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1、光纤维传感器第1页，共33页，编辑于2022年，星期四4.4光纤传感器光纤传感器4.4.1光导纤维的结构和导光原理光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数光导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用光纤传感器的应用上一页下一页返 回第2页，共33页，编辑于2022年，星期四4.4.1 光导纤维的结构和导光原理l圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率于包层的折射率 上一页下一页返 回第3页，共33
2、页，编辑于2022年，星期四斯乃尔定理 当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射（a）折射角大于入射角：）折射角大于入射角：（b）临界状态：）临界状态：（c）全反射）全反射：上一页下一页返 回第4页，共33页，编辑于2022年，星期四光纤导光光纤导光上一页下一页返 回第5页，共33页，编辑于2022年，星期四n0为入射光线为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故所在空间的折射率，一般皆为空气，故n01上一页下一页返 回第6页，共33页，编辑于2022年，星期四当当r=90的临界状态时，的临界状态时，Sini定义为定义为“数值孔径数值孔径”NA（N
3、umericalAperture）相对折射率差相对折射率差arcsinNA是一个临界角，是一个临界角，iarcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；iarcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。，光线才可以进入光纤被全反射传播。上一页下一页返 回第7页，共33页，编辑于2022年，星期四4.4.2 光导纤维的主要参数l1.数值孔径（数值孔径（NA）l2.光纤模式光纤模式l3.传播损耗传播损耗上一页下一页返 回上一页下一页返 回第8页，共33页，编辑于2022年，星期四1.数值孔径（数值孔径（NA）l反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性
4、能。反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。l意意义义：无无论论光光源源发发射射功功率率有有多多大大，只只有有2i张张角角之之内内的光功率能被光纤接受传播。的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。上一页下一页返 回第9页，共33页，编辑于2022年，星期四2.光纤模式光纤模式l光波沿光导纤维传播的途径和方式光波沿光导纤维传播的途径和方式在在光光导导纤纤维维中中传传播播模模式式很很多多对对信信息息的的传传输输是是不不利利的的，导导致致合合成成信信号号的的畸畸变变，因
5、因此此我我们们希希望望模模式式数数量量越越少少越越好。好。阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为 希望希望V小：小：d不能太大，不能太大，n2与与n1之差很小之差很小上一页下一页返 回第10页，共33页，编辑于2022年，星期四3.传播损耗传播损耗l损耗原因：损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响光纤弯曲处的辐射损耗等的影响 传播损耗（单位为传播损耗（单位为dB）式中式中,I光纤长度；光纤长度；a单位长度的衰减；单位长度的衰减；I0光导纤维输入端光强；光导纤维输入端光强；I光导纤维输出端光强。光导纤维输出
6、端光强。上一页下一页返 回第11页，共33页，编辑于2022年，星期四4.4.3 光纤传感器结构原理l把被测量的状态转变为可测的光信号的装置把被测量的状态转变为可测的光信号的装置上一页下一页返 回光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。第12页，共33页，编辑于2022年，星期四光纤传感器光学测量的基本原理 l光就是一种电磁波，光就是一种电磁波，光的电矢量光的电矢量E被测量调制：被测量调制：光的强度、偏振态（矢量光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频
7、率和相位的方向）、频率和相位解调：解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制上一页下一页返 回第13页，共33页，编辑于2022年，星期四4.4.4 光纤传感器的分类上一页下一页返 回传感器传感器光学现象光学现象被测量被测量光纤光纤分类分类干干涉涉型型光纤传感器相位调制光纤传感器相位调制干涉（磁致伸缩）干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应效应光弹效应光弹效应干涉干涉电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压角速度角速度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移温度温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、P
8、Maaaaa非非干干涉涉型型光纤传感器强度调制光纤传感器强度调制遮光板断光路遮光板断光路半导体透射率的变化半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射振动膜或液晶的反射气体分子吸收气体分子吸收光纤漏泄模光纤漏泄模温度、振动、压力、加速度、位移温度、振动、压力、加速度、位移温度温度温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移振动、压力、位移气体浓度气体浓度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纤传感器偏振调制光纤传感器偏振调制法拉第效应法拉第效应泡克尔斯效应泡克尔斯效应双折射变化双折射变化光弹效应光弹效
9、应电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纤传感器频率调制光纤传感器频率调制多普勒效应多普勒效应受激喇曼散射受激喇曼散射光致发光光致发光速度、流速、振动、加速度速度、流速、振动、加速度气体浓度气体浓度温度温度MMMMMMCbb注：注：MM多模光纤；多模光纤；SM单模光纤；单模光纤；PM偏振保持光纤偏振保持光纤第14页，共33页，编辑于2022年，星期四光纤传感器的分类l光纤在传感器中的作用光纤在传感器中的作用l光受被测量调制的形式光受被测量调制的形式l光纤传感器中对光信号的检测方法不同光纤传感器中对光信号的检
10、测方法不同 上一页下一页返 回第15页，共33页，编辑于2022年，星期四(1)光纤的传感器中的作用功能型功能型非功能型非功能型拾光型拾光型 上一页下一页返 回第16页，共33页，编辑于2022年，星期四(a)功能型（全光纤型）光纤传感器功能型（全光纤型）光纤传感器l光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：优点：结构紧凑、灵敏度高。结构紧凑、灵敏度高。缺点：缺点：须用特殊光纤，成本高，须用特殊光纤，成本高，典型例子典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。：光纤陀螺、光纤水听器等。上一页下一页返 回第
11、17页，共33页，编辑于2022年，星期四(b)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l光光纤纤在在其其中中仅仅起起导导光光作作用用，光光照照在在光光纤纤型型敏敏感感元元件上受被测量调制。件上受被测量调制。优点：优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。比较容易实现，成本低。缺点：缺点：灵敏度较低。灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。上一页下一页返 回第18页，共33页，编辑于2022年，星期四(c)拾光型光纤传感器拾光型光纤传感器用用光光纤纤作作为为探探头头，接接收收由由被被测
12、测对对象象辐辐射射的的光或被其反射、散射的光。光或被其反射、散射的光。典型例子：典型例子：光纤激光多普勒速度计光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器辐射式光纤温度传感器上一页下一页返 回第19页，共33页，编辑于2022年，星期四(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(a)强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器(b)偏振调制光纤传感器偏振调制光纤传感器(c)频率调制光纤传感器频率调制光纤传感器(d)相位调制传感器相位调制传感器上一页下一页返 回第20页，共33页，编辑于2022年，星期四(a)强度调制型光纤传感器利利用用被被测测对对象象的的变变化化引引起起敏敏感感元元件
13、件参参数数的的变变化化，而而导导致致光强度变化来实现敏感测量的传感器。光强度变化来实现敏感测量的传感器。应用：应用：压力、振动、位移、气体压力、振动、位移、气体优点优点: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:易受光源波动和连接器损耗变化等的影响易受光源波动和连接器损耗变化等的影响上一页下一页返 回第21页，共33页，编辑于2022年，星期四（b）偏振调制光纤传感器）偏振调制光纤传感器l利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息l应用：应用：电流、磁场传感器：法拉第效应；电流、磁场传感器：法拉第效应；电场、电压传感器：泡尔效应；电场、
14、电压传感器：泡尔效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；温度、压力、振动传感器：双折射性温度、压力、振动传感器：双折射性l优点：优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。上一页下一页返 回第22页，共33页，编辑于2022年，星期四（c）频率调制光纤传感器）频率调制光纤传感器l被测对象引起的光频率的变化来进行监测被测对象引起的光频率的变化来进行监测l利利用用运运动动物物体体反反射射光光和和散散射射光光的的多多普普勒勒效效应应的的光光纤纤速速度、流速、振动、压力、加速度传感器；度、流速、振动、压力、加速度传感器；利利用用物物质质受
15、受强强光光照照射射时时的的喇喇曼曼散散射射构构成成的的测测量量气气体体浓浓度或监测大气污染的气体传感器；度或监测大气污染的气体传感器；利用光致发光的温度传感器等。利用光致发光的温度传感器等。上一页下一页返 回第23页，共33页，编辑于2022年，星期四（d）相位调制传感器）相位调制传感器被被测测对对象象导导致致光光的的相相位位变变化化，然然后后用用干干涉涉仪仪来来检检测测这这种种相相位位变变化而得到被测对象的信息。化而得到被测对象的信息。利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的
16、电场、电压传感器利用电致伸缩的电场、电压传感器利用利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）优点：优点：灵敏度很高，灵敏度很高，缺点：缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。特殊光纤及高精度检测系统，成本高。上一页下一页返 回第24页，共33页，编辑于2022年，星期四4.4.5 光纤传感器的特点（1）电绝缘。）电绝缘。（2）抗电磁干扰。）抗电磁干扰。（3）非侵入性。）非侵入性。（4）高灵敏度。）高灵敏度。（5）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。上一页下一页返 回第25页，共33页，编辑于2022年，星期四4.4.6 光
17、纤传感器的应用强度调制型：强度调制型：基基于于弹弹性性元元件件受受压压变变形形，将将压压力力信信号号转转换换成成位位移移信信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；相位调制型：相位调制型：利用光纤本身作为敏感元件；利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型：偏振调制型：主要是利用晶体的光弹性效应。主要是利用晶体的光弹性效应。上一页下一页返 回光光纤纤压压力力传传感感器器第26页，共33页，编辑于2022年，星期四（1）采用弹性元件的光纤压力传感器）采用弹性元件的光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片的中心挠度膜片的中心挠度若
18、利用若利用Y形光纤束位移特性的线性区，形光纤束位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。1Y形光纤形光纤2壳体壳体3膜片膜片与所加的压力呈线性关系与所加的压力呈线性关系上一页下一页返 回第27页，共33页，编辑于2022年，星期四传感器的固有频率可表示为传感器的固有频率可表示为式中式中,膜片材料的密度；膜片材料的密度；g重力加速度。重力加速度。结构简单、体积小、使用方便，结构简单、体积小、使用方便，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影响。其精度就要受到影响。上
19、一页下一页返 回第28页，共33页，编辑于2022年，星期四差动式膜片反射型光纤压力传感器差动式膜片反射型光纤压力传感器1输出光纤输出光纤2输入光纤输入光纤3输出光纤输出光纤4胶胶5膜片膜片两束输出光的光强之比两束输出光的光强之比A常数；常数；p待测量压力待测量压力输出光强比输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关与膜片的反射率、光源强度等因素均无关上一页下一页返 回第29页，共33页，编辑于2022年，星期四将上式两边取对数，在满足将上式两边取对数，在满足(Ap)21时，得到时，得到表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。若将若将I
20、1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。即可得到线性的输出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。上一页下一页返 回第30页，共33页，编辑于2022年，星期四（b）光弹性式光纤压力传感器）光弹性式光纤压力传感器l光弹性效应：光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，从晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。而呈现双折射现象。1光源光源2、8起偏器起偏器3、91/4波长板波长板4、10光弹性元件光弹性元件5、11检偏检偏器器6光纤光纤7自聚焦透镜自聚焦透镜上一页下
21、一页返 回第31页，共33页，编辑于2022年，星期四光弹性式光纤压力传感器 2在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度上一页下一页返 回第32页，共33页，编辑于2022年，星期四（c）微弯式光纤压力传感）微弯式光纤压力传感l基于光纤的基于光纤的微弯效应微弯效应，即由压力引起变形器产生位，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。移，使光纤弯曲而调制光强度。1聚碳酸酯薄膜聚碳酸酯薄膜2可动变形板可动变形板3固定变形板固定变形板4、5光纤光纤微微弯弯式式光光纤纤水水听听器器探探头头上一页返 回第33页，共33页，编辑于2022年，星期四