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1、第八章光纤传感器本讲稿第一页，共二十一页本章学习要求：本章学习要求：1.1.掌握传感器工作原理掌握传感器工作原理全反射全反射2.2.掌握光纤传感器的掌握光纤传感器的性能参数、种类、特点性能参数、种类、特点3.3.了解传感器的应用了解传感器的应用光纤涡流流量计光纤涡流流量计本讲稿第二页，共二十一页8.1 8.1 光导纤维及其传光原理光导纤维及其传光原理n光纤光纤是一种光信号的传输媒介。是一种光信号的传输媒介。n光光纤纤的的结结构构：最最内内层层的的纤纤芯芯是是一一种种截截面面积积很很小小、质质地地脆脆、易易断断裂裂的的光光导导纤纤维维，制制造造材材料料可可以以是是石石英英、玻玻璃璃或或塑塑料料。
2、纤纤芯芯的的外外层层由由折折射射率率比比纤纤芯芯小小的材料制成。的材料制成。n由由于于纤纤芯芯与与包包层层之之间间存存在在着着折折射射率率的的差差异异，光光信信号号得得以以通通过过全全反反射射在在纤纤芯芯中中不不断断向向前前传传播播。光光纤纤的的最最外外层层是是起起保保护护作作用用的的外外套套。通通常常是是将将多根光纤扎成束并裹以保护层制成多根光纤扎成束并裹以保护层制成多芯光缆多芯光缆。一、光纤结构和种类、光纤结构和种类 本讲稿第三页，共二十一页n光纤的种类：光纤的种类：1 1）按纤芯和包层的材质：）按纤芯和包层的材质：玻璃光纤玻璃光纤、塑料光纤塑料光纤。2 2）按折射率的变化：）按折射率的变
3、化：阶跃型阶跃型、渐变型（渐变型（聚焦光纤聚焦光纤）。3 3）按传播模式：）按传播模式：单模光纤单模光纤、多模光纤多模光纤。单模光纤单模光纤直径较小，只能传输一种模式直径较小，只能传输一种模式。其。其优点优点是：信号畸变小、信是：信号畸变小、信息容量大、线性好、灵敏度高；息容量大、线性好、灵敏度高；缺点缺点：纤芯较小，制造、连接、耦合较困难。：纤芯较小，制造、连接、耦合较困难。多模光纤多模光纤直径较大，传输模式不只一种直径较大，传输模式不只一种。其。其缺点缺点是：性能较差。是：性能较差。优点优点：纤：纤芯面积较大，制造、连接、耦合容易。芯面积较大，制造、连接、耦合容易。2R2rn2n1n0光纤
4、结构光纤结构n2n1纤芯纤芯包层包层本讲稿第四页，共二十一页n光纤传输的优点：光纤传输的优点：1 1）频频带带宽宽：光光纤纤支支持持很很宽宽的的带带宽宽（1010141410101515 HZHZ），覆覆盖盖了了红红外外线线 和和可可见见光光的频谱。的频谱。2 2）速率高：单模光纤的传输速率能达到几）速率高：单模光纤的传输速率能达到几Gb/sGb/s。3 3）抗抗干干扰扰能能力力强强：抗抗电电磁磁干干扰扰能能力力强强，且且光光束束本本身身又又不不向向外外辐辐射射，适适用用于于长长距离的信息传输及安全性要求较高的场合。距离的信息传输及安全性要求较高的场合。4 4）光纤衰减较小，中继器的间距较大。
5、）光纤衰减较小，中继器的间距较大。n光纤的缺点：光纤的缺点：系统成本较高、不易安装与维护、易断裂等。系统成本较高、不易安装与维护、易断裂等。本讲稿第五页，共二十一页 二、光导纤维传光的基本原理二、光导纤维传光的基本原理 1 1、斯乃尔定理、斯乃尔定理（Snells LawSnells Law）（折射定律）（折射定律）n1n2ba(a)(a)光的折射示意图光的折射示意图 可可见见，入入射射角角a a增增大大时时，折折射射角角b b也也随随之之增增大大，且始终且始终a a b b。n1、n2、a a、b b之间的数学关系为之间的数学关系为 n1sina a=n2sinb b 当光由光密物质当光由光
6、密物质(折射率大折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图入射至光疏物质时发生折射，如图(a)(a)，其折，其折射角大于入射角，即射角大于入射角，即n n1 1n n2 2时，时，b ba a。当当b b=90 时时，a a仍仍90，此此时时，出出射射光光线线沿沿界界面面传传播如图（播如图（b），称为临界状态。这时有），称为临界状态。这时有n1n2bac(b)临界状态示意图临界状态示意图 光光进进入入纤纤芯芯在在纤纤芯芯和和包包层层的的界界面面发发生生全全反反射射，全全反反射射是是光光纤纤传传光光的的基础。基础。sinb bsin90 1 sin a ac=n2/n1 a ac=arcsin(n
7、2/n1)a ac临界角临界角本讲稿第六页，共二十一页 当当a a a ac并继续增大时，并继续增大时，b b90，这时便发，这时便发生全反射现象，如图生全反射现象，如图(c)，其出射光不再折射，其出射光不再折射而全部反射回来。而全部反射回来。n1n2ba(c)(c)光全反射示意图光全反射示意图2 2、光纤结构及传光原理、光纤结构及传光原理 分分析析光光纤纤导导光光原原理理，除除了了应应用用斯斯乃乃尔尔定定理理外外还还须须结结合合光光纤纤结结构构来来说说明明。光光纤纤呈呈圆圆柱柱形形，它它由由玻玻璃璃纤纤维维芯芯和和玻玻璃璃包包层层两两个个同同心心圆圆柱柱的的双双层层结结构组成。构组成。2R2
8、rn2n1n0光纤结构光纤结构n2n1纤芯纤芯包层包层 纤纤芯芯位位于于光光纤纤的的中中心心部部位位，光光主主要要在在这这里里传传输输。纤纤芯芯折折射射率率n1比比包包层层折折射射率率n2稍稍大大些些两两层层之之间间形形成成良良好好的的光光学学界界面面，光光线线在在这这个个界界面面上上反反射传播。射传播。本讲稿第七页，共二十一页3 3、光纤的数值孔径、光纤的数值孔径NANAjca acABCDEFGKOOn0n2n1光纤导光示意图光纤导光示意图 光纤的光纤的孔径角孔径角：当光照射光纤的端面时，光纤端面的临界入射角：当光照射光纤的端面时，光纤端面的临界入射角 2c。表示光纤能接收光的范围。为表示
9、光纤能接收光的范围。为圆锥角圆锥角 sinc定义为光纤的定义为光纤的数值孔径数值孔径，用，用NA(NumericalAperture)表示。表表示。表示光纤的聚光能力。示光纤的聚光能力。N0sinc=n1sinj n1sina ac=n2sin90 0因因j=90 a ac ，得：，得：在光纤端面，无论发射功率有多大，在光纤端面，无论发射功率有多大，只有在只有在2c张角之内的入射角才张角之内的入射角才能被光纤接收传播能被光纤接收传播。NA越大，光纤的聚光能力越强越大，光纤的聚光能力越强，光纤与光源之间的耦，光纤与光源之间的耦合越容易。但合越容易。但NA越大，越大，光信号的畸形越大。光信号的畸形
10、越大。一般要求：一般要求：0.2NA0.4sinc=本讲稿第八页，共二十一页4 4、色散、传播损耗、色散、传播损耗色散：色散：光脉冲信号在光纤的输出端被展宽，出现明显光脉冲信号在光纤的输出端被展宽，出现明显失真失真，这，这种现象称为色散。种现象称为色散。t材料色散材料色散：纤芯的折射率随波长的变化而引起。：纤芯的折射率随波长的变化而引起。t模间色散模间色散：各种模式不同的传播速度引起（：各种模式不同的传播速度引起（多模光纤多模光纤）。）。t波导色散波导色散：光纤的传输常数与波长间的非线性引起。：光纤的传输常数与波长间的非线性引起。t光信号在光纤中的传播不可避免地存在着损耗。光信号在光纤中的传播
11、不可避免地存在着损耗。t光纤传输损耗主要有材料光纤传输损耗主要有材料吸收损耗吸收损耗（因材料密度及浓度不均匀引（因材料密度及浓度不均匀引起）、起）、散射损耗散射损耗（因光纤拉制时粗细不均匀引起）、（因光纤拉制时粗细不均匀引起）、光波导弯曲光波导弯曲损耗损耗（因光纤在使用中可能发生弯曲引起）。（因光纤在使用中可能发生弯曲引起）。传播损耗传播损耗本讲稿第九页，共二十一页t光纤传感器的特点：光纤传感器的特点：t极高的灵敏度和精度极高的灵敏度和精度t抗电磁干扰抗电磁干扰t高绝缘强度高绝缘强度t耐腐蚀耐腐蚀t集传感与传输于一体集传感与传输于一体t能与数字通信系统兼容等能与数字通信系统兼容等t光纤传感器受
12、到世界各国的广泛重视。光纤传感器受到世界各国的广泛重视。光纤传感器已用于光纤传感器已用于位移、振动、转动、压力、速度、加速度、电流、磁场、电位移、振动、转动、压力、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度等压、温度等7070多个物理量的测量。多个物理量的测量。t在生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面在生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面有广泛的应用前景。有广泛的应用前景。8.2 8.2 光纤传感器的工作原理与组成光纤传感器的工作原理与组成本讲稿第十页，共二十一页8.2 8.2 光纤传感器的工作原理与组成光纤传感器的工作原理与组成1 1、基本工作原理、基本工作原理 外
13、界因素（外界因素（温度、压力、振动温度、压力、振动等）对光纤的作用，会引起等）对光纤的作用，会引起光波特征参量（光波特征参量（振幅、相位、频率、偏振态振幅、相位、频率、偏振态）发生变化。）发生变化。由由光源、光纤耦合器、光纤、光探测器光源、光纤耦合器、光纤、光探测器等组成。等组成。光源光源 体积尽量小体积尽量小，以利于它与光纤耦合；，以利于它与光纤耦合；光源发出的光源发出的光波长应合适光波长应合适，减少光在光纤中传输的损失；，减少光在光纤中传输的损失；光源要光源要有足够亮度有足够亮度，以便提高传感器的输出信号。，以便提高传感器的输出信号。另外还要求光源另外还要求光源稳定性好稳定性好、噪声小噪声
14、小、安装方便安装方便和和寿命长寿命长等。等。2 2、传感器的组成、传感器的组成本讲稿第十一页，共二十一页光探测器光探测器光探测器的光探测器的作用是把传送到接作用是把传送到接收端的光信号转换成电信号收端的光信号转换成电信号，以便作进一步的处理。它和以便作进一步的处理。它和光源的作用相反，常用的光光源的作用相反，常用的光探测器有光敏二极管、光敏探测器有光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管等。三极管、光电倍增管等。8.2 8.2 光纤传感器的工作原理与组成光纤传感器的工作原理与组成光纤传感器使用的光源光纤传感器使用的光源种类很多，种类很多，按照光的相按照光的相干性可分为相干光和非干性可分为相干光和非相
15、干光。相干光。非相干光源非相干光源有白炽光、发有白炽光、发光二极管；光二极管；相干光源包括各种激光相干光源包括各种激光器器，如氦氖激光器、半导，如氦氖激光器、半导体激光二极管等。体激光二极管等。本讲稿第十二页，共二十一页8.2 8.2 光纤传感器的工作原理与组成光纤传感器的工作原理与组成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 利利用用对对外外界界信信息息具具有有敏敏感感检检测测能能力力的的光光纤纤作作传传感感元元件件，将将“传传”和和“感感”合合为为一一体体的的传传感感器器。光光纤纤不不仅仅起起传传光光作作用用，而而且且还还利利用用光光纤纤在在外外界界因因素素(弯弯
16、曲曲、相相变变)的的作作用用下下，其其光光学学特特性性(光光强强、相相位位、偏偏振振态态等等)的的变变化化来来实实现现“传传”和和“感感”的的功功能能。因因此此，传传感感器器中中光光纤纤是是连连续续的的。由由于于光光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。信号处理光探测器光纤敏感元件光发送器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。3 3、传感器的分类、传感器的分类(按照光纤在传感器中的作用按照光纤在传感器中的作用)本讲稿第十三页，共二十一页u优点：优点：结构紧凑、灵敏度高。结构紧凑、灵敏度高。u缺点：缺点：须用特殊光
17、纤，成本高。须用特殊光纤，成本高。u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。干涉型光纤水听器结构本讲稿第十四页，共二十一页8.2 8.2 光纤传感器的工作原理与组成光纤传感器的工作原理与组成3 3、传感器的分类、传感器的分类(按照光纤在传感器中的作用按照光纤在传感器中的作用)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，对外界信息的“感觉感觉”功能依功能依靠其他物理性质的功能元件完成。靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊。此
18、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。但灵敏度也较低灵敏度也较低，用，用于对灵敏度要求不太高的场合。于对灵敏度要求不太高的场合。信号处理信号处理光探测器光探测器敏感元件敏感元件光发送器光发送器光纤光纤本讲稿第十五页，共二十一页u优点：优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。成本低。u缺点：缺点：灵敏度较低。灵敏度较低。u典型例子典型例子：光纤温度计：光纤温度计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。本讲稿第十六页，共二十一页8.2 8.2
19、 光纤传感器的工作原理与组成光纤传感器的工作原理与组成3 3、传感器的分类、传感器的分类(按照光纤在传感器中的作用按照光纤在传感器中的作用)3 3）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测对对象象辐辐射射的的光光或或被被其其反反射射、散散射射的的光光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计等。其典型例子如光纤激光多普勒速度计等。信号信号处理处理光受光受信器信器光发送器光发送器光纤光纤耦合器耦合器被测对象被测对象本讲稿第十七页，共二十一页8.2 8.2 光纤传感器的工作原理与组成光纤传感器的工作原理与组成3 3、传感器的分类、传感器的分类 按照光波调制原理
20、按照光波调制原理强度强度调制型调制型相位相位调制型调制型频率频率调制型调制型波长波长调制型调制型偏振态偏振态调制型调制型 按照测量对象的不同按照测量对象的不同光纤光纤位移位移传感器传感器光纤光纤温度温度传感器传感器光纤光纤流量流量传感器传感器光纤光纤图像图像传感器传感器本讲稿第十八页，共二十一页8.3 8.3 光纤传感器的应用光纤传感器的应用1 1、光纤压力传感器、光纤压力传感器 利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。而对光强进行调制。下图为简单的利用下图为简单的利用Y Y形光纤束的形光纤束的膜片反射膜片反射型光纤
21、压力传感器。型光纤压力传感器。在在Y Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。出光强受到调制。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光源光源接收接收1 12 21 Y1 Y形光纤束形光纤束 2 2 壳片壳片 3 3 膜片膜片3 3P P本讲稿第十九页，共二十一页本讲稿第二十页，共二十一页P123 2P123 2、4 4、8 8习题与思考题：习题与思考题：1.1.传感器的工作机理传感器的工作机理全反射全反射本章小结：本章小结：2.2.光纤的光纤的主要性能参数：主要性能参数：数值孔径、色散、传播损耗数值孔径、色散、传播损耗3.3.按光纤的作用分类：按光纤的作用分类：功能型、传输型、拾光型功能型、传输型、拾光型4.4.应用：应用：光纤涡流流量计的光纤涡流流量计的原理原理和和工作示意图工作示意图本讲稿第二十一页，共二十一页