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1、第十讲光纤传感器本讲稿第一页，共四十九页光导纤维传感器（简称光纤传感器）光导纤维传感器（简称光纤传感器）光导纤维传感器（简称光纤传感器）光导纤维传感器（简称光纤传感器）是是是是20202020世纪七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光世纪七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光世纪七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光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，光纤传感器得纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。到进一步发展。到进一步发展
2、。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：与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点：与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点：与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点：1.1.不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；2.2.2.2.可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可根据需要做成各种形状，可以弯曲；3.3.可以用于高温、高压可以用于高温、高压,绝缘性好绝缘性好绝缘性好绝缘性好,耐腐蚀耐腐蚀耐腐
3、蚀耐腐蚀.本讲稿第二页，共四十九页基本采用石英玻璃，基本采用石英玻璃，主要由三部分组成主要由三部分组成主要由三部分组成主要由三部分组成 中心中心中心中心纤芯；纤芯；纤芯；纤芯；外层外层外层外层包层；包层；护套护套护套护套尼龙料。尼龙料。尼龙料。尼龙料。光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯折射率纤芯折射率纤芯折射率纤芯折射率n n1 1略大于包层折射率略大于包层折射率略大于包层折射率略大于包层折射率n n2 2（n n1 n n2 2 ）。）。）。）。10.1
4、10.1 10.1 10.1 光纤的结构与传光原理光纤的结构与传光原理光纤的结构与传光原理光纤的结构与传光原理10.1.1 10.1.1 10.1.1 10.1.1 光纤的结构光纤的结构光纤的结构光纤的结构100 200m100 200m100 200m100 200m包层包层包层包层玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维尼龙外层尼龙外层尼龙外层尼龙外层涂敷层涂敷层涂敷层涂敷层纤芯纤芯纤芯纤芯外层直径外层直径外层直径外层直径1mm1mm本讲稿第三页，共四十九页 光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角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；度入射到光纤
5、端面时，在端面发生折射后进入光纤；度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；v光线在光纤端面入射角光线在光纤端面入射角 减小到某一角度减小到某一角度减小到某一角度减小到某一角度cccc时，光线时，光线时，光线时，光线全部反射。全部反射。全部反射。全部反射。v v只要只要只要只要 cccc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向，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。前传播，最后从另一端面射出。前传播，最后从另一端面射出。前传播，最后从另一端面射出
6、。10.1.2 10.1.2 10.1.2 10.1.2 光纤的传光原理光纤的传光原理光纤的传光原理光纤的传光原理本讲稿第四页，共四十九页图图图图2 2 光纤导光示意图光纤导光示意图光纤导光示意图光纤导光示意图 1 1 0 01 1A AB BC Cn n0 0n n2 2n n1 1d dD D2 2 0 0本讲稿第五页，共四十九页由斯奈尔（由斯奈尔（由斯奈尔（由斯奈尔（SnellSnell）定律）定律）定律）定律：就能产生全反射。就能产生全反射。就能产生全反射。就能产生全反射。可见，光纤临界入射角的大小是由光纤可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质本身的性质(n(n(n(n1 1、n
7、 n n n2 2 2 2)决定的，与光纤的几何尺寸无关决定的，与光纤的几何尺寸无关若满足若满足若满足若满足 即即即即本讲稿第六页，共四十九页入射角的最大值入射角的最大值入射角的最大值入射角的最大值 为：为：为：为：将将将将sinsin 0 0定义为光导纤维的数值孔径定义为光导纤维的数值孔径定义为光导纤维的数值孔径定义为光导纤维的数值孔径,用用用用NANA表示表示表示表示,则则 本讲稿第七页，共四十九页NaNa意义讨论：意义讨论：意义讨论：意义讨论：NANANANA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在只要在2c2c2c2c张角之内的
8、入射光才能被光纤接收、传播。张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。一般一般NANANANA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但易。但NANA越大光信号畸变越大，要选择适当。越大光信号畸变越大，要选择适当。产品光纤不给出折射率产品光纤不给出折射率产品光纤不给出折射率产品光纤不给出折射率N N N N，只给数值孔径，只给数值孔径，只给数值孔径，只给数值孔径NANA。本讲稿第八页，共四十九页10.1.3 10.1.3 光纤的种类光纤的种类光纤的种类光纤的种类光纤按纤芯
9、和包层材料的性质分类，有光纤按纤芯和包层材料的性质分类，有玻璃光纤玻璃光纤玻璃光纤玻璃光纤和和塑料光塑料光纤纤两类；按折射率分有两类；按折射率分有两类；按折射率分有两类；按折射率分有阶跃型阶跃型阶跃型阶跃型和和梯度型梯度型梯度型梯度型二种二种。光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来分，可分为光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来分，可分为光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来分，可分为光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来分，可分为多多多多模光纤模光纤模光纤模光纤和和和和单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤两类。两类。两类。两类。多模光纤多模光纤多用于非功能型（多用于非功能型（多用于非功能
10、型（多用于非功能型（NFNF）光）光）光）光纤传感器；纤传感器；纤传感器；纤传感器；单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤多用于功能型（多用于功能型（多用于功能型（多用于功能型（FFFF）光纤传感器。）光纤传感器。）光纤传感器。）光纤传感器。本讲稿第九页，共四十九页由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光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的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收
11、光纤耦合到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光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所光接收器，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。期待的被测量。期待的被测量。期待的被测量。光是一种电磁波：光是一种电磁波：光是一种电磁波：光是一种电磁波：本讲稿第十页，共四十九页式中式中式中式中 A A电场电场电场电场E的振幅矢量；的振幅矢量；的振幅矢量；的振幅矢量；光波的振动频率；光波的振动频率；光波的振动频率；光波的振动频率；光相位；光相位；光相位；光相位；t t光的
12、传播时间。光的传播时间。光的传播时间。光的传播时间。可见，只要使光的强度、偏振态（矢量可见，只要使光的强度、偏振态（矢量A A的方向）、频率的方向）、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。息。本讲稿第十一页，共四十九页10.2.2 10.2.2 光纤传感器的类型光纤传感器的类型光纤传感器的类型光纤传感器的类型光纤传感器一般可分为
13、两大类：一类是功能型传感器，又光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器，又称称FFFF型光纤传感器；另一类是非功能型传感器又称型光纤传感器；另一类是非功能型传感器又称NFNF型光型光型光型光纤传感器。纤传感器。纤传感器。纤传感器。本讲稿第十二页，共四十九页这类传感器利用光纤本身这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后光学特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。的信号携带了被
14、测信息。功能型光纤传感器功能型光纤传感器本讲稿第十三页，共四十九页非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器传光型光纤传感器的传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调媒介，待测对象的调制功能是由其它光电制功能是由其它光电转换元件实现的，光转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。光纤只起传光作用。本讲稿第十四页，共四十九页10.2.3 10.2.3 光纤传感器的发展方向光纤传感器的发展方向光纤传感器的发展方向光纤传感器的发展方向光纤传感器的发展方向主要有以下几个方面：光纤传感器的发展方向主要有以下
15、几个方面：以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象。要研究对象。集成化光纤传感器。集成化光纤传感器。集成化光纤传感器。集成化光纤传感器。多功能全光纤控制系统。多功能全光纤控制系统。多功能全光纤控制系统。多功能全光纤控制系统。充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系统。统。统。统。开辟新领域。开辟新领域。开辟新领域。开辟新领域。本讲稿第十五页，共四十九页10.3 10.3 光纤传感器的调制形式光纤
16、传感器的调制形式10.3.1 10.3.1 强度调制强度调制强度调制强度调制光源发射的光经入射光纤传输到传感头，经传感头光源发射的光经入射光纤传输到传感头，经传感头把光反射到出射光纤，通过出射光纤传输到光电接把光反射到出射光纤，通过出射光纤传输到光电接收器。收器。传感头又称调制器，通过调制器把被测量的变化转变为传感头又称调制器，通过调制器把被测量的变化转变为光的强度变化，即对光强度进行调制，光电接收器接收光的强度变化，即对光强度进行调制，光电接收器接收到强度变化的光信号，最后解调出被测量的变化。到强度变化的光信号，最后解调出被测量的变化。本讲稿第十六页，共四十九页输出输出输出输出I ID D入
17、射光入射光入射光入射光强度调制强度调制强度调制强度调制I ID Dt tt t光源光源光源光源出射光出射光出射光出射光I IS S信信信信号号号号光探测器光探测器光探测器光探测器图图图图4 4 强度调制原理强度调制原理强度调制原理强度调制原理I IO Ot tI Ii it t10.3 10.3 光纤传感器的调制形式光纤传感器的调制形式10.3.1 10.3.1 强度调制强度调制强度调制强度调制本讲稿第十七页，共四十九页10.3.2 10.3.2 偏振调制偏振调制偏振调制偏振调制1.1.普克耳（普克耳（普克耳（普克耳（PockelsPockels）效应）效应）效应）效应当压电晶体受光照射并在其
18、正交方向上加以高压，晶体将呈现双折射现象，当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高压，晶体将呈现双折射现象，当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高压，晶体将呈现双折射现象，当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高压，晶体将呈现双折射现象，这种现象称为这种现象称为这种现象称为这种现象称为普克耳效应普克耳效应普克耳效应普克耳效应。在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为：在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为：在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为：在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为：本讲稿第十八页，共四十九页图图图图5 5 普克耳效应普克耳效应普克耳效应普克耳效应入射光入射光入射光入射光正常光正常光
19、正常光正常光异常光异常光异常光异常光压电晶体压电晶体压电晶体压电晶体本讲稿第十九页，共四十九页2.2.法拉第磁光效应法拉第磁光效应法拉第磁光效应法拉第磁光效应平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转，这平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转，这平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转，这平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转，这种现象称为种现象称为种现象称为种现象称为法拉第磁光效应法拉第磁光效应法拉第磁光效应法拉第磁光效应。光矢量旋转角光矢量旋转角光矢量旋转角光矢量旋转角 :式中式中式中式中 V V正常光折射率；正常光折射率；正常光折射率；正常光折射
20、率；L L物质中的光程；物质中的光程；H H磁场强度。磁场强度。磁场强度。磁场强度。本讲稿第二十页，共四十九页图图图图6 6 6 6 法拉第磁光效应法拉第磁光效应法拉第磁光效应法拉第磁光效应磁场磁场磁场磁场偏振光片偏振光片偏振光片偏振光片磁光材料磁光材料磁光材料磁光材料L L 检偏片检偏片检偏片检偏片光光光光源源源源本讲稿第二十一页，共四十九页3.3.光弹效应光弹效应光弹效应光弹效应在垂直于光波传播方向施加压力，材料将会产生双折射现象，在垂直于光波传播方向施加压力，材料将会产生双折射现象，在垂直于光波传播方向施加压力，材料将会产生双折射现象，在垂直于光波传播方向施加压力，材料将会产生双折射现象
21、，其强弱正比于应力。这种现象称为其强弱正比于应力。这种现象称为其强弱正比于应力。这种现象称为其强弱正比于应力。这种现象称为光弹效应光弹效应光弹效应光弹效应。偏振光的相位变化为偏振光的相位变化为偏振光的相位变化为偏振光的相位变化为式中式中式中式中 k k物质光弹性系数；物质光弹性系数；物质光弹性系数；物质光弹性系数；P P施加在物体上的压强；施加在物体上的压强；施加在物体上的压强；施加在物体上的压强；l l光波通过的材料长度。光波通过的材料长度。光波通过的材料长度。光波通过的材料长度。本讲稿第二十二页，共四十九页图图图图7 7 7 7 光弹效应实验装置光弹效应实验装置光弹效应实验装置光弹效应实验
22、装置应变材料应变材料应变材料应变材料F F F F检偏器检偏器检偏器检偏器光源光源光源光源F F F F起偏器起偏器起偏器起偏器补偿器补偿器补偿器补偿器本讲稿第二十三页，共四十九页10.3.3 频率调制频率调制频率调制频率调制主要利用光学多普勒效应实现频率调制，如图。观察者在主要利用光学多普勒效应实现频率调制，如图。观察者在主要利用光学多普勒效应实现频率调制，如图。观察者在主要利用光学多普勒效应实现频率调制，如图。观察者在O处观察到的频率为处观察到的频率为处观察到的频率为处观察到的频率为fsfs。根据多普勒原理可得。根据多普勒原理可得。根据多普勒原理可得。根据多普勒原理可得vPLO12本讲稿第
23、二十四页，共四十九页10.3.4 10.3.4 相位调制相位调制相位调制相位调制相位调制的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，相位调制的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。而得到被测对象的信息。本讲稿第二十五页，共四十九页光信号相位的变化光信号相位的变化光信号相位的变化光信号相位的
24、变化 与温度变化与温度变化与温度变化与温度变化 T的关系为的关系为的关系为的关系为 线膨胀系数；线膨胀系数；线膨胀系数；线膨胀系数；l l光纤的长度；光纤的长度；光纤的长度；光纤的长度；n n/T T折射率温度系数；折射率温度系数；折射率温度系数；折射率温度系数；n n纤芯平均折射率；纤芯平均折射率；纤芯平均折射率；纤芯平均折射率；0 0自由空间光波长；自由空间光波长；自由空间光波长；自由空间光波长；/传播常数与纤芯半径的变化率。传播常数与纤芯半径的变化率。传播常数与纤芯半径的变化率。传播常数与纤芯半径的变化率。本讲稿第二十六页，共四十九页10.3.5 10.3.5 波长调制波长调制波长调制波
25、长调制波长调制是利用被测量改变光纤中光的波长，再通过检波长调制是利用被测量改变光纤中光的波长，再通过检测光波长的变化来测量各种被测量。波长调制的优点是测光波长的变化来测量各种被测量。波长调制的优点是它对引起光纤或连接器的某些器件的稳定性不敏感，因它对引起光纤或连接器的某些器件的稳定性不敏感，因此被广泛应用于液体浓度的化学分析、磷光和荧光现象此被广泛应用于液体浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析及法布里分析、黑体辐射分析及法布里-珀罗等光学滤波器上。其珀罗等光学滤波器上。其珀罗等光学滤波器上。其珀罗等光学滤波器上。其缺点是解调技术较复杂。但采用光学滤波或双波长检测技缺点是解调技术较复
26、杂。但采用光学滤波或双波长检测技缺点是解调技术较复杂。但采用光学滤波或双波长检测技缺点是解调技术较复杂。但采用光学滤波或双波长检测技术后，可使解调技术简化。术后，可使解调技术简化。术后，可使解调技术简化。术后，可使解调技术简化。本讲稿第二十七页，共四十九页10.4 光纤传感器的应用光纤传感器的应用光纤传感器的应用光纤传感器的应用例例例例10.1 10.1 光纤温度开关光纤温度开关1 12 23 34 4图图图图9 9 9 9 水银柱式光纤温度开关水银柱式光纤温度开关水银柱式光纤温度开关水银柱式光纤温度开关1 1 1 1 浸液；浸液；浸液；浸液；2 2 2 2 自聚焦透镜；自聚焦透镜；自聚焦透镜
27、；自聚焦透镜；3 3 3 3 光纤；光纤；光纤；光纤；4 4 4 4 水银水银水银水银本讲稿第二十八页，共四十九页图图图图10 10 10 10 热双金属式光纤温度开关热双金属式光纤温度开关热双金属式光纤温度开关热双金属式光纤温度开关1 1 1 1 遮光板；遮光板；遮光板；遮光板；2 2 2 2 双金属片双金属片双金属片双金属片接收接收接收接收光源光源光源光源1 12 2例例2 遮光式光纤温度计遮光式光纤温度计当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂当温度升高时，双金属片的变形量增大，
28、带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。直方向产生位移从而使输出光强发生变化。直方向产生位移从而使输出光强发生变化。直方向产生位移从而使输出光强发生变化。本讲稿第二十九页，共四十九页例例例例3 透射型半导体光纤温度传感器透射型半导体光纤温度传感器透射型半导体光纤温度传感器透射型半导体光纤温度传感器半导体的吸收光谱与材料的半导体的吸收光谱与材料的Eg有关，而有关，而有关，而有关，而EgEg却随温度的不却随温度的不同而不同。同而不同。EgEg与温度与温度与温度与温度t t的关系可表示为：的关系可表示为：半导体材料的半导体材料的半导体材料的半导体材料的E Eg g随温度的上升而减小，亦即
29、其本征吸收波长随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波长随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波长随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波长 g g随温度的上升而增大。随温度的上升而增大。过量增益(EG)过量增益（EG）1是评价传感器工作可靠性的重要指标，它表示接收器接收的光能量能否能使传感器动作，也表示使传感器产生动作所需要最小的光强度。其计算公式如下：EG=接收器接收的实际光强度/接收器产生的输出门槛值本讲稿第三十页，共四十九页这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当温度升高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。若采用发射光谱与时，其透射率曲线将向长波方
30、向移动。若采用发射光谱与半导体的半导体的 g（t t）相匹配的发光二极管作为光源，则透射光）相匹配的发光二极管作为光源，则透射光）相匹配的发光二极管作为光源，则透射光）相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随强度将随强度将随强度将随着温度的升高而着温度的升高而着温度的升高而着温度的升高而减小，即通过检减小，即通过检测透射光的强度测透射光的强度测透射光的强度测透射光的强度或透射率，即可或透射率，即可或透射率，即可或透射率，即可检测温度变化。检测温度变化。检测温度变化。检测温度变化。相相相相对对对对发发发发光光光光强强强强度度度度透透透透射射射射率率率率LEDLED发光光谱发光光谱发光光谱发光
31、光谱半导体透射率半导体透射率半导体透射率半导体透射率T T1 1TT2 2TT3 3T T3 3T T1 1T T2 2波长波长波长波长图图图图12 12 半导体透射测量原理半导体透射测量原理半导体透射测量原理半导体透射测量原理本讲稿第三十一页，共四十九页光纤光纤光纤光纤环氧胶环氧胶环氧胶环氧胶半导体半导体半导体半导体反射膜反射膜反射膜反射膜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。光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射头结构
32、如图。光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射头结构如图。光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射头结构如图。光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行后返回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行后返回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行后返回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。本讲稿第三十二页，共四十九页例例例例4 4 膜片反射式光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器膜片反射式光
33、纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器光源光源光源光源接收接收接收接收Y Y形光纤束形光纤束形光纤束形光纤束壳体壳体壳体壳体P P弹性膜片弹性膜片弹性膜片弹性膜片Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y Y形光纤束前形光纤束前形光纤束前形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生
34、变化，从而使输出光强受到调制。距离发生变化，从而使输出光强受到调制。距离发生变化，从而使输出光强受到调制。距离发生变化，从而使输出光强受到调制。本讲稿第三十三页，共四十九页光纤被夹在一对锯齿板光纤被夹在一对锯齿板光纤被夹在一对锯齿板光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，光线从光纤中穿过，光线从光纤中穿过，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿没有能量损失。当锯齿没有能量损失。当锯齿没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位板受外力作用而产生位板受外力作用而产生位板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多移时，光纤则发生许多移时，光纤则发生许多移时，光纤则发
35、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微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中层中层中层中.例例例例5 5 微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器D DS SF FF F变形器变形器变形器变形器光纤光纤光纤光纤d d本讲稿第三十四页，共四十九页原来光束以大于临界角原来光束以大于临界角原来光束以大于临界角原来光束以大于临界角 C的角度的角度的角度的角度 1在纤芯内传输为
36、全反射；但在在纤芯内传输为全反射；但在在纤芯内传输为全反射；但在在纤芯内传输为全反射；但在微弯处微弯处微弯处微弯处 2 2 1 1，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的纤芯输出的光强度相应减小。因此，通
37、过检测纤芯或包层的纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的检测由压力引起的检测由压力引起的检测由压力引起的位移等物理量。位移等物理量。位移等物理量。位移等物理量。1 1 n n0 0n n2 2n n1 1 2 2 3 3本讲稿第三十五页，共四十九页例例例例6 6 光弹式光纤压力传感器光弹式光纤压力传感器光弹式光纤压力传感器光弹式光纤压力传感器图图图图17
38、17 17 17 光弹性式光纤压力传感器光弹性式光纤压力传感器光弹性式光纤压力传感器光弹性式光纤压力传感器1 1 1 1、7 7 7 7 起偏器；起偏器；起偏器；起偏器；2 2 2 2、8 1/48 1/48 1/48 1/4波长板；波长板；波长板；波长板；3 3 3 3、9 9 9 9 光弹性元件；光弹性元件；光弹性元件；光弹性元件；4 4 4 4、10 10 10 10 检偏器；检偏器；检偏器；检偏器；5 5 5 5 光纤；光纤；光纤；光纤；6 6 6 6 自聚焦透镜自聚焦透镜自聚焦透镜自聚焦透镜线偏振光线偏振光光源光源光源光源1 12 23 34 4P P圆偏振光圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏
39、振光本讲稿第三十六页，共四十九页从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈光偏振方向呈光偏振方向呈光偏振方向呈4545的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射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，从而使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与入射由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向光偏振方向相垂直方向光偏振方向相垂直方向光偏振方向相垂直方向上的光强，即可测出压上的光强，即可测出压力的变化。其中力的变化。其中
40、力的变化。其中力的变化。其中1/4波长波长波长波长板用于提供一偏置，使板用于提供一偏置，使板用于提供一偏置，使板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。系统获得最大灵敏度。系统获得最大灵敏度。系统获得最大灵敏度。(b)(b)(b)(b)传感器结构传感器结构传感器结构传感器结构P P5 56 67 78 8 9 91010本讲稿第三十七页，共四十九页例例例例7 7 球面光纤液位传感器球面光纤液位传感器球面光纤液位传感器球面光纤液位传感器 图图图图19 19 19 19 球面光纤液位传感器球面光纤液位传感器球面光纤液位传感器球面光纤液位传感器(a)(a)探头结构探头结构探头结构探头结构 将光纤用高温
41、火焰烧软后对折，并将端部烧结成球形。将光纤用高温火焰烧软后对折，并将端部烧结成球形。将光纤用高温火焰烧软后对折，并将端部烧结成球形。将光纤用高温火焰烧软后对折，并将端部烧结成球形。LEDLEDPDPD1 12 2本讲稿第三十八页，共四十九页光由光纤的一端导入光由光纤的一端导入光由光纤的一端导入光由光纤的一端导入,在球状对折端部一部分光透射出去在球状对折端部一部分光透射出去在球状对折端部一部分光透射出去在球状对折端部一部分光透射出去,另一部分光反射回来另一部分光反射回来另一部分光反射回来另一部分光反射回来,由光纤的另一端导向探测器。反射由光纤的另一端导向探测器。反射由光纤的另一端导向探测器。反射
42、由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射率光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射率光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射率光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折与光纤折与光纤折与光纤折射率越接近，反射光强射率越接近，反射光强射率越接近，反射光强射率越接近，反射光强度越小。显然，传感器度越小。显然，传感器度越小。显然，传感器度越小。显然，传感器处于空气中时比处于液处于空气中时比处于液处于空气中时比处于液处于空气中时比处于液体中时的反射光强要大。体中时的反射光强要大。(b)(b)检测原理检测原理检测原理检测原理空气空气空
43、气空气液体液体液体液体本讲稿第三十九页，共四十九页例例例例8 8 斜端面光纤液位传感器斜端面光纤液位传感器斜端面光纤液位传感器斜端面光纤液位传感器图图图图20 20 20 20 斜面反射式光纤液位传感器斜面反射式光纤液位传感器斜面反射式光纤液位传感器斜面反射式光纤液位传感器光纤光纤光纤光纤(a)(b)(a)(b)光纤光纤光纤光纤棱镜棱镜棱镜棱镜当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤的光强减当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤的光强减小。小。本讲稿第四十页，共四十九页例例9 9 单光纤液位传感器单光纤液位传感器单光纤液位传感器单光纤液位传感器图图图图21 21 21 21 单光纤液位传
44、感器结构单光纤液位传感器结构单光纤液位传感器结构单光纤液位传感器结构1 1 1 1 光纤；光纤；光纤；光纤；2 2 2 2 耦合器耦合器耦合器耦合器1 12 2本讲稿第四十一页，共四十九页当光纤处于空气中时，入射光的大部分能在端部满足全反当光纤处于空气中时，入射光的大部分能在端部满足全反当光纤处于空气中时，入射光的大部分能在端部满足全反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。当传感器接触液体时，由于液体的折射条件而返回光纤。当传感器接触液体时，由于液体的折射条件而返回光纤。当传感器接触液体时，由于液体的折射条件而返回光纤。当传感器接触液体时，由于液体的折射率比空气大
45、，使一部分光不能满足全反射条件而折射入射率比空气大，使一部分光不能满足全反射条件而折射入射率比空气大，使一部分光不能满足全反射条件而折射入射率比空气大，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。利用液体中，返回光纤的光强就减小。利用液体中，返回光纤的光强就减小。利用液体中，返回光纤的光强就减小。利用X X形耦合器即可构形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感器。若在不同的高度安成具有两个探头的液位报警传感器。若在不同的高度安装多个探头，则能连续监视液位的变化。装多个探头，则能连续监视液位的变化。本讲稿第四十二页，共四十九页为了防止当探头离开液体时，由于有液滴附着在探头
46、上，传感为了防止当探头离开液体时，由于有液滴附着在探头上，传感为了防止当探头离开液体时，由于有液滴附着在探头上，传感为了防止当探头离开液体时，由于有液滴附着在探头上，传感器不能立即响应，可作一些改变。将光纤端部的尖顶略微磨平，器不能立即响应，可作一些改变。将光纤端部的尖顶略微磨平，器不能立即响应，可作一些改变。将光纤端部的尖顶略微磨平，器不能立即响应，可作一些改变。将光纤端部的尖顶略微磨平，并镀上反射膜。这样，即使有液体附着在顶部，也不影响输出并镀上反射膜。这样，即使有液体附着在顶部，也不影响输出并镀上反射膜。这样，即使有液体附着在顶部，也不影响输出并镀上反射膜。这样，即使有液体附着在顶部，也
47、不影响输出跳变。跳变。跳变。跳变。另外可在顶部镀的反射膜另外可在顶部镀的反射膜外粘上一突出物，将附着外粘上一突出物，将附着的液体导引向突出物的下的液体导引向突出物的下的液体导引向突出物的下的液体导引向突出物的下端。可保证探头在离开液端。可保证探头在离开液位时也能快速地响应。位时也能快速地响应。位时也能快速地响应。位时也能快速地响应。本讲稿第四十三页，共四十九页例例例例10 10 光纤涡街流量计光纤涡街流量计光纤涡街流量计光纤涡街流量计 图图图图23 23 23 23 光纤涡街流量计光纤涡街流量计光纤涡街流量计光纤涡街流量计光源光源光源光源探测器探测器探测器探测器光纤夹光纤夹光纤夹光纤夹密封胶密
48、封胶密封胶密封胶液体流管液体流管液体流管液体流管光纤光纤光纤光纤张紧重物张紧重物张紧重物张紧重物频谱频谱频谱频谱分析记录分析记录分析记录分析记录本讲稿第四十四页，共四十九页 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。这种旋涡将会条件下会在流体的下游两侧产生有规则的旋涡。这种旋涡将会条件下会在流体的下游两侧产生有规则的旋涡。这种旋涡将会条件下会在流体的下游两侧产生有规则的旋涡。这种旋涡将会在
49、该非流线体的两边交替地离开。当每个旋涡产生并泻下时，在该非流线体的两边交替地离开。当每个旋涡产生并泻下时，在该非流线体的两边交替地离开。当每个旋涡产生并泻下时，在该非流线体的两边交替地离开。当每个旋涡产生并泻下时，会在物体壁上产生一侧向力。周期产生的旋涡将使物体受到一会在物体壁上产生一侧向力。周期产生的旋涡将使物体受到一会在物体壁上产生一侧向力。周期产生的旋涡将使物体受到一会在物体壁上产生一侧向力。周期产生的旋涡将使物体受到一个周期的压力。若物体具有弹性，便会产生振动，振动频率近个周期的压力。若物体具有弹性，便会产生振动，振动频率近个周期的压力。若物体具有弹性，便会产生振动，振动频率近个周期的
50、压力。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。似地与流速成正比。似地与流速成正比。似地与流速成正比。本讲稿第四十五页，共四十九页因此，通过检测物体的振动频率便可测出流体的流速，因此，通过检测物体的振动频率便可测出流体的流速，由上式可知，流体的流速与涡流频率呈线性关系。光纤由上式可知，流体的流速与涡流频率呈线性关系。光纤涡街流量计便是根据这个原理制成的，涡街流量计便是根据这个原理制成的，在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤，当液体或在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤，当液体或在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤，当液体或在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模