光纤检测技术

光纤检测技术
主要内容:
● 光纤检测的基本知识 ● 光纤传感器及其分类特点 ● 光纤在温度检测中的应用 ● 光纤电压电流测量 ● 光纤检测技术在其它方面的应用
一、光纤检测的基本知识
1.光纤的基本结构、材料和分类
基本结构 实用的光导纤维的中央有个细芯（半径a，折射率n1）纤
芯，直径只有几十微米，纤芯的外面有一圈包层（半径b，折射率n2）， 其外径约为100～200μm。包层的外表面还涂上一被覆层（环氧树脂或
五、光纤电压电流测量
1.法拉第效应光纤电流传感器
利用法拉第旋光效应，由电流所形成的磁场会引起光纤中线偏振光 的偏转，检测偏振角的大小，可以得到相应的电流数值。
电流检测装置示意图 1-激光器；2-起偏器；3-显微物镜；4-耦合器；5-高压载流导线；6-绕在导线上的光纤；
7-显微物镜；8-沃拉斯顿棱镜；9-接收器；10-信号处理系统；11-显示器
n n03E
式中 γ­­—— 晶体的纵向运用的电光系数。两正交的平面偏振光穿过厚 度为l的晶体后，光程差为
ΔL=Δn l= n03γE l= n03γU
式中，U = EL是加在晶体上的纵向电压。由折射率变化所引起的相位变 化为
2n03U / 0
当相位差为π 时，所加电压称为半波电压
测温时测温探头将接近被测对象，它是决定拾光大小和温度计灵敏
度的主要元件，而耦合效率是其重要参数。 对于辐射面元dF入射到具 有
平端面的光纤时，其耦合效率为：

W
/WA

1 n0 2
( NA) 2
式中，WA —— 辐射面元dF沿半球空间的辐射能量； W —— 经耦合进入光纤被传播的辐射能量；
n0 —— 辐射面元dF所在介质的折射率。
j 90 k
n0 =1
n1 sink n2 sinr
sini

n1 n0
1
( n2 n1
s in r
)2
sini n12 n22 sin2 r
当n r =90°，即临界状态时，θi =θi0
sinio
n12 n22
2n12
(
n1
n2 n1
二、光纤传感器及其分类特点
1.光纤传感器的组成 光纤传感器是一种把被测的某种量转换为可测的光信号的
装置，它是由光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理电 路及光纤构成的。
光纤传感器用的光源的种类很多，按照光的相干性可以 分为两大类：相干光源和非相干光源。激光器为相干光源， 白炽光源和发光二极管为非相干光源。
数。
λg = c h / Eg
结论: 吸收波长λg随着禁带宽度Eg的增大而减小，而Eg随着温度T的 增大而减小，所以吸收波长λg随着温度T的增加而增大，随着温度T的 减小而减小。
当一个辐射光谱峰值波长与λg 相一致的光源发出的光通过此半导 体，其透射光的强度随温度的增加而减少。
2.结构
由半导体吸收器、光纤、光源和包括光探测器的信号处理系统等组 成。
相同。
辐射式光纤温度计在电厂锅炉灭火保护装置中的应用
在电厂锅炉灭火保护装置中，测定燃烧器火焰“燃”或“灭”的探 头就是 利用了光纤辐射温度计的原理。
光纤火焰监测器探头结构和测量电路
2. 半导体光纤温度计
1.工作原理
工作的基本原理是利用有些半导体材料（GaAs或CdTe）的光吸收 随着温度的变化而变化。半导体的禁带宽度Eg随着温度的变化关系式为
2.光纤电压传感器
(1) 工作原理 当强电场施加于光正在穿行的各向异性晶体时，所引起的感生双折
射正比于所加电场的一次方，这种效应称为普克耳效应，也称为线性电 光效应。光纤电压传感器是基于普克耳效应工作的。
普克耳效应使晶体的双折射性质发生改变，晶体的折射率可用折射 率椭球方程表示：
x2 n12

y2 n2 2
半导体光纤温度计的测温系统及结构
一种实用的半导体光纤温度计
1-脉冲发生器；2-LED驱动器；3-AlGaAs-LED(λ1)；4-InGaAs-LED(λ2 )；5-光耦合器；6-光 纤连接器；7-探头；8-APD；9-光接收电路；10-采样放大器；11-除法器；12-光纤
四、Y形光纤位移及压力传感器
棱镜耦合液位传感器
改进的光纤探头结构
液位的检测
同一种溶液在不同浓度时的折射率也不同，如掺有砂糖水溶液，含糖量不同， 折射率也不同，经过标定之后，这种光纤探测器实质上就是一个使用方便的浓度计。
2.光纤转速表
光纤转速 n1 n2 n1
为相对折射率。
sinθi0定义为“数值孔径”：NA。当θr =90°时，sinθi =
NA；当θr ＞90°时，sinθi ＜NA，发生全反射；当θr ＜
90°时，sinθi ＞NA ，光线散失。
3.光纤的传输特性 光纤的损耗主要有吸收损耗、散射损耗和微扰损耗三种。
率调制光纤传感器。
三、光纤在温度检测中的应用
1. 辐射式光纤温度计 辐射光纤温度计是基于全辐射体辐射的原理来工作的。
辐射式光纤温度 计的组成框图
（a） 单（双）波段 光纤温度计 （b） 多点温度测量系统
温度计基本由三部分组成：测温探头（光纤传感元
件）、传送光纤、显示仪表（或信号处理装置）
测温探头
就能测出被测电压的大小。信号经光电转换、滤波、放大等处理，最后由计算机显示
出被测电压。
六、光纤检测技术在其它方面的应用
1.光纤液位传感器 反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的
折射率与光纤折射率越接近，则反射光强度越小。
球面光纤液位传感器 ( a ) 探头结构 ( b ) 检测原理
Y型光纤液位探头
测温探头的结构分为两类：直接耦合式探头和透镜耦合 式探头。① 光导棒探头（石英光纤预制棒）
② 透镜测温探头
(2) 传送光纤 传送光纤一般由多根大芯径、大数值孔径的石英光纤束
组成，外加金属软管保护，是软性材料，可以弯曲。 它的作用是将端部耦合进入光纤的辐射能传输至尾部光
电转换元件。
(3) 信号处理装置 ■ 作用是将光信息转换成电量输出并加以显示。根据不 同的测温范围选用不同的光电元件。 ■ 光电元件输出的电信号经处理后，由显示器（数字量或 模拟量）显示出被测温度值。显示部分与一般的辐射温度计
先经起偏器变成线偏振光，然后经波片变成椭圆偏振光，当光通过电光晶体时，在电 压（或电场）的作用下发生双折射，经检偏器检偏后变成强度与被测电压成正比的偏 振光。其输出光强为：
I

I 0 sin 2
2

I
0
sin
2


n0
3U

式中 γ—— Bi12SiO20晶体的光电系数； I0 —— 射入晶体的光强。 上式说明，传感器的输出光强与被测电压之间有对应关系，通过测量光强的大小
由信号处理系统输出的函数为 P I1 I2 I1 I2
式中，I1、I2分别为两偏振光的强度。 计算表明，P和θ的关系为
P sin 2
由于一般电力系统中偏振面旋转的角度θ都很小，因此有
P 2
这种测量电流方式的优点是：测量范围大，约0～1000 A，与高压线无接触，电绝缘性好，特别适用于高压大电流 的测量。
U /2 0 / 2n03
如果检偏器与起偏器正交，而且与电场方向成45°，则出射光波的光强 为：
I

I 0 sin 2

2

I0
sin

Lk


U d
2
2.结构 它由Bi12SiO20晶体、起偏器、检偏器、光电检测装置和光纤组成。
从光源（激光器或发光二极管）发出一定波长的光波沿光纤传送到电压传感器，
偏振角θ与磁场强度H、磁场中光纤的长度L成正比：
VHL
式中，V是费尔德常数。 由于载流导线在周围空间产生的磁场满足安培 环路定律，故对于长直导线有
H I
2R
式中，R —— 电流产生的磁场回路半径。 由上两式可得：
VLI 2R
I 2R
VL
由上式可知，偏振角θ与电流I成线性关系。因此，只要测出θ、L、R， 就可求出长直导线中的电流I 。

z2 n32
1
对于双轴晶体，主折射率n1≠n2 ≠n3 ，对于单轴晶体，主折射率 n1=n2 =n0，n3 =ne，其中，n0称为寻常光折射率，ne称为非常光折射
率。
晶体的两端设有电极，并在两极间加一个高压电场，外加电场平行 于通光方向，这种工作方式称为纵向运用，或称为纵向调制。晶体折射 率的变化Δn与电场E的关系为：
光接收器有光电池、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极 管、光电管、光电倍增管等.
2. 光纤传感器分类 根据光纤的传感原理，光纤传感器分为功能型（或称传
感型）和非功能型（或称传光型、结构型）两类。
功能型光纤传感器方框图
光纤压力计
非功能型光纤传感器方框图
光纤温度报警器
根据被调制的光波参数不同，光纤传感器可分为强度调制光 纤传感器、相位调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器、频
n1 sini n2 sinr
n1 ＞n2 , θr＞θi
sinr sin 90 1时
s in i 0

n2 n1
θi＞θi0并继续增大时，θr＞90°,这时便发生全反射现象
根据光纤结构图和光的全反射现象进一步分析光由所在空间 入射至光纤的传播情况
n0 sini n1 sin j
硅胶），作为光纤的保护层 。要求n1＞ n2 。
材料 有石英、多组分玻璃、塑料等
分类 按材料来分，可分为石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、
液芯光纤等。