第9章光纖傳感器課件

1、第第9 9章章 光纖傳感器光纖傳感器 9.1 9.1 光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)及種類光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)及種類9.2 9.2 光的傳輸原理光的傳輸原理9.3 9.3 光導(dǎo)纖維傳感器的類型光導(dǎo)纖維傳感器的類型 9.4 9.4 功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器 9.5 9.5 非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器 9.6 9.6 光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用 光學(xué)技術(shù)光學(xué)技術(shù)光纖光纖激光器激光器半導(dǎo)體探半導(dǎo)體探測器測器光纖通訊技術(shù)光纖通訊技術(shù)信息高速公路信息高速公路多媒體通信多媒體通信符號、數(shù)字、符號、數(shù)字、語言、圖形語言、圖形動態(tài)圖象動態(tài)圖象各種裝飾性光纖新型照明光源光纖傳感器與常規(guī)傳感器相比，

2、有如下優(yōu)點(diǎn)：光纖傳感器與常規(guī)傳感器相比，有如下優(yōu)點(diǎn)： 1.1.具有很高的靈敏度。具有很高的靈敏度。 2. 2.頻帶寬動態(tài)范圍大。頻帶寬動態(tài)范圍大。 3. 3.光纖直徑只有幾微米到幾百微米；抗拉強(qiáng)度為銅的光纖直徑只有幾微米到幾百微米；抗拉強(qiáng)度為銅的1717倍倍，光纖柔軟性好。，光纖柔軟性好。 4. 4.測量范圍很大測量范圍很大。 5. 5.抗電磁干擾能力強(qiáng)?？闺姶鸥蓴_能力強(qiáng)。 6. 6.光纖集傳感與信號傳輸于一體光纖集傳感與信號傳輸于一體，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙測和易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙測和控制?？刂啤?7. 7.可用于高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾、腐蝕等各種惡劣環(huán)境可用于高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾、腐蝕等各種惡劣環(huán)

3、境。 8. 8.結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、耗能少。結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、耗能少。光纖傳感器圖片光纖傳感器圖片9.1 9.1 光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)及種類光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)及種類 9.1.1 9.1.1 光纖傳感器的原理光纖傳感器的原理 光纖傳感系統(tǒng)的光纖傳感系統(tǒng)的基本原理基本原理是：是：光纖中光波光纖中光波參數(shù)（如光強(qiáng)、頻率、波長、相位以及偏振態(tài)等參數(shù)（如光強(qiáng)、頻率、波長、相位以及偏振態(tài)等）隨外界被測參數(shù)的變化而變化）隨外界被測參數(shù)的變化而變化，所以，可通過，所以，可通過檢測光纖中光波參數(shù)的變化以達(dá)到檢測外界被測檢測光纖中光波參數(shù)的變化以達(dá)到檢測外界被測物理量的目的。物理量的目的。光纖傳感

4、器構(gòu)成示意圖光纖傳感器構(gòu)成示意圖 9.1.2 9.1.2 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)光纖由纖芯、包層、護(hù)套組成光纖由纖芯、包層、護(hù)套組成。 光主要在纖芯中傳輸，光主要在纖芯中傳輸，光纖的導(dǎo)光能力主要取決光纖的導(dǎo)光能力主要取決于纖芯和包層的折射率，于纖芯和包層的折射率，纖芯的折射率纖芯的折射率n1稍大于包稍大于包層的折射率層的折射率n2，典型數(shù)值，典型數(shù)值是是n1=1.461.51，n2=1.44-1.50.1.1.按纖芯和包層材料性質(zhì)分類按纖芯和包層材料性質(zhì)分類高純度石英（高純度石英（sio2）玻璃纖維）玻璃纖維光損耗比較小光損耗比較小多組分玻璃纖維多組分玻璃纖維用常規(guī)玻璃制成，損耗較小用常規(guī)玻璃制

5、成，損耗較小塑料光纖塑料光纖用人工合成導(dǎo)光塑料制成，其損耗用人工合成導(dǎo)光塑料制成，其損耗較大，但質(zhì)量輕，成本低，柔軟性好較大，但質(zhì)量輕，成本低，柔軟性好9.1.3 光纖的種類光纖的種類 塑料光纖2.2.按折射率分布分類按折射率分布分類階躍型光纖：階躍型光纖： 纖芯和包層折射率不連續(xù)的光纖，折射率固纖芯和包層折射率不連續(xù)的光纖，折射率固定不變定不變梯度型光纖：梯度型光纖： 在中心軸上折射率最大，沿徑向逐漸變小，界面在中心軸上折射率最大，沿徑向逐漸變小，界面處處 n1=n2，n1的分布大多按拋物線規(guī)律。纖芯折的分布大多按拋物線規(guī)律。纖芯折射率近似呈平方分布射率近似呈平方分布3.3.按傳播模式的多少

6、分按傳播模式的多少分單模光纖單模光纖多模光纖多模光纖只能傳播一個模只能傳播一個模光纖直徑較大（通常為幾十微米以上）光纖直徑較大（通常為幾十微米以上）能傳播幾百個以上的模能傳播幾百個以上的模光纖直徑很?。ㄒ话銥楣饫w直徑很?。ㄒ话銥?-10微米）微米）傳輸性能好傳輸性能好制造、連接、耦合困難制造、連接、耦合困難制造容易、耦合容易制造容易、耦合容易性能較差，帶寬較窄性能較差，帶寬較窄 模模:光波，本質(zhì)上是一種電磁波，在纖芯內(nèi)傳播的光波光波，本質(zhì)上是一種電磁波，在纖芯內(nèi)傳播的光波，可以分解為沿軸向和截面?zhèn)鬏數(shù)膬煞N平面波成分。沿截，可以分解為沿軸向和截面?zhèn)鬏數(shù)膬煞N平面波成分。沿截面?zhèn)鬏數(shù)钠矫娌▽诶w芯

7、與包層的界面處產(chǎn)生反射。如面?zhèn)鬏數(shù)钠矫娌▽诶w芯與包層的界面處產(chǎn)生反射。如果此波的每一個往復(fù)傳輸（入射和反射）的相位變化果此波的每一個往復(fù)傳輸（入射和反射）的相位變化360的整數(shù)倍時，就可以在截面內(nèi)形成駐波，這樣的駐波光線的整數(shù)倍時，就可以在截面內(nèi)形成駐波，這樣的駐波光線組又稱為組又稱為模模。只有能形成駐波的那些以特定角度射入光纖。只有能形成駐波的那些以特定角度射入光纖的光，才能在光纖內(nèi)傳播，在光纖內(nèi)只能傳輸一定數(shù)量的的光，才能在光纖內(nèi)傳播，在光纖內(nèi)只能傳輸一定數(shù)量的模。模。 4. 4.按用途分按用途分通信光纖：通信光纖：用于光通訊系統(tǒng)。用于光通訊系統(tǒng)。 實(shí)際使用中大多使用光纜，即多根光纖實(shí)

8、際使用中大多使用光纜，即多根光纖 組成的線纜。組成的線纜。 非通信光纖：非通信光纖：指特殊用途的非通訊光纖指特殊用途的非通訊光纖 主要有低雙折射率光纖、高雙折射率主要有低雙折射率光纖、高雙折射率 光纖涂層光纖、多模梯度光纖、激光光纖涂層光纖、多模梯度光纖、激光 光纖、紅外光纖。光纖、紅外光纖。9.2 9.2 光的傳輸原理光的傳輸原理 9.2.1 9.2.1 光的全反射定律光的全反射定律 光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的基礎(chǔ)。光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的基礎(chǔ)。 折射率：光線在真折射率：光線在真空中的傳播速度與光線空中的傳播速度與光線在該介質(zhì)中的傳播速度在該介質(zhì)中的傳播速度之比。介質(zhì)的折射

9、率越之比。介質(zhì)的折射率越高，則光線在該介質(zhì)中高，則光線在該介質(zhì)中傳播得越慢。傳播得越慢。圖圖9.4 光線在臨界面上發(fā)生的內(nèi)反射示意圖光線在臨界面上發(fā)生的內(nèi)反射示意圖 當(dāng)光線以較小的入射角當(dāng)光線以較小的入射角1（1c,c為臨界角），由為臨界角），由光密媒質(zhì)（折射率光密媒質(zhì)（折射率n1）射入光）射入光蔬媒質(zhì)（折射率蔬媒質(zhì)（折射率n2）時，一部）時，一部分光線被反射，另一部分光線分光線被反射，另一部分光線折射入光蔬媒質(zhì)。折射角折射入光蔬媒質(zhì)。折射角2滿滿足斯乃爾法則足斯乃爾法則 n1 sin1= n2 sin2 當(dāng)加大入射角當(dāng)加大入射角1，1c時，光不再時，光不再產(chǎn)生折射，只有反射產(chǎn)生折射，只有反射

10、，就形成光的全反射，就形成光的全反射現(xiàn)象?，F(xiàn)象。圖圖9.4 光線在臨界面上發(fā)生的內(nèi)反射示意圖光線在臨界面上發(fā)生的內(nèi)反射示意圖 9.2.2 9.2.2 光纖的傳光原理光纖的傳光原理 圖圖9.5 階躍型多模光纖中子午光線的傳播階躍型多模光纖中子午光線的傳播 只有在光纖端面一定只有在光纖端面一定入射角范圍內(nèi)的光線才入射角范圍內(nèi)的光線才能在光纖內(nèi)部產(chǎn)生全反能在光纖內(nèi)部產(chǎn)生全反射而傳播出去。能產(chǎn)生射而傳播出去。能產(chǎn)生全反射的最大入射角可全反射的最大入射角可以通過臨界角定義求得以通過臨界角定義求得。 最大入射角的計算方法最大入射角的計算方法 ： 1 1）根據(jù)斯乃爾法則）根據(jù)斯乃爾法則 ： 有有 n n 0

11、 0 sin sin= n= n1 1 sin sin1 1= n= n1 1 cos cos1 1= n= n1 1 (1-sin(1-sin2 21 1) )1/21/2 2 2）當(dāng)在纖芯與包層產(chǎn)生全反射時）當(dāng)在纖芯與包層產(chǎn)生全反射時 ，1 1=c c，=c c： 3 3）又根據(jù)臨界角定義）又根據(jù)臨界角定義 sinsinc c= n= n2 2/n/n1 1 則有則有n n 0 0 sin sinc c= n= n1 1（1-1-（n n2 2/n/n1 1）2 2）1/2=1/2=（n n1 12 2- n- n2 22 2）1/21/2 4 4）令光纖的數(shù)值孔徑（）令光纖的數(shù)值孔徑（N

12、ANA）= =sinsinc c 空氣折射率空氣折射率n n 0 0=1=1，得數(shù)值孔徑，得數(shù)值孔徑NANA： NA= sinsinc c= = =（n n1 12 2- n- n2 22 2）1/21/2 數(shù)值孔徑是衡量光纖集光性能的一個主要參數(shù)，它決定數(shù)值孔徑是衡量光纖集光性能的一個主要參數(shù)，它決定了能被傳播的光束的半孔徑角的最大值了能被傳播的光束的半孔徑角的最大值c，反映了光纖的集，反映了光纖的集光能力。無論光源發(fā)射功率多大光能力。無論光源發(fā)射功率多大,只有只有2c張角的光才能被光張角的光才能被光纖接收纖接收.一般石英光纖的一般石英光纖的NA=0.20.4。9.3 9.3 光導(dǎo)纖維傳感器

13、的類型光導(dǎo)纖維傳感器的類型 1按測量對象分類按測量對象分類 ：分為光纖溫度傳感器、光纖濃度傳感器、光纖：分為光纖溫度傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器。電流傳感器、光纖流速傳感器。 9.3.1 光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類 2按光纖中光波調(diào)制的原理分類按光纖中光波調(diào)制的原理分類 ：分為強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器、相：分為強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器、相位調(diào)制型光纖傳感器、偏振調(diào)制型光纖傳感器、頻率調(diào)制型光纖傳感器位調(diào)制型光纖傳感器、偏振調(diào)制型光纖傳感器、頻率調(diào)制型光纖傳感器、波長調(diào)制型光纖傳感器。、波長調(diào)制型光纖傳感器。 3按光纖在傳感器中的作用分類按光纖在傳感器中的作用分類 ：分為

14、功能型光纖傳感器（：分為功能型光纖傳感器（FF型，型，function fiber）和非功能型光纖傳感器（）和非功能型光纖傳感器（NFF型，型，non function fiber） 9.3.29.3.2功能型和非功能型光纖傳感器功能型和非功能型光纖傳感器 1 1功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器 光纖感應(yīng)光纖感應(yīng)部分部分光纖傳輸光纖傳輸部分部分光纖傳輸光纖傳輸部分部分圖圖9.6 功能型光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖功能型光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖 調(diào)制和影響光調(diào)制和影響光 纖的傳輸特性纖的傳輸特性1）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)調(diào)制后的調(diào)制后的光信號光信號 2 2）特點(diǎn)）特點(diǎn) 1傳傳”和和“感感”合為一體合為一體 ，同時同時

15、具有具有敏感能力和檢測功能敏感能力和檢測功能 2.主要使用單模光纖主要使用單模光纖 3.可以分為光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏可以分為光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型 3）典型應(yīng)用典型應(yīng)用光纖電壓光纖電壓傳感器傳感器光纖電流光纖電流傳感器傳感器光纖位移光纖位移（壓力）（壓力）傳感器傳感器2 2非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器 在非功能型光纖傳感器中，光纖不是敏感元件在非功能型光纖傳感器中，光纖不是敏感元件，它只起到傳遞信號的作用。傳感器信號的感受是，它只起到傳遞信號的作用。傳感器信號的感受是利用光纖的端面或在兩根光纖中間放置光學(xué)材料、利用光纖的端面或在兩根

16、光纖中間放置光學(xué)材料、機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件，感受被測物理量的變機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件，感受被測物理量的變化?；?。傳遞信號傳遞信號傳遞信號傳遞信號圖圖9.7 非功能型光纖傳感器敏感元件在中間原理結(jié)構(gòu)圖非功能型光纖傳感器敏感元件在中間原理結(jié)構(gòu)圖圖圖9.8 9.8 非功能型光纖非功能型光纖“敏感元件敏感元件+ + 發(fā)光元件發(fā)光元件”組合體原理組合體原理結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖 傳遞信號傳遞信號9.3.3 9.3.3 光纖傳感器的主要部件光纖傳感器的主要部件 1光源：光源：一般采用半導(dǎo)體光源或半導(dǎo)體激光器，如砷化鎵發(fā)光二一般采用半導(dǎo)體光源或半導(dǎo)體激光器，如砷化鎵發(fā)光二極管和激光器。極管和激光器。 2耦合器：

17、耦合器：其作用是使光源發(fā)出的光通量盡可能進(jìn)入光纖，若不其作用是使光源發(fā)出的光通量盡可能進(jìn)入光纖，若不用耦合器，光的損耗會很大。用耦合器，光的損耗會很大。 4連接器：連接器：用于光纖間對接的專門部件，通常是一個三維可調(diào)的精用于光纖間對接的專門部件，通常是一個三維可調(diào)的精密機(jī)械機(jī)構(gòu)，目的是在盡可能減少光損失的條件下實(shí)現(xiàn)光纖間的連接。密機(jī)械機(jī)構(gòu)，目的是在盡可能減少光損失的條件下實(shí)現(xiàn)光纖間的連接。 3探測器探測器 ：它通過耦合器接收光信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號，再使它通過耦合器接收光信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號，再使電信號經(jīng)信號處理而輸出。但要注意光源、傳輸光纖和光電探測器三者電信號經(jīng)信號處理而輸出。但要注意光

18、源、傳輸光纖和光電探測器三者之間的光譜匹配。之間的光譜匹配。9.4 9.4 功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器 111L122 LnLLnnn ()() 1.在一段長為在一段長為L的單模光纖（纖芯折射率的單模光纖（纖芯折射率n1）中，波長為）中，波長為 的輸出光的輸出光相對于輸入端來說，其相位角相對于輸入端來說，其相位角 為為 12 n L9.4.1 相位調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制型光纖傳感器 1 1相位調(diào)制的原理相位調(diào)制的原理 2. 當(dāng)光纖受到外界物理量的作用時，則光波的相位角變化為當(dāng)光纖受到外界物理量的作用時，則光波的相位角變化為 3.應(yīng)用光的相位檢測技術(shù)測量出溫度、壓力、加速度、電流等物理量

19、。應(yīng)用光的相位檢測技術(shù)測量出溫度、壓力、加速度、電流等物理量。 2 2應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 圖9.9 測量壓力或溫度的相位調(diào)制型光纖傳感器原理圖 干涉測量儀的基本原理干涉測量儀的基本原理： 光源的輸出光都被分束器光源的輸出光都被分束器（棱鏡或低損耗光纖耦合器）（棱鏡或低損耗光纖耦合器）分成光功率相等的兩束光（也分成光功率相等的兩束光（也有的分成幾束光），并分別耦有的分成幾束光），并分別耦合到兩根或幾根光纖中去。在合到兩根或幾根光纖中去。在光纖的輸出端再將這些分離光光纖的輸出端再將這些分離光束匯合起來，輸?shù)揭粋€光電探束匯合起來，輸?shù)揭粋€光電探測器，這樣在干涉儀中就可以測器，這樣在干涉儀中就可以檢測出

20、相位調(diào)制信號。因此，檢測出相位調(diào)制信號。因此，相位調(diào)制型光纖傳感器實(shí)際上相位調(diào)制型光纖傳感器實(shí)際上為一光纖干涉儀，故又稱為干為一光纖干涉儀，故又稱為干涉型光纖傳感器。涉型光纖傳感器。光纖傳感器光纖傳感器 圖9.10 輸出光電流與光相位變化的關(guān)系 若傳感光纖受物理量的作若傳感光纖受物理量的作用，則光纖的長度、直徑和折用，則光纖的長度、直徑和折射率將會發(fā)生變化，將會引起射率將會發(fā)生變化，將會引起傳播光的相位角也發(fā)生變化。傳播光的相位角也發(fā)生變化。 如果在傳感光纖和參考光如果在傳感光纖和參考光纖的匯合端放置一個光電探測纖的匯合端放置一個光電探測器，就可以將合成光強(qiáng)的強(qiáng)弱器，就可以將合成光強(qiáng)的強(qiáng)弱變化

21、轉(zhuǎn)換成電信號大小的變化變化轉(zhuǎn)換成電信號大小的變化，如圖，如圖9.10所示。所示。9.4.2 9.4.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器 1 1微彎損耗光強(qiáng)調(diào)制微彎損耗光強(qiáng)調(diào)制 圖9.11 微彎損耗光強(qiáng)調(diào)制器及其傳感器 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器的工作原理是利用外界因素改變光纖中光的強(qiáng)光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器的工作原理是利用外界因素改變光纖中光的強(qiáng)度，通過檢測光纖中光強(qiáng)的變化來測量外界的被測參數(shù)，即強(qiáng)度調(diào)制。度，通過檢測光纖中光強(qiáng)的變化來測量外界的被測參數(shù)，即強(qiáng)度調(diào)制。 光纖傳感器光纖傳感器 圖9.13 臨界角光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器 2 2臨界角光纖壓力傳感器臨界角光纖壓力傳感器 臨界角光纖傳感器

22、也是一種臨界角光纖傳感器也是一種光強(qiáng)調(diào)制型傳感器。光強(qiáng)調(diào)制型傳感器。 當(dāng)被測介質(zhì)壓力（或溫度）當(dāng)被測介質(zhì)壓力（或溫度）變化時，將使纖芯的折射率變化時，將使纖芯的折射率n1和介質(zhì)的折射率和介質(zhì)的折射率n3發(fā)生不同程發(fā)生不同程度的變化，引起臨界角發(fā)生改度的變化，引起臨界角發(fā)生改變，返回纖芯的反射光強(qiáng)度也變，返回纖芯的反射光強(qiáng)度也隨之發(fā)生變化?；谶@一原理隨之發(fā)生變化。基于這一原理，有可能設(shè)計出一種微小探針，有可能設(shè)計出一種微小探針型壓力傳感器。型壓力傳感器。9.5 9.5 非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器 9.5.1 9.5.1 遮斷光路的光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器遮斷光路的光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器 圖

23、9.14 用于油庫的雙金屬片光纖溫度傳感器光纖傳感器光纖傳感器9.5.2 9.5.2 改變光纖相對位置的光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器改變光纖相對位置的光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器 圖9.18 受抑全內(nèi)反射光纖壓力傳感器 圖9.17 透射光強(qiáng)與光纖間隙距離的關(guān)系 圖9.16 受抑全內(nèi)反射光纖壓力傳感器原理圖 受抑全內(nèi)反射光纖壓受抑全內(nèi)反射光纖壓力傳感器是利用改變光力傳感器是利用改變光纖軸向相對位置對光強(qiáng)纖軸向相對位置對光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制的一個典型例進(jìn)行調(diào)制的一個典型例子。子。 9.6 9.6 光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用 圖9.19 Y形光纖微位移傳感器原理示意圖被測距離被測距離（04.0mm）（光纖）（光纖）傳

24、輸反射光傳輸反射光（光纖）（光纖）傳輸入射光傳輸入射光測量顯示測量顯示電路電路9.6.1 光纖微位移測量傳感器光纖微位移測量傳感器圖9.20 光纖微位移傳感器測量位移 （PIN）光電二極管光電二極管(IC6)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器（IC1）I/U轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換(IC2)電壓放大電壓放大(IC3 、IC4)峰值保持器（IC5）比較器9.6.2 9.6.2 光纖流量傳感器光纖流量傳感器 用一個小型光電探測器接收斑圖中的亮區(qū)，便可接收到光纖振用一個小型光電探測器接收斑圖中的亮區(qū)，便可接收到光纖振動的信號，經(jīng)過頻譜儀分析便可檢測出振動頻率，由此可計算出液動的信號，經(jīng)過頻譜儀分析便可檢測出振動頻率，由此可計算出液體的流速及流量。體的流速及流量。 圖9.21 光纖流量傳感器原理圖 光纖傳感器光纖傳感器9.6.3 9.6