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Chapter 9 光纤传感器
检测技术
光纤传感器
光纤传感器(FOS— Fiber Optical Sensor)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、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(,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
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。
2R
2r
n2
n1
n
n2
n1
纤芯
包层
图1 光纤传感器结构的示意图
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/n1
sinθr=sin90º=1
光导纤维导光的基本原理
图3 光纤导光示意图