1、光纤传感器,概论光导纤维以及光在其中的传播光纤传感器的光源光纤传感器用光探测器光调制技术光纤位移传感器光纤速度、加速度传感器光纤振动传感器光纤温度传感器,第3章 光纤传感器,概论,光纤传感器技术的形成及特点 光纤传感器的组成与分类,第3章 光纤传感器,光纤传感器技术的形成,光纤传感器技术是本世纪70年代末发展起来的一门崭新的技术，是传感器技术的新成就。光纤传感器技术是随着光导纤维实用化与光通信技术的发展而形成的。 光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通信技术中。但是,在实际光通信过程中发现,光纤受到外界环境因家的影响,如压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起光纤传输的光波量，如
2、光强、相位、颇率、偏振态等变化。因此科技人员推测如果能测量出光波量变化的大小，就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小于是就出现了光纤传感器技术。,第3章 光纤传感器,光纤传感器技术的特点,光纤传感器较传统的传感器相比有许多持点。特点：灵敏度高结构简单体积小耗电量少耐腐蚀绝缘性好光路可弯曲便于实现远调。光纤传感器技术是一门多学科性科学，它涉及知识面广泛，如纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术和微型计算机应用等。,第3章 光纤传感器,光纤传感器的组成与分类,a: 功能性光纤传感器；b：传光型光纤传感器,第3章 光纤传感器,功能型光纤传感器,利用光纤本身的某种敏
3、感特性或功能制作的传感器称为功能型传感器：,第3章 光纤传感器,传光型光纤传感器,光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他敏感元件才能构成传感器，称为传光型传感器它又分为两种。种是将敏感元件置于入射与接收光纤中间，在被测对象的作用下，或使敏感元件遮断光路，或使敏感元件的光透射率发生变化，这样，光探测器所光量便成为被测对象调制后的信号；另一种是在光纤一端设置“敏感元件+发光元件元件”的组合部件，敏感元件感受被测对象的作用并将其转换为电信号后作用于发光元件，而发光元件的发光强度作为测量所得的信息。,第3章 光纤传感器,光导纤维以及光在其中的传播,传播原理：全反射,第3章 光纤传感器,光
4、纤传感器的光源,光纤传感器的光源的要求光纤传感器的光源的分类,第3章 光纤传感器,光纤传感器的光源的要求,由于光纤传感器中光纤细而长，若使光波能在其中正常传播，并满足测量要求，则对光源的结构与性能有一定要求：(1)由于光纤传感器结构所限，要求光源的体积小，便于与光纤耦合；(2)光源要有足够的亮度，以提高传感器输出的光功率； (3)光源发出的光波长应适合，以减少光波在光纤中传闭时的能量损耗； (4)光源工作时稳定性好、噪声小，能在室温下连续长期工作； (5)光源要便于维护，使用方便。,第3章 光纤传感器,光纤传感器的光源的分类,非相干光源包括白帜光源与发光二极管；相干光源包括各种激光器：半导体激
5、光器、氦氖激光器、固体激光器在大多数光纤传感器中希望使用相干光源。,第3章 光纤传感器,光纤传感器用光探测器,光纤传感器用光探测器的要求光纤传感器用光探测器的分类,第3章 光纤传感器,光纤传感器用光探测器的要求,(1)线性好，按比例地将光信号转换为电信号；(2)灵敏度高，能敏感微小的输入光信号，并输出较大的电信号；(3)响应频带宽、响应运度快，动态特性好；(4)性能稳定，噪声小等。,第3章 光纤传感器,光纤传感器用光探测器的分类,光电二极管光敏电阻光电池,第3章 光纤传感器,光调制技术,按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等。,第3章 光纤传感器,相
6、位调制与干涉测量,光学干涉仪的共同持点四种相位调制类型的光纤干涉仪的结构及工作原理,第3章 光纤传感器,光学干涉仪的共同持点,光学干涉仪的共同持点是它们的相干光在空气中传播，由于空气受环境温度变化的影响，引起空气的折射扰动及声波干扰，这种影响都会导致空气光程的变化，从而引起干涉测量工作不稳定以致准确度降低。利用单模光纤作干涉仪的光路，就可以排除上述影响，并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制，从而可以制造出千米量级光路长度的光纤干涉仪。,第3章 光纤传感器,四种相位调制类型的光纤干涉仪的结构,A:迈克尔逊干涉仪；b：马赫-泽德干涉仪；c:塞格纳克干涉仪；d：法布里-珀罗干涉仪,第3章 光纤传
7、感器,四种相位调制类型的光纤干涉仪的工作原理,在四种干涉仪中以一个或两个3dB耦合器取代了分光器，光纤光程取代了空气光程，并且这些干涉仪中都是以光纤作为相位调制元件（传感器），被测物理量作用于光纤传感器，导致其光纤中光相位的变化或光的相位调制。,第3章 光纤传感器,当真空中波长为的光入射到长度为L的光纤时若以其入射端面为基准，则出射光的相位为：,式中：K0为光在真空中的传播常数，n为纤芯折射率。 由此可见,纤芯折射率的变化及光纤长度的变化都会导致光相位的变化即：,第3章 光纤传感器,频率调制,光学多普勒频移原理激光多谱勒测速系统,第3章 光纤传感器,光学多普勒频移原理,从物理学知光学中的多普勒
8、现象是指由于观察者和目标的相对运动、使观察者接收到的光波频率产生变化的现象。多普勒频移基本公式(见下面）,第3章 光纤传感器,多普勒频移基本公式,c为真空中光速，为物体至光源方向与物体运动方向之间的夹角。但是一般最关心的还是运动物体所散射的光的频移,而光源与观察者则是相对静止的。对于这种情况可以作为一个双重多普勒频移来考虑。即先考虑从光源到运动物体然后再考虑从运动物体到观察者。,如一频率为f的静止光源入射到速度为v的运动物体上时，从运动物体上观测的频率来看，有：,第3章 光纤传感器,双重多普勒频移,物体P相对于光源S运动时，在P点观察到的光频率f1为：f1=f1-(v/c)21/21-(v/c
9、)cos1频率f1的光通过物体P产生散射，在Q处所观察到的光频率f2为：f2=f11-(v/c)21/21-(v/c)cos2联立，并考虑到vc，可近似把双重多普勒频移公式表示为：f2=f11-cos11-cos2,其中S为光源,P为运动物体,Q是观察者所处的位置。,第3章 光纤传感器,4次课(第二周),激光多谱勒测速系统,第3章 光纤传感器,测速点A,偏振片R,为了区别并消除从发射透镜和光纤前端面反射回来的光，在光探测器前装一块偏振片R，从而使光探测器只能检测出与原光束偏振方向相垂直的偏振光,后向散射光,激光多谱勒测速系统原理,激光沿着光纤入射到测速点A上，然后后向散射光与光纤端面的反射或散
10、射光起沿着光纤返回，其中纤维端面的反射或散射光是作为参考光使用。同时为了区别并消除从发射透镜和光纤前端面反射回来的光，在光探测器前装一块偏振片R，从而使光探测器只能检测出与原光束偏振方向相垂直的偏振光。于是信号光与参考光起经光探测器进入频谱分析器处理，最后分析器给出测量结果。,第3章 光纤传感器,光纤位移传感器,简单的光纤开关、定位装置移动球镜光学开关传感器反射型光纤位移传感器,第3章 光纤传感器,简单的光纤开关、定位装置,(a)光纤记数装置(b)编码盘装置(c)定位装置(d)液位控制装置,第3章 光纤传感器,属传光型光纤传感器,光纤开关、定位装置,被记数工件随传送带移动，一个工件从光纤断开处
11、通过时，挡光一次，在光纤输出端得到一个光脉冲，用记数电路和显示装肖将通过光纤的工件数显示出来。,第3章 光纤传感器,(b)编码盘装置,转动的金属盘上穿有透光孔。当孔与光纤对齐时，在光纤输出端就有光脉冲输出，这是通过孔位的变化对光强进行调制。,第3章 光纤传感器,(c)定位装置,在大量生产中对工件进行重复性加工操作时，用这种方法对工件定位。,第3章 光纤传感器,(d)液位控制装置,用以判断光纤与液面是否接触。当光纤与河面接触时，光学界面折射情况改变，从而使光纤接收端的光强度发生改变。光纤接收端面的结构有许多种，其基本原理多数是以改变光线的全反射状况来实现液位控制的。,第3章 光纤传感器,移动球镜
12、光学开关传感器,这是种高灵敏度面检测装件。光强为I0的光束,通过发送光纤照射到球镜上。球透镜把光束聚集列两个接收光纤的端面上。当球透镜在平衡位置时，从两个接收光纤得到的光强I1和I2是相同的；如果球透镜在垂直于光路的方向上产生微小位移时，在两个接收光纤上得到的光强I1和I2 将发生变化。光强比值I1/I2 的对数值与球透镜位移x呈线性关系，但与初始光强无关。,第3章 光纤传感器,球镜位移与光强比值的变化关系,第3章 光纤传感器,反射型光纤位移传感器,光源发出的光进入发送光纤,从光纤测头端面射出，照射到A面上,A面的反射光有一部分进入接收光纤。当A面到测头端面之间的距离z变化时,进入接收光纤的光
13、强度出随之发生变化,从而使光探测器上发出的电信号也随之发生变化。很明显。这是种振幅调制型的位移传感器。,反射镜面,第3章 光纤传感器,光纤速度、加速度传感器,光纤激光渡越速度计利用马赫一泽德干涉仪的光纤加速度计,第3章 光纤传感器,光纤激光渡越速度计,激光耦合进梯度光纤，由光纤射出后，由透镜L1准直再经过涅拉斯顿棱镜P将激光束分为夹角为1的两束光。此两束光经过透镜L2在其焦平面F2上聚成两个光点。透镜L3把两个光点投射到15-45cm远的被测物体上，在被测物体处(如气流)，光束呈现出两个光斑。将两个斑点连线的方向调整到与气流方向平行，气流中携带的粒子可相继通过两个斑点。,第3章 光纤传感器,1
14、.打印机；2.微计算机；3.相关器；4.鉴频器；5.光探测器；6.激光器；7.接收光纤,激光器,原理,被光班照亮的粒子使光发生散射，散射光进入望近镜透镜L4，经M1、M2进行两次反射以后在S平面处形成双斑点图像。调整好接收光纤，使两根光纤的端而分别对准一个光斑。光纤端面接收到的散射光经过干涉滤光片后到达光探测器。根据接收到两个光斑的时间差，以及在流场中两个光斑距离，通过电路处理就可以计算出气流的速度。,第3章 光纤传感器,利用马赫一泽德干涉仪的光纤加速度计,第3章 光纤传感器,1.氦氖激光器；2、12.分束器；3.反向镜；4、11.透镜；5.单模光纤；6.质量块；.顺变柱体；、.压电变换器；9
15、.驱动器；13.光探测器；14.差动放大器；15.频谱仪,原 理,激光束通过分束器后分为两束光:透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。测量光束经透镜耦合进入单模光纤，单模光纤紧紧缠绕在一个顺变柱体上，顺变柱体上端固定有质量块。顺变柱体作加速运动时，质量块的惯性力使圆柱体变形，从而使绕在其上面的单模光纤被拉伸，引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束在分束器处会合，产生干涉效应。在垂直位置放置的两个光探测器接收到亮暗相反的干涉信号，两路电信号由差动放大器处理。,第3章 光纤传感器,检测垂直表面振动分量的光纤振动传感器原理,第3章 光纤传感器,原 理,激光束通过分束器、光纤入
16、射到振动体上的一点，反射光作为信号光束，经过同光学系统，被引入到探测器。参考光束是从由部分透射面R上反射产生的。在实际系统中是用光纤输出端面作为R面。信号光束只受到垂直振动分量Ucost的调制。由于振动体使反射点靠近或远离光纤，从而改变了信号光束的光路长度，相应改变了信号光与参考光的相对相位，产生了相位调制。信号光与参考光之间的相位差为：,式中，为激光波长，为光波圆频率。,第3章 光纤传感器,光纤温度传感器,干涉仪包括激光器、扩束器、分束器、两个显微物镜、两根单摸光纤(其中一根为测量臂，一根为参考臂)、光探测器等。,第3章 光纤传感器,原 理,干涉仪工作时激光器发出的激光束经分束器分别送入长度基本相同的测量光纤与参考光纤，将两根光纤的输出端汇合在一起，则两束光即产生干涉，从而出现了干涉条纹。当测量臂光纤受到温度场的作用时，产生相位变化，从而引起干涉条纹的移动。显然干涉条纹移动的数量将反映出被测温度的变化。光探测器接收干涉条纹的变化信息并输入列适当的数据处理系统，最后得到测量结果。,第3章 光纤传感器,
