傳感器技術第九章光纖傳感器

傳感器技術第九章光纖傳感器第一頁，共五十一頁，2022年，8月28日光纖傳感器外形第二頁，共五十一頁，2022年，8月28日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(石英、玻璃、塑料等)構成的光通路。由圓柱形內芯和包層組成，而且內芯的折射率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光纖波導原理第三頁，共五十一頁，2022年，8月28日光纖的結構

纖芯包層涂覆層護套第四頁，共五十一頁，2022年，8月28日光的反射、折射

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

第五頁，共五十一頁，2022年，8月28日斯乃爾定理

當光由光密物質n1出射至光疏物質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：第六頁，共五十一頁，2022年，8月28日光纖導光:第七頁，共五十一頁，2022年，8月28日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八頁，共五十一頁，2022年，8月28日當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：第九頁，共五十一頁，2022年，8月28日光在光纖中的全反射

第十頁，共五十一頁，2022年，8月28日光的全反射實驗

第十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日數(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十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日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十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日光纖模式光纖模式: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ǎ梢苑纸鉃檠乜v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十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日單模光纖：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

光纖內光傳播的模式數(shù)量用歸一化頻率ν表示為第十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日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.損耗第十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日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：由于波導材料的結構不同，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，也稱結構色散(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，群速度不同而產生的色散。傳輸距離越長，色散現(xiàn)象越嚴重。第十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日9.1.3光纖傳感器的分類

光纖傳感器是通過對光纖內傳輸?shù)墓膺M行調制，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。所以也稱為傳光型傳感器．或混合型傳感器。第十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日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十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日(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，而且也是敏感元件，光在光纖內受被測量調制。優(yōu)點：結構緊湊、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二十頁，共五十一頁，2022年，8月28日(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制。

優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術，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二十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日(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二十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日9.2光調制與解調技術

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：光的強度調制、偏振(矢量B的方向)調制、頻率調制或相位調制上一頁下一頁返回第二十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日9.2.1強度調制與解調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:結構簡單、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二十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日

1、微彎損耗光纖傳感器

基于微彎損耗機理的強度調制型傳感器的結構如圖所示。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二十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日

?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：第二十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日2.光強度的外調制遮斷型發(fā)送光纖接收光纖反射型接收光纖發(fā)送光纖光纖探頭第二十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日發(fā)射光纖與接收光纖的四種分布第二十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日9.2.2偏振調制與解調利用光的偏振態(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二十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日第三十頁，共五十一頁，2022年，8月28日9.2.3相位調制與解調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三十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日1.邁克爾遜干涉儀第三十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日2.馬赫－澤德爾干涉儀第三十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日3.塞格納克干涉儀第三十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日4.法布里-泊羅干涉儀第三十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日9.2.4頻率調制與解調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； 利用物質受強光照射時的喇曼散射構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三十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日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基礎構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)境結構簡單、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、轉矩、光聲、電流和應變等物理量的測量。第三十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日光纜的外形

第三十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日光纖的類型

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。第三十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日梯度型：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。

第四十頁，共五十一頁，2022年，8月28日單孔型光纖

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“?！钡脑碓诶w芯中傳導，能量損失很小，適宜于遠距離傳輸。

第四十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日與光纖耦合的電光與光電轉換器件

實現(xiàn)電光轉換的元件通常是發(fā)光二極管或激光二極管。

第四十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日激光二極管的外形

激光二極管芯片第四十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日激光二極管與發(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。第四十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日光纖的損耗

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換元件與之匹配。

第四十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日專用的光纖連接頭及光纖插座

光纖與電光轉換元件耦合時，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。

第四十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日光纖液位傳感器

第四十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日光纖式光電開關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