光纖式傳感器

光纖式傳感器第1頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

8光纖傳感器敏感元件：光纖參數(shù)變化過程：非電量－>光信號－>光纖光調制－>電信號工作原理：光強度調制、光波長調制、光頻率調制、光相位調制、光振態(tài)調制、時分調制測量參數(shù)：溫度、壓力、應變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和PH值等優(yōu)點：受電磁干擾，體積小，重量輕，可繞曲，靈敏度高，耐腐蝕，高絕緣強度，防爆性好，集傳感與傳輸于一體，能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等第2頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

10光纖傳感器10.1光纖傳感器的技術基礎10.2光纖傳感器的機構原理與分類10.3光纖傳感器的應用第3頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1光纖傳感器的技術基礎

1.光纖結構纖芯：中心的圓柱體，石英玻璃制成包層：圍繞著纖芯的圓形外層，石英玻璃制成保護套：多為尼龍材料，以增加機械強度第4頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1光纖傳感器的技術基礎

2.光纖傳光原理斯涅耳（Snell）光的折射定律：若要在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，即φ′≥φc=90°第5頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1光纖傳感器的技術基礎

3.數(shù)值孔徑（NA）光纖的NA越大，表明它的集光能力越強，一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于提高耦合效率；但數(shù)值孔徑過大，會造成光信號畸變。所以要適當選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值，如石英光纖數(shù)值孔徑一般為0.2~0.4。

第6頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

10.1.1光纖基本特征

1.光纖折射率分類：階躍折射率光纖、梯度折射率光纖第7頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

10.1.1光纖基本特征

2.按光纖傳輸模式分類：指光波傳播的途徑和方式?？煞譃閱文９饫w、多模光纖。一般纖芯直徑為2~12μm，只能傳輸一種模式稱為單模光纖。這類光纖的傳輸性能好，信號畸變小，信息容量大，線性好，靈敏度高，但由于纖芯尺寸小，制造、連接和耦合都比較困難。纖芯直徑較大（50~100μm），傳輸模式較多稱為多模光纖。這類光纖的性能較差，輸出波形有較大的差異，但由于纖芯截面積大，故容易制造，連接和耦合比較方便。第8頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

10.1.1光纖基本特征

3.按光纖材料分類：（1）高純度石英(SiO2)玻璃光纖，其特點是光傳輸?shù)膿p耗低；（2）多組分玻璃光纖，其特點是纖芯-包層折射率可以在較大的范圍內變化，因而有利于制造出大數(shù)值孔徑的光纖，但材料的損耗大；（3）聚合物光纖，其特點是成本低，缺點是損耗大，溫度性能差；（4）光子晶體光纖，又稱多孔光纖或微結構光纖，這類光纖是由在纖芯周圍沿著軸向規(guī)則排列微小空氣孔構成，通過這些微小空氣孔對光的約束，實現(xiàn)光的傳導。光子晶體光纖以其獨特的光學特性和靈活的設計成為近年來的熱門研究課題。（5）液芯光纖，其特點是纖芯為液體，可以滿足特殊要求。第9頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

10.1.1光纖基本特征

4.按光纖用途分類：通信光纖、非通信光纖（1）通信光纖用于光通信系統(tǒng)，實際使用中大多使用光纜（多根光纖組成的線纜），是光通信的主要傳光介質。（2）非通信光纖是用于通信以外的光纖，是以纖維光學為基礎，為滿足工農業(yè)生產(chǎn)、國防科技、科學研究、交通運輸、醫(yī)療、環(huán)境保護等行業(yè)對傳光、傳像、傳感的要求，結合材料科學和現(xiàn)代制造技術而逐漸發(fā)展起來的一種光纖，它作用距離較短，使用長度長者不足千米，短者僅有數(shù)厘米，甚至數(shù)毫米。

第10頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

10.1.2光纖的損耗

3.光纖傳輸損耗：吸收損耗：本征吸收損耗、雜質離子吸收損耗、原子缺陷吸收損耗。散射損耗：材料密度及濃度不均勻引起的光的散射。光波導彎曲損耗：光波導彎曲會引起傳輸模式的轉換，激發(fā)高階模進入包層產(chǎn)生損耗第11頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

10.1.3光纖的色散光纖的色散：光脈沖受到折射率分布、色散特性、模式分布以及光源的光譜寬度等因素決定的延遲畸變，使該脈沖波形在通過光纖后發(fā)生展寬。因為在光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕牟煌l率成份或不同的模式分量如果以不同的速度傳播，經(jīng)過一定距離到達出射面時產(chǎn)生信號失真。（1）多模色散：模式群速度不同，到達端面時刻不同（2）波導色散：群速度對于光的頻率不是常數(shù)（3）材料色散：光纖材料的折射率隨入射光頻率變化（4）偏振色散：光纖軸的不對稱性，兩正交模有不同的群延遲第12頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

10.1.4光纖的耦合與連接光纖的耦合主要包括光纖與光源、光纖與接收器、光纖與光纖之間直接或間接（通過各種類型的連接器，如透鏡、耦合器等）的相互連接。（1）光纖和光源的耦合（2）光纖和光纖的直接耦合第13頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

10.1.4光纖的耦合與連接（1）光纖和光源的耦合光纖和光源連接時，為了獲得最佳耦合效率，主要應考慮兩者的特征參量相互匹配的問題。包括：纖芯直徑、數(shù)值孔徑、截止波長、偏振特性以及光源面積、發(fā)光分布、光譜特性、輸出功率等。

a.直接耦合：把端面已處理的光纖直接對向激光器的發(fā)光面。影響耦合效率的主要因素是光源的發(fā)光面積與光纖纖芯總面積的匹配及光源發(fā)散角和光纖數(shù)值孔徑角的匹配。

b.透鏡耦合：通過透鏡將激光器發(fā)出的光耦合進光纖中，是一種間接耦合方式。由于透鏡耦合可以大大提高耦合效率，因此得到了廣泛的采用。

第14頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

10.1.4光纖的耦合與連接（2）光纖和光纖的耦合光纖與光纖的直接耦合有固定連接和活動連接兩種方式。

a.固定連接：即光纖熔接，是采用光纖熔接機實現(xiàn)，其優(yōu)點是插入損耗小，穩(wěn)定性好，缺點是不靈活和不方便調試。

b.活動連接：即利用光纖連接器和法蘭盤實現(xiàn)光纖與光纖的直接耦合。在一定程度上，光纖連接器也影響了光傳輸系統(tǒng)的可靠性和各項性能。第15頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

10.2光纖傳感器的機構原理與分類

10.2.1光纖傳感器的機構原理

10.2.2光纖傳感器的分類第16頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.1光纖傳感器的機構原理

1.光纖傳感器的機構原理光波在光纖中傳播時，表征光波的特征參量（振幅、相位、偏振態(tài)、波長等）因外界因素（溫度、壓力、磁場、電場、位移、轉動等）作用而間接或直接地發(fā)生變化，據(jù)此測量引起變化的物理量。第17頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

10.2.1光纖傳感器的機構原理

2.光纖傳感器的特點⑴抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，本質安全。用于大型機電、石油化工、冶金高壓、強電磁干擾、易燃、易爆、強腐蝕環(huán)境。⑵靈敏度高。光波干涉技術使光纖傳感器靈敏度優(yōu)于一般傳感器。⑶重量輕，體積小，可變形。航空、航天以及狹窄空間的應用。⑷測量對象廣泛?，F(xiàn)場測量溫度、壓力、位移、速度、加速度、液面、流量、振動、水聲、電流、電場、磁場、電壓、雜質含量、液體濃度、核輻射等各種物理量、化學量。⑸對被測介質影響小，這對于醫(yī)藥生物領域的應用極為有利。⑹便于復用，便于成網(wǎng)。有利于與現(xiàn)有光通信技術組成遙測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡。⑺成本低。有些種類的光纖傳感器的成本大大低同類傳感器。第18頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.1光纖傳感器的機構原理光纖傳感器的組成：（1）光源（2）敏感元件（光纖）（3）光探測器（4）信號處理系統(tǒng)

第19頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.2光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類：傳感型、傳光型

1.光強調制傳感型

2.相位調制傳感型

3.偏振調制傳感型

4.波長調制傳感型

5.傳光型光纖傳感器第20頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

10.2.2光纖傳感器的分類（1）功能型傳感器（傳感型傳感器）：利用光纖本身的某種敏感特性或功能

第21頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.2光纖傳感器的分類（2）非功能型傳感器（傳光型傳感器）：光纖僅僅起傳輸光的作用，它在光纖端面或中間加裝其它敏感元件感受被測量的變化。

第22頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月1.光強調制傳感型光強調制：利用外界因素引起光纖折射率、吸收率、反射率等參數(shù)變化，導致光纖中光的強度，測量光強的變化來測量外界物理量。

a、光纖微彎傳感器

b、光纖受抑全內反射傳感器第23頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.光強調制傳感型

c、光纖輻射傳感器

d、折射率強度調制第24頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.相位調制傳感型相位調制：利用外界因素改變光纖中光波的相位，通過檢測相位變化來測量物理量。大多數(shù)采用光的干涉技術來檢測光的相位變化。 （1）靈敏度高：光學中的干涉法是已知最靈敏的探測技術之一。（2）靈活多樣：探頭的幾何形狀可按使用要求而設計成不同形式。 （3）對象廣泛：只要對干涉儀中的光程產(chǎn)生影響，就可用于傳感。 （4）特殊需要的光纖：應使同一模式光疊加，大多采用單模光纖。干涉檢測技術的光纖傳感器 （1）邁克爾遜（Michelson）型；（2）馬赫-曾德（Mach-Zehnder）型；（3）法布里-泊羅（Fabry-Perot）型；（4）環(huán)形干涉型（Sagnac型）。第25頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.相位調制傳感型 （1）邁克爾遜光纖干涉儀和馬赫-曾德光纖干涉儀

第26頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.相位調制傳感型 （2）環(huán)形光纖干涉儀（光纖陀螺）

第27頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.相位調制傳感型 （3）法布里-泊羅干涉儀

第28頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.偏振態(tài)調制傳感型偏振態(tài)調制：利用光在傳播過程中偏振態(tài)的變化對被測對象進行檢測的光纖傳感器。改變光波的偏振態(tài)的方法常見的有： （1）利用光在處于磁場中的媒質內傳播的法拉第效應； （2）利用光在電場中的壓電晶體內傳播的電光效應； （3）利用物質的光彈效應； （4）利用光纖的雙折射特性等。

第29頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.偏振態(tài)調制傳感型偏振態(tài)調制型光纖傳感器最典型的例子就是利用光在磁場中媒質內傳播的法拉第效應制作的高壓傳輸線用光纖電流傳感器。處于磁場中的光纖會使在光纖中傳播的偏振光發(fā)生偏振面的旋轉，這就是光纖材料的法拉第（Faraday）效應（熔石英的磁光效應）。其旋轉角度與菲耳德常數(shù)V、磁場強度H、磁場中光纖的長度L成正比：第30頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.波長調制傳感型波長調制：外界參量影響光纖器件的特征波長，引起特征波長的變化。通過測量這個變化從而間接測量引起變化的外界參量，這就是波長調制型光纖傳感器。 （1）光纖布喇格光柵傳感器 當光波通過光柵區(qū)域時，滿足布喇格條件的光波將被反射回來，觀測反射譜或透射譜，可測量應力、應變、溫度。第31頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.波長調制傳感型頻率調制：利用外界因素改變光的頻率，通過檢測光的頻率變化來測量外界物理量的原理。光源和觀測者之間的相對運動對接受到的光的頻率產(chǎn)生的影響．如果頻率為f的光入射到相對于探測器速度為v則起動物體上。則從運功物體反射的光頻率fs為：

第32頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.傳光型傳感型光纖只是傳光元件，不是敏感元件，是一種廣義的光纖傳感器。 （1）光強調制傳光型光纖傳感器

調制光強的辦法有調制透射光強、反射光強以及全內反射光強等。

a.調制反射光強第33頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.傳光型傳感型反射強度調制第34頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月5.傳光型傳感型位移強度調制光閘強度調制第35頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.傳光型傳感型 （2）相位調制傳光型光纖傳感器