物聯網傳感技術——光纖傳感器

光纖傳感器

光纖傳感器是70年代隨着光纖的誕生迅速發展起來的一種新型傳感器。它具有電絕緣性能好、抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高溫、體積小、重量輕等優點。種類繁多、應用範圍極廣。

• 特點：
  1）本質防爆，適用於危險物的檢測
  2）對電絕緣，適用於高電壓的場合
  3）無感應性，適用於強磁場干擾的場合
  4）化學穩定性，適用於環保、醫藥、食品工業的檢測
  5）時域變換性，適用於多點分佈測量
  6）低損耗、大容量、高精度

光纖與傳光原理

1.1 光纖的結構和種類

纖芯的折射率n1稍大於包層的折射率n2。包層的外面有一層塗覆層，塗覆層的作用是保護光纖免受物理損傷，再加上外面的保護套，這樣就構成了光纜。

• 按纖芯和包層的材料分：玻璃光纖、塑料光纖、石英光纖。
• 按折射率分佈分：階躍型光纖、梯度型光纖
  
• 按傳播模式分：多模光纖、單模光纖
  
  
  1.2 傳光原理
  
  
  
  
  1.3 光纖傳感器中的元器件
  
  光纖分路器（耦合器）、光纖連接器、自聚焦透鏡。

1.4 光纖傳感器的分類

光強調製傳感器

2.1 光纖微彎位移和壓力傳感器


微彎光纖傳感器就是根據光纖彎曲時纖芯中的光注入包層、光強減小的原理研製而成的。這類傳感器的敏感元件是一個能引起光纖產生微彎的變形器。

• 特點:
  光保持在光纖內部、採用多模光纖、結構簡單、性能穩定。

2.2 臨界角光纖液位傳感器

2.3 傳輸光強調製光纖傳感器

傳輸光強調製型光纖傳感器，一般在兩根光纖（輸入光纖和輸出光纖）之間配置有機械式或光學式的敏感元件，敏感元件在物理量的作用下調製光強的方式有：改變輸入光纖和輸出光纖的相對位置、遮斷光路 和吸 收光能量 等。

上圖的具有雙金屬片的光纖溫度傳感器中雙金屬片是敏感元件，當溫度變化時，雙金屬片帶動端部的遮光片在平行光束中作垂直方向位移，起遮光作用，使得透過的光強發生變化。

2.4 反射光強調製光纖位移傳感器

實現反射光強調製的常見形式：改變反射面與光纖端面之間的距離；改變反射面的面積。

2.5 傳感探針型光纖溫度傳感器

這類光纖傳感器，光纖僅起傳輸光信號的作用，而且沒有敏感元件，光纖直接傳輸被測對象的輻射或散射信號。
光纖輻射溫度傳感器的優點是非接觸測量，相應速度快，在冶金、窯爐、渦輪發動機燃氣等高溫檢測中得到廣泛的應用。

相位調製型光纖傳感器

3.1 相位調製的原理


3.2 光纖加速度傳感器

光相位的變化與加速度成正比，利用光學干涉測量技術就可測出加速度。這種光纖加速度傳感器的靈敏度極高。

3.3 光纖陀螺

偏振態調製光纖電流傳感器

4.1 法拉第效應


4.2 偏振態調製光纖電流傳感器

分佈式光纖傳感器——（頻率調製）光纖光柵傳感器

5.1 光時域分佈式光纖傳感器的工作原理

5.2 光纖光柵傳感器

作業

• 試述光纖傳感器有哪幾種分類方法，各有哪些優缺點

1）按纖芯和包層材料性質分：玻璃光纖、塑料光纖、石英光纖。
2）折射率分：階躍折射率型、梯度折射率型、特種光纖。
3）按模式分：單模光纖、多模光纖。
單模——優點是光在單模光纖中傳播時，光的屬性（光強、相位、偏振態、波長）衰減少甚至不改變，所以可以用作光纖傳感器的敏感元件，有更好的線性、靈敏度和動態範圍；缺點是單模光纖纖芯很細，光耦合困難、損失大，對製造工藝要求比較高。
多模——優點是芯徑大，光耦合容易、損失小；缺點是模式多，導致接收端合成信號的畸變。

• 計算 n1 = 1.46, n2 = 1.45 的階躍光纖的數值孔徑NA值；如果外部的n0 = 1，求光纖的臨界入射角。