第10章 下 光導纖維傳感器及應用

2023/10/171第五節(jié)光導纖維傳感器及應用第十章（下）光導纖維傳感器及應用進入

第十章（第五節(jié)）介紹光導纖維傳感器的原理及應用。有一些頁面的文字較多，請教師做減法。第五節(jié)光導纖維傳感器

光的全反射演示

各種裝飾性光導纖維

發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過光導纖維傳導到吊燈。在計算機控制下，可產(chǎn)生動態(tài)變幻圖案。一、光導纖維的基本概念

1.光的反射和折射當一束光線以一定的入射角θ1從介質(zhì)1射到介質(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。

光線的在兩種介質(zhì)界面的反射與折射a）θ1＞θc時的情況

b）θ1=θc時的情況

c）θ1＜θc時的情況（全反射）現(xiàn)在時間是：*光的

全反射當減小入射角時，進入介質(zhì)2的折射光與分界面的夾角將相應減小，將導致折射波只能在介質(zhì)分界面上傳播。對這個極限值時的入射角，定義為臨界角θc。當入射角小于θc時，入射光線將發(fā)生全反射。二、光纖的結(jié)構(gòu)及分類1－纖芯2－包層3－緩沖層4－加強層5－PVC外套光纖的結(jié)構(gòu)（續(xù)）

光在光纖中的全反射

光纜的外形及

光纖的拉制

光纖的類型

a）階躍型b）梯度型c）單孔型型光纖的類型

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。典型多模光纖：50/125um、62.5/125μm

（前者為纖芯直徑，后者為纖芯+包層直徑）

梯度型光纖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。單孔型光纖

單孔型光纖的纖芯直徑較?。〝?shù)微米）接近于被傳輸光波的波長，光以電磁場“模”的原理在纖芯中傳導，能量損失很小，適宜于遠距離傳輸。

典型單模光纖直徑：9/125μm（前者為纖芯直徑，后者為纖芯+包層直徑）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。與光纖耦合的電光與光電轉(zhuǎn)換器件

1－發(fā)射光纖2－接收光纖光纖耦合器(Coupler)又稱分歧器、連接器、適配器、法蘭盤，用于實現(xiàn)光信號分路/合路，或用于延長光纖鏈路的元件。是光纖與光纖，或光纖與光源、接收器之間，進行可拆卸(活動)連接的器件，能將光路的兩個端面精密對接起來，以使發(fā)射光纖輸出的光能量能最大限度地耦合到接收光纖中去，并使其介入光鏈路從而對系統(tǒng)造成的影響減到最小。激光二極管的外形

激光二極管芯片光纖的終端放大器（光/電信號轉(zhuǎn)換器）

二、光纖傳感器的應用光纖傳感器就是將光纖自身作為敏感元件（也稱作測量臂，或敏感元件），直接接收外界的被測量。被測量可引起光纖的長度、折射率、直徑等方面的變化，從而使得在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獗徽{(diào)制。若將光看成簡諧振動的電磁波，則光可以被調(diào)制的參數(shù)有四個，即振幅（強度）、相位、波長和偏振方向。光纖傳感器多用于高電壓、易爆等場合，不易產(chǎn)生電火花。強度調(diào)制型光纖傳感器的幾種形式a）反射式b）遮光式c）吸收式d）微彎式e）接收光輻射式f）熒光激勵式

1－傳感臂光纖2－參考臂光纖3－半反半透鏡（分束鏡）4－光電探測器A5－光電探測器B6－透鏡7－變形器8－輻射體9－熒光體雙路光纖干涉儀用于微小位移測量1－ILD（激光發(fā)生器）2－分束鏡3－透鏡4－參考光纖（參考臂）5－傳感光纖（測量臂）6－敏感頭7－干涉條紋8－光電讀出器光纖液位測量

.光纖液位傳感器

光纖液位傳感器用于

高壓變壓器卻油的液位檢測1－鵝卵石2－冷卻油3－高壓變壓器4－高壓絕緣子5－冷卻油液位指示窗口6－光纖液位傳感器7－連通器光纖溫度傳感器1－感溫黑色殼體2－液晶3－入射光纖4－出射光纖光纖高溫傳感器a）外觀b）信號處理1－黑體腔2－藍寶石高溫光纖3－光纖耦合器4－低溫耦合光纖5－濾光器6－傳導光纖7－通信接口8－輻射信號處理系統(tǒng)及顯示器9－多路輸入端子

保護管內(nèi)為作為敏感元件的高溫光纖低溫傳導光纖光纖溫度傳感器

光纖混凝土應變傳感器

1－入射光纖2－氣隙3－出射光纖4－鋼板5－混凝土6－光源光纖連接頭7－傳導光纖連接頭埋入式光纖光柵應變傳感器埋入式光纖光柵應變傳感器是針對橋梁混凝土箱梁、大壩壩體、高層建筑及其他混凝土構(gòu)件或預制件內(nèi)部應力變形測量需求開發(fā)的高性能應變計。光纖聲壓傳感器1－聲源2－光纖線圈3－干涉鏡光纖聲壓傳感器拖曳線列陣聲吶的監(jiān)聽現(xiàn)在時間是：*光纖大電流傳感器

1－大電流導線2－光纖線圈當線偏振光（見光的偏振）在光纖中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度ψ與磁感應強度B和光穿越介質(zhì)的長度l的乘積成正比，即ψ=VBl，比例系數(shù)V稱為費爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場方向，上述現(xiàn)象稱為法拉第效應。B光纖大電流傳感器（續(xù)）

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基于法拉第電磁效應的光纖電流傳感器應用于架空電纜線路的電流測量和記錄.光纖式光電開關(guān)反射型遮斷型反射鏡反射型光纖式光電開關(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，說明電路板方向放置正確。

光纖耦合器傳輸光纖出射光纖高職資料咨詢電話纖式光電開關(guān)應用遮斷型光纖光電開關(guān)出射光纖接收光纖光/電耦合器被測物（有機玻璃）遮斷式光纖式光電開關(guān)應用

采用遮斷型光纖光電開關(guān)對IC

芯片引腳進行檢測光纖陀螺儀陀螺儀(gyroscope)意即“旋轉(zhuǎn)指示器”，是指對角速率和角偏差敏感的一種傳感器．光纖陀螺儀無活動部件(高速轉(zhuǎn)子)，故稱為固態(tài)陀螺儀。光纖陀螺的工作原理是基于薩格納克(Sagnac)效應。在同一閉合光路中，從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的激光，以相反的方向在光纖中傳播，最后出射并匯合到同一探測點（光電元件）。若在垂直于閉合光路所在平面的軸線方向，存在著相對于慣性空間的轉(zhuǎn)動角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產(chǎn)生光程差。光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。因而只要知道了光程差，及與之相應的兩束光的相位差信息，即可得到旋轉(zhuǎn)角速度。光纖陀螺的光路(開環(huán))當光導纖維線圈轉(zhuǎn)動,兩束相反方向的激光束在檢測器出口就會出現(xiàn)相位差,導致干涉條紋有所移動。利用光敏元件測量干涉條紋的變化，即可換算出光導纖維線圈的角速度和其他參數(shù)。如果設計兩個相互垂直的線圈，就可以測量空間加速度等一系列的運動參數(shù)。檢測器透鏡透鏡光纖線圈光源分束鏡線圈狀光導纖維（n圈）干涉條紋光纖陀螺的特點及用途光纖陀螺儀無機械磨擦力和磨損問題，因而具有較長的使用壽命；具有較強的抗沖擊和抗加速運動的能力；靈敏度和分辨率比普通陀螺儀提高了好幾個數(shù)量級；易于采用集成光路技術(shù)，信號穩(wěn)定，且可直接用數(shù)字輸出，與計算機接口方便；原理上可瞬間啟動，無需預熱；可以構(gòu)成各種慣導系統(tǒng)的傳感器。光纖陀螺儀用于平衡車

(傾角、加速度傳感器)電力驅(qū)動單人