1、光纤传感器光纤传感液位报警器光纤传感液位报警器FOD Linear Position and Displacement Sensor光纤压力传感光纤压力传感反射式光纤传感头反射式光纤传感头主要内容主要内容 概述 光纤传光基本原理 光纤传感器基本原理 光纤传感器分类 主要应用领域一、概述一、概述 光纤的定义 光纤是一种介质圆柱光波导，所谓“光波导”是指能够约束并导引光波在其内部或表面附近沿其轴线方向传播的传输介质。结构：由纤芯、包层、涂敷层、护套构成。光纤传感器:特点:以光波为信息载体,以光纤为传输媒质优点：灵敏度高;抗电磁干扰；耐恶劣环境;质轻体小;安全可靠;传输容量大应用范围:可用于七十多个
2、物理量的测量光纤通讯的历史光纤通讯的历史 1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)发表了关于传输介质-光纤新概念的论文 1970年，美国康宁(Corning)以及贝尔研制成功损耗20dB/km的石英光纤 1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。1980 年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用 1989年，第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统建成 光纤传感器(FOS-Fiber Optical Sensor)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的区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载
3、体，用光纤作为传输敏感信息的媒质。由于它同时具有光纤和光学测量的特点，因此经过三十多年的发展，已经研究和开发出上百种各种类型的光纤传感器。二、光纤的结构对称柱体光学纤维对称柱体光学纤维多层介质结构多层介质结构1.纤芯：石英玻璃，直径5-75微米，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素,提高n。2.包层：直径100-200微米，折射率略低于纤芯,SiO2。3.涂敷层：硅酮或丙烯酸盐-用于隔离杂光。4.护套：尼龙或其他有机材料-提供光纤机械强度,保护光纤。特殊场合：没有涂敷层和护套-裸纤1.按折射率变化类型分类按折射率变化类型分类按纤芯到包层折射率变化：按纤芯到包层折射率变化：阶跃折射率光纤阶跃折射率光
4、纤渐变折射率光纤渐变折射率光纤2.按传播模式种类来分按传播模式种类来分单模光纤单模光纤多模光纤多模光纤纤芯直径小纤芯直径小只能传送一种模式只能传送一种模式传输性能好传输性能好制造、连接、耦合困难制造、连接、耦合困难纤芯直径较大纤芯直径较大传播模式较多传播模式较多性能较差，带宽较窄性能较差，带宽较窄制造容易，耦合容易制造容易，耦合容易3.按材料分类按材料分类高纯度石英玻璃纤维：高纯度石英玻璃纤维：光损耗比较小光损耗比较小多组分玻璃光纤：多组分玻璃光纤：用常规玻璃制成，损耗也很低用常规玻璃制成，损耗也很低塑料光纤：塑料光纤：用人工合成导光塑料制成，其损耗较用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但重量
5、轻，成本低，柔软性好大，但重量轻，成本低，柔软性好结论：结论：传导模：在纤芯中传输的光传导模：在纤芯中传输的光辐射模：进入包层的光辐射模：进入包层的光要求：进入光纤中的光要能在纤芯中传输，要求：进入光纤中的光要能在纤芯中传输，而不而不要溢出纤芯。要溢出纤芯。即：传导模尽可能大，辐射模尽可能小，从而获即：传导模尽可能大，辐射模尽可能小，从而获得最小的传输损耗。得最小的传输损耗。利用石英玻璃等高透射率电介质材料制作的利用石英玻璃等高透射率电介质材料制作的光纤，是可见光至近红外光最理想光纤，是可见光至近红外光最理想 的传输媒体。的传输媒体。四、光在光纤中的传播四、光在光纤中的传播反映纤芯接收光量的多
6、少，标志光纤接收性能。反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有意义：无论光源发射功率有多大，只有2i2i张角之张角之内的光功率能被光纤接受传播。内的光功率能被光纤接受传播。如入射角过大，如入射角过大，光线便从包层逸出而产生漏光。光线便从包层逸出而产生漏光。光纤的光纤的NANA越大，表明它的集光能力越强，一般希望越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率；有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率；但数值但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为值
7、孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.20.40.20.4。2221sinnnNAi数值孔径（数值孔径（NA）定义为）定义为 功能型非功能型拾光型 五五.光纤传感器分类光纤传感器分类 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。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。光纤在其中仅起导光作用，光照在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。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，无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。灵敏度较低。实
8、用化的大都是非功能型的光纤传感器。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。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。典型例子：光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器光纤传感器的主要应用领域光纤传感器的主要应用领域军事传感器军事传感器 光纤制导武器、光纤陀螺、光纤水听器、光纤加速度计、光纤压力传感器、光纤灵巧蒙皮、光纤战地化学传感器。智能系统智能系统 光纤机器人、智能制造与柔性加工、电力继电保护与火灾报警、发动机内部故障诊断、智能大厦医用传感器医用传感器 胃镜、神经修复、外科手术监测。六、光纤传感器的应用 (1)球面光纤液位传感器球面光纤液位传感器 光由光纤的一端导入，光由光纤的
9、一端导入，在球状对折端部一部分光透在球状对折端部一部分光透射出去，而另一部分光反射射出去，而另一部分光反射回来，由光纤的另一端导向回来，由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取探测器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被决于被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射测介质的折射率与光纤折射率越接近率越接近,反射光强度越小。反射光强度越小。显然显然,传感器处于空气中时传感器处于空气中时比处于液体中时的反射光强比处于液体中时的反射光强要大。因此，该传感器可用要大。因此，该传感器可用于液位报警。若以探头在空于液位报警。若以探头在空气中时的反射光强度为基准，气中时的反射光强度为基准，则当接触水
10、时反射光强变化则当接触水时反射光强变化6dB7dB，接触油时变，接触油时变化化25dB30dB。利用光纤实现无接触位移测量。光源经一束利用光纤实现无接触位移测量。光源经一束多股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测多股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体上。另一束光纤接受反射的光信号，并通物体上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤传送到过光纤传送到 光敏元件上。光敏元件上。被测物体与光被测物体与光 纤间距离变化，纤间距离变化，反射到接受光反射到接受光 纤上，光通量纤上，光通量 发生变化。再发生变化。再 通过光电传感通过光电传感 器检测出距离器检测出距离 的变化。的变化。（2 2）反射式光纤位移传感器）反射式光纤位移传感器
