《传感器原理及应用》课程PPT教学课件（现代传感技术）第7讲 常见光纤传感器

第二节常见光纤传感器 很多种介绍三钟 偏振式光纤温度传感器 发畏最早、最快、最多的传感景之一。 分相干型和非相干型(本例)。图4-13 探测器1激光器透镜偏振棱镜石英晶体 光E 放大器探测器2 14波片反射镜支架透镜偏振棱镜石英晶体14波片反光镜 图4-10偏振测温传感器结构原理 a)传感器光路b)原理结构

第二节 常见光纤传感器 ◼ 很多种,介绍三钟. 一、偏振式光纤温度传感器 发展 最早、最快、最多的传感器之一。 分相干型和非相干型（本例）。图4-13

各部分原理如下: ■1偏振光分棱镜 平行与入狲面分量P和垂直入射面分量S 布儒斯特( Brewster)角θB= arctan(n2/n) 图4-11偏振分光棱镜原理 a)光波在界面的折射与反射b)布儒斯特角c)偏振分光棱镜

各部分原理如下： ◼ 1.偏振光分棱镜 平行与入射面分量P和垂直入射面分量S. 布儒斯特(Brewster)角θB=arctan(n2/n1)

作用:起偏器 ■从光棱饶透狲的光强为l,透射的偏振光经 糸列光学元件后原路返回,若光矢量被 旋转了α角,则返回透过分光棱镜的光强: l= Locosα (4-27) 2石英晶体 波长为λ的光线经过,光矢量受到旋转 按菲涅耳定律:线偏振光可以分解为左、右 旋圆偏振光(折射率分别为nL、nR) 旋转角度α=(nR-n)πd/λ(4-28)

作用:起偏器 ◼ 从光棱镜透射的光强为I0,透射的偏振光经 一系列光学元件后原路返回,若光矢量被 旋转了α角,则返回透过分光棱镜的光强: I=I0cos α (4-27) 2.石英晶体 波长为λ的光线经过,光矢量受到旋转. 按菲涅耳定律：线偏振光可以分解为左、右 旋圆偏振光 （折射率分别为nL、nR） 旋转角度α=（ nR-nL ）πd/λ （4-28）

3.1/4波片 光经过后产生光程差: △=(nne)d=m+4)A(4-29) 作用如下: 线偏 振光 快轴 快轴 线偏 振光 圆偏 振光 图4-12114波片的作用

3. 1/4波片 ◼ 光经过后产生光程差: △=(n0-ne)d=(m+1/4)λ (4-29) 作用如下:

4传感器工作原理 ■按图4-10a的光路从左至右分析 图4-13光矢量的方向分析 a)光矢量初始方向b)第一次经过晶体c)两次通过波片d)第二次通过晶体 两次经过石英晶体后旋转角度为: a+2(-a)-α=2(β-a)(4-30)

4.传感器工作原理 ◼ 按图4-10 a)的光路从左至右分析. 两次经过石英晶体后,旋转角度为: α+2(β- α)- α=2 (β- α) (4-30)

■设入射光强为lo,则返回通过分光棱饶的 光强I由式(4-27得: =lcos[2(β-a)](431) 2(β-a)=45°时,线性度最好 应用测温18~180°C;分辨率2°C 说明:1)%波片调整测温范围 2)相干型光纤温度传感器精度高

◼ 设入射光强为I0,则返回通过分光棱镜的 光强 I 由式(4-27)得: I=I0cos[2(β- α) ] (4-31) 2 (β- α)=45°时,线性度最好. 应用:测温18~180℃;分辨率2℃. 说明:1) ¼波片调整测温范围. 2) 相干型光纤温度传感器精度高

反射式光纤位移传感器 ■机械量中较容易测量的物理量。 分相干和非相干型(本例) 光源∧输入光纤输出光纤n探测器 2 输入光纤输出光纤 B 被测表面 输人光纤像 图414光纤位移传感器 a)线性位移测量装置b)光强接收分析c)端面的交叠 图b)中,tanθ=d/2b(4-32);若阶跃折射率 型光纤数值孔径为N,有:θ= arcsin

二、反射式光纤位移传感器 ◼ 机械量中较容易测量的物理量。 ◼ 分相干和非相干型（本例） 图b）中，tanθ=d/2b （4-32）；若阶跃折射率 型光纤数值孔径为N，有：θ=arcsinN

由上两式得: b=d/2tan arcsin) (4-33) b<上式值;两光纤无合,不能测量 由图c)看出,反射光斑与输出光纤的端 面有一个交叠面,交叠面积与光纤端面 面积的比为M(见式4-34)。 假设反射面无光吸收,两光纤光功率耦 合效率F为交叠面积与光锥底面积之比, 见书式4-35

◼ 由上两式得： b=d/2tan（ arcsinN） （4-33） b＜ 上式值；两光纤无耦合，不能测量 ◼ 由图c）看出，反射光斑与输出光纤的端 面有一个交叠面，交叠面积与光纤端面 面积的比为M（见式4-34）。 ◼ 假设反射面无光吸收，两光纤光功率耦 合效率F为交叠面积与光锥底面积之比， 见书式4-35

■根据式435,求出位移b与光功100率耦合 效率F的关系曲线 (2a=100m;N=0.5:d=100pm) F/%b=320μmF=72% 0.5 200400600 8/a b/um b) 图4-15光纤传感器的输出 a)M与8/2的关系曲线b)F与b关系曲线

◼ 根据式4-35,求出位移b与光功100率耦合 效率F的关系曲线 (2a=100µm;N=0.5;d=100 µm)

实际传感器不是两根光纤而是多股标准 的由600根直径为0762mm的光纤组成 ■因分布形态不同分四种: R 随机分布 半圆形分布 H型 母041 R型 器CTD 共轴内发射共轴外发射 位移/mm 图416光纤的端面分布及传感器输出特性 a)光纤的端面分布b)传感器输出特性

◼ 实际传感器不是两根光纤而是多股,标准 的由600根直径为0.762mm的光纤组成. ◼ 因分布形态不同分四种: CII CTD R H