光导纤维传感器讲稿.ppt

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1、关于光导纤维传感器第一页，讲稿共四十四页哦 光纤传感器光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)(FOS Fiber Optical Sensor)是是2020世纪世纪7070年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信用光作为敏感信息的载体息的载体，用光纤作为，用光纤作为传递敏感信息的媒质传递敏感信息的媒质。因此，它。因此，它同时具有光纤及光学测量的

2、特点同时具有光纤及光学测量的特点。12.112.1概论概论第二页，讲稿共四十四页哦一、光纤传感器的特点一、光纤传感器的特点二、常用光纤类型及参数二、常用光纤类型及参数 电绝缘性能好。电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。非侵入性。非侵入性。高灵敏度。高灵敏度。容易实现对被测信号的远距离监控。容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量第三页，讲稿共四十四页哦 常用光纤类型及参数常用光纤类型及参数类型类型折

3、射率分布折射率分布distribution of refractive index纤芯直径纤芯直径/m/m Diameter of core包层直径包层直径/m/m Diameter of envelope数值孔径数值孔径Numerical aperture单模单模28801250.100.15多模阶跃多模阶跃光纤光纤(玻璃玻璃)802001002500.10.3多模阶跃多模阶跃光纤光纤(玻璃玻璃/塑料塑料)200100023012500.180.50多模梯度多模梯度光纤光纤501001251500.10.2单模光纤单模光纤:Mono-mode fiber;多模光纤多模光纤:Poly-mode

4、 fiber第四页，讲稿共四十四页哦三、光纤传感器结构原理及分类三、光纤传感器结构原理及分类1 1、光纤传感器结构原理、光纤传感器结构原理 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的光

5、纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器信号处理电 源信号接收敏感元件（a）传统传感器 导线 由光发送器发出的光经源光纤由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。号处理得到所期待的被测量。第五页，讲稿共四十四页哦可见可见,光纤传感器与以电为基础的传统

6、传感器相比较，在测量光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以原理上有本质的差别。传统传感器是以机机电测量电测量为基础，为基础，而光纤传感器则以而光纤传感器则以光学测量光学测量为基础。为基础。光是一种电磁波，其波长从极远红外的光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线到极远紫外线的的10nm。它的。它的物理作用物理作用和和生物化学作用生物化学作用主要因其中的电场而引起。主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即的振动，即 A电场电场E的振幅矢量；的振幅矢量；光波的振动频率

7、；光波的振动频率；光相位；光相位；t光的传播时间。光的传播时间。可见，只要使光的可见，只要使光的强度强度、偏振态偏振态(矢量矢量A的方向的方向)、频率频率和和相位相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。调，获得所需要的被测量的信息。tAEsin第六页，讲稿共四十四页哦传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光纤传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干

8、涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非 干 涉 型 强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调制光纤温度传感器法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制光纤温度传感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、

9、加速度气体浓度温度MMMMMMcbb注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型 2 2、光纤传感器的分类、光纤传感器的分类第七页，讲稿共四十四页哦 1 1）功能型（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光或特殊光纤纤)作传感元件，将作传感元件，将“传传”和和“感感”合为一体的传感器。光纤合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变弯曲、相变)的的作用下，其光学特性作用下，其光学特性(光强、相

10、位、偏振态等光强、相位、偏振态等)的变化来实现的变化来实现“传传”和和“感感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器（1 1）根据光纤在传感器中的作用）根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为光纤传感器分为功能型功能型、非功能型非功能型和和拾光型拾光型三大类。三大类。第八页，讲稿共四十四页哦 2 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器）非功能型（或称传光型）光纤传感器 光纤仅起导光作用，只光纤仅起导光作用，只“传传”不不“感感”，对外界信息的，对外界

11、信息的“感觉感觉”功能依靠其功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。太高的场合。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤 3 3）拾光型光纤传感器）拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐典型例子如光纤激光多普勒速

12、度计、辐射式光纤温度传感器等。射式光纤温度传感器等。信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象第九页，讲稿共四十四页哦 （2 2）根据光受被测对象的调制形式）根据光受被测对象的调制形式形式：形式：强度调制型强度调制型、偏振调制偏振调制、频率调制频率调制、相位调制相位调制。1 1）强度调制型光纤传感器）强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率折射率、吸收吸收或或反射反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的有利用光纤的微弯损耗微弯损耗；各物质的；各物质

13、的吸收特性吸收特性；振动膜或液晶的；振动膜或液晶的反反射光强度射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点优点：结构简单、容易实现，成本低。：结构简单、容易实现，成本低。缺点缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。第十页，讲稿共四十四页哦 2 2）偏振调制光纤传感器）偏振调制光

14、纤传感器 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，振动等传感器。这类

15、传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。因此灵敏度高。3 3）频率调制光纤传感器）频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率频率发生变化发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的光的多普勒效应多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射喇曼散射构成的测量气体构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光

16、致发光光致发光的温度的温度传感器等。传感器等。第十一页，讲稿共四十四页哦 4 4）相位调制传感器）相位调制传感器 其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应

17、的电流、磁弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。此成本高。第十二页，讲稿共四十四页哦光的全反射实验光的全反射实验 12.212.2光纤传感器的基本知识光纤传感器的基本知识第十三页，讲稿共四十四页哦光的反射、折射光的反射、折射 当一束光

18、线以一定的入射角当一束光线以一定的入射角1 1从介质从介质1 1射到介质射到介质2 2的分界面上时，一部分能量反射回原的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。质内继续传播。第十四页，讲稿共四十四页哦 光的全反射光的全反射 当减小入射角时，进入介质当减小入射角时，进入介质2 2的折射光与分界面的夹角的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角个极限值时的入射角，定义为临界角c c。当入射角小于。当入

19、射角小于c c时，入射光线将发生全反射。时，入射光线将发生全反射。第十五页，讲稿共四十四页哦 12.2.112.2.1光线理论光线理论一、均匀纤芯光纤传光的光线理论一、均匀纤芯光纤传光的光线理论1、子午光线的传播、子午光线的传播第十六页，讲稿共四十四页哦220max12sinnnn光纤数值孔径光纤数值孔径NA:2、斜光线的传播、斜光线的传播最大端面入射角最大端面入射角 斜斜 子午子午；maxmax斜光线在纤芯内呈螺旋状全反射折线向前传播；斜光线在纤芯内呈螺旋状全反射折线向前传播；斜光线与斜光线与 =0的光线时差很大，即斜光线的色散的光线时差很大，即斜光线的色散很大，所以斜光线的传输带宽很窄；很

20、大，所以斜光线的传输带宽很窄；max第十七页，讲稿共四十四页哦二、非均匀纤芯光纤传光的光线理论二、非均匀纤芯光纤传光的光线理论第十八页，讲稿共四十四页哦包层包层第十九页，讲稿共四十四页哦 非均匀纤芯光纤的折射率分布表示为：非均匀纤芯光纤的折射率分布表示为：n(r)=n(0)f(r)当当n(r)满足双曲正割分布时，即：满足双曲正割分布时，即：n(r)=n(0)sech(r)不同入射角的子午光线将同周期传播，传播波长为：不同入射角的子午光线将同周期传播，传播波长为：=2/且光纤内光线的传播轨迹为正弦波，称之为且光纤内光线的传播轨迹为正弦波，称之为自聚焦光纤自聚焦光纤 第二十页，讲稿共四十四页哦第二

21、十一页，讲稿共四十四页哦12.2.212.2.2波动理论波动理论一、传播模式的定义一、传播模式的定义光在光纤中传播时电磁场的不同分布形式称为光在光纤中传播时电磁场的不同分布形式称为模式模式。采用圆柱坐标，各模式的定义如下：采用圆柱坐标，各模式的定义如下：磁场分量磁场分量:HZ0（轴向）；（轴向）；H=0；Hr=0；电场分量电场分量:E0；Er 0；EZ=0；m、n分别表示分别表示、r方向的波节数，均为整数；方向的波节数，均为整数；1、TEmn 模模：第二十二页，讲稿共四十四页哦 当在轴向即有电场分量又有磁场分量时，称为混合模；当在轴向即有电场分量又有磁场分量时，称为混合模；电场分量占优势而磁场

22、分量较弱时，记为电场分量占优势而磁场分量较弱时，记为EHmn模，反之，模，反之，为为HEmn 模模；2、TMmn 模模：磁场分量磁场分量:HZ=0；H0；Hr0；电场分量电场分量:E=0；Er=0；EZ0（轴向）；（轴向）；3、HEmn 模和模和EHmn 模模：第二十三页，讲稿共四十四页哦二、特征方程的解二、特征方程的解指在一定边界条件下，麦克斯韦方程的解，它是一系指在一定边界条件下，麦克斯韦方程的解，它是一系列离散值列离散值，其大小取决于光纤参数其大小取决于光纤参数：a,n1 ,n2,0;则则值为归一化频率值为归一化频率 的函数。的函数。221202 a nn定义定义归一化频率归一化频率：第

23、二十四页，讲稿共四十四页哦截止条件截止条件：当减小归一化频率当减小归一化频率 值，使得某个模式的值，使得某个模式的值等值等于于2n2/0时，该模式就不能在光纤中传输了，称该模时，该模式就不能在光纤中传输了，称该模截截止止了。截止时的了。截止时的 值称为该模式的截止频率。值称为该模式的截止频率。三、截止条件和单模传输三、截止条件和单模传输HE11模的截止频率最小，为零；其次为模的截止频率最小，为零；其次为TE01、TM01模的模的截止频率截止频率=2.405;单模传输单模传输:当当2.405时，光纤中传输的电磁波只时，光纤中传输的电磁波只有一个有一个HE11模式，称为模式，称为单模传输单模传输；

24、第二十五页，讲稿共四十四页哦当当 值在值在2.4053.8范围，特征方程有四个解，范围，特征方程有四个解，既有四个模式在光纤中传播，它们是：既有四个模式在光纤中传播，它们是：HE11、TE01、TM01、HE21单模光纤单模光纤：能实现单模传输的光纤；条件为：能实现单模传输的光纤；条件为：2.405单模光纤的直径很小，一般为：单模光纤的直径很小，一般为：510m；多模光纤的直径一般为：多模光纤的直径一般为：50150 m；第二十六页，讲稿共四十四页哦12.312.3光纤传感器光纤传感器一、强度调制型光纤传感器一、强度调制型光纤传感器光源光源光探测器光探测器z光源光源光探测器光探测器第二十七页，

25、讲稿共四十四页哦与光纤耦合的电光与光电转换器件与光纤耦合的电光与光电转换器件 实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极管。管。第二十八页，讲稿共四十四页哦激光二极管的外形激光二极管的外形 第二十九页，讲稿共四十四页哦专用的光纤连接头及光纤插座专用的光纤连接头及光纤插座 光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。来完成。第三十页，讲稿共四十四页哦 机械应变引起光纤的机械尺寸变化；机械应变引起光纤的机械尺寸变化；某些物

26、体内部存在应力时，会产生折射率在不同方向有不同变化的某些物体内部存在应力时，会产生折射率在不同方向有不同变化的现象；现象；二、相位调制型光纤传感器（干涉型）二、相位调制型光纤传感器（干涉型）相位变化相位变化干涉光强变化干涉光强变化 检测灵敏度极高，一般可测检测灵敏度极高，一般可测10-6rad的相位变化的相位变化例：例：1100 rad的相位变化（的相位变化（1米光纤），测温米光纤），测温分辨率可达分辨率可达10-8 ；常见相位调制方法：常见相位调制方法：1、机械应变及光弹性效应、机械应变及光弹性效应第三十一页，讲稿共四十四页哦 反射镜反射镜1 光源光源 分光镜分光镜 反射镜反射镜2 激光器激

27、光器 光探测器光探测器第三十二页，讲稿共四十四页哦n 分光镜n 反射镜1反射镜反射镜2分光镜分光镜第三十三页，讲稿共四十四页哦 保护管内为保护管内为高温高温光纤光纤低温低温光纤光纤光纤温度传感器光纤温度传感器 第三十四页，讲稿共四十四页哦 氦氖激光器氦氖激光器 扩束器扩束器 单模光纤单模光纤 2、温度效应、温度效应 温度变化引起光纤的尺寸及折射率变化：温度变化引起光纤的尺寸及折射率变化：2 Ln dLdnTL dTdT 3、磁致伸缩、电致伸缩效应磁致伸缩、电致伸缩效应 将单模光纤表面镀上磁致伸缩、电致伸缩材料，则当磁场、将单模光纤表面镀上磁致伸缩、电致伸缩材料，则当磁场、电场作用于光纤时，使光

28、纤长度变化，从而相位变化；电场作用于光纤时，使光纤长度变化，从而相位变化；光探测器光探测器被测温度场被测温度场第三十五页，讲稿共四十四页哦 I 待测电流待测电流 信号光纤信号光纤 磁致伸缩管磁致伸缩管待测磁场待测磁场耦合器耦合器参考光纤参考光纤磁敏感臂磁敏感臂信号光纤信号光纤激光器激光器耦合器耦合器光探光探测器测器信号光纤信号光纤待测电压待测电压U 压电陶瓷压电陶瓷PZT第三十六页，讲稿共四十四页哦 偏振方向转动角度：偏振方向转动角度：=V H L 式中：式中：V韦德耳系数；韦德耳系数；H外加磁场强度；外加磁场强度；L物体的长度；物体的长度；三、偏振调制型光纤传感器三、偏振调制型光纤传感器常见

29、偏振调制方法：常见偏振调制方法：1、法拉第旋光效应、法拉第旋光效应线偏光线偏光磁场磁场第三十七页，讲稿共四十四页哦 nx=n0+n0E/2 ny=n0-n0E/2 式中：式中：n0没有外电场时的折射率；没有外电场时的折射率；系数；系数；相位差：相位差：=2 n0E L/2、电光效应、电光效应物体在外电场的作用下，其各方向的折射率发生不同的物体在外电场的作用下，其各方向的折射率发生不同的变化变化,且变化的大小与外加电场成正比；且变化的大小与外加电场成正比；椭圆偏振光椭圆偏振光线偏振光线偏振光Z（电场方向）（电场方向）XY第三十八页，讲稿共四十四页哦 3、光弹性效应、光弹性效应 指某些物体内部存在

30、应力时，会产生折射率在不同方向有不同指某些物体内部存在应力时，会产生折射率在不同方向有不同变化的现象；当线偏振光通过时，输出将变为一椭圆偏振光，变化的现象；当线偏振光通过时，输出将变为一椭圆偏振光，可用于压力、振动、声场的测量。可用于压力、振动、声场的测量。单模光纤单模光纤 显微镜显微镜 起偏器起偏器激光器激光器光探测器光探测器渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜光探测器光探测器信信号号处处理理输输出出高压输电线高压输电线第三十九页，讲稿共四十四页哦光纤式光电开关光纤式光电开关反射型反射型遮断型遮断型反射镜反射型反射镜反射型第四十页，讲稿共四十四页哦光纤式光电开关应用光纤式光电开关应用标志孔标志孔电路板标志检测电路板标志检测 当光纤发出的当光纤发出的光穿过标志孔时，光穿过标志孔时，若无反射，说明电若无反射，说明电路板方向放置正确。路板方向放置正确。光纤光纤 耦合器耦合器传输光纤传输光纤出射光纤出射光纤第四十一页，讲稿共四十四页哦光纤式光电开关应用光纤式光电开关应用 采用遮断采用遮断型光纤光电开型光纤光电开关对关对IC 芯片芯片引脚进行检引脚进行检测测第四十二页，讲稿共四十四页哦 定位定位 条形码检测条形码检测 芯片引脚检测芯片引脚检测 第四十三页，讲稿共四十四页哦感谢大家观看感谢大家观看9/4/2022第四十四页，讲稿共四十四页哦