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1、 光纤传感器光纤传感器上一页下一页返 回一、一、光纤传感器基础光纤传感器基础二、二、光调制与解调技术光调制与解调技术三、三、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一、一、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9.1.1 光纤波
2、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。光纤导光光纤导光 上一页下一页返 回光光在在光纤中光纤中的全反射的全反射 光的全反射实验 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 渐变渐变
3、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称为
4、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用归
5、一化频率表示为表示为2 2 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 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
6、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
7、、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：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
8、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 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
9、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3.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二、二、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
10、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 回三、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、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
11、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
12、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
13、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