光纖傳感器詳解演示文稿

光纖傳感器詳解演示文稿目前一頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點優(yōu)選光纖傳感器目前二頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

哈爾濱工程大學自動化學院CollegeofAutomationofHEU第5章

光纖傳感器信號檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)各種裝飾性光導纖目前三頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器信號檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)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東方明珠球體的表面。在計算機控制下，可產(chǎn)生動態(tài)圖案。目前四頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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基礎(chǔ)知識信號檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)1光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)圖介質(zhì)光波導——裸光纖1-聚乙烯層2-聚酯樹酯或瀝青層3-鋼絞線層4-鋁制防水層5-聚碳酸酯層6-銅管或鋁管7-石蠟烷烴層8-光纖束光纜結(jié)構(gòu)圖目前五頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

哈爾濱工程大學自動化學院CollegeofAutomationofHEU信號檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)2.光纖傳光原理斯乃爾定理（Snell'sLaw）n1n2θrθi(a)光的折射示意圖5.1

基礎(chǔ)知識目前六頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

哈爾濱工程大學自動化學院CollegeofAutomationofHEU信號檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)n1n2θrθi

(b)臨界狀態(tài)示意圖5.1

基礎(chǔ)知識目前七頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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基礎(chǔ)知識n1n2θrθi

(c)光全反射示意圖臨界入射角目前八頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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基礎(chǔ)知識

光纖導光原理實現(xiàn)全反射的臨界入射角為：目前九頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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基礎(chǔ)知識

:定義為光纖的數(shù)值孔徑，用NA表示，反映纖芯接收光量的多少，是光纖的一個重要參數(shù)。數(shù)值孔徑有關(guān)數(shù)值孔徑幾個重要結(jié)論目前十頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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基礎(chǔ)知識是指光波沿光纖傳播的途徑和方式，不同入射角度光線在界面上反射的次數(shù)不同。光波之間的干涉產(chǎn)生的強度分布也不同，模式值定義為：光纖模式a——纖芯半徑；——入射光波長目前十一頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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基礎(chǔ)知識3.光纖分類按折射率變化：目前十二頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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基礎(chǔ)知識按傳播模式分：單模光纖和多模光纖目前十三頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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基礎(chǔ)知識單模光纖多模光纖纖芯直徑小只能傳送一種模式性能好、畸變小、線性好制造、連接、耦合困難需要激光源纖芯直徑較大傳播模式較多性能較差，帶寬較窄制造容易，耦合容易LED光源多模漸變光纖多模階躍光纖目前十四頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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基礎(chǔ)知識原因：材料吸收、散射和彎曲處的輻射損耗等。定義：每公里光纖對光功率信號的衰減值；表示：(dB/km)式中α－光線損耗；Pi、Po－分別為光纖輸入輸出功率長為L的光纖衰耗：

微彎曲損耗原理.swf4.光纖特性參數(shù)目前十五頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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基礎(chǔ)知識定義為：一公里長的光纖，其輸出光功率信號下降到其最大值的一半時，對應(yīng)的入射光信號的頻率。由于光信號是以光功率來度量的，所以其帶寬又稱為3dB光帶寬。即光功率信號衰減3dB時,輸出光功率信號減少一半。帶寬當一個光脈沖從光纖輸入，經(jīng)過一段長度的光纖傳輸之后，其輸出端的光脈沖會變寬，甚至有了明顯的失真，這說明光纖對光脈沖有展寬作用，即光纖存在著色散。單模光纖：材料色散、波導色散；多模光纖：模式色散一般來說，光纖三種色散的大小順序是：

模式色散>材料色散>波導色散

色散目前十六頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型1.光纖傳感器結(jié)構(gòu)光是一種電磁波，其物理作用和生物化學作用主要因其中的電場而引起。因此，討論光的敏感測量必須考慮光的電矢量E的振動，即A：電場E的振幅；ω：光波的振動頻率φ：光相位；t：光的傳播時間被測量調(diào)制：光的強度、偏振態(tài)（矢量A的方向）、頻率和相位解調(diào)：光的強度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制目前十七頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型光纖信號處理光接收器敏感元件光發(fā)送器（b）光纖傳感器信號處理電源信號接收敏感元件（a）傳統(tǒng)傳感器導線目前十八頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型2.光纖傳感器類型根據(jù)光纖在傳感器中的作用：非功能型、功能型和拾光型。（1）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器：光纖僅起導光作用，只“傳”不“感”。優(yōu)點：無需特殊光纖及技術(shù)，易實現(xiàn)，成本低。缺點：靈敏度較低。信號處理光受信器敏感元件光發(fā)送器光纖目前十九頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型（2）功能型（全光纖型）光纖傳感器：利用光纖在外界因素作用下，其光學特性的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。

缺點：須用特殊光纖，成本高，

例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。信號處理光受信器光纖敏感元件光發(fā)送器目前二十頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型（3）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信號處理光受信器光發(fā)送器光纖耦合器被測對象目前二十一頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式：強度調(diào)制型、偏振調(diào)制型、頻率調(diào)制型和相位調(diào)制型。

（1）強度調(diào)制型：利用被測對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，而導致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量。應(yīng)用：

光纖力傳感器：利用微彎損耗分布式輻射傳感器：利用光損耗分布式化學傳感器：利用化學染料對光的吸收目前二十二頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型（2）偏振調(diào)制型：采用單模光纖，利用外界因素改變單模光纖中偏振光的偏振狀態(tài)。應(yīng)用：

電流、磁場傳感器：法拉第效應(yīng)； 電場、電壓傳感器：電光效應(yīng)； 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。目前二十三頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型（3）頻率調(diào)制光纖傳感器：利用由被測對象引起的光頻率的變化來進行檢測的傳感器。

手段：通過光學多普勒效應(yīng)（聲學）實現(xiàn)。

光學多普勒效應(yīng)：當光源和光探測器都不動時，光源發(fā)出的頻率為fo的光波，經(jīng)過運動體散射或反射后，由探測器接收到的光波頻率fs發(fā)生變化。

應(yīng)用：光纖多普勒測速儀

目前二十四頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型探測器接收運動體反射的光波頻率為：由于光源的波長λ很短，即使運動體的速度v很低，仍可以獲得較明顯的多普勒頻移Δf。光源觀測者被測量移動速度v被測量光學多普勒效應(yīng)目前二十五頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型（4）相位調(diào)制型：利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導致光的相位變化。

光波的相位由光波長λo(真空)、介質(zhì)折射率n及介質(zhì)長度L決定。目前二十六頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型應(yīng)用： 測力、測溫度、光干涉儀。當光纖受到機械力的作用，會使光纖長度、芯徑、折射率等發(fā)生變化，引起相位的變化。應(yīng)變效應(yīng)彈光效應(yīng)泊松效應(yīng)目前二十七頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器應(yīng)用-光纖陀螺1.陀螺儀（gyroscope）原理：一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。結(jié)構(gòu)：旋轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子、支架、內(nèi)環(huán)架、外環(huán)架，三軸作自由運動。機械陀螺（MechanicalGyro）目前二十八頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器應(yīng)用-光纖陀螺特性：定軸性和進動性。定軸性：高速旋轉(zhuǎn)，無任何外力矩時，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變，即指向一個固定的方向；同時反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。進動性：轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動；若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。目前二十九頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器應(yīng)用-光纖陀螺產(chǎn)品：陀螺方向儀、陀螺羅盤、陀螺垂直儀、陀螺垂直儀、速率陀螺儀、陀螺穩(wěn)定平臺、陀螺儀傳感器等。分類：機械陀螺儀、激光陀螺儀、光纖陀螺儀、MEMS陀螺儀應(yīng)用：飛行器、航空、航海導航，穩(wěn)定船體，慣性導航，移動便攜設(shè)備定位。目前三十頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器應(yīng)用-光纖陀螺光纖陀螺(FOG)是一種基于Sagnac原理的相位調(diào)制型光纖角速度傳感器，與傳統(tǒng)的陀螺相比，它內(nèi)部沒有機械旋轉(zhuǎn)元件，工作啟動時間短，穩(wěn)定性好，壽命長，動態(tài)范圍寬，質(zhì)量輕，易于微型化，保持著較高的性價比。2.光纖陀螺儀目前三十一頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器應(yīng)用-光纖陀螺（1）Sagnac效應(yīng)薩格納克效應(yīng)：在同一閉合光路中，從同一光源發(fā)出的兩束特征相同的光，以相反的方向進行傳播，最后匯合到同一探測點。系統(tǒng)靜止無旋轉(zhuǎn)條件下，兩束光傳輸時間相等：真空中的Saganc效應(yīng)目前三十二頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器應(yīng)用-光纖陀螺旋轉(zhuǎn)條件下:傳輸相位差：系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)靜止順時針傳輸?shù)墓饩€：逆時針傳輸?shù)墓饩€：目前三十三頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器應(yīng)用-光纖陀螺介質(zhì)中的Saganc效應(yīng)對于光纖陀螺儀，光在光纖（介質(zhì)）中傳播，傳播速率（c/n）不但與介質(zhì)的折射率n有關(guān)，還與介質(zhì)的切線速率有關(guān)（相對論效應(yīng)）。相對于靜止的觀察者而言，光在介質(zhì)中傳播速度，由于介質(zhì)運動所引起的變化剛好補償了折射率對傳播速度的影響。因此，Sagnac效應(yīng)與真空中相同。目前三十四頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器應(yīng)用-光纖陀螺Saganc效應(yīng)的結(jié)論Sagnac效應(yīng)是一種與介質(zhì)無關(guān)的純空間延遲，光纖折射率對Sagnac效應(yīng)相移沒有影響；Sagnac相移僅與閉合光路的面積或者光纖線圈的長度直徑乘積成正比，與閉合光路的形狀、旋轉(zhuǎn)軸的位置無關(guān);Sagnac效應(yīng)產(chǎn)生的相移，由于光速c(3×108m/s)出現(xiàn)在分母中，通常其相移很小。目前三十五頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器應(yīng)用-光纖陀螺（2)光纖陀螺實現(xiàn)原理光纖陀螺本質(zhì)上是一個環(huán)形干涉儀，通過采用多匝光纖線圈來增強相對慣性空間的旋轉(zhuǎn)引起的Sagnac效應(yīng)。光纖陀螺實現(xiàn)原理圖目前三十六頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器應(yīng)用-光纖陀螺相位調(diào)制與解調(diào)技術(shù)必須使用信號調(diào)制解調(diào)技術(shù)！目前三十七頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器應(yīng)用-光纖陀螺按工作原理分：干涉型光纖陀螺儀(I-FOG)，即第一代，應(yīng)用最廣泛。采用多匝光纖圈來增強SAGNAC效應(yīng)，整體結(jié)構(gòu)更加復雜；諧振式光纖陀螺儀(R-FOG)，是第二代，采用環(huán)形諧振腔增強SAGNAC效應(yīng)，利用循環(huán)傳播提高精度，可采用較短光纖。受激布里淵散射光纖陀螺儀(B-FOG)，第三代光纖陀螺儀比前兩代又有改進，目前還處于理論研究階段。(3)光纖陀螺儀的分類：目前三十八頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器應(yīng)用-光纖陀螺按回路類型分：開環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺開環(huán)光纖陀螺:不帶反饋，直接檢測光輸出，省去復雜的光學和電路結(jié)構(gòu).缺點是靠增加單模光纖的長度來提高陀螺的靈敏度，輸入一輸出線性度差、動態(tài)范圍小，主要用作角度傳感器。開環(huán)的干涉型光纖陀螺(IOFG)的基本結(jié)構(gòu)是一個環(huán)形雙光束干涉儀。目前三十九頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器應(yīng)用-光纖陀螺系統(tǒng)采用偏置調(diào)制提高信號檢測靈敏度；采用閉環(huán)控制降低光電檢測器工作范圍，提高檢測精度。數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺

目前四十頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點

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光纖傳感器應(yīng)用-光纖陀螺第一臺閉環(huán)光纖陀螺（FirstClosedL