光纖傳感PPT課件

1、光纖傳感優(yōu)點光纖傳感優(yōu)點：靈敏度較高；幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制靈敏度較高；幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；可以制造傳感各種不成任意形狀的光纖傳感器；可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境；而且具有與光纖遙測技術(shù)的內(nèi)在相的惡劣環(huán)境；而且具有與光纖遙測技術(shù)的內(nèi)在相容性。容性。應(yīng)用：應(yīng)用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測量

2、。液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測量。上一頁下一頁返 回光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類光纖傳感器的特點光纖傳感器的特點光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用上一頁下一頁返 回光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理l圓柱形內(nèi)芯和包層組成，而且內(nèi)芯的折射率略圓柱形內(nèi)芯和包層組成，而且內(nèi)芯的折射率略大于包層的折射率大于包層的折射率 上一頁下一頁返 回斯乃爾定理 當(dāng)光由光密物質(zhì)出射至光疏物質(zhì)時，發(fā)生折射當(dāng)光由光密物質(zhì)出射至光疏物質(zhì)時，發(fā)生折射 （a）折射角大于入射角：）折射角大于入射角：（b）

3、臨界狀態(tài)：）臨界狀態(tài)： （c）全反射）全反射 ：rinnsinsin21)/arcsin(120nni0ii上一頁下一頁返 回jinnsinsin10rknnsinsin21上一頁下一頁返 回kj 90kkkinnnnnn2010101sin1cos)90sin()/(sinjinnsin)/(sin01rrisinnnn)sinnn(nnsin2222102120111n0為入射光線為入射光線ab所在空間的折射率，一般皆為空氣，故所在空間的折射率，一般皆為空氣，故 n01rinn22221sinsin上一頁下一頁返 回22210sinnni當(dāng)當(dāng)r =90的臨界狀態(tài)時，的臨界狀態(tài)時， sin

4、i定義為定義為“數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑”na（numerical aperture） 2sin10ni121/ )(nnn 相對折射率差相對折射率差 arcsinna是一個臨界角，是一個臨界角，i arcsinna，光線進(jìn)入光纖后都不能傳播而在包層消失；，光線進(jìn)入光纖后都不能傳播而在包層消失；i arcsinna，光線才可以進(jìn)入光纖被全反射傳播。，光線才可以進(jìn)入光纖被全反射傳播。上一頁下一頁返 回lwhere the effect of total internal reflection (tir) is used. the angle of a total internal reflection

5、is a function of the refractive index:lwhenlight enters the fiber, it is important to determine the maximum angle of entry which will result in total internal reflections). if we take that minimum angle of an internal reflection, then the maximum angle can be found from snells law光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)l1. 數(shù)值孔徑（數(shù)

6、值孔徑（na）l2. 光纖模式光纖模式l3. 傳播損耗傳播損耗上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回l反映纖芯接收光量的多少，標(biāo)志光纖接收性能。反映纖芯接收光量的多少，標(biāo)志光纖接收性能。l意義：意義：無論光源發(fā)射功率有多大，只有無論光源發(fā)射功率有多大，只有2i張角張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。大的數(shù)值孔徑：有利于耦合效率的提高。大的數(shù)值孔徑：有利于耦合效率的提高。但數(shù)值孔徑太大，光信號畸變也越嚴(yán)重。但數(shù)值孔徑太大，光信號畸變也越嚴(yán)重。2221sinnnnai上一頁下一頁返 回lthe value is called the numerical aperture

7、of the fiberlin practice, the numerical aperture is defined as the angle at which light intensity drops by some arbitrary numberl光波沿光導(dǎo)纖維傳播的途徑和方式光波沿光導(dǎo)纖維傳播的途徑和方式在光導(dǎo)纖維中傳播模式很多對信息的傳輸是不在光導(dǎo)纖維中傳播模式很多對信息的傳輸是不利的，導(dǎo)致合成信號的畸變，因此我們希望模利的，導(dǎo)致合成信號的畸變，因此我們希望模式數(shù)量越少越好。式數(shù)量越少越好。 階躍型的圓筒波導(dǎo)內(nèi)傳播的模式數(shù)量表示為階躍型的圓筒波導(dǎo)內(nèi)傳播的模式數(shù)量表示為 。/)(2

8、12221nndv希望希望v?。盒。篸不能太大，不能太大，n2與與n1之差很小之差很小 上一頁下一頁返 回l損耗原因：損耗原因：光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗等的影響光纖彎曲處的輻射損耗等的影響 iigala0101傳播損耗（單位為傳播損耗（單位為db） 式中式中, i光纖長度；光纖長度； a單位長度的衰減；單位長度的衰減； i0光導(dǎo)纖維輸入端光強(qiáng)；光導(dǎo)纖維輸入端光強(qiáng)； i光導(dǎo)纖維輸出端光強(qiáng)。光導(dǎo)纖維輸出端光強(qiáng)。上一頁下一頁返 回光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理l把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置 上一頁下一頁返 回光受到被

9、測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器，光受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘枺?jīng)信號處理系統(tǒng)得到被測量。使光信號變?yōu)殡娦盘?，?jīng)信號處理系統(tǒng)得到被測量。 光纖傳感器光學(xué)測量的基本原理 l光就是一種電磁波，光就是一種電磁波， 光的電矢量光的電矢量e)sin(tbe被測量調(diào)制：被測量調(diào)制：光的強(qiáng)度、偏振態(tài)（矢量光的強(qiáng)度、偏振態(tài)（矢量b的方向）、頻率和相位的方向）、頻率和相位解調(diào)：解調(diào)：光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制上一頁下一頁返 回lthe basic idea for use of fiber optics in

10、sensing is to modulate one or several characteristics of light in a fiber and, subsequently, to optically demodulate the information by conventional methods.la stimulus may act on a fiber either directly or it can be applied to a component attached to the fibers outer surface or the polished end to

11、produce an optically detectable signal光纖傳感器的分類上一頁下一頁返 回傳感器傳感器光學(xué)現(xiàn)象光學(xué)現(xiàn)象被測量被測量光纖光纖分類分類干干涉涉型型光纖傳感器相位調(diào)制光纖傳感器相位調(diào)制干涉（磁致伸縮）干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）干涉（電致伸縮）sagnac效應(yīng)效應(yīng)光彈效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉干涉電流、磁場電流、磁場電場、電壓電場、電壓角速度角速度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、加速度、位移溫度溫度sm、pmsm、pmsm、pmsm、pmsm、pmaaaaa 非非干干涉涉型型光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制遮光板斷光路遮光板斷光路半導(dǎo)體透射率的變化半導(dǎo)體透射率的

12、變化熒光輻射、黑體輻射熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗光纖微彎損耗振動膜或液晶的反射振動膜或液晶的反射氣體分子吸收氣體分子吸收光纖漏泄模光纖漏泄模溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度溫度溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、位移振動、壓力、位移氣體濃度氣體濃度液位液位mmmmmmsmmmmmmmbbbbbbb光纖傳感器偏振調(diào)制光纖傳感器偏振調(diào)制法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化雙折射變化光彈效應(yīng)光彈效應(yīng)電流、磁場電流、磁場電場、電壓電場、電壓溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、加速度、位移smmmsmmmb,a

13、bbb光纖傳感器頻率調(diào)制光纖傳感器頻率調(diào)制多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)受激喇曼散射受激喇曼散射光致發(fā)光光致發(fā)光速度、流速、振動、加速度速度、流速、振動、加速度氣體濃度氣體濃度溫度溫度mmmmmmcbb注：注：mm多模光纖；多模光纖；sm單模光纖；單模光纖；pm偏振保持光纖偏振保持光纖 光纖傳感器的分類l光纖在傳感器中的作用光纖在傳感器中的作用l光受被測量調(diào)制的形式光受被測量調(diào)制的形式l光纖傳感器中對光信號的檢測方法不同光纖傳感器中對光信號的檢測方法不同 上一頁下一頁返 回(1) 功能型功能型非功能型非功能型拾光型拾光型 上一頁下一頁返 回l光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而

14、且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制。敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制。優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點：缺點：須用特殊光纖，成本高，須用特殊光纖，成本高，典型例子典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。：光纖陀螺、光纖水聽器等。 上一頁下一頁返 回l光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。元件上受被測量調(diào)制。優(yōu)點：優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)， 比較容易實現(xiàn)，成本低。比較容易實現(xiàn)，成本低。缺點：缺點：靈敏度較低。靈敏度較低。實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。實用化的大都是非功能型

15、的光纖傳感器。上一頁下一頁返 回 用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。光或被其反射、散射的光。 典型例子：典型例子：光纖激光多普勒速度計光纖激光多普勒速度計輻射式光纖溫度傳感器輻射式光纖溫度傳感器上一頁下一頁返 回(a) 強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器(b) 偏振調(diào)制光纖傳感器偏振調(diào)制光纖傳感器(c) 頻率調(diào)制光纖傳感器頻率調(diào)制光纖傳感器(d) 相位調(diào)制傳感器相位調(diào)制傳感器上一頁下一頁返 回(a) 利用被測對象的變化引起敏感元件參數(shù)的變化，而利用被測對象的變化引起敏感元件參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。導(dǎo)

16、致光強(qiáng)度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。應(yīng)用：應(yīng)用：壓力、振動、位移、氣體壓力、振動、位移、氣體優(yōu)點優(yōu)點: 結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、成本低。結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、成本低。缺點缺點: 易受光源波動和連接器損耗變化等的影響易受光源波動和連接器損耗變化等的影響上一頁下一頁返 回l利用光的偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象信息利用光的偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象信息l應(yīng)用：應(yīng)用： 電流、磁場傳感器：法拉第效應(yīng)；電流、磁場傳感器：法拉第效應(yīng)； 電場、電壓傳感器：泡爾效應(yīng)；電場、電壓傳感器：泡爾效應(yīng)； 壓力、振動或聲傳感器：光彈效應(yīng)；壓力、振動或聲傳感器：光彈效應(yīng)； 溫度、壓力、振動傳感器：雙折射性溫度、壓力、振動傳感器：雙

17、折射性l優(yōu)點：優(yōu)點：可避免光源強(qiáng)度變化的影響，靈敏度高?？杀苊夤庠磸?qiáng)度變化的影響，靈敏度高。上一頁下一頁返 回l被測對象引起的光頻率的變化來進(jìn)行監(jiān)測被測對象引起的光頻率的變化來進(jìn)行監(jiān)測l利用運(yùn)動物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的利用運(yùn)動物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器；光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時的喇曼散射構(gòu)成的測量利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時的喇曼散射構(gòu)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。上一頁下一頁返 回被測對象導(dǎo)致光的相位變化

18、，然后用干涉儀來檢測這被測對象導(dǎo)致光的相位變化，然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息。種相位變化而得到被測對象的信息。利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器；利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器利用電致伸縮的電場、電壓傳感器 利用利用sagnac效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）優(yōu)點：優(yōu)點：靈敏度很高，靈敏度很高，缺點：缺點：特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，成本高。特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，成本高。上一頁下一頁返 回光纖傳感器的特點（1）電絕緣。）電絕緣。

19、（2）抗電磁干擾。）抗電磁干擾。（3）非侵入性。）非侵入性。（4）高靈敏度。）高靈敏度。（5）容易實現(xiàn)對被測信號的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。）容易實現(xiàn)對被測信號的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。 上一頁下一頁返 回光纖傳感器的應(yīng)用強(qiáng)度調(diào)制型：強(qiáng)度調(diào)制型：基于彈性元件受壓變形，將壓力信號轉(zhuǎn)換成位基于彈性元件受壓變形，將壓力信號轉(zhuǎn)換成位移信號來檢測，故常用于位移的光纖檢測技術(shù)；移信號來檢測，故常用于位移的光纖檢測技術(shù)；相位調(diào)制型：相位調(diào)制型：利用光纖本身作為敏感元件；利用光纖本身作為敏感元件；偏振調(diào)制型：偏振調(diào)制型：主要是利用晶體的光彈性效應(yīng)。主要是利用晶體的光彈性效應(yīng)。上一頁下一頁返 回光纖壓力傳感器光纖壓力傳感器膜片反射式光纖

20、壓力傳感器示意圖膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖膜片的中心撓度膜片的中心撓度 34216)1 (3etry若利用若利用y形光纖束位移特性的線性區(qū)，形光纖束位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關(guān)系則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關(guān)系。1 y形光纖形光纖2 殼體殼體 3 膜片膜片與所加的壓力呈線性關(guān)系與所加的壓力呈線性關(guān)系上一頁下一頁返 回傳感器的固有頻率可表示為傳感器的固有頻率可表示為 pgertfr)1 (356. 222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。 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便，光源不夠穩(wěn)定或長期使

21、用后膜片的反射率有所下降，光源不夠穩(wěn)定或長期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影響。其精度就要受到影響。 上一頁下一頁返 回lthe most commonly used type of fiber-optic sensor is an intensity sensor, where light intensity is modulated by an external stimulus1輸出光纖輸出光纖 2輸入光纖輸入光纖 3輸出光纖輸出光纖 4膠膠 5膜片膜片 apapii1112兩束輸出光的光強(qiáng)之比兩束輸出光的光強(qiáng)之比 a常數(shù)；常數(shù)；p待測量壓力待測量壓力 輸出光強(qiáng)比輸出光強(qiáng)比i

22、2/i1與膜片的反射率、光源強(qiáng)度等因素均無關(guān)與膜片的反射率、光源強(qiáng)度等因素均無關(guān) 上一頁下一頁返 回將上式兩邊取對數(shù)，在滿足將上式兩邊取對數(shù)，在滿足(ap)21時，得到時，得到 apii2ln12表明待測壓力與輸出光強(qiáng)比的對數(shù)呈線性關(guān)系。表明待測壓力與輸出光強(qiáng)比的對數(shù)呈線性關(guān)系。若將若將i1、i2檢出后分別經(jīng)對數(shù)放大后，再通過減法器檢出后分別經(jīng)對數(shù)放大后，再通過減法器即可得到線性的輸出。即可得到線性的輸出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可獲得不同的測量范圍。采用不同的尺寸、材料的膜片，可獲得不同的測量范圍。上一頁下一頁返 回l光彈性效應(yīng)：光彈性效應(yīng)：晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，從而呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。從而呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。1 光源光源 2、8 起偏器起偏器 3、9 1/4波長板波長板 4、10