光纤传感器论文

光纤传感器的原理、应用及发展前景

程立安 电气工程与信息工程学院电子一班

摘要 这个学期选修了《传感器与检测技术》这门课,我对里面讲述到达光纤传感器较为感兴趣,所以就以光纤传感器做我论文的主题。通过介绍光纤传感器的构造及工作原理,光纤传感器的许多优越的特点,灵敏度高、可以任意改变形状、可用于恶劣的环境中等等。来说明光纤传感器是使用是非常广泛的,其应用领域是在我们的周围环境中,其重要性日益增强。

最后,光纤技术会越来越得到应用,它会给我们人类带来极大的方便与利益。

关键词 ;光纤传感器、灵敏度、改变形状、可用于恶劣环境

引言——光纤传感器可以用来测量多种物理量,比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等,还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里,在强电磁干扰和高电压的环境里,光纤传感器都显示出了独特的能力。它与我们息息相关,我们需要它,它需要我们来对它进行改造,创新。

一、光导纤维的原理 光纤传感器就是利用光导纤维的传光特性,把被测量转换为光特性(强度、相位、偏

振态、频率、波长)改变的传感器。它的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器,使待测参数与进入调制区的光相互作用后,导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化,称为被调制的信号光,在经过光纤送入光探测器,经解调后,获得被测参数。随着现代科学技术的发展, 信息的获得显得越来越重要。

光纤传感器具有许多优点:灵敏度较高;几何形状具有多方面的适应性,可以制成任意形状的的光纤传感器;可以制作传感各种不同的物理信息(声、磁、温度、旋转等)的器件;光纤传感器可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀和其他的恶劣环境;具有与光纤遥测技术的内在相容性。

1、灵敏度高由于光是一种波长极短的电磁波, 通过光的相位便得到其光学长度。以光纤干涉仪为例, 由于所使用的光纤直径很小, 受到微小的机械外力的作用或温度变化时其光学长度要发生变化, 从而引起较大的相位变化。

图(1) 光纤的结构

2、测量速度快光的传播速度最快且能传送二维信息, 因此可用于高速测量。对雷达等信号的分析要求具有极高的检测速率, 应用电子学的方法难以实现, 利用光的衍射现象的高速频谱分析便可解决。 信息容量大被测信号以光波为载体, 而光的频率极高, 所容纳的频带很宽, 同一根光纤可以传输多路信号。

3、适用于恶劣环境光纤是一种电介质, 耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰, 可用于其它传感器所不适应的恶劣环境中。另外, 利用光纤的柔韧性可将光纤传感器做成各种形状的传感器及传感器阵列, 用于多参数测量。

二、光导纤维的主要参数

1、值孔径(NA)

如上图所示,将i的正弦函数定义为光导纤维的数值孔径(NA),即

NA = sini =2n1n2

2)

数值孔径反映纤芯接受光量的多少,是标志光导纤维的接受性能的一个重要参数。其意义是无论光源发射率有多大,只有2i张角之内的光功率能被光纤接收传播。

2、光纤模式

光纤模式简单地说,就是光波沿光导纤维传播的途径和方式。在给定的光导纤维中,光线只是以某些角度入射时,所传播的光会以不同的角度入射的光线,在界面上反射的次数是不同的,传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布叫模式。

阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量可以简单表示为 21d(n1n2

2)

20 V=

式中:d为光纤芯直径;0为光波波长

3、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的影响,光信号在光纤中的传播不可避免的要有损耗。以A来表示传播损耗(单位dB),则: I0

A = aI = 20lgI

式中:I为光纤长度;a为单位长度的衰减;

出端光强。 0为光导纤维输入端光强;为光导纤维输

三、根据光纤在传感器中的作用,光纤传感器可以分为三大类

一类是功能型传感器; 二类是非功能型传感器;还有最后一类是拾光型光纤传感器。

1、功能型传感器

功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出被测信号。光纤在其中不仅是导光媒质,而且也是敏感元件,光在光纤内受被测量调制,多采用多模光纤。

优点:结构紧凑、灵敏度高。缺点:须用特殊光纤,成本高, 典型例子:光纤陀螺、光纤水听器等

图(2)功能型传感器的工作方式

2、非功能型传感器

非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化, 光纤仅作为信息的传输介质,常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用,光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。 优点:无需特殊光纤及其他特殊技术;比较容易实现,成本低。 缺点:灵敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。光纤传感器是最近几年出现的新技术,可以用来测量多种物理量,比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等,还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里,在强电磁干扰和高电压的环境里,光纤传感器都显示出了独特的能力。三、拾光型光纤传感器。用光纤作为探头,接受由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。典型的例子:光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。

3、拾光型光纤传感器

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。

四、光纤传感器应用的领域

温度的检测,压力的检测,液位、流量、流速的检测。

1、光纤高温测量系统

的辐射由光纤传输到光电转换及单片

图(3) 光纤高温测量系统

测量时,测量光纤插入钢水内部约40 cm深。光纤可采用金属套层光纤,光纤插入钢水瞬间,光纤被烧蚀,端面形成半圆形凹面,这时,在金属套层被烧蚀前,光纤最前端可近似视为黑体。在测量段光纤被烧蚀前,钢水测量点处的温度可传出。钢水内部温度通过对光纤端面机处理系统。

2、基于微弯效应测压力

微弯效应:光纤在微弯时引起纤芯中传输的光部分投入包层(全反射条件受到一定破坏),造成传输损耗,微弯程度不同,泄漏光波的强度也不同,从而达到光强度调制的目的。 光纤压力传感器主要有强度调制型、相位调制型和偏振调制型三种。

强度调制型光纤传感器是一种可用于测量位移、温度、压力、气体浓度等多种物理量的高精度传感器。大多基于弹性元件受压发生机械形变,将压力信号转换为位移信号来进行检测。为改善传感器的性能,微弱光强信号的检测需要载波调制和双光路补偿。传统的这类传感器通常采用模拟电路实现,存在着元件漂移误差、调校困难、不易组网、尺寸较大等固有的弊端。相位调制型光纤传感器是利用光纤本身作为敏感元件,通过被测能量场的作用,使光纤内传播的光波相位发生变化,再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化,从而检测出待测的物理量。光纤中光的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定,应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数,产生相位变化,实现光纤的相位调制。简单地说,将被测量转为光的波长或光程差的变化,从而使相位发生变化的方法称为相位调制。

3.光纤位移传感器

反射式光强调制测量位移由光纤输出的光照射到反射面上发生反射,其中一部分反射光返回光纤,测出反射光的光强,就能确定反射面位移情况。这种传感器可使用两根光纤,分别作传输发射光及接收光用;也可以用一根光纤同时承担两种功能。为增加光通量可采用光纤束,此方法测量范围在9 mm以内,其光强调制的示意如下图所示。

图(4) 光纤位移传感器测量位移

图(5) 光纤位移传感器测量曲线

4、光纤液位传感器

原理:基于全内反射理论

当测头没有接触液面(处于空气中)时,光线在探头内发生全内反射,而返回到光电二极管;当测头接触液面,由于液体与空气折射率不相同,所以全内反射被破坏,将有部分光线投入液体,使返回光电二极管的光强变弱。返回光强是液体折射率的函数。返回光强发生 突变时,测头已接触到液位。

光电接收器的要求不高。由于同种溶液在不同浓度时的折射率不同,经标定,这种液位传感器也可作浓度计。光纤液位计可用于易燃、易爆场合,但不能探测污浊液体及会粘附在测头表面的粘稠物质。

5的光纤其它应用

光纤电流传感器

图(6) 光纤结构电流传感器

图(6)为一种全光纤结构的光纤电流传感器。其中单偏光纤代替了上述结构中的起偏器,并用了一个多圈传感线圈。电流测量范围可达0.l~5000A。

光纤式光电开关应用

采用遮断型光纤光电开关对IC 芯片引脚进行检测

军用光纤陀螺

其原理:将激光射入绕成线圈的光纤,当线圈的底座随运动物体旋转时,可以测得出射光的相位发生变化,它的灵敏度比机械陀螺高,无机械磨擦力。

(4)光纤内窥镜

制造光纤内窥镜关键的部件是光纤传像束它决定产品清晰度、分辨率和使用寿命。

五、光纤传感器发展前景

光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术,当今世界对光纤传感技术的应用研究已取得丰硕成果.光纤传感器与传统的机电类传感器相比具有很多优势,如本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等.因此其应用范围非常广泛,并且特别适于恶劣环境中的应用.光纤光栅传感器被认为是实现“光纤灵巧结构”的理想器件。

光纤传感技术使用的范围很广泛,无论是民用济或国防事业,都能用得上,尤其是能在恶劣的环境中使用。

现今,光纤传感器呈产品化发展,形成了五大应用领域:

1.医学与生物;2.电力工业;3.化学与环境;

4.军事领域;5.智能结构。

六、参考文献

1、徐科军主编,《传感器与检测技术》(第二版)

2、赵勇主编,《光纤传感原理与应用技术》

3、陈裕泉主编,《现代传感器原理及应用》

4、徐宇生主编,《光纤传感器技术手册》

5、江毅主编,《高级光纤传感技术》


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