傳感器光纖傳感器

關(guān)于傳感器光纖傳感器第1頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三光纖傳感器的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：不受電磁干擾，可繞曲，耐腐蝕，高絕緣強(qiáng)度，防爆性好，靈敏度高，能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等。被測(cè)量范圍廣：溫度、壓力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和PH值等70多個(gè)物理量；應(yīng)用領(lǐng)域：自動(dòng)控制、在線檢測(cè)、故障診斷、安全報(bào)警等方面第2頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三一、光纖1、基本原理1）幾何光學(xué)的基本定義和定律光在均勻介質(zhì)中：直線傳播在兩介質(zhì)1和2的界面上發(fā)生：反射角＝入射角θ1折射角θ2反射折射第3頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三2）斯乃爾定律（Snell‘sLaw)——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(nèi)，折射光線和入射光線位于法線的兩側(cè)，且滿足：n1sin1=n2sin

2光折射示意圖n1、n2分別為介質(zhì)1、2的折射率第4頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三3）光的全內(nèi)反射原理（1）當(dāng)光由光密介質(zhì)（大折射率n1）射向光疏介質(zhì)（小折射率n2）時(shí)，2>

1（3）全反射：當(dāng)1>c，2>90，在界面上發(fā)生全反射（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5頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三2、光導(dǎo)纖維——光纖纖芯：玻璃纖維，折射率n1包層：與纖芯同質(zhì)，折射率n2<n1護(hù)套：塑料，光線①：非全反射，能量迅速衰減，消失光線②：在纖芯-包層界面上全反射，不衰減導(dǎo)光原理：光線在纖芯中全反射傳播1）構(gòu)成第6頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三光纖端面入射角θ0與包層中折射角

2之間關(guān)系n0sinθ0=n1sinθ1n1sin

1=n2sin

2

sinθ0=(n1/n0)sinθ1

sin1

=(n2/n1)sin22）數(shù)值孔徑NA——光纖集光性能參數(shù)第7頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三當(dāng)光線發(fā)生全反射時(shí)，

2

>90o，則θ0<θc=arcsinNA當(dāng)

2

<90o時(shí)，θ0>θc=arcsinNA，光線消失。數(shù)值孔徑的意義是：無(wú)論光源發(fā)射功率有多大，只有2θc

張角之內(nèi)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)。θc=arcsinNA

為“數(shù)值孔徑”NA(Numerical

Aperture)。光線剛好不發(fā)生折射，

即：

2=90o

則臨界入射角：第8頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三數(shù)值孔徑的大小由纖芯和包層材料性質(zhì)決定數(shù)值孔徑NA對(duì)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(hào)將產(chǎn)生大的“模色散”會(huì)使信號(hào)發(fā)生嚴(yán)重畸變典型的光纖θ≈10°（sin10°＝0.175）石英光纖的NA＝0.2～0.4第9頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三3）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10頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三（2）光纖按傳輸模式分類a）多模光纖纖芯直徑在50～200μm，光信號(hào)在光纖中可多光線傳輸，以多個(gè)模式同時(shí)傳輸，由于模間色散較大，限制了傳輸數(shù)字信號(hào)的頻率和傳輸距離。可使用LED光源

b）單模光纖纖芯直徑很?。?～10μm)，只能傳輸基模(最低階模)，不存在模間時(shí)延差，具有比多模光纖大得多的帶寬，這對(duì)于高碼速傳輸是非常重要的。需要用激光源?，F(xiàn)在實(shí)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11頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三3、光纖的特性指標(biāo)評(píng)價(jià)信號(hào)通過(guò)光纖的損耗和色散1）損耗特性評(píng)價(jià)指標(biāo)：光強(qiáng)的衰減系數(shù)aPi、Po－入射端和出射端光功率，L－光纖長(zhǎng)度（km）一般光纖傳感器中的光纖L<4m，a<10dB/km的光纖均可選用實(shí)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1.55μm波長(zhǎng)區(qū)的損耗可低到0.18dB/km第12頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三2）色散特別在光纖通訊中，色散使傳輸?shù)男盘?hào)脈沖發(fā)生畸變，從而限制了光纖的傳輸帶寬第13頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三3）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(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)射分布第14頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三塑料光纖玻璃光纖第15頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三常規(guī)光纖與紗芯光纖217－紗芯光纖直徑66m613－紗芯光纖直徑42m第16頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三二、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(nèi)受被測(cè)量調(diào)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(cè)物理量調(diào)制光第17頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三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(cè)量的變化，光纖僅作為光傳輸介質(zhì)，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(cè)物理量調(diào)制光敏感元件第18頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三2、光調(diào)制解調(diào)技術(shù)光的調(diào)制：將信號(hào)疊加到光波上。調(diào)制原理：外界信號(hào)可引起光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)或頻率、相位、偏振態(tài)等光學(xué)性質(zhì)的變化，從而形成不同的調(diào)制：分類：強(qiáng)度調(diào)制型、頻率調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振調(diào)制型第19頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三3、幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù)1）微彎調(diào)制光纖的彎曲能夠使光從纖芯射入包層而產(chǎn)生損耗。微彎光纖傳感器敏感元件——變形器。變形器如一對(duì)錯(cuò)開的帶鋸齒槽的平行板,能引起光纖產(chǎn)生微彎第20頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三2）光強(qiáng)度的外調(diào)制調(diào)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21頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三應(yīng)用1：

反射式光纖位移傳感器工作原理：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(lái)測(cè)量被測(cè)表面距離的變化。第22頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三輸入輸出特性:1)位移為零光纖探頭端部緊貼被測(cè)件表面發(fā)射光錐和接收光錐無(wú)重合面積,接收光纖中無(wú)光信號(hào);2)隨著被測(cè)表面逐漸遠(yuǎn)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(gè)線性增長(zhǎng)的輸出信號(hào);3)當(dāng)接收光纖端面被全部照亮,輸出信號(hào)達(dá)到了位移-輸出信號(hào)曲線上的“光峰點(diǎn)”

第23頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三4)當(dāng)被測(cè)表面繼續(xù)遠(yuǎn)離反射光面積B2大于接收光纖端面積C,光纖探頭更加遠(yuǎn)離被測(cè)表面使接收到的光強(qiáng)逐漸減小,光敏輸出器的輸出信號(hào)逐漸減弱,進(jìn)入曲線的后坡區(qū),第24頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三位移-輸出特性曲線2)后坡區(qū),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。3)光峰區(qū),信號(hào)達(dá)到最大值,其大小取決于被測(cè)表面的狀態(tài)。所以這個(gè)區(qū)域可用于對(duì)表面狀態(tài)進(jìn)行光學(xué)測(cè)量。1)前坡區(qū)輸出信號(hào)的強(qiáng)度增加得非?？?這一區(qū)域可以用來(lái)進(jìn)行微米級(jí)的位移測(cè)量。第25頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三反射型光纖位移傳感器的一個(gè)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(nèi)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(hào)的敏感元件是光電池。光敏檢測(cè)器輸出與接收到的光強(qiáng)成正比的電信號(hào)。對(duì)于每0.25μm位移產(chǎn)生1V的電壓輸出,分辨率是0.025μm。第26頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三在壓力的作用下，膜片產(chǎn)生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(gòu)成：反射型光纖傳感器的探頭前面加上一個(gè)膜片應(yīng)用2：光纖測(cè)壓傳感器第27頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三應(yīng)用3：

光纖麥克風(fēng)（光纖聲音傳感器）FOM1FOM基于獨(dú)特的光學(xué)感應(yīng)器技術(shù)。一個(gè)光束通過(guò)光纖被傳送到MEMS薄膜上。聲音信號(hào)引起薄膜振動(dòng)調(diào)整被反射的光的強(qiáng)度,然后被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。第28頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三光纖加速度傳感器一個(gè)光束通過(guò)光纖被傳送到硅膜上。加速度或振動(dòng)信號(hào)引起硅膜的位置改變或振動(dòng)，從而反射光的強(qiáng)度發(fā)生改變，通過(guò)檢測(cè)反射光強(qiáng)的變化，可以檢測(cè)出外界的加速度或振動(dòng)信號(hào)。最后這些信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。第29頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三立體聲光纖聲音監(jiān)聽(tīng)器立體聲光纖監(jiān)聽(tīng)器應(yīng)用在穿過(guò)墻壁進(jìn)行聲音監(jiān)聽(tīng)等智能戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。專為特種部隊(duì)執(zhí)行監(jiān)測(cè)聲音特殊的軍事任務(wù)設(shè)計(jì)第30頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三透光型：

應(yīng)用1：遮光式光強(qiáng)度調(diào)制器光強(qiáng)度－位移變化曲線a）動(dòng)光閘式b）動(dòng)光纖式第31頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三應(yīng)用2：移動(dòng)光柵光纖傳感器間隙中放置一對(duì)光柵,光柵由等寬的全透射和全反射(不透光的)平行線無(wú)交替形成的柵格構(gòu)成。移動(dòng)光柵光纖傳感器原理圖當(dāng)這兩個(gè)光柵發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí),光的透射強(qiáng)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32頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三由左側(cè)輸入光纖的光束,經(jīng)一小段漸變折射率自聚焦透鏡準(zhǔn)直后,一部分成為通過(guò)兩個(gè)光柵傳輸?shù)钠叫?準(zhǔn)直)光束,再經(jīng)第二個(gè)自聚焦透鏡,把它們聚焦到輸出光纖中。應(yīng)用3：在水聽(tīng)器方面應(yīng)用它的兩光柵中有一個(gè)安裝在外殼的剛性底板上,而另一個(gè)光柵則與一塊彈性膜片相連。第33頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三三、光纖光柵傳感器——Brag光柵傳感器OFBG－Opticalfiberbraggrating光纖光柵：一段光纖，其纖芯具有周期性變化的折射率：其中：Λ——光纖光柵的周期（柵距），

n——纖芯的平均折射率Brag波長(zhǎng)：λb=2nΛ特性：入射光中光波長(zhǎng)與光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)λb相同的分量會(huì)被光纖光柵反射第34頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三光纖光柵特性第35頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三檢測(cè)原理當(dāng)光纖受到軸伸長(zhǎng)時(shí)（受應(yīng)力、溫度）柵距Λ＝Λ0＋δλb=2n（Λ0＋δ

）＝λb0＋λδ其靈敏度：1.2pm/με測(cè)量反射光的波長(zhǎng)第36頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三檢測(cè)原理用一對(duì)光耦合器接上波長(zhǎng)檢測(cè)器來(lái)量測(cè)，可獲得布拉格波長(zhǎng)的變化利用光纖光柵布拉格波長(zhǎng)隨溫度、應(yīng)變變化特性，可進(jìn)行溫度、應(yīng)變、應(yīng)力、壓力等的變化。第37頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三應(yīng)用1：分布式光纖光柵多點(diǎn)測(cè)量第38頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三參數(shù)規(guī)格第39頁(yè)，講稿共45頁(yè)，2023年5月2日，星期三應(yīng)用2：光纖光柵應(yīng)變傳感器為便于保護(hù)，傳感器被封裝于圖示的盒子里，光纖從盒子的兩側(cè)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(nèi)，以便保護(hù)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(cè)物的表面。為防止潮濕對(duì)光纖的侵蝕和破壞，盒子內(nèi)可注入