開封大學PAGEPAGE1項目十一新型傳感器（一）課題：光纖傳感器的結構、原理及應用課時安排：2課次編號：19教材分析難點：光纖傳感器的調制原理重點：光纖傳感器的應用教學目的和要求1、了解光纖傳感器基礎知識；2、掌握光纖傳感器類型；4、了解光纖傳感器的應用。采用教學方法和實施步驟：講授、課堂互動、分析教具：裝飾用光纖各教學環節和內容任務一光纖傳感器光纖傳感器則以光學量轉換為基礎，以光信號為變換和傳輸的載體，利用光導纖維輸送光信號。光纖傳感器的迅猛發展開始于1977年，至今已研制成功多種光纖傳感器，可測量位移、速度、加速度、液位、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場和核輻射等。一、光纖結構光纖包括纖芯、包層和涂敷層，它的外形與結構如圖11-l所示。 圖11-1光纖傳感器的結構 圖11-2光纖的傳光原理 1纖芯；2包層；3保護層在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，并隨著光纖的傳輸基于光的全內反射。設有一段圓柱形的光纖，如圖11-2所示，當入射角i小于臨界入射角c時，光線就不會投射出界面，而全部被反射，光在纖芯和包層的界面上反復逐次全反射，呈鋸齒波形狀在纖芯內向前傳播，最后從光纖的另一端射出。二、光纖傳感器的類型與原理1．類型（1）傳光型光纖傳感器在傳光型光纖傳感器中，光纖僅作為傳播光的介質，對外界信息的“感覺”功能是依靠其他物理性質的功能元件來完成的。傳感器中的光纖是不連續的，其間有中斷，中斷的部分要接上其他介質的敏感元件來完成。如圖11-3所示。調制器可能是光譜變化的敏感元件或其他敏感元件。光纖在傳感器中僅起傳光作用。圖11-3傳光型光纖傳感器組成示意圖1被測對象；2光源；3光探測器；4光纖；5光敏感元件（2）傳感型光纖傳感器傳感型光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測功能的光纖（或特殊光纖）作為傳感元件，在這類傳感器中，光纖不僅起傳光的作用，而且還利用光纖在外界因素（彎曲、相變）的作用下，其光學特性（光強、相位、偏振態等）的變化來實現傳和感的功能。因此，傳感器中的光纖是連續的，如圖11-4所示。圖11-4傳感型光纖傳感器組成示意圖1被測對象；2光源；3光探測器；4光纖；5光纖敏感元件2．光纖傳感器的調制原理光纖傳感器以光學測量為基礎，因此光纖傳感器首先要解決的問題是如何將被測量的變化轉換成光波的變化。實際上，只要使光波的強度、頻率、相位或偏振態四個參數之一隨被測量而變化，則此問題便獲解決。通常，把光波隨被測量的變化而變化稱為對光波進行調制。按照調制方式可分為光強調制、相位調制、頻率調制和偏振調制。1）光強調制利用被測量直接或間接改變光纖中光的強度，再通過光強的變化來測量外界物理量，稱為光強調制。2）相位調制利用外界因素對于光纖中光波相位的影響來探測各種物理量，稱為相位調制。利用一些被測量引起光纖中光相位變化的原理組成的傳感器，具有靈敏、靈活、多樣的特點。光纖測溫傳感器就是利用光纖內傳輸的相位隨溫度參數的改變而改變的原理制成的。只要利用適當的儀器檢出光纖中光信號相位的變化就可以測定溫度。由于應變或壓力也會改變光纖的傳輸特性，使光信號相位變化，因此也可以檢測應變和壓力。光纖測溫計是一種極靈敏的儀器，當參考光路平穩時，則可測出l/100℃的變化。3）波長調制利用外界因素改變光纖中光的波長，通過檢測波長的變化來測量各種物理量，稱為波長調制。該方法廣泛用于液體濃度的化學分析、磷光和熒光現象分析、黑體輻射分析，以及用在光學濾波器上。4）頻率調制利用外界因素改變光的頻率，通過檢測光的頻率變化來測量外界物理量，稱為頻率調制。光頻率調制是基于被測物體的入射光頻率與其反射光的多普勒效應，當光源發射出的頻率為f1的光波照射到運動物體上，從該運動體反射的光波頻率發生變化為f2，相對于原頻率發生變化。在圖11-6中，S為光源，N為運動物體，M為觀察者所處的位置。若物體的運動速度為，其運動方向與NS和MN的夾角分別為θ1和θ2，則從S發出的光頻率為f1，經過運動物體后將出現散射現象，觀察者在M處觀察到運動物體反射的頻率為f2，根據多普勒原理得： （11-1）圖11-6多普勒效應示意圖根據這一原理可以制成光纖激光多普勒測振儀，測量靈敏度非常高。同時，還可應用于測血液流量，制成光纖多普勒血液流量計。3．光纖傳感器的特點（1）傳光性能、電氣絕緣性能好，不受電磁干擾，可在強電磁干擾下完成傳統傳感器不能完成的某些參量的測量，特別是電流、電壓測量，損耗小于0.2dB/km。（2）質量輕、體積小、可撓性好，光波傳輸無電能和電火花，在惡劣環境下，不會引起被測介質的燃燒、爆炸，光纖耐高壓、耐腐蝕，因而能在易燃、易爆和強腐蝕性的環境中安全工作。（3）頻帶寬、動態范圍大、對被測對象不產生影響，可進行非接觸式、遠距離測量，有利于提高測量精確度。光纖傳感器和傳統傳感器相比，也有一些明顯的缺點，例如，缺少兼容的執行機構，需要把光纖傳感器輸出的光信號轉變成電信號，才能輸入大多數裝置和系統；現場連接困難，技術復雜，成本高，遠不如電氣接頭簡便、便宜。三、光纖傳感器應用1．光纖傳感器對位移的測量利用反射式光纖位移傳感器測微小位移的原理圖如圖11-8（a）所示。（a）（b）圖11-7反射式光纖位移傳感器（a）原理圖；（b）接收相對光強與距離的關系特性曲線1光源；2發射光纖；3被測物；4接收光纖；5光敏元件它利用光纖傳送和接收光束，可以實現無接觸測量。光源經一束多股光纜把光傳送到傳感器端部，并發射到被測物體上；另一束多股光纜把被測物反射出來的光接受并傳遞到光敏元件上，這兩股光纜在接近目標之前匯合成Y形，匯合是將兩束光纜里的光纖分散混合而成的。圖11-7（a）中用白圈代表發射光纖，黑點代表接收光纖，匯合后的端面仔細磨平拋光。由于傳感器端部與被測物體間距離d的變化，因此反射到接收光纖的光通量不同，可以反映傳感器與被測物體間距離的變化。圖11-7（b）是接收相對光強與距離d的關系，可見峰值的左的線段有很好的線性，可以來檢測位移。光纜中的光纖根數往往多達數百，可測到幾百微米的小位移。圖11-8（a）所示是利用擋光原理測位移，圖11-8（b）所示是利用改變斜切面間隙大小的原理測位移。這兩種方法更為簡單，但可測范圍及線性不如反射法。（a）（b）圖11-8光纖位移傳感器的其他形式（a）利用擋光原理測位移；（b）利用改變斜切面間隙大小測位移1光纖1；2擋板；3光纖