一种利用由被测对象引起的光频率的变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。4）相位调制传感器
基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折