光纤传感器

传感器基础之光纤传感器知识梳理，包括光纤传感器基础、调制技术以及它的应用举例等等。

光纤传感器

• 光纤传感器基础
  • 光纤的结构
    • 多层介质结构 的对称圆柱体
  • 光纤波导原理
    • 全反射
    • 子主题
  • 光纤的特性
    • 数值孔径NA
      • 集光性能参数
    • 损耗
      • • 吸收损耗：光能→热能，对不同波长光的吸收率不同
        • 散射损耗：光纤材料不均匀、几何尺寸缺陷引起
    • 色散
      • 光纤内传输的光脉冲，由于光波的群速度不同而出现 光脉冲展宽现象
  • 光纤分类
    • 阶跃型
      • 折射率分布 中心光线：轴线传播 通过轴线的子午光线 锯齿形轨迹
    • 梯度型
      • 折射率分布 聚焦作用 传播轨迹：类似 正弦波 ——自聚焦光纤
  • 光纤传感器基本原理及类型
    • 组成：光纤、光源、光探测器
    • 分类
      • 传光型：非功能型 / 多模光纤（传输更多光量）
      • 传感型：功能型 / 单模光纤（被测对象调制光纤特性）
• 调制技术
  • 光纤传感器的核心
    • 光被外界参数的调制原理—— 机理
  • 调制技术
    • 将一携带信息的信号叠加到载波光波上
  • 强度调制
    • 强度调制（强度调制）
      • 小的线（角）位移外调制
        • 发射光纤：不动 接收光纤：横向、纵向位移或转动 传光2、3um
        • 反射式
          • 测量反射光强度，确定物体位置变化 光纤束
        • 遮光式
          • 光闸
      • 微弯损耗光强调制
        • 模态理论：垂直于光纤轴线的应力使光纤弯曲时，传输光部分折射到光纤包层中，不产生全反射，纤芯中光强发生变化。 测量外界力：重力、应力、加速度等
      • 吸收特性的强度调制
  • 频率调制与解调
    • 利用被测量改变光的频率，检测光频率变化测量被测量（传光型传感器）
    • 子主题
  • 波长调制
    • 利用被测量改变光的波长，检测光波长变化测量被测量
    • 特点
      • （1）解调技术较复杂：分光仪—— 光学滤波、双波长检测 （2）对引起光纤或连接器损耗增加的器件不稳定因素不敏感
    • 例：利用热色物质进行波长调制——测量温度
• 应用举例
  • 光纤温度传感器
    • 基本原理
      • 被动式测温、黑体辐射定律
    • 优点：
      • （1）非接触 （2）响应快、瞬时温度 （3）测高温：冶金
  • 光纤图像传感器
    • 传像束：光纤规则排列、每条光纤传送一个像元信息
    • 工业用内窥镜
    • 医用内窥镜
  • 反射式光纤位移传感器
    • 输出光电流与位移的关系
      • 被测物体从距离零逐渐远离光线探头时，由于入射光线照亮被测物体表面面积越来越大，输出信号随位移增大；再远离时，反射光射入接收光线的强度逐渐减小，输出信号逐渐减弱
  • 光纤风速计
    • 空气流动 → 风轮转动 → 齿轮传动→凸轮转动→遮光 → 光脉冲→电信号→ 风速 避免受雷电干扰