1、第第10章章 常用传感器简介常用传感器简介 光调制与解调技术光调制与解调技术 1.2 第第10章章 常用传感器简介常用传感器简介 光纤传感器基础光纤传感器基础 1 2 光纤传感器实例光纤传感器实例 3 4.4 光栅传感器光栅传感器 3 4 第第1010章章 光纤传感器光纤传感器 光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器（FOS）与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能力强、高灵敏度、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十
2、分广泛的应用潜力和发展前景。第一节第一节 光纤传感器基础光纤传感器基础 第第9 9章章 光纤传感器光纤传感器 一一.光纤的结构光纤的结构 光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。光纤的结构如图9.1所示，它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。图9.1 光纤的基本结构与波导 第第1010章章 光纤传感器光纤传感器 二二.传光原理传光原理 光的全反射现象是 研究光纤传光原理的 基础。根据几何光学 原理，当光线以较小 的入射角1由光密介 质1射向光疏介质2(即n1n2)时(见图9.2)，则一部分入射光将以折射角2折射入
3、介质2，其余部分仍以1反射回介质1。图9.2 光在两介质界面上的折射和反射 第第1010章章 光纤传感器光纤传感器 依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有 当1角逐渐增大，直至1=c时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播(2=90)。对应于2=90时的入射角1称为临界角c；由式(9-1)则有 由图(9.1)和图(9.2)可见，当1c时，光线将不再折射入介质2，而在介质(纤芯)内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作基础。 第第1010章章 光纤传感器光纤传感器9 9 三三.光纤的种类光纤的种类 光纤按纤芯和包层材料性质非类，有玻璃光纤和塑料光纤两类
4、；按折射率分有阶跃型和梯度型二种，如图9.3所示。阶跃型光纤纤芯的折射率不随半径而变；但在纤芯与包层界面处折射率有突变。梯度型光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致。因此，这类光纤有聚焦作用；光线传播的轨迹近似于正弦波，如图9.4所示。光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来分，可分为多模光纤和单模光纤二类。 10.110.1光纤传感器光纤传感器 图9.3 光纤的折射率断面(a)阶跃型；(b)梯度型 图9.4 光在梯度型光纤的传输 10.110.1光纤传感器光纤传感器 四四.光纤的特性光纤的特性 信号通过光纤时的损耗和色散是光纤的主要特性(详细情况参见参考资
5、料1）。五五.光纤传感器分类光纤传感器分类 光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。 10.110.1光纤传感器光纤传感器 六六.光纤传感器的发展趋势光纤传感器的发展趋势 光纤传感器具有很多的优点，是
6、对以电为基础的传统传感器的革命性变革，发展前景是极其光明的。但是，目前光纤传感器的成本较高,在这方面仍面临着传统传感器的挑战，存在着与传统传感器和其它新型传感器的竞争问题。为此，有必要说明光纤传感器的可能发展趋势：当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象。集成化光纤传感器。多功能全光纤控制系统。充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系统。开辟新领域。 10.110.1光纤传感器光纤传感器 第二节第二节 光纤传感器实例光纤传感器实例 光纤液位传感器 10.110.1光纤传感器光纤传感器 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
7、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。 光纤传感器在医学上的应用光纤传感器在医学上的应用 目前，比较典型的光纤医用传感器有如下几种：目前，比较典型的光纤医用传感器有如下几种：光纤血流计、光纤光纤血流计、光纤 pH 值传感器、光纤体压计、光纤值传感器、光纤体压计、光纤体温计、光纤氧饱和度传感器等。体温计、光纤氧饱和度传感器等。 1 光纤光纤血血 流计流计 2 光 纤光 纤pHpH 值值传 感传 感器器 3 光纤光纤体压体压计计 4 光纤光纤体温体温计计 5 光纤光纤氧饱氧饱和度和度传感传感器器 6 光光纤血纤血气监气监测传测传感器感器 光纤传
8、感器在医学上的应用光纤传感器在医学上的应用 光纤血流计光纤血流计 光纤血流计的工作原理是应用多普勒频移原理，基本结构光纤血流计的工作原理是应用多普勒频移原理，基本结构如图所示：如图所示：图图14.1 14.1 光纤血流计及其探头工作原理光纤血流计及其探头工作原理 光纤血流计光纤血流计 氦氦氖激光器的线偏振光由分束器分成两束，一氖激光器的线偏振光由分束器分成两束，一束由透镜耦合进心径约束由透镜耦合进心径约150 的光纤，光纤的另一的光纤，光纤的另一端插入注射针头内，注射器以角度插进血管内。端插入注射针头内，注射器以角度插进血管内。激光经光纤到达血液中，被直径约为激光经光纤到达血液中，被直径约为7
9、 nm 的流动的流动着的红血球散射后，再次返回，着的红血球散射后，再次返回， 光纤血流计光纤血流计 由于光纤探头要探入血管，因此注射器的针头形状就很重由于光纤探头要探入血管，因此注射器的针头形状就很重要，因为它将直接影响血流速度谱。这种注射器具有特制要，因为它将直接影响血流速度谱。这种注射器具有特制的托座，其结构如图的托座，其结构如图14.314.3所示所示.图图14.3 14.3 光纤探头与托座光纤探头与托座 光纤光纤 pH 值传感器值传感器 光纤光纤 pH 值传感器是生物化学传感器，它的特点是利用光值传感器是生物化学传感器，它的特点是利用光纤末端安置的敏感元件感受信息，以测定人体或生物体内
10、纤末端安置的敏感元件感受信息，以测定人体或生物体内的生物化学量。的生物化学量。光纤光纤 pH 值传感器是以染料指示剂为基础进行工作的，它值传感器是以染料指示剂为基础进行工作的，它的敏感部分使用一种可逆反应剂的敏感部分使用一种可逆反应剂染料指示剂，例如酚染料指示剂，例如酚红染料试剂。红染料试剂。 光纤光纤 pH 值传感器值传感器 酚红染料试剂具有两种状态形式，即基本状态和酸化状态。酚红染料试剂具有两种状态形式，即基本状态和酸化状态。每一种状态有不同的光吸收谱线，基本状态是对绿色光谱每一种状态有不同的光吸收谱线，基本状态是对绿色光谱吸收，酸化状态是对蓝色光谱吸收，吸收，酸化状态是对蓝色光谱吸收，p
11、H 值是由酚红试剂值是由酚红试剂对绿光（或监光）光谱的吸收量来决定的。对绿光（或监光）光谱的吸收量来决定的。 光纤传感器在军事方面的应用光纤传感器在军事方面的应用 1 光纤传感器光纤传感器的的 航航空航天军事空航天军事 应用应用 2 光纤传感器的光纤传感器的 海上军事应海上军事应用用 3 光纤传感技光纤传感技术术 在兵工测试在兵工测试中中 的应用的应用 光纤传感器的航空航天军事应用光纤传感器的航空航天军事应用 1 1光纤传感器在军用飞机和航天器上的应用光纤传感器在军用飞机和航天器上的应用 飞机和航天器的光纤传感器系统大致包含飞机和航天器的光纤传感器系统大致包含4 4个部分：个部分：飞行控制系统
12、和导航用光纤传感器飞行控制系统和导航用光纤传感器 发动机测控系统用光纤传感器发动机测控系统用光纤传感器 机内环境测控用光纤传感器机内环境测控用光纤传感器 光纤智能机壳监控系统用光纤传感器。光纤智能机壳监控系统用光纤传感器。 光纤传感器在环境保护方面的应用光纤传感器在环境保护方面的应用 大气层是人类赖以生存的重要外界环境因素之一。大气层是人类赖以生存的重要外界环境因素之一。大气，就是大气层内的空气，一般来说，是指占空气质量大气，就是大气层内的空气，一般来说，是指占空气质量 95 左右的地面上左右的地面上 12 km 的空气层，即人们常说的对流层。的空气层，即人们常说的对流层。 光纤传感器在环境保
13、护方面的应用光纤传感器在环境保护方面的应用 光纤光纤NONO2 2传感器传感器 1 1 光纤光纤NHNH3 3传感器传感器 2 2 光纤光纤COCO2 2传感器传感器 3 3 光纤光纤CHCH4 4传感器传感器 4 4 光纤光纤NONO2 2传感器传感器 NO2 是污染大气的主要气体之一，是一种红褐色有特殊刺是污染大气的主要气体之一，是一种红褐色有特殊刺激性臭味的气体。激性臭味的气体。图图14.2714.27示出了基于分子差动吸收法光纤远距离测量系统的示出了基于分子差动吸收法光纤远距离测量系统的组成框图。组成框图。图图14.27 14.27 基于分子差动吸收法光纤远距离测量系统的组成框图基于分
14、子差动吸收法光纤远距离测量系统的组成框图 光纤光纤NONO2 2传感器传感器 把摩托车排出的废气引进测量气室，发动机速度由低速把摩托车排出的废气引进测量气室，发动机速度由低速（约（约500 r/m）到高速（约）到高速（约3000 r/m）变化进行测试，所得）变化进行测试，所得实时测量结果曲线如图实时测量结果曲线如图14.28所示，图中所示，图中A区为低速区，区为低速区，B区为高速区。区为高速区。图图14.28 14.28 NO2 2 浓度实时测量结果曲线浓度实时测量结果曲线 光纤光纤NHNH3 3传感器传感器 光纤光纤NHNH3 3气体传感器的探头结构如图气体传感器的探头结构如图14.2914
15、.29所示。所示。图图14.29 14.29 光纤光纤 NHNH3 3气体传感器的探头结构气体传感器的探头结构 透气膜采用疏水性好的聚四氟乙烯透气膜采用疏水性好的聚四氟乙烯(PTFE)微孔过滤膜，微孔过滤膜，既能把内充液与样品溶液分开，又能使既能把内充液与样品溶液分开，又能使NH3的极性气体透的极性气体透过。过。 光纤光纤NHNH3 3传感器传感器 pH 敏感膜固定于光纤末端置于内充液中，敏感膜固定于光纤末端置于内充液中，采用聚四氟乙烯作为防水密封膜。采用聚四氟乙烯作为防水密封膜。气体穿过透气膜进入探头，使探头内部电气体穿过透气膜进入探头，使探头内部电解质溶液的解质溶液的 pH值发生变化，从而
16、改变了内值发生变化，从而改变了内充液中指示剂的共扼酸碱异构体充液中指示剂的共扼酸碱异构体的浓度比。的浓度比。 光纤光纤COCO2 2传感器传感器 CO2是大气组成成分之一，但其含量过高会引起温室效应是大气组成成分之一，但其含量过高会引起温室效应等多种不良影响，这一现象已得到了普遍重视。等多种不良影响，这一现象已得到了普遍重视。光纤光纤CO2传感器是以具有传感器是以具有CO2可渗透膜和与碳酸氢小室相可渗透膜和与碳酸氢小室相连接的连接的 pH 敏感薄膜的荧光变化为基础研制的。敏感薄膜的荧光变化为基础研制的。 10.2 光栅传感器光栅传感器 10.2.1光栅测量的基本原理 1 光栅放大示意图 2 莫尔条纹的形成 莫尔条纹具有下列重要特点：（1）莫尔条纹的移动与光栅的移动成对应关系。在两光栅夹角一定的情况下，当一块光栅不动，另一块光栅沿x轴方向移动时莫尔条纹沿着近似垂直于光栅运动方向（近似沿y轴方向）运动。如果光栅移动一个栅距d，莫尔条纹对应地移动一个莫尔条纹间距w。并且，当主光栅沿x轴正方向（向右）移动时，莫尔条纹将向上（y轴正方向）移动，当主光栅沿x轴负方向（向左）移动时，莫尔条纹将向下（
