第9章光纖傳感器

第九章光纖傳感器

1第一節(jié)光纖傳感器基礎(chǔ)

第二節(jié)光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)第三節(jié)光纖傳感器實(shí)例(穿插在第二節(jié)中)1、光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理

2、光纖的分類

4、光纖傳感器的分類3、光纖的特性1、強(qiáng)度調(diào)制與解調(diào)（重點(diǎn)）2、偏振調(diào)制與解調(diào)3、相位調(diào)制與解調(diào)（重點(diǎn)）4、頻率調(diào)制與解調(diào)（重點(diǎn)）2

液體檢測(cè)光纖傳感器埋入式光纖應(yīng)變傳感器開關(guān)式光纖傳感器幾種光纖傳感器實(shí)物圖3（一）、光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理1、光纖的結(jié)構(gòu)纖芯包層保護(hù)套一、光纖傳感器基礎(chǔ)

42、光纖的傳光原理—全反射原理

包層n2n1纖芯折射光θ2θ1θ1入射光反射光根據(jù)光的折射定律：臨界角包層n2n1纖芯折射光θ2θc入射光5（二）、光纖的分類1、按折射率分布分類──階躍光纖與漸變光纖1）階躍光纖其折射率分布的表達(dá)式為：6光在階躍光纖中的傳播光在階躍光纖中的傳播軌跡，即按“之”字形傳播及沿纖芯與包層的分界面掠過，如圖所示?？諝獾恼凵渎蕁0θ07光在空氣的折射率n0=1，應(yīng)用多次光的折射定律可得：全反射要求θ1=θc，且8NA的物理意義：能使光在光纖內(nèi)以全反射形式進(jìn)行傳播的接收角θc之正弦值。說明：a、NA表示光纖的集光能力。b、光纖一般不給出折射率n，只給數(shù)值孔徑NA。92）漸變光纖10112、按傳播模式分類──多模光纖與單模光纖光纖模式的概念式中：a1為纖芯半徑；常用麥克斯韋方程導(dǎo)出的歸一化頻率ν作為光纖傳輸模數(shù)的參數(shù)：12要實(shí)現(xiàn)單模傳輸，必須使光纖的諸參量滿足一定的條件，即其歸一化頻率ν

≤2.4048。例，對(duì)于NA=0.12的光纖要在λ=1.3微米以上實(shí)現(xiàn)單模傳輸時(shí)，光纖纖芯的半徑應(yīng)為13理論分析可得，光纖傳輸模的總數(shù)：(階躍型)或（漸變型）1）多模光纖ν≥2.41，光纖傳輸?shù)哪?shù)多，稱為多模光纖。2）單模光纖ν<2.41，只能傳輸基模，稱為單模光纖。14多模光纖與單模光纖的比較多模好比多輛不同速度的汽車，到達(dá)的時(shí)間有差異單模好比是一輛高速火車，運(yùn)載量大15

多模光纖與單模光纖的比較163、按工作波長(zhǎng)分類──短波長(zhǎng)光纖與長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖1）短波長(zhǎng)光纖光波波長(zhǎng)在0.6～0.9μm

范圍內(nèi)（典型值為0.85μm），習(xí)慣上把在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)呈現(xiàn)低衰耗的光纖稱作短波長(zhǎng)光纖。2）長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖在波長(zhǎng)1.31μm和1.55μm附近，石英光纖的衰耗急劇下降如圖所示習(xí)慣上把工作在1.0～2.0μm波長(zhǎng)范圍的光纖稱之為長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。17光纖主要工作波長(zhǎng)光纖的衰減圖OH-衰減(dB/km)654321OH-OH-第一窗口第二窗口第三窗口水峰值0.70.80.91.01.11.21.31.41.51.6λμm

654321184、按套塑類型分類──緊套光纖與松套光纖1）緊套光纖所謂緊套光纖是指二次、三次涂敷層與予涂敷層及光纖的纖芯，包層等緊密地結(jié)合在一起的光纖。2）松套光纖所謂松套光纖是指，經(jīng)過予涂敷后的光纖松散地放置在一塑料管之內(nèi)，不再進(jìn)行二次、三次涂敷。191、損耗系數(shù)定義為：每公里光纖對(duì)光功率信號(hào)的衰減值，表達(dá)式為：?jiǎn)挝唬╠B/km）

光纖的損耗機(jī)理（三）、光纖的特性

202、光纖的色散光纖的色散就是輸入脈沖在光纖傳輸過程中，由于光波的群速度不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象。光纖的色散可以分為三部分即模式色散（多模光纖以此為主）材料色散波導(dǎo)色散

（單模光纖以此為主）21模色散：不同方向的光路徑不同，到達(dá)的時(shí)間不同22光纖傳感器和傳統(tǒng)傳感器的比較（a）傳統(tǒng)傳感器

信號(hào)處理電源信號(hào)接收敏感元件導(dǎo)線光纖信號(hào)處理光接收器敏感元件光發(fā)送器（b）光纖傳感器（四）光纖傳感器的分類23光纖傳感器類型: 1、功能型光纖傳感器：把光纖作為敏感元件，又稱傳感型光纖傳感器。2、非功能型光纖傳感器：光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，又稱傳光型光纖傳感器。24光纖傳感器原理示意圖入射光波的特征參量：振幅、相位、偏振態(tài)、頻率等入射光波出射光波光纖——光波傳輸?shù)拿嘿|(zhì)外界因素：溫度、壓力、電場(chǎng)、位移等25（一）、強(qiáng)度調(diào)制與解調(diào)（二）、偏振調(diào)制與解調(diào)二、光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)（三）、相位調(diào)制與解調(diào)（四）、頻率調(diào)制與解調(diào)26調(diào)制：將一攜帶信息的信號(hào)疊加到載波光波上。完成這一過程的器件叫做調(diào)制器。解調(diào)：在光纖傳感器中，光的解調(diào)過程通常是將載波光攜帶的信號(hào)轉(zhuǎn)換成光的強(qiáng)度變化，然后由光電探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。27光波參數(shù):光強(qiáng)、偏振態(tài)、相位、頻率、波長(zhǎng)等相應(yīng)的有：1)、強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器2)、偏振調(diào)制光纖傳感器3)、相位調(diào)制光纖傳感器4)、頻率調(diào)制光纖傳感器光纖傳感器根據(jù)光進(jìn)行調(diào)制的方式不同分為：28

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)度變化來實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感器。（一）、強(qiáng)度調(diào)制與解調(diào)29使光波的強(qiáng)度發(fā)生變化：（1）兩光纖橫向或者縱向運(yùn)動(dòng)；（2）光纖彎曲；（3）折射率的改變；（4）光纖對(duì)被測(cè)信號(hào)的吸收；（5）倏逝波的耦合。30應(yīng)用1、光纖微彎位移和壓力傳感器光纖微彎位移（壓力）傳感器原理光纖微彎對(duì)傳播光的影響光纖芯透射光強(qiáng)度與外力的關(guān)系31能測(cè)量10℃～50℃的溫度。檢測(cè)精度約為0.5℃。缺點(diǎn)是輸出光強(qiáng)受殼體振動(dòng)的影響，且響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，一般需幾分鐘。

熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)光源接收121遮光板2雙金屬片應(yīng)用2、光纖溫度傳感器熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)32應(yīng)用3、反射式光纖位移傳感器

傳光型光纖傳感器。反射式光纖位移傳感器原理圖33光纖分布方式：反射光強(qiáng)與位移的關(guān)系接收光照面積與距離的關(guān)系教材P219習(xí)題與思考題9-434是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測(cè)對(duì)象信息的傳感器。（二）、偏振調(diào)制與解調(diào)1、普克耳效應(yīng)（電光效應(yīng)）2、法拉弟旋轉(zhuǎn)效應(yīng)（磁光效應(yīng)）3、光彈性效應(yīng)教材P209圖9-10教材P210圖9-1135應(yīng)用：偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器教材P217偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器測(cè)試原理圖基于法拉弟旋轉(zhuǎn)效應(yīng)（磁光效應(yīng)）工作36通過被測(cè)能量場(chǎng)的作用，使能量場(chǎng)中的一段敏感單模光纖內(nèi)傳播的光波發(fā)生相位變化，利用干涉測(cè)量技術(shù)把相位變化變換為振幅變化，再通過光電探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。（三）、相位調(diào)制與解調(diào)一）相位調(diào)制的原理37基于幾個(gè)物理效應(yīng)

1、應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)1)光纖的長(zhǎng)度變化——應(yīng)變效應(yīng)2)光纖芯的直徑變化——泊松效應(yīng)3)光纖芯的折射率變化——光彈效應(yīng)

2、熱脹冷縮效應(yīng)38當(dāng)光纖受到外界物理量作用時(shí)，光波的相位角變化為：39二）實(shí)現(xiàn)干涉測(cè)量的儀器1、Michelson干涉儀2、Mach-Zehnder干涉儀3、Sagnac干涉儀4、Fabry-Perot干涉儀401、光纖Michelson干涉儀

Laser

DPZTdriverM1M2PZTFDCLl1l241光纖Michelson干涉儀的工作原理422、光纖Mach-Zehnder干涉儀

433、光纖Sagnac干涉儀

激光器光探測(cè)器a結(jié)構(gòu)b原理b光束a光束444、光纖Fabry-Perot干涉儀激光器部分透射反射鏡光探測(cè)器45應(yīng)用1、光纖壓力和溫度傳感器用馬赫-澤德干涉儀測(cè)量壓力或溫度的相位調(diào)制型光纖傳感器原理圖46三種基本結(jié)構(gòu)形式光纖磁場(chǎng)傳感器基本結(jié)構(gòu)應(yīng)用2、光磁場(chǎng)傳感器--磁致伸縮效應(yīng)47應(yīng)用3：：光纖陀螺用集成光學(xué)芯片

（光纖Sagnac干涉儀）Y波導(dǎo)調(diào)制器48產(chǎn)品實(shí)物圖

49應(yīng)用4：光通信用集成光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器

（光纖Mach-Zehnder干涉儀）

偏置電極信號(hào)電極光纖M－Z干涉型光波導(dǎo)50（四）、頻率調(diào)制與解調(diào)是一種利用單色光射到被測(cè)物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。多普勒效應(yīng)：如