光纤传感器的基本知识
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光纤传感器光纤传感器①光纤传感器的基本原理光纤传感器通过光导纤维把输⼊变量转换成调制的光信号。
光纤传感器的测量原理有两种。
(1) 物性型光纤传感器原理物性型光纤传感器是利⽤光纤对环境变化的敏感性,将输⼊物理量变换为调制的光信号。
其⼯作原理基于光纤的光调制效应,即光纤在外界环境因素,如温度、压⼒、电场、磁场等等改变时,其传光特性,如相位与光强,会发⽣变化的现象。
因此,如果能测出通过光纤的光相位、光强变化,就可以知道被测物理量的变化。
这类传感器⼜被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。
激光器的点光源光束扩散为平⾏波,经分光器分为两路,⼀为基准光路,另⼀为测量光路。
外界参数(温度、压⼒、振动等)引起光纤长度的变化和相位的光相位变化,从⽽产⽣不同数量的⼲涉条纹,对它的模向移动进⾏计数,就可测量温度或压⼒等。
(2) 结构型光纤传感器原理结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。
其中光纤仅作为光的传播媒质,所以⼜称为传光型或⾮功能型光纤传感器。
图2 结构型光纤传感器⼯作原理⽰意图(3) 拾光型光纤传感器原理⽤光纤作为探头,接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。
其典型例⼦如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。
图3 拾光型光纤传感器⼯作原理⽰意图②光纤传感器的优点与传统的各类传感器相⽐,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,具有光纤及光学测量的特点,有⼀系列独特的优点。
(1) 电绝缘性能好。
(2) 抗电磁⼲扰能⼒强。
(3) ⾮侵⼊性。
(4) ⾼灵敏度。
(5) 容易实现对被测信号的远距离监控。
(6) 耐腐蚀,防爆。
(7) 光路有可挠曲性,便于与计算机联接。
(8) 结构简单,体积⼩,重量轻,耗电少等。
光纤传感器在军事、航空、医学、环境监测、⼟⽊⼯程、电⼦系统等很多领域都有⼴泛的应⽤,尤其适⽤于以下特殊环境:(1) 在⾼压、电磁感应噪⾳条件下的测试;(2) 在危险和环境恶劣条件下的测试;(3) 在机器设备内部的狭⼩间隙中的测试;(4) 在远距离的传输中的测试。
第三节光纤传感器光纤传感器是七十年代发展起来的新型传感技术,与常规传感器相比,有很多优点:①抗电磁干扰能力强。
光纤主要由电绝缘材料做成,工作时利用光子传输信息,因而不怕电磁场干扰;此外,光波易于屏蔽,外界光的干扰也很难进入光纤。
②光纤直径只有几微米到几百微米。
而且光纤柔软性好,可深入到机器内部或人体弯曲的内脏等常规传感器不宜到达的部位进行检测。
③光纤集传感与信号传输于一体,利用它很容易构成分布式传感测量。
光纤传感器的优点突出,发展极快。
自1977年以来,已研制出多种光纤传感器,被测量遍及位移、速度、加速度、液位、应变、力、流量、振动、水声、温度、电流、电压、磁场和化学物质等。
新的传感原理及应用正在不断涌现和扩大。
一、光纤传感器的基本知识光纤是一种传输光的细丝,它能够将进入光纤一端的光线传到光纤的另一端。
通常光纤由两层光学性质不同的材料组成,如图7-15所示。
光纤的中间部分是导光的纤芯,纤芯的周围是包层。
包层的折射率n2略小于纤芯的折射率n1,它们的相对折射率差Δ(Δ=1-n2/n1)通常为0.005~0.140。
光纤传光的基础是光的全内反射。
当光线以入射角θ进入光纤的端面时,在端面出发生折射,设折射角为θˊ,然后光线以φ角入射至纤芯与包层的界面。
时, 即当φ角大于纤芯与包层间的临界角φc(7-10)则射入的光线在光纤的界面上发生全反射,并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射,直至传播到另一端面。
实际工作时光纤可能弯曲,只要仍满足全反射定律,光线仍继续前进。
由于光纤具有一定柔软性,很容易使光线“转弯”,这给传感器的设计带来了极大的方便。
根据斯乃尔折射定律,(7-11)设当φ达到临界角φc 时的入射角为θc, 由式(7-10)和式(7-11)可得(7-12)式中n0sinθc是为光纤的数值孔径,用NA表示。
它表示当入射光从折射率为n0的外部介质进入光纤时,只有入射角小于θc的光才能在光纤中传播。
否则,光线会从包层中逸出而产生漏光。
目录一、引言 (1)二、光纤传感器的基本原理及特点 (1)2.1基本原理 (1)2.2 特点 (2)三、光纤传感器的发展历程 (2)四、光纤传感器的分类及应用原理 (3)4.1 分类 (3)4.2 应用原理 (4)4.2.1光强调制型 (4)4.2.2相位调制型 (5)4.2.3偏振态调制型 (6)五、光纤传感器的应用及存在问题 (6)5.1光纤温度传感器及其应用 (7)5.2光纤陀螺及其应用 (7)六、光纤传感器的发展趋势 (8)光纤传感器一、引言传感器在当代科技领域及实际应用中占有十分重要的地位,各种类型的传感器早已广泛应用于各个学科领域。
近年来,传感器朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化和网络化方向发展。
光纤传感技术是20世纪70年代末新兴的一项技术,在全世界成了研究热门,已与光纤通信并驾齐驱。
光纤传感器作为传感器家族的一名新成员,由于其优越的性能而备受青睐,其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度高、测量带宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点,优良的性能使得光纤传感器具有广泛的应用前景。
本文从光纤传感器的基本原理及特点、光纤传感器的发展历程、光纤传感器的分类及应用原理、光纤传感器的应用及存在问题以及光纤传感器的发展趋势五大方面对光纤传感器进行介绍。
二、光纤传感器的基本原理及特点光纤( Optical Fiber) 是光导纤维的简称,光纤的主要成份为二氧化硅,由折射较高的纤芯、折射率较低的包层及保护层组成。
纤芯为直径大约0.1 mm 左右的细玻璃丝,把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。
光纤传感器的发现起源于探测光纤外部扰动的实践,在实践中,人们发现当光纤受到外界环境的变化时,会引起光纤内部传输光波参数的变化,而这些变化与外界因素成一定规律,由此发展出光纤传感技术。
2.1基本原理图 1 是光纤传感器的原理结构图。
光纤传感器通常由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。