傳感器 光纖傳感器

1、傳感器 光纖傳感器第1頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日第9章 光纖傳感器信息載體光傳遞媒質光纖兼具光纖及光學測量的特點。光線傳感器與以電為基礎的傳感器有本質區(qū)別。第2頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日光纖傳感器的特點：優(yōu)點：不受電磁干擾，可繞曲，耐腐蝕， 高絕緣強度，防爆性好，靈敏度高，能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等。被測量范圍廣：溫度、壓力、應變、位移、速度、加速度、磁、電、 聲和PH值等70多個物理量；應用領域：自動控制、 在線檢測、 故障診斷、安全報警等方面第3頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日一、 光纖1、 基本原理1）

2、幾何光學的基本定義和定律光在均勻介質中：直線傳播在兩介質1和2的界面上發(fā)生：反射角入射角1折射角2=？反射折射第4頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日2）斯乃爾定律（Snells Law)折射定律折射定律 ：折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內，折射光線和入射光線位于法線的兩側，且滿足：n1sin1=n2sin 2光折射示意圖 n1、 n2 分別為介質1、2的折射率第5頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日3）光的全內反射原理（1）當光由光密介質（大折射率n1）射向光疏介質（小折射率n2）時，2 1（3）全反射：當1 c， 2 90，在界面上發(fā)生全

3、反射（2）折射的臨界狀態(tài)：使2 90的入射角1 稱為臨界角c光折射示意圖臨界狀態(tài)示意圖光全反射示意圖第6頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日2、光導纖維光纖纖芯：玻璃纖維，折射率n1包層：與纖芯同質， 折射率n2 90，則0c=arc sin NA當 2 c=arcsin NA，光線消失。數(shù)值孔徑的意義是：無論光源發(fā)射功率有多大，只有2c 張角之內的光功率被光纖接受傳播。數(shù)值孔徑是反映纖芯集光性能的主要參數(shù)。c=arc sin NA 為“數(shù)值孔徑”NA(NumericalAperture)。光線剛好不發(fā)生折射， 即： 2 =90 則臨界入射角：第9頁，共46頁，2022年

4、，5月20日，16點20分，星期日數(shù)值孔徑的大小由纖芯和包層材料性質決定數(shù)值孔徑NA對光傳輸?shù)挠绊懀捍蟮臄?shù)值孔徑，有利于耦合效率的提高。但數(shù)值孔徑大， 光信號將產生大的“模色散”會使信號發(fā)生嚴重畸變典型的光纖10（sin 10 0.175）石英光纖的NA0.20.4第10頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日3）光纖的類型（1）按折射率變化分類a) 階躍型（stepped）纖芯與包層之間的折射率是突變的，b) 漸變型（graded）在纖芯橫截面中心處折射率最大其值為n1 ，由中心向外逐漸變小到與包層交界處折射率n2 ，通常折射率變化為拋物線型式，又稱為梯度型。第11頁，共4

5、6頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日（2）光纖按傳輸模式分類a） 多模光纖纖芯直徑在50200m，光信號在光纖中可多光線傳輸，以多個模式同時傳輸，由于模間色散較大，限制了傳輸數(shù)字信號的頻率和傳輸距離?？墒褂肔ED光源 b） 單模光纖纖芯直徑很?。?10m)，只能傳輸基模(最低階模)，不存在模間時延差，具有比多模光纖大得多的帶寬，這對于高碼速傳輸是非常重要的。需要用激光源?，F(xiàn)在實用的石英光纖通常有以下三種：階躍型多模光纖、漸變型多模光纖和階躍型單模光纖。 第12頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日3、 光纖的特性指標評價信號通過光纖的損耗和色散1） 損耗特性評

6、價指標：光強的衰減系數(shù)aPi、Po入射端和出射端光功率，L光纖長度（km）一般光纖傳感器中的光纖L4m，a10dB/km的光纖均可選用實用的光纖通信系統(tǒng)使用的光纖多為石英光纖，此類光纖在1.55m波長區(qū)的損耗可低到0.18dB/km第13頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日2）色散特別在光纖通訊中，色散使傳輸?shù)男盘柮}沖發(fā)生畸變，從而限制了光纖的傳輸帶寬第14頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日3）光纖的分布類型影響光纖傳感器靈敏度的有：光纖束的數(shù)量、尺寸和分布,以及每根光纖的數(shù)值孔徑(a)隨機分布(b)半球形對開分布(c)共軸內發(fā)射分布(d)共軸外發(fā)

7、射分布第15頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日塑料光纖玻璃光纖第16頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日常規(guī)光纖與紗芯光纖217紗芯光纖直徑66 m613紗芯光纖直徑42m第17頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日二、光纖傳感器1、 光纖傳感器分類及其工作原理A）功能型（元件型）光纖傳感器光纖為敏感元件，光在光纖內受被測量調制。此類傳感器要求高、成本也高。光發(fā)送器光受信器光纖敏感元件被測物理量調制光第18頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日B）非功能型（傳光型）光纖傳感器利用其他敏感元件感受被測量的變化，

8、光纖僅作為光傳輸介質，又稱為傳光型光纖傳感器光發(fā)送器光受信器傳輸光纖被測物理量調制光敏感元件第19頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日2、 光調制解調技術光的調制：將信號疊加到光波上。調制原理：外界信號可引起光的強度、 波長或頻率、相位、偏振態(tài)等光學性質的變化，從而形成不同的調制：分類 ：強度調制型、頻率調制型、相位調制型、偏振調制型第20頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日3、幾種常用的光強調制技術1） 微彎調制光纖的彎曲能夠使光從纖芯射入包層而產生損耗。微彎光纖傳感器敏感元件變形器。變形器如一對錯開的帶鋸齒槽的平行板, 能引起光纖產生微彎第21頁

9、，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日2）光強度的外調制調制環(huán)節(jié)在外部，光纖只起傳光作用。分為：反射型和透光型第22頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日應用1：反射式光纖位移傳感器工作原理：根據被測目標表面光反射至接收光纖束的光強度的變化來測量被測表面距離的變化。第23頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日輸入輸出特性:1)位移為零光纖探頭端部緊貼被測件表面發(fā)射光錐和接收光錐無重合面積,接收光纖中無光信號;2)隨著被測表面逐漸遠離光纖探頭發(fā)射光錐和接收光錐重合面積B1增大,接收光纖端面上被照亮的B2區(qū)也增大,有一個線性增長的輸出信號;

10、 3)當接收光纖端面被全部照亮,輸出信號達到了位移-輸出信號曲線上的“光峰點” 第24頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日4)當被測表面繼續(xù)遠離反射光面積B2大于接收光纖端面積C,光纖探頭更加遠離被測表面使接收到的光強逐漸減小,光敏輸出器的輸出信號逐漸減弱,進入曲線的后坡區(qū),第25頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日位移-輸出特性曲線2) 后坡區(qū),信號的減弱約與探頭和被測表面之間的距離平方成反比,可用于距離較遠而靈敏度、線性度和精度要求不高的測量。3) 光峰區(qū),信號達到最大值,其大小取決于被測表面的狀態(tài)。所以這個區(qū)域可用于對表面狀態(tài)進行光學測量。1)

11、 前坡區(qū)輸出信號的強度增加得非?？?這一區(qū)域可以用來進行微米級的位移測量。第26頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日反射型光纖位移傳感器的一個典型例子發(fā)射、接收各300根光纖組成一根0.762mm的光纜。光纖內芯是折射率為1.62的火石玻璃，包層是折射率為1.52的玻璃。光纜的后部被分成兩支，一支用于發(fā)射光，一支用于接收光。光源是2.5V的白熾燈泡，而接收光信號的敏感元件是光電池。光敏檢測器輸出與接收到的光強成正比的電信號。對于每0.25m位移產生1V的電壓輸出,分辨率是0.025m。第27頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日在壓力的作用下，膜片產生

12、撓曲引起膜片位移的微小變化光通量是膜片的形狀尺寸以及探頭到膜片的平均距離的函數(shù)。構成：反射型光纖傳感器的探頭前面加上一個膜片應用2：光纖測壓傳感器第28頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日應用3：光纖麥克風（光纖聲音傳感器）FOM1FOM 基于獨特的光學感應器技術。 一個光束通過光纖被傳送到MEMS 薄膜上。 聲音信號引起薄膜振動調整被反射的光的強度, 然后被轉換為電信號。第29頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日光纖加速度傳感器一個光束通過光纖被傳送到硅膜上。加速度或振動信號引起硅膜的位置改變或振動，從而反射光的強度發(fā)生改變，通過檢測反射光強的變化

13、，可以檢測出外界的加速度或振動信號。最后這些信號被轉換為電壓信號輸出。第30頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日立體聲光纖聲音監(jiān)聽器立體聲光纖監(jiān)聽器應用在穿過墻壁進行聲音監(jiān)聽等智能戰(zhàn)術應用領域。專為特種部隊執(zhí)行監(jiān)測聲音特殊的軍事任務設計第31頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日透光型：應用1：遮光式光強度調制器光強度位移變化曲線a）動光閘式b）動光纖式第32頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日應用2：移動光柵光纖傳感器間隙中放置一對光柵,光柵由等寬的全透射和全反射(不透光的)平行線無交替形成的柵格構成。移動光柵光纖傳感器原理圖當

14、這兩個光柵發(fā)生相對移動時,光的透射強度就隨之發(fā)生變化。兩根光纖的端面間相隔一微小間隙第33頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日由左側輸入光纖的光束,經一小段漸變折射率自聚焦透鏡準直后,一部分成為通過兩個光柵傳輸?shù)钠叫?準直)光束,再經第二個自聚焦透鏡,把它們聚焦到輸出光纖中。應用3：在水聽器方面應用它的兩光柵中有一個安裝在外殼的剛性底板上,而另一個光柵則與一塊彈性膜片相連。第34頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日三、光纖光柵傳感器Brag光柵傳感器OFBGOptical fiber brag grating 光纖光柵：一段光纖，其纖芯具有周期性變化

15、的折射率：其中： 光纖光柵的周期（柵距）， n 纖芯的平均折射率Brag波長：b=2n特性：入射光中光波長與光纖光柵的布拉格波長b相同的分量會被光纖光柵反射第35頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日光纖光柵特性第36頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日檢測原理當光纖受到軸伸長時（受應力、溫度）柵距 0b=2n（ 0 ）b0其靈敏度：1.2pm/測量反射光的波長第37頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日檢測原理用一對光耦合器接上波長檢測器來量測，可獲得布拉格波長的變化利用光纖光柵布拉格波長隨溫度、應變變化特性，可進行溫度、應變、應

16、力、壓力等的變化。第38頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日應用1：分布式光纖光柵多點測量第39頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日參數(shù)規(guī)格第40頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日應用2：光纖光柵應變傳感器為便于保護，傳感器被封裝于圖示的盒子里，光纖從盒子的兩側的小孔引出。在圖中，銅片上貼有光纖Bragg光柵的平面面向盒內，以便保護光纖光柵和光纖引線；而另一面則背向盒子，以便粘貼于被測物的表面。為防止潮濕對光纖的侵蝕和破壞，盒子內可注入柔性硅膠。第41頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日應用3：光纖光柵溫

17、度傳感器封裝基本原理：將光纖Bragg光柵與應變隔絕，使之只能感受到環(huán)境溫度的變化。制作方法首先是將光柵用外徑為1.2mm、內徑為0.8mm的鋼管套裝；然后用環(huán)氧樹脂將套管與傳輸段光纖粘結在一起，使光柵的一端固定，一端自由；最后將套管的另一端密封。第42頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日設計原理圖1 1 個固定在拉桿上的FBG 與氣室相連。當氣室感受到外部壓力變化，通過拉桿拉動FBG 產生應力變化，2 1 個非受力FBG 作為溫度補償，抵消溫度對測壓FBG 的影響。應用4：FBG 液壓傳感器第43頁，共46頁，2022年，5月20日，16點20分，星期日應用5：艦船推進器光纖傳感系