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第11章光纤传感器
把光纤通讯、直接信息交换和把待测量与光纤内部的导光联系起来,形成了光纤传感器。
光纤传感器具有灵敏度高、响应速度快、动态范围大、抗电磁干扰能力强、超高电绝缘、防燃、防爆、安全性能高、耐腐蚀、材料资源丰富、成本低、体积小、灵巧轻便、使用方便等优点。
光纤传感器可实现的传感物理量很广,广泛应用于对磁、声、力、温度、位移、旋转、加速度、液位、扭矩、转矩、应变、光、电流、电压、传像及某些化学量测量等,应用前景十分广阔。
一、光纤的基本知识
(一)什么是光纤
能传输光线的纤维就叫做光导纤维,现在简称光纤,在光学技术上又叫做光波导。
(二) 光纤的结构
光纤是一种多层介质
结构的对称圆柱体,
通常由纤芯、包层和
外套组成,
如图11—1所示。
(三) 光纤的种类
1、按其工作原理分类,可分为传输型和敏感型两大类。
利用其它敏感元件测得的物理量,由光纤进行传输的,称为传输型(非功能型)光纤传感器。
利用外界物理因素,改变光纤中光的强度、相位偏振态或波长,从而对外界参数进行检测的,称为敏感型(功能型)光纤传感器。
2、按照传输信息型式分类,可分为下述5种:
(1)光强(振幅)调制型。这是利用光通过光纤时,光强的变化来检测各种物理量。
(2)相位干涉型。是利用外界因素对光纤中光波相位的变化不定期检测各种物理量。
(3)偏振态调制型。是利用外界因素对光纤中横向偏振发生变化来检测各种物理量。
(4)波长调制型。是利用外界因素对光纤中传播光波波长发生变化来检测各种物理量。
(5)频率调制型。利用外界因素改变光的频率,通过检测光的频率变化来测量外界物理量。
3、按光纤折射率变化规律分类,
(1)阶跃型阶跃型又称为台阶型。这类光纤如图11—2(a)所示。
(2)梯度型梯度型又称渐变型。也称为自聚焦光纤。如图11—2(b)所示。
4、按光纤传输模数分类
(1)单模光纤
(2)多模光纤
5、按制成光纤材料分类
(1)高纯度石英(SiO2)玻璃光纤
(2)多组分玻璃光纤
(3)塑料光纤
6、按用途分类,有通讯光纤和非通讯光纤。
7、按制作工艺分类,有化学气相沉积法和坩埚法
两种。
(四) 光纤的传光原理
1、光的反射规律。光线全部反射回光密媒质内部,称为光被全反射,如图11—3(c)所示,
2、阶跃型多模光纤的传光过程。
(五) 光纤的 主要参数
1、传播损耗。
2、光纤强度。
3、色散。
(1)材料色散。
(2)波导色散。
(3)多模色散。
4、容量。
5、抗拉强度。
6、数值孔径。
二、光纤传感器的基本原理、分类及结构
(一)、光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器,使待测量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、偏振态等)发生变化,成为被调制信号光,再经过光纤送入光探测器,经解调器解调后,获得被测参数。
(二)、光纤传感器分类
1、根据光纤在传感器中的作用分类
(1)传光型在传光型光纤传感器中,光纤仅作为传播光的介质,对外界信息的“感觉”功能是依靠其它物理性质的功能元件来完成的。
(2)传感型传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤(或特殊光纤)作传感元件,将“传”和“感”合为一体的传感器。
(3)拾光型拾光型光纤传感器是用光纤作为探头,接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。
2、根据光受被测对 象调制形式分类
(1)强度调制型光纤传感器
(2)偏振调制型光纤传感器
(3)频率调制型光纤传感器
(4)相位调制传感器
(5)波长调制传感器