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1、关于光纤传感器第一页，本课件共有30页各种装饰性光导纤维各种装饰性光导纤维 第二页，本课件共有30页2 发光二极管发光二极管产生多种颜产生多种颜色的光线，色的光线，通过光导纤通过光导纤维传导到东维传导到东方明珠球体方明珠球体的表面。在的表面。在计算机控制计算机控制下，可产生下，可产生动态图案。动态图案。上海东方明上海东方明珠珠第三页，本课件共有30页3一、光导纤维导光的基本原理一、光导纤维导光的基本原理 光光是是一一种种电电磁磁波波,一一般般采采用用波波动动理理论论来来分分析析导导光光的的基基本本原原理理。然然而而根根据据光光学学理理论论指指出出：在在尺尺寸寸远远大大于于波波长长而而折折射射率
2、率变变化化缓缓慢慢的的空空间间,可可以以用用“光光线线”即即几几何何光光学学的的方方法法来来分分析析光光波波的的传传播播现现象象,这这对对于于光光纤纤中中的的多多模模光光纤纤是是完完全全适适用用的的。为为此此,采采用用几何光学的方法来分析。几何光学的方法来分析。1 1、斯乃尔定理、斯乃尔定理（Snells LawSnells Law）当光由光密物质当光由光密物质(折射率大折射率大)入射至光疏物质时发生折射，入射至光疏物质时发生折射，如图，其折射角大于入射角，即如图，其折射角大于入射角，即n n1 1n n2 2时，时，r ri i。n1n2ri光的折射示意图 可可见见，入入射射角角i增增大大时
3、时，折折射射角角r也随之增大，且始终也随之增大，且始终ri。n1、n2、r、i之间的数学关系为之间的数学关系为 n1sini=n2sinr 第四页，本课件共有30页4当当ii0并继续增大时，并继续增大时，r90，这时便发生全反射现，这时便发生全反射现象，如图，其出射光不再折射而全部反射回来。象，如图，其出射光不再折射而全部反射回来。式中：式中：i0临界角临界角i0=arcsin(n2/n1)sini0=n2/n1 sinrsin90 1n1n2ri 光全反射示意图n1n2ri临界状态示意图当当r=90 时时，i仍仍90，此此时时，出出射射光光线线沿沿界界面面传传播播如如图图，称称为为临临界状态
4、。这时有界状态。这时有第五页，本课件共有30页5 2 2、光纤结构、光纤结构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(纤纤芯芯)和和玻玻璃璃包包皮皮(包包层层)两个同心圆柱的双层结构以及护套组成。两个同心圆柱的双层结构以及护套组成。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。纤纤心心折折射射率率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学界面，光线在这个界面上反射传播。光学界面，光线在这个界面上反射传播。光纤结构光纤结构第六页，本课件共有30页6光纤的分类：光纤的分类：（1）按折射率变化分：阶跃型光纤、渐
5、变型光纤（2）按传播模式分：单模光纤、多模光纤（3）按传播用途分：闪烁光纤、被覆光纤、光谱光纤、图像传输光纤、保偏光纤。第七页，本课件共有30页7 3 3、光纤导光原理及数值孔径、光纤导光原理及数值孔径NANA入入射射光光线线AB与与纤纤维维轴轴线线OO相相交交角角为为i，入入射射后后折折射射(折折射射角角为为j)至至纤纤芯芯与与包包层层界界面面C点点，与与C点点界界面面法法线线DE成成k角角，并由界面折射至包层，并由界面折射至包层，CK与与DE夹角为夹角为r。则。则n0sini=n1sinj n1sink=n2sinr sini=(n1/n0)sinj sink=(n2/n1)sinr 因因
6、j=90 k 所以所以 jikrABCDEFGKOOn0n2n1光纤导光示意图光纤导光示意图n0为入射光线为入射光线AB所在空所在空间的折射率，一般为空间的折射率，一般为空气，故气，故n1，nl为纤为纤芯折射率，芯折射率，n2为包层折为包层折射率。当射率。当n=1时时第八页，本课件共有30页8上上式式sini0为为“数数值值孔孔径径”NA(NumericalAperture)。由由于于n1与与n2相差较小，即相差较小，即n1+n22n1,故又可因式分解为故又可因式分解为 =(n1-n2)/n1称为相对折射率差称为相对折射率差 当当r=90的临界状态时，的临界状态时，i=i0当当rNA，iarc
7、sin NA，光线消失。，光线消失。结结论论：arcsinNA是是一一临临界界角角,凡凡入入射射角角iarcsinNA的的光光线线进进入入光光纤纤都都不不能能传传播播而而在在包包层层消消失失；相相反反,只只有有入入射射角角iarcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播的光线才可进入光纤被全反射传播。当当r=90时时当当r90时，光线发生全反射，则时，光线发生全反射，则sini0=NA i0=arcsin NAii0=arcsin NA第九页，本课件共有30页94 4、光纤的主要参数、光纤的主要参数（1 1）传播损耗）传播损耗 光纤纤芯材料和包层物质的吸收、散射、畸光纤纤芯材料和包层物质的吸收
8、、散射、畸变，以及光纤弯曲处的辐射损耗等变，以及光纤弯曲处的辐射损耗等,它表示光强它表示光强度相对衰减与光纤长度的关系。度相对衰减与光纤长度的关系。单位：每千米分贝（单位：每千米分贝（dB/km）第十页，本课件共有30页10（2 2）光纤模式：是光波沿光纤传播的途径和方式。）光纤模式：是光波沿光纤传播的途径和方式。阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量可简单的表示为：阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量可简单的表示为：（3 3）色散：在光纤中产生的脉冲展宽现象）色散：在光纤中产生的脉冲展宽现象表征光纤传输特性的一个重要参数，在光纤通讯中反映传输带宽，表征光纤传输特性的一个重要参数，在光纤通讯中反映传输带
9、宽，影响通讯信息的容量和质量。影响通讯信息的容量和质量。光纤色散的种类：光纤色散的种类：多模色散多模色散 材料色散和波导结构色散材料色散和波导结构色散 （4 4）光纤强度：主要取决于材料纯度、结构状态、光纤包层被拉制）光纤强度：主要取决于材料纯度、结构状态、光纤包层被拉制后外套表面的擦伤和其他缺陷的程度，以及包层表面在缠绕、成缆后外套表面的擦伤和其他缺陷的程度，以及包层表面在缠绕、成缆和使用期间得到的保护程度。和使用期间得到的保护程度。单模光纤：单模光纤：传输性能好，制成的传感器线性好、灵敏度高多模光纤：多模光纤：光纤性能差，带宽较窄，制造容易，连接耦合方便第十一页，本课件共有30页11二、光
10、纤传感器结构原理及分类二、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以电电为为基基础础的的传传统统传传感感器器是是一一种种把把测测量量的的状状态态转转变变为为可可测测的的电电信号的装置。见图信号的装置。见图(a)。光光纤纤传传感感器器是是一一种种把把被被测测量量的的状状态态转转变变为为可可测测的的光光信信号号的的装置。见图装置。见图(b)。光纤光纤信号处理信号处理光接收器光接收器敏感元件敏感元件光发送器光发送器（b）光纤传感器）光纤传感器信号处理信号处理电电 源源信号接收信号接收敏感元件敏感元件（a）传统传感器）传统传感器 导线导线可可见见,光光纤纤传传感感器器
11、与与以以电电为为基基础础的的传传统统传传感感器器相相比比较较，在在测测量量原原理理上上有有本本质质的的差差别别。传传统统传传感感器器是是以以机机电电测测量量为为基础，而光纤传感器则以基础，而光纤传感器则以光学测量光学测量为基础。为基础。第十二页，本课件共有30页12 光光是是一一种种电电磁磁波波，其其波波长长从从极极远远红红外外的的lmm到到极极远远紫紫外外线线的的10nm。它它的的物物理理作作用用和和生生物物化化学学作作用用主主要要因因其其中中的的电电场场而而引引起起。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
12、；的振幅矢量；光波的振动频率；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。可可见见，只只要要使使光光的的强强度度、偏偏振振态态(矢矢量量A的的方方向向)、频频率率和和相相位位等等参参量量之之一一随随被被测测量量状状态态的的变变化化而而变变化化，或或受受被被测测量量调调制制，那那么么，通通过过对对光光的的强强度度调调制制、偏偏振振调调制制、频频率率调调制制或或相相位位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。第十三页，本课件共有30页13传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光线传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应
13、光弹效应干涉电流、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、
14、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十四页，本课件共有30页14 （1 1）按光纤在传感器中的作用）按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。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能能力力和和检检测测能能力力的的光光纤纤(或或特特殊殊光光纤纤)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
15、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，传传感感器器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。中光纤是连续的。由于光纤连续，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第十五页，本课件共有30页15 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“
16、感觉感觉”功能功能依靠其他物理性质的功能元件完成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太高的场合。对灵敏度要求不太高的场合。信号处理信号处理光受信器光受信器敏感元件敏感元件光发送器光发送器光纤光纤 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。其其典典型型例例子子如如光光纤纤激激光光多多
17、普普勒勒速速度度计计、辐射式光纤温度传感器等。辐射式光纤温度传感器等。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第十六页，本课件共有30页16 （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 是是一一种种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件的的折折射射率率、吸吸收收或或反反射射等等参参数数的的变变化化，而而导导致致光光强强度度变变化化来来实实现现敏敏感感测测量量的的传传感感
18、器器。有有利利用用光光纤纤的的微微弯弯损损耗耗；各各物物质质的的吸吸收收特特性性；振振动动膜膜或或液液晶晶的的反反射射光光强强度度的的变变化化；物物质质因因各各种种粒粒子子射射线线或或化化学学、机机械械的的激激励励而而发发光光的的现现象象；以以及及物物质质的的荧荧光光辐辐射射或或光光路路的的遮遮断断等等来来构构成成压压力力、振振动动、温温度度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。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 。第十七页，本课
19、件共有30页17 2 2）偏振调制光纤传感器）偏振调制光纤传感器 是是一一种种利利用用光光偏偏振振态态变变化化来来传传递递被被测测对对象象信信息息的的传传感感器器。有有利利用用光光在在磁磁场场中中媒媒质质内内传传播播的的法法拉拉第第效效应应做做成成的的电电流流、磁磁场场传传感感器器；利利用用光光在在电电场场中中的的压压电电晶晶体体内内传传播播的的泡泡尔尔效效应应做做成成的的电电场场、电电压压传传感感器器；利利用用物物质质的的光光弹弹效效应应构构成成的的压压力力、振振动动或或声声传传感感器器；以以及及利利用用光光纤纤的的双双折折射射性性构构成成温温度度、压压力力、振振动动等等传传感感器器。这这类
20、类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。传感器可以避免光源强度变化的影啊，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发生变化频率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光的来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应多普勒效应的的光纤速度、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喇曼散射喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利构成的测量气体浓度或监
21、测大气污染的气体传感器；以及利用用光致发光光致发光的温度传感器等。的温度传感器等。第十八页，本课件共有30页18 4 4）相位调制传感器）相位调制传感器 其其基基本本原原理理是是利利用用被被测测对对象象对对敏敏感感元元件件的的作作用用，使使敏敏感感元元件件的的折折射射率率或或传传播播常常数数发发生生变变化化，而而导导致致光光的的相相位位变变化化，使使两两束束单单色色光光所所产产生生的的干干涉涉条条纹纹发发生生变变化化，通通过过检检测测干干涉涉条条纹纹的的变变化化量量来来确确定定光光的的相相位位变变化化量量，从从而而得得到到被被测测对对象象的的信信息息。通通常常有有利利用用光光弹弹效效应应的的声
22、声、压压力力或或振振动动传传感感器器；利利用用磁磁致致伸伸缩缩效效应应的的电电流流、磁磁场场传传感感器器；利利用用电电致致伸伸缩缩的的电电场场、电电压压传传感感器器以以及及利利用用光光纤纤赛赛格格纳纳克克（SagnacSagnac）效效应应的的旋旋转转角角速速度度传传感感器器（光光纤纤陀陀螺螺）等等。这这类类传传感感器器的的灵灵敏敏度度很很高高。但但由由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。第十九页，本课件共有30页19 三、光纤传感器的应用三、光纤传感器的应用 （一）温度的检测（一）温度的检测 光纤温度传感器有功能型和传光型两种。光纤温度传感
23、器有功能型和传光型两种。1 1、遮光式光纤温度计、遮光式光纤温度计 下图为一种简单利用水银柱升降温度的光纤温度开关。用于对设定下图为一种简单利用水银柱升降温度的光纤温度开关。用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。温度的控制，温度设定值灵活可变。1234水银柱式光纤温度开关1浸液2自聚焦透镜3光纤4水银第二十页，本课件共有30页20 下下图图为为利利用用双双金金属属热热变变形形的的遮遮光光式式光光纤纤温温度度计计。当当温温度度升升高高时时，双双金金属属片片的的变变形形量量增增大大，带带动动遮遮光光板板在在垂垂直直方方向向产产生生位位移移从从而而使使输输出出光光强强发发生生变变化化。这这种种形
24、形式式的的光光纤纤温温度度计计能能测测量量10105050的的温温度度。检检测测精精度度约约为为0.50.5。它它的的缺缺点点是是输输出出光光强强受受壳壳体体振振动动的的影影响响，且且响响应应时间较长，一般需几分钟。时间较长，一般需几分钟。光源接收热双金属式光纤温度开关121遮光板2双金属片第二十一页，本课件共有30页21 2 2、透射型半导体光纤温度传感器、透射型半导体光纤温度传感器 当当一一束束白白光光经经过过半半导导体体晶晶体体片片时时，低低于于某某个个特特定定波波长长g g的的光光将将被被半半导导体体吸吸收收,而而高高于于该该波波长长的的光光将将透透过过半半导导体体。这这是是由由于于半
25、半导导体体的的本本征征吸吸收收引引起起的的,g g称称为为半半导导体体的的本本征征吸吸收收波波长长。电电子子从从价价带带激激发发到到导导带带引引起起的的吸吸收收称称为为本本征征吸吸收收。当当一一定定波波长长的的光光照照射射到到半半导导体体上上时时,电电子子吸吸收收光光能能从从价价带带跃跃迁迁入入导导带带,显显然然,要要发发生生本本征征吸吸收收,光光子能量必须大于半导体的禁带宽度子能量必须大于半导体的禁带宽度E Eg g，即，即因因c c/v v，则产生本征吸收条件，则产生本征吸收条件h 普朗克常数；普朗克常数；v 光频率光频率因因此此，对对于于波波长长大大于于g g的的光光，能能透透过过半半导
26、导体体，而而波波长长小小于于g g的的光光将将被被半半导导体体吸吸收收。不不同同种种类类的的半半导导体体材材料料具具有有不不同同的的本本征征吸吸收收波长，图为在室温波长，图为在室温(20)(20)时时,120,120m m厚的厚的GaAsGaAs材料的透射率曲线。材料的透射率曲线。第二十二页，本课件共有30页22 由由图图看看出出，GaAsGaAs在在室室温温时时的的本本征征吸吸收收波波长长约约为为880nm880nm左左右右，半半导导体体的的吸吸收收光光谱谱与与E Eg g有有关关，而而半半导导体体材材料料的的E Eg g随随温温度度的的不不同同而而不不同，同，E Eg g与温度与温度t t
27、的关系可表示为的关系可表示为式中：式中：E Eg g（0 0）绝对零度时半导体的禁带宽度；绝对零度时半导体的禁带宽度；经验常数经验常数(eV(eVK)K)；经验常数经验常数(K)(K)。850800900950 1000010203040t=20波长/nmGaAs的光谱透射率曲线透射率(%)对于对于GaAsGaAs材料，由实验得到材料，由实验得到=5.810-4eV/K =300K第二十三页，本课件共有30页23 由由此此可可见见，半半导导体体材材料料的的E Eg g随随温温度度上上升升而而减减小小，亦亦即即其其本本征征吸吸收收波波长长gg随随温温度度上上升升而而增增大大。反反映映在在半半导导
28、体体的的透透光光特特性性上上，即即当当温温度度升升高高时时，其其透透射射率率曲曲线线将将向向长长波波方方向向移移动动。若若采采用用发发射射光光谱谱与与半半导导体体的的g g(t t)相相匹匹配配的的发发光光二二极极管管作作为为光光源源，如如图图，则透射光强度将随着温度的升高而减小。则透射光强度将随着温度的升高而减小。LED发光光谱半导体透射率T1T20P=0P0(a)传感器结构(b)探头截面结构(c)测量原理PI2I1I02(外圈)1(内圈)I1I0I2I1I0I2I1I0I23(输入)第二十七页，本课件共有30页27 可可见见，输输出出光光强强比比I I2 2I Il l与与膜膜片片的的反反
29、射射率率、光光源源强强度度等等因因素素均均无无关，因而可有效地消除这些因素的影响。关，因而可有效地消除这些因素的影响。将将上上式式两两边边取取对对数数且且满满足足(ApAp)2 211时时,等等式式右右边边展展开开后后取取第第一一项项，得到得到这这表表明明待待测测压压力力与与输输出出光光强强比比的的对对数数呈呈线线性性关关系系。因因此此，若若将将I I1 1、I I2 2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。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。若若选选用用的的光光纤纤束束中中每每根根光光纤纤的的芯芯径径为为7070m,m,包包层层厚厚度度为为3.53.5m
30、,m,纤纤芯芯和和包包层层折折射射率率分分别别为为1.521.52和和1.62,1.62,则则该该传传感感器器可可获获得得115dB115dB的的动动态态范范围围,线线性性度度为为0.250.25。采采用用不不同同的的尺尺寸寸、材材料料的的膜膜片片,即即可可获获得得不不同同的测量范围。的测量范围。两束输出光的光强之比为两束输出光的光强之比为A与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；p待测量压力。待测量压力。第二十八页，本课件共有30页28 2 2、光弹性式光纤压力传感器、光弹性式光纤压力传感器 晶晶体体在在受受压压后后其其折折射射率率
31、发发生生变变化化，呈呈现现双双折折射射的的现现象象称称为为光光弹弹性性效效应应。利利用用光光弹弹性性效效应应测测量量压压力力的的原原理理及及传传感感器器结结构构如如图图。发发自自LEDLED的的入入射射光光经经起起偏偏器器后后成成为为直直线线偏偏振振光光。当当有有与与入入射射光光偏偏振振方方向向呈呈4545的的压压力力作作用用于于晶晶体体时时，使使晶晶体体呈呈双双折折射射从从而而使使出出射射光光成成为为椭椭圆圆偏偏振振光光，由由检检偏偏器器检检测测出出与与入入射射光光偏偏振振方方向向相相垂垂直直方方向向上上的的光光强强，即即可可测测出出压压力力的的变变化化。其其中中1/41/4波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。(b)传感器结构12345P(a)检测原理1光源2、8起偏器3、91/4波长板4、10光弹性元件5、11检偏器6光纤7自聚焦透镜P6789 1011偏振光偏振光线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光第二十九页，本课件共有30页29感感谢谢大大家家观观看看28.02.2023第三十页，本课件共有30页