第六章其他种类的传感器 第一节光纤传感踞 第二节乞敏传感 第三节显度传蹙噩
1 第一节 光纤传感器 第二节 气敏传感器 第三节 湿度传感器 第六章 其他种类的传感器
第一爷光笄传贏器 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。因此,它同时 具有光纤及光学测量的特点 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 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、 压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量
2 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。因此，它同时 具有光纤及光学测量的特点。 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。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、 压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量 第一节 光纤传感器
光导纤维导光的基本原理 光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基 本原理。然而根据光学理论指出:在尺寸远大于波长而 折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方 法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完 全适用的。为此,采用几何光学的方法来分析。 1、斯乃尔定(Snel1sLaw) 当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射 如图(a),其折射角大于入射角,即n1>a2时,b1>B1 n1、n2、Br、日;之间的数学关系为 n sinb=n sine 可见,入射角θ增大时,折射角(a)光的折射示意图 θ也随之增大,且始终θr>6;
3 一 、光导纤维导光的基本原理 光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基 本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而 折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方 法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完 全适用的。为此, 采用几何光学的方法来分析。 1、斯乃尔定理（Snell's Law） 当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射， 如图(a)，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θ r＞θi。 n1 n2 θ r θi 可见，入射角θ (a)光的折射示意图 i增大时，折射角 θ r也随之增大，且始终θ r＞θi。 n1、n2、θ r、θi之间的数学关系为 n1 sinθi =n2 sinθr
当θ=90时,6,仍θi并继续增大时,r>90°,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
4 当θi＞θi0并继续增大时，θ r＞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。 式中：θi0——临界角 θi0=arcsin(n2 /n1 ) sinθi0 =n2 /n1 sinθ r ＝sin90º＝1 n1 n2 θ r θi (c)光全反射示意图 n1 n2 θ r θi (b)临界状态示意图 当θ r =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
2、光纤能构 分析光纤导光原理,除了应用斯乃尔定理外还须结合光 纤结构来说明。光纤呈圆柱形,它由玻璃纤维芯(纤芯) 和玻璃包皮(包层)两个同心圆柱的双层结构组成 纤 2R2 层 光纤结构 纤芯位于光纤的中心部位,光主要在这里传输。纤 心折射率n1比包层折射率n2稍大些.两层之间形成良好 的光学界面,光线在这个界面上反射传播
5 2、光纤结构 分析光纤导光原理，除了应用斯乃尔定理外还须结合光 纤结构来说明。光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯(纤芯) 和玻璃包皮(包层)两个同心圆柱的双层结构组成。 纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤 心折射率n1比包层折射率n2稍大些．两层之间形成良好 的光学界面，光线在这个界面上反射传播。 2R 2r n2 n1 n n2 n1 纤 芯 包 层 光纤结构
3、纤亭光原理况数值乳题 入射光线AB与纤维轴线OO相交角为θ;,入射后折射(折 射角为)至纤芯与包层界面C点,与C点界面法线DE成 O角,并由界面折射至包层,CK与DE夹角为。则 nosine=n sine n, sin 0=n sin g K g n2 F sin 8 =(n /no)sin 8 sin 8k(n,/nusin 8 因6:90°—61所以 光纤导光示意图 如以=4909-)-14=小-如2Dm为入射光线AB所在 为空气,故n0≈1,n1 sine=n, - t Vn2-nssin-Br 为纤芯折射率,n2为包 层折射率。当n0=1时
6 3、光纤导光原理及数值孔径NA 入射光线AB与纤维轴线OO相交角为θi，入射后折射(折 射角为θj )至纤芯与包层界面C点，与C点界面法线DE成 θk角，并由界面折射至包层，CK与DE夹角为θr。则 n0 sinθi =n1 sinθj n1 sinθk =n2 sinθ r sinθi=(n1 /n0 )sinθj sinθk=(n2 /n1 )sinθ r 因θj=90º－θk 所以 θ θj i θk θ r A B C D E F G K O O n0 n2 n1 光纤导光示意图 i k K K n n n n n n 2 0 1 0 1 0 1 sin = sin( 90 − ) = cos = 1− sin i r n n r n n n n n 2 2 2 2 1 0 2 1 2 0 1 sin 1 sin 1 sin = − = − n0为入射光线AB所在 空间的折射率，一般 为空气，故n０≈1，nl 为纤芯折射率，n2为包 层折射率。当n０=1时
sIn sin 当0=90°的临界状态时,O=00 sm60=√h-n2 上式sin010为“数值孔径”NA( Numerical Aperture)o 由于n1与n2相差较小,即n1+n2≈2n1故又可因式分解为 sia≈n√2△=1-2)1称为相对折射率差 当O=90时 sinb =NA Oo=arcsin NA 当6>909时,光线发生全反射,则NA,0,> arcsin na,光线消失。 这说明 arcsine是一临界角,凡入射角6;> arcsine的 那些光线进入光纤都不能传播而在包层消失;相反,只有 入射角6;< arcsine的光线才可进入光纤被全反射传播
7 上式sinθi0为“数值孔径” NA(Numerical Aperture)。 由于n1与n2相差较小，即n1+n2≈2n1 ,故又可因式分解为 i n n r 2 2 2 2 1 sin = − sin 2 2 2 0 1 sin i = n − n sini0 n1 2 Δ=(n1 -n2 )/n1称为相对折射率差 当θr =90º的临界状态时，θi =θi0 当θr NA，θi>arcsin NA，光线消失。 这说明arcsinNA是一临界角,凡入射角θi＞arcsinNA的 那些光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反,只有 入射角θi＜arcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播 当θr =90º时 当θr>90º时，光线发生全反射，则 sinθi0=NA θi0=arcsin NA θi<θi0=arcsin NA
二、光纤传感结构原理及分类 1、咒纤亮构原理 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可 测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和 处理系统以及信息传输均用金属导线连接,见图(a)。光 纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号 的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光 接收器、信号处理系统以及光纤构成,见图(b) 由光发送器发出的光经源光 纤引导至敏感元件。这时, 「电源 导线、敏感元件 光的某一性质受到被测量的信号处理+信号接收 调制,已调光经接收光纤耦 (a)传统传感器 合到光接收器,使光信号变 为电信号,最后经信号处理 光发送器 光纤、敏感元件 得到所期待的被测量。 信号处理光接收器 (b)光纤传感器
8 二、光纤传感器结构原理及分类 1、光纤传感器结构原理 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可 测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和 处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光 纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号 的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光 接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。 光纤 信号处理 光接收器 敏感元件 光发送器 （b）光纤传感器 信号处理 电 源 信号接收 敏感元件 （a）传统传感器 导线 由光发送器发出的光经源光 纤引导至敏感元件。这时， 光的某一性质受到被测量的 调制，已调光经接收光纤耦 合到光接收器，使光信号变 为电信号，最后经信号处理 得到所期待的被测量
可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较,在 测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机一电测量 为基础,而光纤传感器则以光学测量为基础。 光是一种电磁波,其波长从极远红外的mm到极远 紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其 中的电场而引起。因此,讨论光的敏感测量必须考虑光 的电矢量E的振动,即 E=Asin(at+p A电场E的振幅矢量;ω-光波的振动频率; —光相位;t光的传播时间 可见,只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率 和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化,或受被 测量调制,那么,通过对光的强度调制、偏振调制、频 率调制或相位调制等进行解调,获得所需要的被测量的 信息
9 可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在 测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量 为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。 光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远 紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其 中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光 的电矢量E的振动，即 A——电场E的振幅矢量；ω——光波的振动频率； φ——光相位；t——光的传播时间。 可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率 和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被 测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频 率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的 信息。 E = Asin(t +)
2、纤传的分费 传感器 光学现象 被测量 光纤分类 干涉(磁致伸缩 电流、磁场 SM、PM 涉相位调干涉(电致伸缩)电场、电压 SM、PM 制光线 Sagnac数应 型传感器光弹效应 角速度 SM、PM 振动、压力、加速度、位移 SM、PM 干涉 温度 SM、PMa 遮光板遮断光路温度、振动、压力、加速度、位移 MM 半导体透射率的变化温度 MM 强度调制荧光辐射、黑体辐射|温度 非光纤温度光纤微弯损耗 振动、压力、加速度、位移 传感器振动膜或液晶的反射振动、压力、位移 MM 气体分子吸收 气体浓度 MM 干 光纤漏泄膜 液位 MM b 偏振调法拉第效应 电流、磁场 ba /光纤泡克尔斯效应 电场、电压、 MM b 温度传双折射变化 温度 感器光弹效应 振动、压力、加速度、位移 MM 型频率调制多普勒效应 速度、流速、振动、加速度 MM 光纤温度受激喇曼散射 气体浓度 MM bb-cbb 传感器光致发光 温度 MM 注:MM多模;SM单模;PM偏振保持;abc功能型、非功能型、拾光型10
10 传感器 光学现象 被测量 光纤 分类 干 涉 型 相位调 制光线 传感器 干涉（磁致伸缩） 干涉（电致伸缩） Sagnac效应 光弹效应 干涉 电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度 SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM a a a a a 非 干 涉 型 强度调制 光纤温度 传感器 遮光板遮断光路 半导体透射率的变化 荧光辐射、黑体辐射 光纤微弯损耗 振动膜或液晶的反射 气体分子吸收 光纤漏泄膜 温度、振动、压力、加速度、位移 温度 温度 振动、压力、加速度、位移 振动、压力、位移 气体浓度 液位 MM MM MM SM MM MM MM b b b b b b b 偏振调 制光纤 温度传 感器 法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 光弹效应 电流、磁场 电场、电压、 温度 振动、压力、加速度、位移 SM MM SM MM b,a b b b 频率调制 光纤温度 传感器 多普勒效应 受激喇曼散射 光致发光 速度、流速、振动、加速度 气体浓度 温度 MM MM MM c b b 注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型 2、光纤传感器的分类