3chapter9光纤传感器(1)

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1、Chapter9光纤传感器检测技术光纤传感器光纤传感器(FOS—FiberOpticalSensor)是20世纪70年代中期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。光纤传感器优点①电绝缘性能好。由于光纤本身是电介质，而且敏感元件也可用电介质材料制作，因此光纤传感器具有良好的电绝缘性，特别适合高压供电系统及大容量电机的测试。②抗电磁干扰能力强。这是光纤测量及光纤传感器独特的性能特征，因此光纤传感器特别适用于大电流

2、、强磁场噪声、强辐射等恶劣的环境中，能解决许多传统传感器无法解决的问题。光纤传感器③非侵入性。由于传感头可做成电绝缘的，而且其体积可以做得很小（最小是只大于纤芯的芯径），因此，他不仅对电磁场是非侵入式的，而且对速度场也是非侵入式的，故对被测场不产生干扰。这对于弱电磁场及小管道内流速、流量等的检测特别具有使用价值。④高灵敏度。高灵敏度是光学测量的优点之一，利用光作为信息的载体的光纤传感器的灵敏度很高，它是某些精密测量和控制必不可少的工具。光纤传感器⑤容易实现对被测信号的远距离监控。由于光纤的传输损耗很小（目前石英玻璃系光纤的最小损耗可低达0.16

3、dB/km，因此光纤传感器技术与遥测技术相结合，很容易实现对被测场的远距离监控。这对于工业生产过程的自动控制以及对核辐射、易燃、易爆气体和大气污染等进行监测光纤传感器机械电子仪器仪表航空航天石油化工生物医学环保电力冶金交通运输轻纺食品军事生产过程自动控制在线检测故障诊断安全报警位移速度加速度振动应变压力流量液位温度电流电压磁场9.1光导纤维导光的基本原理光纤的结构纤芯、包层、涂敷层、护套。纤芯—直径：5~150μm；石英玻璃塑料；包层—100~200μm；n1>n2涂敷层—隔离杂光。护套—提高机械强度。2R2rn2n1nn2n1纤芯包层图1光纤

4、传感器结构的示意图9.1光导纤维导光的基本原理斯乃尔定理当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θr＞θi。n1n2θrθi之间的数学关系为：(a)光的折射示意图(c)光全反射示意图n1n2θrθin1n2θrθin1n2θrθi(b)临界状态示意图图2光在不同物质分界面的传播9.1光导纤维导光的基本原理入射角θi增大时，折射角θr也随之增大，且始终θr＞θi。当θr=90º时，θi仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播如图(b)，称为临界状态。这时有：式中：θi0——临界角当θi＞θi0并继续增大

5、时，θr＞90º，这时便发生全反射现象，如图(c)，其出射光不再折射而全部反射回来。θi0=arcsin(n2/n1)sinθi0=n2/n1sinθr＝sin90º＝19.1光导纤维导光的基本原理图3光纤导光示意图9.1光导纤维导光的基本原理9.1光导纤维导光的基本原理9.1光导纤维导光的基本原理9.1光导纤维导光的基本原理数值孔径(NumericalAperture)数值孔径反映纤芯接收光量的多少，是标志光导纤维接收性能的一个重要参数。其意义是无论光源发射功率有多大，只有张角之内的光功率能被光纤接收传播。一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合

6、效率的提高，但数值孔径太大，光信号畸变也越严重，所以要适当选择。9.1光导纤维导光的基本原理传播损耗由于光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等影响，光信号在光纤中传播不可避免地要有损耗。以A来表示传播损耗(单位为dB)，则式中，为光纤长度；为单位长度的衰减；I0为光导纤维输入端光强；I为光导纤维输出端光强。9.2光纤传感器的结构原理及分类1.光纤传感器结构原理光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。信号处理电源信号接收敏感元件（a）传统传感器

7、导线光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器图4传统传感器与光纤传感器的示意图1.光纤传感器结构原理由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件，在这里，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光接收器，使光信号转变为电信号，最后经信号处理系统处理得到被测量的值。传统传感器是以机电测量为基础的；光纤是以光学测量为基础的。1.光纤传感器结构原理光是一种电磁波，其波长从极远红外的1mm到极远紫外线10nm。电磁波的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场引起。因此，在讨论光的敏感测量时必须考虑光的电矢量E的振动。通常用下式表示：只

8、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，或者说受被测量调制，那么就可以通过对光的强度调制、偏振调制、频率调