光纤传感器.ppt

第第1111章章 光纤与光纤传感器光纤与光纤传感器一、基础知识一、基础知识光纤传感器光纤传感器 光纤传感器光纤传感器(FOS Fiber Optical(FOS Fiber Optical Sensor)Sensor)是是2020世纪世纪7070年代中期发展起来年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它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，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。它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器光纤传感器用光作为敏感信息的载体用光作为敏感信息的载体，用光纤作为用光纤作为传递敏感信息的媒质传递敏感信息的媒质。因此，。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。它同时具有光纤及光学测量的特点。电绝缘性能好。电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。非侵入性。非侵入性。高灵敏度。高灵敏度。容易实现对被测信号的远距离监控。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、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、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量电流、电压、磁场等物理量纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套1.结结构构两两个个同同轴轴区区，内内区区称称为为纤纤芯芯，外外区区称称为为包包层层而而且且内内芯芯的的折折射射率率略略大大于于包包层层的的折折射射率率。通通常常，在在包包层层外外面面还还有有一一层层起起支支撑撑保保护护作作用的套层。用的套层。n2n1多模 阶跃光纤nr多模 梯度光纤n2n1单模 梯度光纤2.光纤的种类及传输模式光纤的种类及传输模式根据折射率的变化规律根据折射率的变化规律,光纤分为阶跃型和梯度型光纤分为阶跃型和梯度型.传输模传输模式分为单模和多模式分为单模和多模.光纤的传光原理光纤的传光原理返回3.3.传光原理传光原理-斯乃尔定理斯乃尔定理 当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射 （a a）折射角大于入射角：）折射角大于入射角：（b b）临界状态：）临界状态：（c c）全反射）全反射 ：光纤导光光纤导光 n0为入射光线为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n01当当r=90r=90的临界状态时，的临界状态时，Sin iSin i定义为定义为“数值孔径数值孔径”NANA（Numerical ApertureNumerical Aperture）arcsinNAarcsinNA是一个临界角，是一个临界角，i arcsinNAi arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；i arcsinNAi arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。，光线才可以进入光纤被全反射传播。4.光纤的传输特性光纤的传输特性 光纤的光纤的衰减衰减(或损耗或损耗)和和色散色散(或带宽或带宽)是描是描述光纤传输特性的两个重要参量。述光纤传输特性的两个重要参量。衰减的概念衰减的概念 由于损耗的存在，在光纤中传输的光由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字脉冲，其信号，不管是模拟信号还是数字脉冲，其幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。决定了系统的传输距离。1)1)传传输输损损耗耗：在在光光纤纤内内传传输输的的光光功功率率P P随随距距离离z z的变化，可以用下式表示的变化，可以用下式表示 式中，式中，是损耗是损耗(衰减衰减)系数。系数。设长度为设长度为L(km)L(km)的光纤，的光纤，输入光功率为输入光功率为PiPi，输，输出光功率应为出光功率应为 Po=PPo=Pi iexp(-L)exp(-L)习惯上习惯上 的单位用的单位用dB/km,dB/km,损耗损耗(衰减衰减)系数系数 吸吸收收损损耗耗是是由由SiO2SiO2材材料料引引起起的的固固有有吸吸收收和和由由杂杂质引起的吸收产生的。质引起的吸收产生的。由由材材料料电电子子跃跃迁迁引引起起的的吸吸收收带带发发生生在在紫紫外外(UV)(UV)区区(0.4m)(7m)(7m)，由由 于于SiO2SiO2是是非非晶晶状状材材料料，两两种种吸吸收收带带从从不不同同方方向向伸伸展展到到可见光区。可见光区。固有吸收很小，固有吸收很小，在在0.81.6m0.81.6m波段，小于波段，小于0.1dB/km0.1dB/km，在，在1.31.6m1.31.6m波波段，小于段，小于0.03dB/km0.03dB/km。光光纤纤中中的的杂杂质质主主要要有有过过渡渡金金属属(例例如如Fe2+Fe2+、Co2+Co2+、Cu2+)Cu2+)和和氢氢氧氧根根(OH-)(OH-)离离子子，这这些些杂杂质质是是早早期期实实现现低低损损耗耗光纤的障碍。光纤的障碍。氢氢氧氧根根离离子子(OH-)(OH-)吸吸收收 峰峰 在在 0.95m0.95m、1.24 1.24 mm和和1.39 1.39 mm波波长长，其其中中以以1.39 1.39 mm的的吸吸收收峰峰影影响响最最为为严重。严重。散散射射损损耗耗主主要要由由材材料料微微观观密密度度不不均均匀匀引引起起的的瑞瑞利利散散射射和和由由光光纤纤结结构构缺缺陷陷(如如气气泡泡)引引起起的的散散射射产产生生的的。结结构构缺缺陷陷散散射射产产生生的的损损耗与波长无关。耗与波长无关。瑞利散射损耗瑞利散射损耗 R R与波长与波长 四次方成反比，可用经四次方成反比，可用经验公式表示为验公式表示为 R R=A/=A/4 4，瑞利散射系数，瑞利散射系数A A取决于取决于纤芯与包层折射率差纤芯与包层折射率差。当当 分别为分别为0.2%0.2%和和0.5%0.5%时，时，A A分别为分别为0.860.86和和1.021.02。瑞利散射损耗是。瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理定着光纤损耗的最低理论极限。论极限。如果如果=0.2%=0.2%，在，在1.55m1.55m波长，光纤波长，光纤最低理论极限为最低理论极限为0.149 0.149 dB/kmdB/km。2 2）色散）色散色散色散(Dispersion)(Dispersion)：是在光纤中传输的光信号，：是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。波导色散。模模式式色色散散是是由由于于不不同同模模式式的的时时间间延延迟迟不不同同而而产产生生的的，它它取取决决于于光光纤纤的的折折射射率率分分布布，并并和和光光纤纤材材料料折射率的波长特性有关折射率的波长特性有关.材材料料色色散散：是是由由于于光光纤纤的的折折射射率率随随波波长长而而改改变变，以以及及模模式式内内部部不不同同波波长长成成分分的的光光(实实际际光光源源不不是是纯纯单单色色光光)，其其时时间间延延迟迟不不同同而而产产生生的的。这这种种色色散散取取决决于于光光纤纤材材料料折折射射率率的的波波长长特特性性和和光光源源的的谱谱线线宽宽度。度。波波导导色色散散：是是由由于于波波导导结结构构参参数数与与波波长长有有关关而而产产生生的的，它它取取决决于于波波导导尺尺寸寸和和纤纤芯芯与与包包层层的的相相对对折折射率差。射率差。单模光纤与多摸光纤的色散单模光纤与多摸光纤的色散(1)(1)单模光纤的色散单模光纤的色散 由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在模间由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在模间色散，只有模内色散，即材料色散和波导色散。它色散，只有模内色散，即材料色散和波导色散。它们分别用色散系数们分别用色散系数 c c和和 表示。总色散表示。总色散=c c+。通常，材料色散比波导色散大两个量级。但是，在通常，材料色散比波导色散大两个量级。但是，在零色散区，材料色散与波导色散值大致相当，只是零色散区，材料色散与波导色散值大致相当，只是两者符号相反。两者符号相反。(2)(2)多模光纤的色散多模光纤的色散 对于多模光纤，模间色散通常占主导地位。对于多模光纤，模间色散通常占主导地位。如果把模间色散平衡掉，则剩下的是材料色如果把模间色散平衡掉，则剩下的是材料色散和波导色散。此时，情况与单模传输类似，散和波导色散。此时，情况与单模传输类似，不同的是这里的波导色散是多模波导色散。不同的是这里的波导色散是多模波导色散。在多模光纤中，波导色散与材料色散相比，在多模光纤中，波导色散与材料色散相比，常常可以忽略。常常可以忽略。材料色散是材料的折射率随频率变化引起的色散，材料色散是材料的折射率随频率变化引起的色散，因此材料色散引起的脉冲展宽与光源谱宽成正比。因此材料色散引起的脉冲展宽与光源谱宽成正比。对于多模渐变型光纤，如果采用激光器对于多模渐变型光纤，如果采用激光器(LD)(LD)作光源，作光源，其谱宽一般为其谱宽一般为1-2nm1-2nm，故可忽略材料色散。此时，故可忽略材料色散。此时，脉冲展宽主要由模间色散决定。但是，当光源为发脉冲展宽主要由模间色散决定。但是，当光源为发光二级管光二级管(LED)(LED)时，由于其谱宽大约为时，由于其谱宽大约为3050nm3050nm，故增加了材料色散的影响。这时，材料色散和模，故增加了材料色散的影响。这时，材料色散和模问色散相比不可忽略。问色散相比不可忽略。3 3）光纤色散与带宽的关系）光纤色散与带宽的关系 光纤色散使输入信号的各波长分量到达终光纤色散使输入信号的各波长分量到达终端的群延时不同因此输出信号或脉冲将发端的群延时不同因此输出信号或脉冲将发生畸变或展宽。脉冲展宽将限制传输容量或生畸变或展宽。脉冲展宽将限制传输容量或决定最大中继距离。展宽程度可以有延迟时决定最大中继距离。展宽程度可以有延迟时间来表示。间来表示。反映纤芯接收光量的多少，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。意意义义：无无论论光光源源发发射射功功率率有有多多大大，只只有有2i张张角角之之内内的光功率能被光纤接受传播。的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。4 4）抗拉强度）抗拉强度5 5）集光能力）集光能力三、光纤传感器的分类及构成三、光纤传感器的分类及构成光纤传感器分为功能型、非功能型及拾光型功能型光纤传感器功能型光纤传感器这类传感器利用光纤这类传感器利用光纤 本身对外界被测对象本身对外界被测对象具有敏感能力和检测具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后光学特性得到调制，调制后 的信号携带了的信号携带了被测信息。被测信息。非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器传光型光纤传感器的传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调媒介，待测对象的调制功能是由其它光电制功能是由其它光电转换元件实现的，光转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。光纤只起传光作用。拾光型光纤传感器拾光型光纤传感器 用用光光纤纤作作为为探探头头，接接收收由由被被测测对对象象辐辐射射的的光光或或被被其其反反射射、散散射射的的光光。其其典典型型例例子子如如光光纤纤激激光光多多普普勒勒速速度度计计、辐辐射射式式光光纤纤温度传感器等。温度传感器等。信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象四、光纤传感器光学测量的基本原理四、光纤传感器光学测量的基本原理 光就是一种电磁波，光就是一种电磁波，光的电矢量光的电矢量E E被测量调制：被测量调制：光的强度、偏振态（矢量光的强度、偏振态（矢量B B的方向）、频率的方向）、频率和相位和相位光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制调制 1 1、强度调制型光纤传感器、强度调制型光纤传感器 是是一一种种利利用用被被测测对对象象的的变变化化引引起起敏敏感感元元件件的的折折射射率率、吸吸收收或或反反射射等等参参数数的的变变化化，而而导导致致光光强强度度变变化化来来实实现现敏敏感感测测量量的的传传感感器器。有有利利用用光光纤纤的的微微弯弯损损耗耗；各各物物质质的的吸吸收收特特性性；振振动动膜膜或或液液晶晶的的反反射射光光强强度度的的变变化化；物物质质因因各各种种粒粒子子射射线线或或化化学学、机机械械的的激激励励而而发发光光的的现现象象；以以及及物物质质的的荧荧光光辐辐射射或或光光路路的的遮遮断断等等来来构构成成压压力力、振振动动、温温度度、位位移移、气体等各种强度调制型光纤传感器。气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易实现，成本低。优点：结构简单、容易实现，成本低。缺缺点点：受受光光源源强强度度波波动动和和连连接接器器损损耗耗变变化化等等影影响响较大较大 。输出输出输出输出I ID D入射光入射光入射光入射光强度调制强度调制强度调制强度调制I ID Dt tt t光源光源光源光源出射光出射光出射光出射光I IS S信信信信号号号号光探测器光探测器光探测器光探测器强度调制原理强度调制原理I IO Ot tI Ii it t强度调制强度调制2 2、偏振调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息应用：应用：电流、磁场传感器：法拉第效应；电流、磁场传感器：法拉第效应；电场、电压传感器：泡尔效应；电场、电压传感器：泡尔效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；温度、压力、振动传感器：双折射性温度、压力、振动传感器：双折射性优优点点：可可避避免免光光源源强强度度变变化化的的影影响响，灵灵敏敏度度高。高。泡克尔斯效应泡克尔斯效应入射光入射光入射光入射光正常光正常光正常光正常光异常光异常光异常光异常光压电晶体压电晶体压电晶体压电晶体3、频率调制光纤传感器、频率调制光纤传感器被测对象引起的光频率的变化来进行监测被测对象引起的光频率的变化来进行监测利利用用运运动动物物体体反反射射光光和和散散射射光光的的多多普普勒勒效效应应的的光光纤纤速速度度、流流速速、振振动动、压压力力、加加速速度度传传感器；感器；利利用用物物质质受受强强光光照照射射时时的的喇喇曼曼散散射射构构成成的的测测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；利用光致发光的温度传感器等。利用光致发光的温度传感器等。频率调制频率调制主要利用光学多普勒效应实现频率调制，主要利用光学多普勒效应实现频率调制，如图。观察者在如图。观察者在O处观察到的频率为处观察到的频率为fs。根据多普勒原理可得根据多普勒原理可得vP PL LO O 1 12 24 4、相位调制传感器、相位调制传感器被被测测对对象象导导致致光光的的相相位位变变化化，然然后后用用干干涉涉仪仪来来检检测测这这种相位变化而得到被测对象的信息。种相位变化而得到被测对象的信息。利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器利用电致伸缩的电场、电压传感器 利利用用SagnacSagnac效效应应的的旋旋转转角角速速度度传传感感器器（光光纤纤陀陀螺）螺）优点：优点：灵敏度很高，灵敏度很高，缺点：缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。特殊光纤及高精度检测系统，成本高。光信号相位的变化光信号相位的变化 与温度变化与温度变化T的关系为的关系为 线膨胀系数；线膨胀系数；l光纤的长度；光纤的长度；n/T折射率温度系数；折射率温度系数；n纤芯平均折射率；纤芯平均折射率；0自由空间光波长；自由空间光波长；/传播常数与纤芯半径的变化率。传播常数与纤芯半径的变化率。5、波长调制、波长调制波长调制是利用被测量改变光纤中光的波波长调制是利用被测量改变光纤中光的波长，再通过检测光波长的变化来测量各种长，再通过检测光波长的变化来测量各种被测量。波长调制的优点是它对引起光纤被测量。波长调制的优点是它对引起光纤或连接器的某些器件的稳定性不敏感，因或连接器的某些器件的稳定性不敏感，因此被广泛应用于液体浓度的化学分析、磷此被广泛应用于液体浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析及法布光和荧光现象分析、黑体辐射分析及法布里里-珀罗等光学滤波器上。其缺点是解调技珀罗等光学滤波器上。其缺点是解调技术较复杂。但采用光学滤波或双波长检测术较复杂。但采用光学滤波或双波长检测技术后，可使解调技术简化。技术后，可使解调技术简化。透射型半导体光纤温度传感器透射型半导体光纤温度传感器半导体的吸收光谱与材料的半导体的吸收光谱与材料的Eg有关，而有关，而Eg却随温度的不同而不同。却随温度的不同而不同。Eg与温度与温度t的关系的关系可表示为：可表示为：半导体材料的半导体材料的Eg随温度的上升而减小，亦随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波长即其本征吸收波长g随温度的上升而增大。随温度的上升而增大。这个性质反映在半导体的透光性上则表现这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当温度升高时，其透射率曲线将向长为：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的波方向移动。若采用发射光谱与半导体的g（t）相匹配的发光二极管作为光源，则）相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随透射光强度将随着温度的升高而着温度的升高而减小，即通过检减小，即通过检测透射光的强度测透射光的强度或透射率，即可或透射率，即可检测温度变化。检测温度变化。相相相相对对对对发发发发光光光光强强强强度度度度透透透透射射射射率率率率LEDLED发光光谱发光光谱发光光谱发光光谱半导体透射率半导体透射率半导体透射率半导体透射率T T1 1TT2 2TT3 3T T3 3T T1 1T T2 2波长波长波长波长半导体透射测量原理半导体透射测量原理光纤光纤光纤光纤环氧胶环氧胶环氧胶环氧胶半导体半导体半导体半导体反射膜反射膜反射膜反射膜利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式探头结构如图。光纤中的入射光器的单端式探头结构如图。光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返回，在光路线经探头顶部的反射膜反射后返回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。收，则出射光强将随温度的变化而变化。膜片反射式光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器光源光源光源光源接收接收接收接收Y Y形光纤束形光纤束形光纤束形光纤束壳体壳体壳体壳体P P弹性膜片弹性膜片弹性膜片弹性膜片Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在如图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。距离发生变化，从而使输出光强受到调制。1 1输出光纤输出光纤 2 2输入光纤输入光纤 3 3输出光纤输出光纤 4 4胶胶 5 5膜片膜片 两束输出光的光强之比两束输出光的光强之比 AA常数；常数；pp待测量压力待测量压力 输出光强比输出光强比I I2 2/I/I1 1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关与膜片的反射率、光源强度等因素均无关 将上式两边取对数，在满足将上式两边取对数，在满足(Ap)(Ap)2 211时，得到时，得到 表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。若将若将I I1 1、I I2 2检出后分别经对数放大后，再通过减法器检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。即可得到线性的输出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。光弹性式光纤压力传感器光弹性式光纤压力传感器 光弹性效应：光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。从而呈现双折射现象。1 1 光源光源 2 2、8 8 起偏器起偏器 3 3、9 1/49 1/4波长板波长板 4 4、10 10 光弹性光弹性元件元件 5 5、11 11 检偏器检偏器 6 6 光纤光纤 7 7 自聚焦透镜自聚焦透镜光弹性式光纤压力传感器 2在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度 微弯式光纤压力传感微弯式光纤压力传感基于光纤的基于光纤的微弯效应微弯效应，即由压力引起变形器产生，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。位移，使光纤弯曲而调制光强度。1 1 聚碳酸酯薄膜聚碳酸酯薄膜 2 2 可动变形板可动变形板 3 3 固定变形板固定变形板 4 4、5 5 光纤光纤 微微弯弯式式光光纤纤水水听听器器探探头头 光纤被夹在一对锯光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤齿板中间，当光纤不受力时，光线从不受力时，光线从光纤中穿过，没有光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿能量损失。当锯齿板受外力作用而产板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中.微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器D DS SF FF F变形器变形器变形器变形器光纤光纤光纤光纤d d原来光束以大于临界角原来光束以大于临界角C的角度的角度1在纤芯内在纤芯内传输为全反射；但在微弯处传输为全反射；但在微弯处21，一部分，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压测得引起微弯的压力、声压，或检测力、声压，或检测由压力引起的位移由压力引起的位移等物理量。等物理量。1 1 n n0 0n n2 2n n1 1 2 2 3 3球面光纤液位传感器球面光纤液位传感器 球面光纤液位传感器球面光纤液位传感器(a)(a)探头结构探头结构探头结构探头结构 LEDLEDPDPD1 12 2将光纤用高温火焰烧软后对折，并将端部将光纤用高温火焰烧软后对折，并将端部烧结成球形。烧结成球形。光由光纤的一端导入光由光纤的一端导入,在球状对折端部一部在球状对折端部一部分光透射出去分光透射出去,另一部分光反射回来另一部分光反射回来,由光纤由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射决于被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越率与光纤折射率越接近接近,反射光强度越反射光强度越小。显然小。显然,传感器处传感器处于空气中时比处于于空气中时比处于液体中时的反射光液体中时的反射光强要大。强要大。(b)(b)检测原理检测原理检测原理检测原理空气空气空气空气液体液体液体液体斜端面光纤液位传感器斜端面光纤液位传感器斜面反射式光纤液位传感器斜面反射式光纤液位传感器光纤光纤光纤光纤(a)(b)(a)(b)光纤光纤光纤光纤棱镜棱镜棱镜棱镜当传感器接触液面时，将引起反射回另一根当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤的光强减小。光纤的光强减小。例例8 单光纤液位传感器单光纤液位传感器单光纤液位传感器结构单光纤液位传感器结构1 1 光纤；光纤；2 2 耦合器耦合器1 12 2光纤多普勒流速计光纤多普勒流速计 下下图图为为利利用用光光纤纤多多普普勒勒计计来来测测量量流流体体流流速速的的原原理理。当当待待测测流流体体为为气气体体时时，散散射射光光将将非非常常微微弱弱，此此时时可可采采用用大大功功率率的的ArAr激激光光器器（出出射射光光功功率率为为2W2W，=514.5nm=514.5nm）以以提高信噪比。提高信噪比。特点：非接触测量，不影响待测物体的流动状态。特点：非接触测量，不影响待测物体的流动状态。光纤多谱勒流量计结构光纤多谱勒流量计结构探测器频谱分析仪He-Ne激光器123456781、3 分束器；分束器；2 反射镜；反射镜；4 透镜；透镜；5 流体管道；流体管道；6 窗口；窗口；7、8 光纤光纤小结：1、光纤传感器的原理及NA2、光纤传感器的模式、类型及调制方法3、光纤传感器的应用作业：推导光纤传感器的NA并说明它的意义