傳感器技術(shù)第九章光纖傳感器

傳感器技術(shù)第九章光纖傳感器第1頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖傳感器外形第2頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月9.1光纖傳感器基礎光纖波導簡稱光纖，是用透光率高的電介質(zhì)(石英、玻璃、塑料等)構(gòu)成的光通路。由圓柱形內(nèi)芯和包層組成，而且內(nèi)芯的折射率n1略大于包層的折射率n2。通常直徑為幾微米到幾百微米9.1.1光纖波導原理第3頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖的結(jié)構(gòu)

纖芯包層涂覆層護套第4頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月光的反射、折射

當一束光線以一定的入射角θ1從介質(zhì)1射到與介質(zhì)2的分界面上時，一部分能量反射回原介質(zhì)；另一部分能量則透過分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。

第5頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月斯乃爾定理

當光由光密物質(zhì)n1出射至光疏物質(zhì)n2時發(fā)生折射

（a）折射角θr大于入射角θi：（b）臨界狀態(tài)入射角θi0：（c）全反射：第6頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖導光:第7頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月n0為入射光AB所在空間的折射率，一般為空氣n0≈1，則：上一頁下一頁返回第8頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月當θr=90°的臨界狀態(tài)時，對應的入射角為：

Sinθi0定義為“數(shù)值孔徑”NA（NumericalAperture）

相對折射率差

arcsinNA是一個臨界角，θi>arcsinNA時，光線進入光纖后在包層消失；θi<arcsinNA時，光線進入光纖后才可以被全反射傳播。上一頁下一頁返回其中：第9頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月光在光纖中的全反射

第10頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月光的全反射實驗

第11頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)值孔徑（NA）NA反映纖芯接收光量的多少，標志光纖集光性能。意義：無論光源發(fā)射功率有多大，只有2θi0張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。 大的數(shù)值孔徑：光纖的集光性能強。 但數(shù)值孔徑太大，光信號畸變也越嚴重。上一頁下一頁返回第12頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖按折射率變化類型分類按纖芯到包層折射率變化：

階躍折射率光纖漸變折射率光纖第13頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖模式光纖模式:光波沿光導纖維傳播的途徑和方式。以不同角度入射的光線在(n1和n2)界面上的反射次數(shù)是不同的。光纖傳輸?shù)墓獠?，可以分解為沿縱軸向傳播和沿橫切向傳播的兩種平面波成分。后者在纖芯和包層的界面上會產(chǎn)生全反射。當它在橫向往返一次的相位變化為2π的整數(shù)倍時，將形成駐波。形成駐波的光線組稱為模。 在光導纖維中傳播模式很多對信息的傳輸是不利的，導致合成信號的畸變，因此我們希望模式數(shù)量較少為好。上一頁下一頁返回第14頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月單模光纖：V<2.405普通單模光纖：n1-n2/n1~310-3

r=2~4m多模光纖：r=25~60m包層半徑b125m光纖傳輸模的總數(shù):

r為光纖半徑，λ為光波波長。希望ν小則r不能太大，且n2與n1之差要小

光纖內(nèi)光傳播的模式數(shù)量用歸一化頻率ν表示為第15頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月9.1.2光纖的特性損耗原因：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/km）式中,L——光纖長度(km)；P0——光纖輸出端光強；Pi——光纖輸入端光強。上一頁下一頁返回1.損耗第16頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月2.色散

色散就是輸入脈沖在光纖中傳輸過程時，由于光波的群速度不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象。它使信號脈沖畸變。限制了光纖的傳輸帶寬。(1)材料色散：同一材料的折射率隨光波長的變化而變化，這是光信號中各波長分量的光的群速度不同而引起的色散；(2)波導色散：由于波導材料的結(jié)構(gòu)不同，某一波導模式的傳播常數(shù)隨著信號角頻率的變化而引起的色散，也稱結(jié)構(gòu)色散(3)多模色散：在多模光纖中，由于各個模式在同一角頻率下的傳播常數(shù)不同，群速度不同而產(chǎn)生的色散。傳輸距離越長，色散現(xiàn)象越嚴重。第17頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月9.1.3光纖傳感器的分類

光纖傳感器是通過對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制，使傳輸光的強度、相位、頻率或偏振等特性發(fā)生變化，再通過對被調(diào)制的光信號進行檢測，從而得出相應被測量的傳感器。光纖傳感器一般可分為兩大類：功能型FF和非功能型NF功能型FF:利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件。也稱傳感型光纖傳感器，或全光纖傳感器。非功能型：利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅做為光的傳輸介質(zhì)。所以也稱為傳光型傳感器．或混合型傳感器。第18頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月a類：功能型FFb類：非功能型NFC類：拾光型NF上一頁下一頁返回第19頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月(a)功能型（全光纖型）光纖傳感器光纖在其中不僅是導光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。

缺點：須用特殊光纖，成本高，

典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。

上一頁下一頁返回第20頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月(b)非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖在其中僅起導光作用，光照在非光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。

優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。

缺點：靈敏度較低。 實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。上一頁下一頁返回第21頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月(c)拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對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 輻射式光纖溫度傳感器上一頁下一頁返回第22頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)

光就是一種橫波，光的電矢量E：B：電場E的振幅矢量ω：光波的振動頻率：光相位可以用被測量調(diào)制光的不同參數(shù)，實現(xiàn)對被測量的測量。例如：光的強度調(diào)制、偏振(矢量B的方向)調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制上一頁下一頁返回第23頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2.1強度調(diào)制與解調(diào)利用被測對象引起載波光強度變化，從而實現(xiàn)對被測對象進行檢測的方式。光強度變化可以直接用光電探測器進行檢測，優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、成本低。缺點:易受光源波動和連接器損耗變化等的影響上一頁下一頁返回第24頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

1、微彎損耗光纖傳感器

基于微彎損耗機理的強度調(diào)制型傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。由光纖中光功率的數(shù)值可得到諸如壓力、位移等被測量的大小。光輸入光輸出變形器光纖LΛ微彎損耗光纖傳感器原理第25頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

?β=β1-β2，其中β1和β2分別為纖芯傳輸模的傳輸常數(shù)和包層輻射模的傳輸常數(shù)。漸變型光纖中：階躍型光纖中：第26頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月2.光強度的外調(diào)制遮斷型發(fā)送光纖接收光纖反射型接收光纖發(fā)送光纖光纖探頭第27頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)射光纖與接收光纖的四種分布第28頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2.2偏振調(diào)制與解調(diào)利用光的偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象信息應用： 電流、磁場傳感器：法拉第效應； 電場、電壓傳感器：泡爾效應； 壓力、振動或聲傳感器：光彈效應； 溫度、壓力、振動傳感器：雙折射性優(yōu)點：可避免光源強度變化的影響，靈敏度高。上一頁下一頁返回第29頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月第30頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2.3相位調(diào)制與解調(diào)被測對象導致光的相位變化，然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息。

利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器； 利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器； 利用電致伸縮的電場、電壓傳感器利用Sagnac效應的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）優(yōu)點：靈敏度很高，缺點：特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，成本高。上一頁下一頁返回第31頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月1.邁克爾遜干涉儀第32頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月2.馬赫－澤德爾干涉儀第33頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月3.塞格納克干涉儀第34頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月4.法布里-泊羅干涉儀第35頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2.4頻率調(diào)制與解調(diào)利用被測對象引起光頻率的變化來進行監(jiān)測。利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器； 利用物質(zhì)受強光照射時的喇曼散射構(gòu)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器等。上一頁下一頁返回第36頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖傳感器的特點上一頁下一頁返回

靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、可橈性、可實現(xiàn)不帶電的全光型探頭頻帶寬動態(tài)范圍大可用很相近的技術(shù)基礎構(gòu)成測不同物理量的傳感器便于與計算機和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的遙測和控制可用于高溫、高壓、強電磁干擾、腐蝕等惡劣環(huán)境結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗能少應用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應變等物理量的測量。第37頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月光纜的外形

第38頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖的類型

階躍型：光纖纖芯的折射率分布各點均勻一致，稱為多模光纖。第39頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月梯度型：梯度型光纖的的折射率呈聚焦型，即在軸線上折射率最大，離開軸線則逐步降低，至纖芯區(qū)的邊沿時，降低到與包層區(qū)一樣。

第40頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月單孔型光纖

單孔型光纖的纖芯直徑較小（數(shù)微米）接近于被傳輸光波的波長，光以電磁場“?！钡脑碓诶w芯中傳導，能量損失很小，適宜于遠距離傳輸。

第41頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月與光纖耦合的電光與光電轉(zhuǎn)換器件

實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的元件通常是發(fā)光二極管或激光二極管。

第42頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月激光二極管的外形

激光二極管芯片第43頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月激光二極管與發(fā)光二極管的帶寬及效率的比較

單模光纖必須采用能發(fā)射單一光譜的激光二極管，它在傳導過程中的發(fā)散損耗較小，穩(wěn)定性較高。第44頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖的損耗

光纖在傳輸信號的過程中損耗應盡量小且穩(wěn)定。在某些波長上，光纖的損耗非常小?？蛇x擇適當波長的電光轉(zhuǎn)換元件與之匹配。

第45頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月專用的光纖連接頭及光纖插座

光纖與電光轉(zhuǎn)換元件耦合時，兩者的軸心必須嚴格對準并固定，可使用專用的連接頭及光纖插座來完成。

第46頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖液位傳感器

第47頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖式光電開關(guān)應用標志孔電路板標志檢測

當光纖發(fā)出的光穿過標志孔時，若無反射，說明