光纖傳感器

opticalfibersensor光纖傳感優點：靈敏度較高；幾何形狀具有多方面的適應性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉等）的器件；可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環境；而且具有與光纖遙測技術的內在相容性。磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流和應變等物理量的測量。下一頁返回光纖傳感器光導纖維的結構和導光原理光導纖維的主要參數光纖傳感器結構原理光纖傳感器的分類光纖傳感器的特點光纖傳感器的應用上一頁下一頁返回光導纖維的結構和導光原理圓柱形內芯和包層組成，而且內芯的折射率略大于包層的折射率上一頁下一頁返回光纖導光上一頁下一頁返回n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故n0≈1上一頁下一頁返回當θr=90°的臨界狀態時，Sinθi定義為“數值孔徑”NA（NumericalAperture）相對折射率差arcsinNA是一個臨界角，θi>arcsinNA，光線進入光纖后都不能傳播而在包層消失；θi<arcsinNA，光線才可以進入光纖被全反射傳播。上一頁下一頁返回wheretheeffectoftotalinternalreflection(TIR)isused.Theangleofatotalinternalreflectionisafunctionoftherefractiveindex:Whenlightentersthefiber,itisimportanttodeterminethemaximumangleofentrywhichwillresultintotalinternalreflections).Ifwetakethatminimumangleofaninternalreflection,thenthemaximumanglecanbefoundfromSnell’slaw光導纖維的主要參數1.數值孔徑（NA）2.光纖模式3.傳播損耗上一頁下一頁返回上一頁下一頁返回thevalueiscalledthenumericalapertureofthefiberInpractice,thenumericalapertureisdefinedastheangleatwhichlightintensitydropsbysomearbitrarynumber2.光纖模式光波沿光導纖維傳播的途徑和方式 在光導纖維中傳播模式很多對信息的傳輸是不利的，導致合成信號的畸變，因此我們希望模式數量越少越好。階躍型的圓筒波導內傳播的模式數量表示為

希望V小：d不能太大，n2與n1之差很小上一頁下一頁返回3.傳播損耗損耗原因：光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗等的影響

傳播損耗（單位為dB）式中,I——光纖長度；a——單位長度的衰減；I0——光導纖維輸入端光強；I——光導纖維輸出端光強。上一頁下一頁返回光纖傳感器光學測量的基本原理光就是一種電磁波，

光的電矢量E被測量調制：光的強度、偏振態（矢量B的方向）、頻率和相位解調：光的強度調制、偏振調制、頻率調制或相位調制上一頁下一頁返回Thebasicideaforuseoffiberopticsinsensingistomodulateoneorseveralcharacteristicsoflightinafiberand,subsequently,toopticallydemodulatetheinformationbyconventionalmethods.Astimulusmayactonafibereitherdirectlyoritcanbeappliedtoacomponentattachedtothefiber’soutersurfaceorthepolishedendtoproduceanopticallydetectablesignal光纖傳感器的分類上一頁下一頁返回傳感器光學現象被測量光纖分類干涉型光纖傳感器相位調制干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應光彈效應干涉電流、磁場電場、電壓角速度振動、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非干涉型光纖傳感器強度調制遮光板斷光路半導體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄模溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纖傳感器偏振調制法拉第效應泡克爾斯效應雙折射變化光彈效應電流、磁場電場、電壓溫度振動、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纖傳感器頻率調制多普勒效應受激喇曼散射光致發光速度、流速、振動、加速度氣體濃度溫度MMMMMMCbb注：MM——多模光纖；SM——單模光纖；PM——偏振保持光纖(1)光纖的傳感器中的作用功能型非功能型拾光型

上一頁下一頁返回(a)功能型（全光纖型）光纖傳感器光纖在其中不僅是導光媒質，而且也是敏感元件，光在光纖內受被測量調制。優點：結構緊湊、靈敏度高。

缺點：須用特殊光纖，成本高，

典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。

上一頁下一頁返回(b)非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖在其中僅起導光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調制。

優點：無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現，成本低。

缺點：靈敏度較低。 實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。上一頁下一頁返回(2)根據光受被測對象的調制形式(a)強度調制型光纖傳感器(b)偏振調制光纖傳感器(c)頻率調制光纖傳感器(d)相位調制傳感器上一頁下一頁返回(a)強度調制型光纖傳感器利用被測對象的變化引起敏感元件參數的變化，而導致光強度變化來實現敏感測量的傳感器。應用：壓力、振動、位移、氣體優點:結構簡單、容易實現、成本低。缺點:易受光源波動和連接器損耗變化等的影響上一頁下一頁返回（d）相位調制傳感器被測對象導致光的相位變化，然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息。

利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器； 利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器； 利用電致伸縮的電場、電壓傳感器利用Sagnac效應的旋轉角速度傳感器（光纖陀螺）優點：靈敏度很高，缺點：特殊光纖及高精度檢測系統，成本高。上一頁下一頁返回光纖傳感器的特點（1）電絕緣。（2）抗電磁干擾。（3）非侵入性。（4）高靈敏度。（5）容易實現對被測信號的遠距離監控。

上一頁下一頁返回光纖傳感器的應用強度調制型： 基于彈性元件受壓變形，將壓力信號轉換成位移信號來檢測，故常用于位移的光纖檢測技術；相位調制型： 利用光纖本身作為敏感元件；偏振調制型： 主要是利用晶體的光彈性效應。上一頁下一頁返回光纖壓力傳感器（1）采用彈性元件的光纖壓力傳感器膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖膜片的中心撓度若利用Y形光纖束位移特性的線性區，則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關系。1Y形光纖2殼體3膜片與所加的壓力呈線性關系上一頁下一頁返回傳感器的固有頻率可表示為式中,ρ――膜片材料的密度；g――重力加速度。結構簡單、體積小、使用方便，光源不夠穩定或長期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影響。上一頁下一頁返回Themostcommonlyusedtypeoffiber-opticsensorisanintensitysensor,wherelightintensityismodulatedbyanexternalstimulus差動式膜片反射型光纖壓力傳感器1．輸出光纖2．輸入光纖3．輸出光纖4．膠5．膜片兩束輸出光的光強之比A―常數；p―待測量壓力輸出光強比I2/I1與膜片的反射率、光源強度等因素均無關上一頁下一頁返回將上式兩邊取對數，在滿足(Ap)2≤1時，得到表明待測壓力與輸出光強比的對數呈線性關系。若將I1、I2檢出后分別經對數放大后，再通過減法器即可得到線性的輸出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可獲得不同的測量范圍。上一頁下一頁返回（b）光彈性式光纖壓力傳感器光彈性效應：晶體在受壓后其折射率發生變化，從而呈現雙折射現象。1光源2、8起偏器3、91/4波長板4、10光彈性元件5、11檢偏器6光纖7自聚焦透鏡上一頁下一頁返回光彈性式光纖壓力傳感器2在光彈性元件上加上質量塊后，也可用于測量振動、加速度上一頁下一頁返回（c）微彎式光纖壓力傳感基于光纖的微彎效應，即由壓力引起變形器產生位移，使光纖彎曲而調制光強度。

1聚碳酸酯薄膜2可動變形板3固定變形板4、5光纖微彎式光纖水聽器探頭上一頁返回Theso-calledmicrobendstraingaugecanbedesignedwithanopticalfiberwhichissqueezedbetweentwodeformersOpticalfibersmaybeusedintwomodes.Inthefirstmode,thesamefiberisusedtotransmittheex