光纖維傳感器

1、光纖維傳感器第1頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一4.4 光纖傳感器4.4.1 光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理4.4.2 光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)4.4.3 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理4.4.4 光纖傳感器的分類4.4.5 光纖傳感器的特點(diǎn)4.4.6 光纖傳感器的應(yīng)用上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第2頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一4.4.1 光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理圓柱形內(nèi)芯和包層組成，而且內(nèi)芯的折射率略大于包層的折射率 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第3頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一斯乃爾定理 當(dāng)光由光密物質(zhì)出射至光疏物質(zhì)時(shí)，發(fā)生折射 （a）折射角大于入射角：（

2、b）臨界狀態(tài)： （c）全反射 ：上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第4頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一光纖導(dǎo)光 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第5頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故 n01上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第6頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一當(dāng)r =90的臨界狀態(tài)時(shí)， Sin i定義為“數(shù)值孔徑”NA（Numerical Aperture） 相對(duì)折射率差 arcsinNA是一個(gè)臨界角，i arcsinNA，光線進(jìn)入光纖后都不能傳播而在包層消失；i arcsinNA，光線才可以進(jìn)入光纖被全反射傳播。上一

3、頁(yè)下一頁(yè)返 回第7頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一4.4.2 光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)1. 數(shù)值孔徑（NA）2. 光纖模式3. 傳播損耗上一頁(yè)下一頁(yè)返 回上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第8頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一1. 數(shù)值孔徑（NA）反映纖芯接收光量的多少，標(biāo)志光纖接收性能。意義：無(wú)論光源發(fā)射功率有多大，只有2i張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。大的數(shù)值孔徑：有利于耦合效率的提高。但數(shù)值孔徑太大，光信號(hào)畸變也越嚴(yán)重。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第9頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一2. 光纖模式光波沿光導(dǎo)纖維傳播的途徑和方式在光導(dǎo)纖維中傳播模式

4、很多對(duì)信息的傳輸是不利的，導(dǎo)致合成信號(hào)的畸變，因此我們希望模式數(shù)量越少越好。 階躍型的圓筒波導(dǎo)內(nèi)傳播的模式數(shù)量表示為 希望V?。篸不能太大，n2與n1之差很小 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第10頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一3. 傳播損耗損耗原因：光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗等的影響 傳播損耗（單位為dB） 式中, I光纖長(zhǎng)度； a單位長(zhǎng)度的衰減； I0光導(dǎo)纖維輸入端光強(qiáng)； I光導(dǎo)纖維輸出端光強(qiáng)。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第11頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一4.4.3 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置 上一頁(yè)下一頁(yè)返

5、回光受到被測(cè)量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器，使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)得到被測(cè)量。 第12頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一光纖傳感器光學(xué)測(cè)量的基本原理 光就是一種電磁波， 光的電矢量E被測(cè)量調(diào)制：光的強(qiáng)度、偏振態(tài)（矢量B的方向）、頻率和相位解調(diào)：光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第13頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一4.4.4 光纖傳感器的分類上一頁(yè)下一頁(yè)返 回傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量光纖分類干涉型光纖傳感器相位調(diào)制干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓角速度振動(dòng)、壓力

6、、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa非干涉型光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制遮光板斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動(dòng)膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄模溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移振動(dòng)、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纖傳感器偏振調(diào)制法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纖傳感器頻率調(diào)制多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動(dòng)、加速度氣體濃度溫度MMMMMMCbb注：MM多模光纖；SM單模光

7、纖；PM偏振保持光纖 第14頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一光纖傳感器的分類光纖在傳感器中的作用光受被測(cè)量調(diào)制的形式光纖傳感器中對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)方法不同 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第15頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一(1) 光纖的傳感器中的作用功能型非功能型拾光型 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第16頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一(a) 功能型（全光纖型）光纖傳感器光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高，典型例子：光纖陀螺、光纖水聽(tīng)器等。 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第

8、17頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一(b) 非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測(cè)量調(diào)制。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù)， 比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：靈敏度較低。實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第18頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一(c) 拾光型光纖傳感器 用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。 典型例子：光纖激光多普勒速度計(jì)輻射式光纖溫度傳感器上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第19頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一(2) 根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制

9、形式 (a) 強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器(b) 偏振調(diào)制光纖傳感器(c) 頻率調(diào)制光纖傳感器(d) 相位調(diào)制傳感器上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第20頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一(a)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感器。應(yīng)用：壓力、振動(dòng)、位移、氣體優(yōu)點(diǎn): 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、成本低。缺點(diǎn): 易受光源波動(dòng)和連接器損耗變化等的影響上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第21頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一（b）偏振調(diào)制光纖傳感器利用光的偏振態(tài)的變化來(lái)傳遞被測(cè)對(duì)象信息應(yīng)用： 電流、磁場(chǎng)傳感器：法拉第效應(yīng)； 電場(chǎng)、電壓傳

10、感器：泡爾效應(yīng)； 壓力、振動(dòng)或聲傳感器：光彈效應(yīng)； 溫度、壓力、振動(dòng)傳感器：雙折射性優(yōu)點(diǎn)：可避免光源強(qiáng)度變化的影響，靈敏度高。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第22頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一（c）頻率調(diào)制光纖傳感器被測(cè)對(duì)象引起的光頻率的變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)利用運(yùn)動(dòng)物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動(dòng)、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時(shí)的喇曼散射構(gòu)成的測(cè)量氣體濃度或監(jiān)測(cè)大氣污染的氣體傳感器；利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第23頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一（d）相位調(diào)制傳感器被測(cè)對(duì)象導(dǎo)致光的相位變化，然后用干涉儀來(lái)檢測(cè)這種

11、相位變化而得到被測(cè)對(duì)象的信息。利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用電致伸縮的電場(chǎng)、電壓傳感器 利用Sagnac效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）優(yōu)點(diǎn)：靈敏度很高，缺點(diǎn)：特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，成本高。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第24頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一4.4.5 光纖傳感器的特點(diǎn)（1）電絕緣。（2）抗電磁干擾。（3）非侵入性。（4）高靈敏度。（5）容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第25頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一4.4.6 光纖傳感器的應(yīng)用強(qiáng)度調(diào)制型：基于彈性元件受壓變形，將壓

12、力信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移信號(hào)來(lái)檢測(cè)，故常用于位移的光纖檢測(cè)技術(shù)；相位調(diào)制型：利用光纖本身作為敏感元件；偏振調(diào)制型：主要是利用晶體的光彈性效應(yīng)。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回光纖壓力傳感器第26頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一 （1）采用彈性元件的光纖壓力傳感器膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖膜片的中心撓度 若利用Y形光纖束位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測(cè)壓力呈線性關(guān)系。1 Y形光纖2 殼體 3 膜片與所加的壓力呈線性關(guān)系上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第27頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一傳感器的固有頻率可表示為 式中, 膜片材料的密度； g重力加速度。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體

13、積小、使用方便，光源不夠穩(wěn)定或長(zhǎng)期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影響。 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第28頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一差動(dòng)式膜片反射型光纖壓力傳感器 1輸出光纖 2輸入光纖 3輸出光纖 4膠 5膜片 兩束輸出光的光強(qiáng)之比 A常數(shù)；p待測(cè)量壓力 輸出光強(qiáng)比I2/I1與膜片的反射率、光源強(qiáng)度等因素均無(wú)關(guān) 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第29頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一將上式兩邊取對(duì)數(shù)，在滿足(Ap)21時(shí)，得到 表明待測(cè)壓力與輸出光強(qiáng)比的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。若將I1、I2檢出后分別經(jīng)對(duì)數(shù)放大后，再通過(guò)減法器即可得到線性的輸出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可獲得不同的測(cè)量范圍。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第30頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55分，星期一（b）光彈性式光纖壓力傳感器 光彈性效應(yīng)：晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，從而呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。1 光源 2、8 起偏器 3、9 1/4波長(zhǎng)板 4、10 光彈性元件 5、11 檢偏器 6 光纖 7 自聚焦透鏡上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第31頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)55