光纖傳感技術(shù)

1、光纖傳感技術(shù)第1頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一光纖發(fā)展歷史21870年，英國(guó)物理學(xué)家丁達(dá)爾的實(shí)驗(yàn) 1960-光纖發(fā)明 1966-華裔科學(xué)家“光纖之父”高錕 預(yù)言光纖將用于通信。 1970-美國(guó)康寧公司成功研制成傳輸損耗只有20dm/km的光纖。 1977-首次實(shí)際安裝電話光纖網(wǎng)路 1978-FORT在法國(guó)首次安裝其生產(chǎn)之光纖電 1979-趙梓森拉制出我國(guó)自主研發(fā)的第一根實(shí)用光纖，被譽(yù)為“中國(guó)光纖之父” 1990-區(qū)域網(wǎng)路及其他短距離傳輸應(yīng)用之光纖 2005 FTTH(Fiber To The Home)光纖直接到家庭 2009 高錕獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 第2頁(yè)，共63

2、頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一3光纖傳感器始于1977年，目前已進(jìn)入研究與應(yīng)用并重階段。主要優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、可撓性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)不帶電的全光型探頭。頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大?？捎煤芟嘟募夹g(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成傳感不同物理量的傳感器便于與計(jì)算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙測(cè)和控制可用高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾、腐蝕等惡劣環(huán)境。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、耗能少。第3頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一4一次涂覆層纖芯 包層套層一次涂覆層 包層 纖芯 套層光纖波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)：1、纖芯：石英玻璃，直徑5-75um，材料以二氧化硅為主，摻雜微量元素。

3、2、包層：直徑100-200um，折射率略低于纖芯。3、涂敷層：硅酮或丙烯酸鹽，隔離雜光，保護(hù)。4、尼龍或其他有機(jī)材料，提高機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖。2. 光纖傳感器的基礎(chǔ)第4頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一5光纖的光波導(dǎo)原理n1n2n2n2n1光纖的臨界角對(duì)應(yīng)光纖的入射角臨界值為：第5頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一漸變光纖的導(dǎo)光原理示意圖6在漸變光纖中光線傳播的軌跡近似于正弦波。第6頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一光纖的分類7 石英系列光纖（以SiO2為主要材料） 按光纖組成材料劃分 多組分光纖（材料由多組成分組成） 液芯光

4、纖（纖芯呈液態(tài)） 塑料光纖（以塑料為材料） 階躍型光纖（SIF）光纖種類 按光纖纖芯折射率分布劃分 漸變型光纖（GIF） W型光纖 單模光纖（SMF） 按光纖傳輸模式數(shù)劃分 多模光纖（MMF ）第7頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一光纖的纖芯折射率剖面分布8 2b 2b 2b 2c 2a 2a 2a n n n n1 n1 n1 n2 n2 n2 n3 0 a b r 0 a b r 0 a c b r （a）階躍光纖 （b） 漸變光纖 （c）W型光纖 第8頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一9光纖的類型第9頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)4

5、9分，星期一光纖中的重要參數(shù) 10為表示光纖的集光能力大小，定義光纖波導(dǎo)臨界入射角的正弦值為光纖的數(shù)值孔徑（NA），即：1、數(shù)值孔徑（NA,Numerical Aperture）當(dāng)光線在纖芯與包層界面上發(fā)生全反射時(shí)，相應(yīng)的端面入射角為光纖波導(dǎo)的孔徑角（或端面臨界角）。即只有光纖端面入射角大于的光線才能在光纖中傳播，故光纖的受光區(qū)域是一個(gè)圓錐形區(qū)域，圓錐半錐角的最大值就等于孔徑角。光纖參數(shù)數(shù)值孔徑的意義？第10頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一2、光纖中的模式(Fiber Mode)11 電磁波的傳播遵從麥克斯韋方程，而在光纖中傳播的電磁場(chǎng)根據(jù)由光纖結(jié)構(gòu)決定的邊界條件，可求

6、得滿足波動(dòng)方程的特定的離散的解，而某一個(gè)解代表許多允許沿光纖波導(dǎo)傳播的波，每個(gè)允許傳播的解稱為光纖的模式，每個(gè)波具有不同的振幅和傳播速度。光纖中可能傳播的模式有橫電波、橫磁波和混合波。（1）橫電波TEmn：縱軸方向只有磁場(chǎng)分量；橫截面上有電場(chǎng)分量的電磁波。中下標(biāo)m表示電場(chǎng)沿圓周方向的變化周數(shù)，n表示電場(chǎng)沿徑向方向的變化周數(shù)。（2）橫磁波TMmn:縱軸方向只有電分量；橫截面上有磁場(chǎng)分量的電磁波。（3）混合波HEmn或EHmn:縱軸方向既有電分量又有磁場(chǎng)分量，是橫電波和橫磁波的混合。無(wú)論哪種模式，當(dāng)m和n的組合不同，表示的模式也不同。光纖中的重要參數(shù) 第11頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4

7、點(diǎn)49分，星期一3、光纖的歸一化頻率V 12歸一化頻率是為表征光纖中所能傳播的模式數(shù)目多少而引入的一個(gè)特征參數(shù)。其定義為：光纖中的重要參數(shù) 其中， r是光纖的纖芯半徑； 是光纖的工作波長(zhǎng)； n1和n2 分別是光纖的纖芯和包層折射率； k0 真空中的波數(shù)； 光纖的相對(duì)折射率差。歸一化頻率越大，光纖所允許傳播的模式越多，當(dāng)V2.405時(shí)，光纖中只允許一個(gè)模式傳播，即基模。第12頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一模式特性 當(dāng)0V2.405時(shí),光纖中除主模（或基模）HE11 模以外，其余模式均截止，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)單模傳輸。13單模傳輸條件多模傳輸?shù)臄?shù)目對(duì)于階躍型光纖，光纖中的傳輸模式

8、數(shù)為 對(duì)于漸變型光纖，光纖中的傳輸模式數(shù)為第13頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一14截止波長(zhǎng)是單模光纖特有的參數(shù)，對(duì)應(yīng)于第一高階模的歸一化截止頻率Vc=2.405時(shí)的波長(zhǎng)。4、截止波長(zhǎng) c第14頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一光纖的損耗特性15損耗的定義當(dāng)光在光纖中傳輸時(shí)，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸減小，這種現(xiàn)象即稱為光纖的損耗。損耗一般用損耗系數(shù)表示： (單位：dB/km) 損耗大小影響光纖的傳輸距離長(zhǎng)短和中繼距離的選擇。損耗的種類吸收損耗：來源于光纖物質(zhì)和雜質(zhì)的吸收作用；散射損耗：光纖材料的不均勻性和尺寸缺陷，如瑞利散射；其他損耗：如光纖

9、彎曲也引起散射損耗。部分光纖傳感器利用了光纖的損耗特性。第15頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一光纖的損耗16損耗散射損耗制作缺陷折射率分布不均勻芯-涂層界面不理想氣泡、條紋、結(jié)石本征散射及其他瑞利散射布里淵散射拉曼散射吸收損耗本征吸收紫外吸收紅外吸收雜質(zhì)離子的吸收過渡族金屬離子OH- 離子彎曲損耗第16頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一17光纖的色散特性色散的定義色散的種類光纖的色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，隨傳輸距離增加，由于不同成分的光傳輸時(shí)延不同引起的脈沖展寬的物理效應(yīng)。色散主要影響系統(tǒng)的傳輸容量，也對(duì)中繼距離有影響。色散的大小常用時(shí)延差表示，

10、時(shí)延差是光脈沖中不同模式或不同波長(zhǎng)成分傳輸同樣距離而產(chǎn)生的時(shí)間差。模式色散：模式色散是由于光纖不同模式在同一波長(zhǎng)下傳播速度不同，使傳播時(shí)延不同而產(chǎn)生的色散。只有多模光纖才存在模式色散，它主要取決于光纖的折射率分布。材料色散：材料色散是由于光纖的折射率隨波長(zhǎng)變化而使模式內(nèi)不同波長(zhǎng)的光時(shí)間延遲不同產(chǎn)生的色散。取決于光纖材料折射率的波長(zhǎng)特性和光源的譜線寬度。波導(dǎo)色散：波導(dǎo)色散是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān)而產(chǎn)生的色散。取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯包層的相對(duì)折射率差。第17頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一18 波導(dǎo)色散和材料色散都是模式的本身色散，也稱模內(nèi)色散。對(duì)于多模光纖，既有模式色散

11、，又有模內(nèi)色散，但主要以模式色散為主。梯度型光纖中模式色散大為減少。 而單模光纖不存在模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散，由于波導(dǎo)色散比材料色散小很多，通?？梢院雎?。采用激光光源可有效減小材料色散的影響。第18頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一19光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器（Function Fiber Optic Sensor），又稱FF型光纖傳感器；利用光纖本身感受被測(cè)量變化而改變傳輸光的特性，光纖既是傳光元件，又是敏感元件。另一類是非功能型傳感器（Non-Function Fiber Optic Sensor），又稱NF型光纖傳感器。利用其他敏感元

12、件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為光信號(hào)的傳輸介質(zhì)。光纖傳感器的分類第19頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一20功能型光纖傳感器這類傳感器利用光纖本身對(duì)被測(cè)對(duì)象具有敏感能力和檢測(cè)功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測(cè)對(duì)象作用下，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。非功能型光纖傳感器傳光型光纖傳感器的光纖只當(dāng)作傳播光的媒介，待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用。第20頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一21光纖傳感器的分類列表第21頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，

13、星期一222 光纖的光波調(diào)制技術(shù)強(qiáng)度調(diào)制 相位調(diào)制 偏振調(diào)制 頻率調(diào)制 波長(zhǎng)調(diào)制第22頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一231、強(qiáng)度調(diào)制：IDttIS信號(hào)入射光強(qiáng)度調(diào)制光源出射光輸出ID光探測(cè)器強(qiáng)度調(diào)制原理IOtIit第23頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一24強(qiáng)度調(diào)制是利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度發(fā)生變化來實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的。第24頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一25光是一種橫波。光振動(dòng)的電場(chǎng)矢量E 和磁場(chǎng)矢量H 和光線的傳播方向s 正交。按照光的振動(dòng)矢量E、H 在垂直于光線平面內(nèi)

14、矢量軌跡的不同，又可分為線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光和部分偏振光。偏振調(diào)制就是利用光偏振態(tài)的變化來傳遞被測(cè)對(duì)象的信息。2、偏振調(diào)制調(diào)制原理：普克爾Pockels效應(yīng)(電光效應(yīng))法拉第磁光效應(yīng)光彈效應(yīng)解調(diào)原理：檢偏器第25頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一26普克爾效應(yīng)（電光效應(yīng)）當(dāng)壓電晶體受光照射，并在與光照正交的方向上加以高壓電場(chǎng)時(shí)，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為Pockels效應(yīng)，如下圖所示。并且，這種雙折射正比于所加電場(chǎng)的一次方在晶體中，兩正交的偏振光的相位變化為其中：n0 正常折射率；re 電光系數(shù)；U 加在晶體片上的橫向電壓； 光波長(zhǎng)；L 光傳播方向晶體

15、長(zhǎng)度；d 電場(chǎng)方向晶體厚度。Pockels效應(yīng)及應(yīng)用第26頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一27法拉第效應(yīng)（磁光效應(yīng)）某些物質(zhì)在磁場(chǎng)作用下，線偏振光通過時(shí)其振動(dòng)面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。光的電矢量E旋轉(zhuǎn)角與光在物質(zhì)中通過的距離L和磁場(chǎng)強(qiáng)度H成正比，即式中V為物質(zhì)的弗爾德常數(shù)。利用法拉第效應(yīng)可以測(cè)量磁場(chǎng)。其測(cè)量原理如圖所示。第27頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一28光彈效應(yīng)在垂直于光波傳播方向上施加應(yīng)力，被施加應(yīng)力的材料將會(huì)使光產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其折射率的變化與應(yīng)力材關(guān)，這被稱為光彈效應(yīng)。由光彈效應(yīng)產(chǎn)生的偏振光的相位變化為： 式中：K 物質(zhì)

16、光彈性常數(shù)；P 施加在物體上的壓強(qiáng)；L 光波通過材料的長(zhǎng)度。此時(shí)出射光強(qiáng)為：光彈效應(yīng)示意圖第28頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一29偏振調(diào)制的解調(diào)原理渥拉斯頓棱鏡解調(diào)原理 解偏過程：如圖為偏振光分束器，方解石組成。兩棱鏡光軸垂直，光線垂直入射到No.1，光束不分開，但o光1和e光1速度不同。到達(dá)No.2時(shí)，光軸垂直，o光1和e光1的角色互換，o光2對(duì)應(yīng)的折射率從n0到ne，e光2對(duì)應(yīng)的折射率從ne到n0，nen0，所以兩光束分開。偏振角為。光束傳播示意圖eooe45o第29頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一30 偏振角與光分量的關(guān)系： 偏振角與光源

17、強(qiáng)度和通道能量衰減無(wú)關(guān)，只與兩分光束的光強(qiáng)有關(guān)系。由偏振角值可推知需要傳感的物理量 兩光分量對(duì)應(yīng)的振幅分別為：第30頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一31相位調(diào)制的基本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測(cè)干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。3、相位調(diào)制應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)：光纖長(zhǎng)度變化光彈效應(yīng):光纖芯折射率變化磁致伸縮效應(yīng)：光纖芯直徑變化聲光效應(yīng)光熱效應(yīng)薩格納克(Sagnac)效應(yīng)檢測(cè)原理相位解調(diào)原理：光外差檢測(cè)原理第31頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月

18、20日，4點(diǎn)49分，星期一32典型干涉測(cè)量?jī)x與光纖干涉?zhèn)鞲衅鳎厚R赫-澤德爾(Mach-Zender)干涉儀法布里-泊羅(Fabry-Perot)干涉儀邁克爾遜(Michelson)干涉儀薩格納克(Sagnac)干涉儀常用干涉儀常用光纖干涉?zhèn)鞲衅魇抢蒙鲜鲈碛晒饫w實(shí)現(xiàn)的干涉型光纖傳感器。第32頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一331. 邁克爾遜干涉儀干涉原理：當(dāng)激光束分得的兩光束的光程差小于激光的相干長(zhǎng)度時(shí)，射到光檢測(cè)器上的兩相干光束即產(chǎn)生干涉，且相位差為：傳感器第33頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一34傳感器2. 馬赫澤德爾干涉儀由移動(dòng)平面鏡的位

19、移獲得兩相干光束的相位差，在光檢測(cè)器是產(chǎn)生干涉。優(yōu)點(diǎn)：沒有激光返回激光器，噪聲小，穩(wěn)定性好。對(duì)干涉影響小。第34頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一353. 薩格納克干涉儀激光器輸出的兩束光沿著一條由一個(gè)分束器和三個(gè)平面鏡構(gòu)成的閉合光路反方向傳輸,它們重新合路后再入射到光檢測(cè)器,同時(shí)一部分光又返回到激光器。當(dāng)平臺(tái)沿垂直于光束平面旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩方向相反的光束到達(dá)檢測(cè)器的延遲不同，從而產(chǎn)生相位變化。若平臺(tái)以角速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，則在順時(shí)針方向傳播的光較逆時(shí)針方向傳播的光延遲大。這個(gè)相位延遲量可表示為：通過檢測(cè)干涉條紋的變化，就知道旋轉(zhuǎn)速度，它是目前許多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所用的環(huán)形激光陀螺和

20、光線陀螺的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。第35頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一364. 法布里-珀羅干涉儀傳感器它是由兩塊平行的部分透射平面鏡組成的。這兩塊平面鏡的反射率(反射系數(shù))通常是大于95%。假定反射率為95%,那么在任何情況下,激光器輸出光的95%將朝著激光器反射回來,余下的5%的光將透過平面鏡而進(jìn)入干涉儀的諧振腔內(nèi)。其干涉原理是多光束干涉，其干涉光強(qiáng)度的變化為：第36頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一375. 光纖干涉儀傳感器A: 邁克爾遜干涉儀；b：馬赫-澤德干涉儀；c: 塞格納克干涉儀； d：法布里-珀羅干涉儀敏感器敏感器敏感器敏感器部分透射反射鏡第3

21、7頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一384、頻率調(diào)制及解調(diào)利用外界因素改變光的頻率，通過檢測(cè)光的頻率變化來測(cè)量外界物理量。目前主要是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。如圖所示,P點(diǎn)物體的運(yùn)動(dòng)將S點(diǎn)光源發(fā)出的光散射到Q點(diǎn)被觀察到，設(shè)光頻為f1，由雙重多普勒頻移原理可得：解調(diào)過程：與相位調(diào)制的解調(diào)相同，需要兩束光干涉，在檢測(cè)器上產(chǎn)生差頻，光電流經(jīng)頻譜分析器處理，求出頻率變化。第38頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一393 光纖傳感器實(shí)例3.1 光纖位移傳感器反射式光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示。根據(jù)被測(cè)目標(biāo)表面光反射至接收光纖束的光強(qiáng)度的變化來測(cè)量被測(cè)表面距離

22、的變化。所使用光纖束的特性是影響這種類型光纖傳感器的靈敏度的主要因素之一。在光纖探頭的端部,發(fā)射光纖與接收光纖一般有四種分布:(a)隨機(jī)分布;(b)半球形對(duì)開分布;(c)共軸內(nèi)發(fā)射分布;(d)共軸外發(fā)射分布，如圖所示。第39頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一40典型位移輸出曲線如圖所示。在輸出曲線的前坡區(qū)I,輸出信號(hào)強(qiáng)度增加得很快,這一區(qū)域可以用于微米級(jí)的位移測(cè)量。在后坡區(qū)II,信號(hào)的減弱約與探頭和被測(cè)表面之間的距離平方成反比,可用于距離較遠(yuǎn)而靈敏度、線性度和精度要求不高的測(cè)量。反射式光纖位移傳感器的原理如右圖。1、探頭緊貼被測(cè)件時(shí)，無(wú)光接收沒有電信號(hào)。2、被測(cè)表面逐漸遠(yuǎn)

23、離探頭時(shí)，有一個(gè)線性增長(zhǎng)的輸出信號(hào)。有一最大輸出值“光峰點(diǎn)”。3、繼續(xù)遠(yuǎn)離時(shí)，輸出信號(hào)越來越弱，與距離平方成反比。第40頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一41第41頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一42第42頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一內(nèi)調(diào)制式位移傳感器43 利用微彎效應(yīng)制作的位移傳感器是一種典型的內(nèi)調(diào)制式光纖傳感器。微彎效應(yīng)即待測(cè)物理量變化引起微彎器位移，從而使光纖發(fā)生微彎變形，改變模式耦合，纖芯中的光部分透入包層，造成傳輸損耗。微彎程度不同，泄漏光波的強(qiáng)度也不同、從而實(shí)現(xiàn)了光強(qiáng)度的調(diào)制。由于光強(qiáng)與位移之間有一定的函數(shù)關(guān)

24、系，所以利用微彎效應(yīng)可以制成光纖位移傳感器.第43頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一44HeNe激光器發(fā)射出來的光聚焦到階躍型多模光纖的一端。此光纖沒有涂覆層，數(shù)值孔徑等于0.22。 在變形器前5cm長(zhǎng)的光纖上涂上黑色涂料，以便消除包層模中的光。第44頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一45變形器由兩塊有機(jī)玻璃波紋板組成，每塊波紋板共有5個(gè)波紋，每個(gè)波紋的長(zhǎng)度為3mm。變形器的一塊波紋板可通過千分表用手動(dòng)調(diào)節(jié)的方法使它相對(duì)另一塊產(chǎn)生位移。另一塊板可用壓電式變換器產(chǎn)生動(dòng)態(tài)位移。第45頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一用體積為1cm3

25、的灌滿甘油的檢測(cè)器檢測(cè)包層模中的光信號(hào)。該檢測(cè)器的6個(gè)內(nèi)表面安裝著6個(gè)太陽(yáng)能電池。檢測(cè)器的直流輸出用數(shù)字式毫伏表讀數(shù)、而交流輸出用鎖相放大器檢測(cè)并由記錄儀記錄放大器的輸出。46第46頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一相位干涉式位移傳感器47 Mach-Zehnder光纖干涉儀是應(yīng)用較為廣泛的一種干涉儀?？梢杂糜跍y(cè)量位移，其工作原理如圖第47頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一 48第48頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一49 外施力可以直接產(chǎn)生傳感臂光纖長(zhǎng)度L和直徑d變化以及折射率n變化。為了改善光纖對(duì)壓力的傳感靈敏度，通常在包層

26、外再涂覆一層特殊材料。傳感臂上涂復(fù)材料具有“增敏”特性，而參考光纖涂復(fù)材料對(duì)傳感量具有“去敏”特性。這樣可以有效提高檢測(cè)信噪比。當(dāng)光纖表面涂覆對(duì)其它物理量敏感的材料時(shí)，例如磁致伸縮材料、鋁導(dǎo)電膜和壓電材料等，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其它物理量，如磁場(chǎng)、電流、電壓等的檢測(cè)。第49頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一50光纖液面位移傳感器光纖液面位移傳感器還可作為濃度計(jì)測(cè)量液體濃度，液位傳感器可用于易燃、易爆場(chǎng)合，但不能檢測(cè)污濁液體及會(huì)粘附在測(cè)頭表面的粘稠性物質(zhì)。LEDPD12傳感器光纖探頭結(jié)構(gòu)第50頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一51傳感器光纖探頭的不同結(jié)構(gòu)防液滴

27、附著的方法 反射膜 突出物光纖耦合器單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)光纖光纖棱鏡斜面反射式光纖液位傳感器第51頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一52浸液自聚透鏡光纖水銀接收光源遮光板雙金屬片簡(jiǎn)單類型的光纖溫度傳感器1、水銀式光纖溫度開關(guān)2、遮光式光纖溫度計(jì)第52頁(yè)，共63頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)49分，星期一53原理：半導(dǎo)體材料的光吸收與禁帶寬度Eg有關(guān)，光子能量大于Eg的光被吸收，光子能量等于Eg的是半導(dǎo)體吸收的“紅限波長(zhǎng)g”，被稱為半導(dǎo)體吸收端，在吸收端，波長(zhǎng)的增加半導(dǎo)體吸收呈線性遞減特性，超過這一波長(zhǎng)范圍的光幾乎不產(chǎn)生吸收。當(dāng)溫度增加時(shí)，禁帶寬度變窄，紅限波長(zhǎng)線性地變長(zhǎng)，光吸收端線性地向長(zhǎng)波方向平移。 這個(gè)性質(zhì)反映在半導(dǎo)體的透光性上則表現(xiàn)為：當(dāng)溫度升高時(shí)，其透射率曲線將向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。若采