物联网传感技术——光纤传感器

光纤传感器

光纤传感器是70年代随着光纤的诞生迅速发展起来的一种新型传感器。它具有电绝缘性能好、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温、体积小、重量轻等优点。种类繁多、应用范围极广。

• 特点：
  1）本质防爆，适用于危险物的检测
  2）对电绝缘，适用于高电压的场合
  3）无感应性，适用于强磁场干扰的场合
  4）化学稳定性，适用于环保、医药、食品工业的检测
  5）时域变换性，适用于多点分布测量
  6）低损耗、大容量、高精度

光纤与传光原理

1.1 光纤的结构和种类

纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。包层的外面有一层涂覆层，涂覆层的作用是保护光纤免受物理损伤，再加上外面的保护套，这样就构成了光缆。

• 按纤芯和包层的材料分：玻璃光纤、塑料光纤、石英光纤。
• 按折射率分布分：阶跃型光纤、梯度型光纤
  
• 按传播模式分：多模光纤、单模光纤
  
  
  1.2 传光原理
  
  
  
  
  1.3 光纤传感器中的元器件
  
  光纤分路器（耦合器）、光纤连接器、自聚焦透镜。

1.4 光纤传感器的分类

光强调制传感器

2.1 光纤微弯位移和压力传感器


微弯光纤传感器就是根据光纤弯曲时纤芯中的光注入包层、光强减小的原理研制而成的。这类传感器的敏感元件是一个能引起光纤产生微弯的变形器。

• 特点:
  光保持在光纤内部、采用多模光纤、结构简单、性能稳定。

2.2 临界角光纤液位传感器

2.3 传输光强调制光纤传感器

传输光强调制型光纤传感器，一般在两根光纤（输入光纤和输出光纤）之间配置有机械式或光学式的敏感元件，敏感元件在物理量的作用下调制光强的方式有：改变输入光纤和输出光纤的相对位置、遮断光路 和吸 收光能量 等。

上图的具有双金属片的光纤温度传感器中双金属片是敏感元件，当温度变化时，双金属片带动端部的遮光片在平行光束中作垂直方向位移，起遮光作用，使得透过的光强发生变化。

2.4 反射光强调制光纤位移传感器

实现反射光强调制的常见形式：改变反射面与光纤端面之间的距离；改变反射面的面积。

2.5 传感探针型光纤温度传感器

这类光纤传感器，光纤仅起传输光信号的作用，而且没有敏感元件，光纤直接传输被测对象的辐射或散射信号。
光纤辐射温度传感器的优点是非接触测量，相应速度快，在冶金、窑炉、涡轮发动机燃气等高温检测中得到广泛的应用。

相位调制型光纤传感器

3.1 相位调制的原理


3.2 光纤加速度传感器

光相位的变化与加速度成正比，利用光学干涉测量技术就可测出加速度。这种光纤加速度传感器的灵敏度极高。

3.3 光纤陀螺

偏振态调制光纤电流传感器

4.1 法拉第效应


4.2 偏振态调制光纤电流传感器

分布式光纤传感器——（频率调制）光纤光栅传感器

5.1 光时域分布式光纤传感器的工作原理

5.2 光纤光栅传感器

作业

• 试述光纤传感器有哪几种分类方法，各有哪些优缺点

1）按纤芯和包层材料性质分：玻璃光纤、塑料光纤、石英光纤。
2）折射率分：阶跃折射率型、梯度折射率型、特种光纤。
3）按模式分：单模光纤、多模光纤。
单模——优点是光在单模光纤中传播时，光的属性（光强、相位、偏振态、波长）衰减少甚至不改变，所以可以用作光纤传感器的敏感元件，有更好的线性、灵敏度和动态范围；缺点是单模光纤纤芯很细，光耦合困难、损失大，对制造工艺要求比较高。
多模——优点是芯径大，光耦合容易、损失小；缺点是模式多，导致接收端合成信号的畸变。

• 计算 n1 = 1.46, n2 = 1.45 的阶跃光纤的数值孔径NA值；如果外部的n0 = 1，求光纤的临界入射角。