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1、第九章第九章 光纤传感器光纤传感器上一页下一页返 回9.1 光纤传感器基础光纤传感器基础9.2 光调制与解调技术光调制与解调技术9.3 光纤传感器实例光纤传感器实例各种装饰性光导纤维各种装饰性光导纤维 光纤传感器光纤传感器外形外形9.1 光纤传感器基础光纤传感器基础l光纤波导简称光纤，是用透光率高的电介质光纤波导简称光纤，是用透光率高的电介质(石英、石英、玻璃、塑料等玻璃、塑料等)构成的光通路。构成的光通路。l由圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率由圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率n1略大于包层的折射率略大于包层的折射率n2。l通常直径为几微米到几百微米通常直径为几微米到几百微米9.1
2、.1 光纤波导原理光纤波导原理光纤的结构光纤的结构 纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套光的反射、折射光的反射、折射 当一束光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射到与介射到与介质质2 2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。斯乃尔定理斯乃尔定理 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）折射角r大于入射角大于入射角i：（b）临界状态入射角）临界状态入射角i0：（c）全反射）全反射：
3、上一页下一页返 回光纤导光光纤导光 上一页下一页返 回n0为入射光为入射光AB所在空间的折射率，一般为空气所在空间的折射率，一般为空气n01，则：，则：上一页下一页返 回当当r=90的临界状态时，对应的入射角为：的临界状态时，对应的入射角为：Sin i0定义为定义为“数值孔径数值孔径”NA（Numerical Aperture）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，i arcsinNA时，光线进入光纤后在包层消失；时，光线进入光纤后在包层消失；i arcsinNA时，光线进入光纤后才可以被全反射传播。时，光线进入光纤后才可以被全反射传播。上一页下一页返 回其中：
4、其中：光在光在光纤中光纤中的全反射的全反射 光的全反射实验 数值孔径（数值孔径（NA）lNA反映纤芯接收光量的多少，标志光纤集光性能。反映纤芯接收光量的多少，标志光纤集光性能。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2i0张张角角之之内的光功率能被光纤接受传播。内的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：光纤的集光性能强。大的数值孔径：光纤的集光性能强。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 回光纤按折射率变化类型分类光纤按折射率变化类型分类按纤芯到包层折射率变化：按纤芯到包层折射率变化：阶跃阶跃折射率光纤折射率光纤 渐变
5、渐变折射率光纤折射率光纤光纤模式光纤模式l光纤模式光纤模式: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。l以不同角度入射的光线在以不同角度入射的光线在(n1和和n2)界面上的反射次界面上的反射次数是不同的。数是不同的。l光纤传输的光波，可以分解为沿光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向纵轴向传播和沿传播和沿横切向横切向传播的两种平面波成分。传播的两种平面波成分。后者后者在纤芯和包在纤芯和包层的界面上会产生层的界面上会产生全反射全反射。当它在横向往返一次。当它在横向往返一次的的相位变化为相位变化为2的整数倍的整数倍时时，将形成，将形成驻驻波波。形成。形成驻驻波的光波的光线组线组称
6、称为为模模。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，因因此此我我们们希希望望模模式式数数量较少为好量较少为好。上一页下一页返 回单模光纤：单模光纤：V2.405 普通单模光纤：普通单模光纤：n1-n2/n13 10-3 r=24 m多模光纤：多模光纤：r=2560 m 包层半径包层半径b 125 m光纤传输模的总数光纤传输模的总数:r为光纤半径，为光纤半径，为光波波长。为光波波长。希望希望小则小则r不能太大，且不能太大，且n2与与n1之差要小之差要小 光纤内光传播的模式数量用归一化频率光纤内光传播的模式数量
7、用归一化频率表示为表示为9.1.2 光纤的特性光纤的特性l损耗原因：损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲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。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/km）式中式中,L 光纤长度光纤长度(km)；P0光纤输出端光强；光纤输出端光强；Pi光纤输入端光强光纤输入端光强。上一页下一页返 回1.1.损耗损耗损耗损耗2.色散色散 色散就是输入脉冲在光纤中传输过程时，由于光波色散就是输入脉冲在光纤中传输过程时，由于光波的群速度不同而出现的的群速度不同而出现的脉冲展宽脉冲展宽现象。现象。它使信号脉冲它使信号脉冲畸变畸变。限制了光纤
8、的传输带宽。限制了光纤的传输带宽。(1)(1)材料色散：同一材料的折射率随光波长的变化而变材料色散：同一材料的折射率随光波长的变化而变化，这是光信号中各波长分量的光的群速度不同而引起化，这是光信号中各波长分量的光的群速度不同而引起的色散；的色散；(2)(2)波导色散：由于波导材料的结构不同，某一波导模波导色散：由于波导材料的结构不同，某一波导模式的传播常数随着信号角频率的变化而引起的色散，也式的传播常数随着信号角频率的变化而引起的色散，也称结构色散称结构色散(3)(3)多模色散：在多模光纤中，由于各个模式在同一角多模色散：在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同，群速度不同而产生
9、的色散。频率下的传播常数不同，群速度不同而产生的色散。传输距离越长，色散现象越严重。传输距离越长，色散现象越严重。9.1.3 9.1.3 光纤传感器的分类光纤传感器的分类光纤传感器的分类光纤传感器的分类 光纤传感器是通过对光纤内传输的光进行调制，光纤传感器是通过对光纤内传输的光进行调制，使传输光使传输光的强度、相位、频率或偏振的强度、相位、频率或偏振等特性发生变化，等特性发生变化，再通过对被调制的光信号进行检测，从而得出相应被再通过对被调制的光信号进行检测，从而得出相应被测量的传感器。测量的传感器。光纤传感器一般可分为两大类光纤传感器一般可分为两大类：功能型：功能型FF和非功能型和非功能型NF
10、 功能型功能型FF:利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件。所以也称元件。所以也称传感型光纤传感器传感型光纤传感器，或，或全光纤传感器全光纤传感器。非功能型：非功能型：利用其他敏感元件感受被测量的变化，利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅做为光的传输介质光纤仅做为光的传输介质。所以也称为所以也称为传光型传感器传光型传感器或或混合型传感器混合型传感器。a类：功能型类：功能型FFb类：非功能类：非功能型型NFC类：拾光型类：拾光型NF上一页下一页返 回(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
11、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(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，光光照照在在非非光光纤纤型型敏敏感元件上受被测量调制。感元件上受被测量调制。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
12、：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(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9.2 光调制与解调技术光调制与解调技术 光就是一种横波，光就是一种横波，光的电矢量光的电矢量E可以用被测量调制光的不同参数，例如：可以用被测量调制光的不同参数，例如：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调
13、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9.2.1 强度调制与解调强度调制与解调 利利用用被被测测对对象象引引起起载载波波光光强强度度变变化化，从从而而实实现现对对被被测测对对象象进进行行检检测测的的方方式式。光光强强度度变变化化可可以以直直接接用用光光电电探测器进行检测，探测器进行检测，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 1、微弯损耗光纤传感器、微弯损耗光纤传感器 基基于于微微弯弯损损耗耗机机理理的的强强度度调调制制型型传传感感器器的的结结
14、构构如如图图所所示示。由由光光纤纤中中光光功功率率的的数数值值可可得得到到诸诸如如压压力力、位移等被测量的大小。位移等被测量的大小。光输入光输入光输出光输出变形器变形器光纤光纤L微弯损耗光纤传感器原理微弯损耗光纤传感器原理 =1-2 ，其中，其中 1和和2分别为纤芯传输模的传分别为纤芯传输模的传输常数和包层辐射模的传输常数。输常数和包层辐射模的传输常数。渐变型光纤中：渐变型光纤中：阶跃型光纤中：阶跃型光纤中：2.2.光强度的外调制光强度的外调制光强度的外调制光强度的外调制遮断型遮断型发送光纤发送光纤接收光纤接收光纤反射型反射型接收光纤接收光纤发送光纤发送光纤光纤光纤探头探头发射光纤与接收光纤的
15、四种分布发射光纤与接收光纤的四种分布9.2.2 偏振调制与解调偏振调制与解调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、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9.2.3 相位调制与解调相位调制与解调被被测测对对象象导导致致光光的的相相位位变变
16、化化，然然后后用用干干涉涉仪仪来来检检测测这这种相位变化而得到被测对象的信息。种相位变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1.迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪2.马赫泽德尔干涉仪马赫泽德尔
17、干涉仪 3.塞格纳克干涉仪塞格纳克干涉仪4.法布里法布里-泊罗干涉仪泊罗干涉仪9.2.4 频率调制与解调频率调制与解调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度、流速、振动、压力、加速度传感器；速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利利用用物物质质受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度或监测大气污染的气体传感器等浓度或监测大气污染的气体传感器等。上一页下一页返 回光纤传感器的特点上一页下一页返 回 灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰
18、、可桡性、灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可桡性、可实现不带电的全光型探头可实现不带电的全光型探头 频带宽动态范围大频带宽动态范围大 可用很相近的技术基础构成测不同物理量的传感器可用很相近的技术基础构成测不同物理量的传感器 便于与计算机和光纤传输系统相连便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统，易于实现系统的遥测和控制的遥测和控制 可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境 结构简单、体积小、重量轻、耗能少结构简单、体积小、重量轻、耗能少应应用用：磁磁、声声、压压力力、温温度度、加加速速度度、陀陀螺螺、位位移移、液面、转矩、光声、电流和应变
19、等物理量的测量。液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。光缆的外形光缆的外形 光纤的类型光纤的类型 阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。梯度型梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。纤芯区的边沿时，降低到
20、与包层区一样。单孔型光纤单孔型光纤 单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于被传输光波的波长，光以电磁场于被传输光波的波长，光以电磁场“模模”的原理在的原理在纤芯中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输。纤芯中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输。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 实现电实现电光光转换转换的元件通常是的元件通常是发发光光二极管或激光二极管二极管或激光二极管。激光二极管的外形激光二极管的外形 激光二极管芯片激光二极管芯片激光二极管激光二极管与与发光二极管的带宽及发光二极管的带宽及效率的比较效率的比较 单模光纤单模光纤
21、必须采用必须采用能能发发射射单一光谱的单一光谱的激光二极管激光二极管，它在传导过程它在传导过程中的发散损耗中的发散损耗较小，稳定性较小，稳定性较高。较高。光纤的损耗光纤的损耗 光纤在传输光纤在传输信号的过程中损信号的过程中损耗应尽量小且稳耗应尽量小且稳定。在某些波长定。在某些波长上，光纤的损耗上，光纤的损耗非常小。可选择非常小。可选择适当波长的适当波长的电电光光转换转换元件元件与之匹与之匹配。配。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 光纤与光纤与电电光光转换转换元件元件耦合时，两者的耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连连接接头
22、头及光及光纤纤插座来完成。插座来完成。光纤液位传感器光纤液位传感器 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 当当光光纤纤发发出出的的光光穿穿过过标标志志孔孔时时，若若无无反反射射，说说明明电电路路板板方方向向放置正确。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光纤式光电开关应用光纤式光电开关应用遮断型光纤遮断型光纤光电开关光电开关出射光纤出射光纤接收光纤接收光纤光纤式光电开关应用光纤式光电开关应用 采采用用遮遮断断型型光光纤纤光光电电开开关关对对IC 芯芯片片引引脚脚进进行检测行检测光纤的其他应用光纤的其他应用 军用光纤陀螺：军用光纤陀螺：将激光射入绕成线圈将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底座随的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可以测运动物体旋转时，可以测得出射光的相位发生变化，得出射光的相位发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，它的灵敏度比机械陀螺高，无机械磨擦力。无机械磨擦力。光纤内窥镜光纤内窥镜