文档介绍：chapter9光纤传感器090810
光导纤维导光的基本原理
斯乃尔定理
当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θr＞θi。
n1 n2 θr θi之间的数学关系为缩）
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
2. 光纤传感器的分类
① 强度调制型光纤传感器
利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化实现敏感测量的传感器。
光纤的微弯损耗，各物质的吸收特性，振动膜或液晶的反射光强度的变化，物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象，以及物质的荧光辐射或光路的遮断等构成压力、振动、位移、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。
缺点
受光源强度的波动和连接器损耗变化等的影响较大。
2. 光纤传感器的分类
②偏振调制光纤传感器
利用光的偏振态的变化传递被测对象信息的传感器。
利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；
利用光在电场中的压电晶体内传播的泡克尔斯效应做成的电场、电压传感器；
利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；
及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。
优点
避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高。
2. 光纤传感器的分类
③频率调制光纤传感器
利用由被测对象引起的光频率的变化进行监测的传感器。
利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；
利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测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。
2. 光纤传感器的分类
④相位调制传感器
利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，然后用干涉仪检测这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Sagnac效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)；
特点：灵敏度很高，但由于需用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本很高。
光纤传感器的应用
温度的检测
遮光式光纤温度计功能型
热双金属式光纤温度开关
压力检测
采用弹性元件的光纤压力传感器
光弹性式光纤压力传感器
微弯式光纤压力传感器
液位检测
流量检测
作业件检测
颜色检测
光纤传感器的应用—温度
遮光式光纤温度计
一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。
1
2
3
4
水银柱式光纤温度开关
1 浸液 2 自聚焦透镜 3 光纤 4 水银
光纤传感器的应用—温度
热双金属式光纤温度开关
利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。
当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。
测温范围：10℃～50℃；
检测精度：℃。
缺点
输出光强受壳体振动的影响；
响应时间较长，一般需几分钟。
光源
接收
热双金属式光纤温度开关
1
2
1 遮光板 2 双金属片
光纤传感器的应用—压力
采用弹性元件的光纤压力传感器
利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。
膜片反射式光纤压力传感器示意图
光源
接收
1
2
1 Y形光纤束 2 壳片 3 膜片
3
P
光纤传感器的应用—压力
对于周边固定的膜片，在小挠度(y＜，t为膜片厚度)的条件下，膜片的中心挠度y为：
R—膜片有效半径；t