沈航傳感與測試技術(shù)35光纖式

1、2022-5-81( 傳感器定義、組成及分類傳感器定義、組成及分類( 電參量型傳感器電參量型傳感器( 電量型傳感器電量型傳感器( 光電式傳感器光電式傳感器( 光纖傳感器光纖傳感器( 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器2022-5-822022-5-83& 光纖傳感器光纖傳感器(Fiberoptic Sensor)是光電傳感器的一種，是光電傳感器的一種，它是利用被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄟM行調(diào)制，使光它是利用被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄟM行調(diào)制，使光波的一些參數(shù)，如強度、頻率、波長、相位、偏振態(tài)波的一些參數(shù)，如強度、頻率、波長、相位、偏振態(tài)等特性產(chǎn)生變化的原理進行工作的。等特性產(chǎn)生變化的原理進行工作的。

2、& 區(qū)別于常規(guī)光電傳感器區(qū)別于常規(guī)光電傳感器( (上節(jié)所述上節(jié)所述) )的是，光纖傳感器的是，光纖傳感器中光傳輸?shù)拿浇槭枪腆w中光傳輸?shù)拿浇槭枪腆w光導纖維，即光纖，這是光導纖維，即光纖，這是光纖傳感器的顯著特征。換句話說，光纖傳感器的顯著特征。換句話說，凡是以光纖作為凡是以光纖作為光傳輸媒介的光電傳感器都稱為光纖傳感器。光傳輸媒介的光電傳感器都稱為光纖傳感器。 2022-5-84光纖的結(jié)構(gòu)及其傳光原理光纖的結(jié)構(gòu)及其傳光原理光纖傳感器工作原理光纖傳感器工作原理光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用傳統(tǒng)傳感器傳統(tǒng)傳感器：機械量：機械量電信號（載體）電信號（載體） （用導線輸送電信號）（用導線輸送電

3、信號）光纖傳感器光纖傳感器：機械量：機械量光信號光信號 （載體）（載體） （用光纖輸送光信號）（用光纖輸送光信號）&傳統(tǒng)電測傳感器與光電式傳感器的區(qū)別：傳統(tǒng)電測傳感器與光電式傳感器的區(qū)別：2022-5-85光的全反射實驗光的全反射實驗 2022-5-86 光的全反射原理光的全反射原理 & 折射定律：折射定律：& 全反射現(xiàn)象全反射現(xiàn)象：當光線由：當光線由介質(zhì)介質(zhì)12（即（即n1n2）時，當入射角）時，當入射角1大于臨界角大于臨界角c時，光線在時，光線在。112小2n大1n光的折射光的折射22111221sinsinsinsin nnnn 或或：112小2n大1nc1902

4、 小2n大1nc1全反射全反射 小2n大1n12022-5-87 光纖的結(jié)構(gòu)及傳光原理光纖的結(jié)構(gòu)及傳光原理 & 光纖是光導纖維的簡稱。實用光纖是一種光纖是光導纖維的簡稱。實用光纖是一種介質(zhì)的對介質(zhì)的對稱圓柱體，它是由稱圓柱體，它是由三層結(jié)構(gòu)組成。三層結(jié)構(gòu)組成。內(nèi)外分三層，折射率分別為：內(nèi)外分三層，折射率分別為：n1， n2，n3。n1n2n3光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)折射率數(shù)值關(guān)系為：折射率數(shù)值關(guān)系為： n1 n2確保能夠?qū)崿F(xiàn)全反射；確保能夠?qū)崿F(xiàn)全反射；n3n2防止外界干擾（防止外界干擾（n2、n3界面盡量實現(xiàn)全反射）。界面盡量實現(xiàn)全反射）。這樣的結(jié)構(gòu)確保了進入光纖的光這樣的結(jié)構(gòu)確保了進入光

5、纖的光波集中在芯子內(nèi)傳輸。波集中在芯子內(nèi)傳輸。2022-5-88光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 2022-5-89 光纖的結(jié)構(gòu)及傳光原理光纖的結(jié)構(gòu)及傳光原理 ：光線自光纖端部外界空氣：光線自光纖端部外界空氣n0入射，通常將從入射，通常將從外界入射光臨界角的正弦值外界入射光臨界角的正弦值sinic定義為光纖的定義為光纖的“數(shù)值數(shù)值孔徑孔徑”，用，用NA來表示。來表示。icn1n0n2n3 圖圖3.90 光纖的傳光原理光纖的傳光原理12ic222101nnnsinNAic數(shù)值孔徑是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)，此值越數(shù)值孔徑是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)，此值越大，光纖的集光能力越強，光纖與光源之間的耦合大，光

6、纖的集光能力越強，光纖與光源之間的耦合效率越高。數(shù)值孔徑效率越高。數(shù)值孔徑NA由光纖材料的折射率決定，由光纖材料的折射率決定，而與光纖的幾何尺寸無關(guān)。而與光纖的幾何尺寸無關(guān)。入射光與光纖軸向的夾角不入射光與光纖軸向的夾角不大于大于ic，或者入射角的張角或者入射角的張角不大于不大于2ic時時，入射光才能，入射光才能在光纖中傳播。在光纖中傳播。2022-5-810 光纖的分類光纖的分類 & 根據(jù)組成纖芯和包層的材料不同可分為：根據(jù)組成纖芯和包層的材料不同可分為：。& 按照纖芯折射率的徑向分布情況可分為：按照纖芯折射率的徑向分布情況可分為：。 階躍型階躍型：光纖纖芯的折射率不隨半徑而

7、變，但在纖芯與光纖纖芯的折射率不隨半徑而變，但在纖芯與包層界面處折射率有突變。包層界面處折射率有突變。 梯度型梯度型：光纖纖芯的折射率沿徑向由中心向外由大漸小，光纖纖芯的折射率沿徑向由中心向外由大漸小，在界面處與包層折射率一致。在界面處與包層折射率一致。2022-5-811 光纖的分類光纖的分類 & 按按可分為：可分為：。 單模光纖：芯徑和折射率差小，纖芯尺寸小。單模單模光纖：芯徑和折射率差小，纖芯尺寸小。單模光纖的傳輸性能好，信號畸變小，信息容量大，線光纖的傳輸性能好，信號畸變小，信息容量大，線性好，靈敏度高，多用于傳感型性好，靈敏度高，多用于傳感型( (功能型，功能型，F(xiàn)F) )光

8、纖光纖傳感器；傳感器； 多模光纖：芯徑和折射率差都大，纖芯截面大。這多模光纖：芯徑和折射率差都大，纖芯截面大。這類光纖的性能較差，輸出波形和輸入波形有較大差類光纖的性能較差，輸出波形和輸入波形有較大差異，多用于傳光型異，多用于傳光型( (非功能型，非功能型，NF) )光纖傳感器。光纖傳感器。2022-5-812 光纖的主要參數(shù)光纖的主要參數(shù) 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑： 光纖模式光纖模式：能形成駐波的光線組稱為：能形成駐波的光線組稱為“模模”，“模模”是是離散存在的，某種光纖只能傳輸特定模數(shù)的光?？煞譃殡x散存在的，某種光纖只能傳輸特定模數(shù)的光?？煞譃閱文９饫w和多模光纖。單模光纖和多模光纖。 傳輸損耗傳輸

9、損耗：光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，：光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，而光功率逐漸下降，這是光纖的傳輸損耗而光功率逐漸下降，這是光纖的傳輸損耗，如光纖纖芯，如光纖纖芯材料的吸收、散射以及光纖彎曲處的輻射損耗等。材料的吸收、散射以及光纖彎曲處的輻射損耗等。 色散色散：所謂光纖的色散就是輸入光脈沖在光纖中傳輸過：所謂光纖的色散就是輸入光脈沖在光纖中傳輸過程中，由于光波的群速度不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象。程中，由于光波的群速度不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象。光纖色散可分為材料色散、波導色散、多模色散。光纖色散可分為材料色散、波導色散、多模色散。2022-5-813 光纖傳感器的組成：光纖傳感器

10、的組成： 光纖傳感器通常由光源、光調(diào)制器、光探測器、信號處光纖傳感器通常由光源、光調(diào)制器、光探測器、信號處理系統(tǒng)和光纖組成。理系統(tǒng)和光纖組成。光源光源光調(diào)制器光調(diào)制器信號處理信號處理光探測器光探測器入射光纖入射光纖出射光纖出射光纖圖圖3.92 光纖傳感器的組成光纖傳感器的組成被測體或被測體或人造光源人造光源光纖本身或光纖本身或外置光調(diào)制器外置光調(diào)制器各種光探測器件各種光探測器件2022-5-814 光纖傳感器的分類：光纖傳感器的分類： 根據(jù)光纖在光纖傳感器中的作用，光纖傳感器一般可分根據(jù)光纖在光纖傳感器中的作用，光纖傳感器一般可分為：為：傳光型傳光型( (非功能型，非功能型，NF) )和和傳感

11、型傳感型( (功能型，功能型，F(xiàn)F) )光光纖傳感器兩大類。纖傳感器兩大類。傳光型光纖傳感器傳光型光纖傳感器 傳感器中的光纖只是光傳播的媒介，利用其他敏感元傳感器中的光纖只是光傳播的媒介，利用其他敏感元件感受被測量的變化，也稱為非功能型光纖傳感器。件感受被測量的變化，也稱為非功能型光纖傳感器。 ：光纖（軸向）位移傳感器光纖（軸向）位移傳感器xU0ABxmxp(b) 輸出電壓與軸向位移關(guān)系輸出電壓與軸向位移關(guān)系(a)原理結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)位移發(fā)射發(fā)射光錐光錐面面接收接收光錐光錐面面光纖光纖光源光源光敏元件光敏元件光纖（徑向）位移傳感器光纖（徑向）位移傳感器2022-5-815 光纖傳感器的分類：光纖傳

12、感器的分類：傳感型光纖傳感器傳感型光纖傳感器 傳感器中的光纖，一方面是導光媒介，起著傳輸光波傳感器中的光纖，一方面是導光媒介，起著傳輸光波的作用，另一方面又是光調(diào)制器，即光的敏感元件，的作用，另一方面又是光調(diào)制器，即光的敏感元件，實現(xiàn)被測量對光的調(diào)制，又稱為功能型光纖傳感器。實現(xiàn)被測量對光的調(diào)制，又稱為功能型光纖傳感器。：光纖壓力傳感器（光纖微位移傳感器）光纖壓力傳感器（光纖微位移傳感器）折射率調(diào)制光纖溫度傳感器折射率調(diào)制光纖溫度傳感器用易溶的硅銅作纖芯材料，當溫度用易溶的硅銅作纖芯材料，當溫度變化時，折射率發(fā)生變化，變化時，折射率發(fā)生變化，x光纖光纖2022-5-816 光纖傳感器的分類：光

13、纖傳感器的分類： 光纖式傳感器按光調(diào)制方式可分為光纖式傳感器按光調(diào)制方式可分為等。等。 光強度調(diào)制是光纖式傳感器最基本的調(diào)制形光強度調(diào)制是光纖式傳感器最基本的調(diào)制形式。光強度調(diào)制的途徑較多，可制成式。光強度調(diào)制的途徑較多，可制成。2022-5-817& 光調(diào)制技術(shù)是光纖式傳感器的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，光信號的光調(diào)制技術(shù)是光纖式傳感器的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，光信號的調(diào)制可以通過外加與被測量相關(guān)聯(lián)的光調(diào)制器來實現(xiàn)，也調(diào)制可以通過外加與被測量相關(guān)聯(lián)的光調(diào)制器來實現(xiàn)，也可以通過光纖本身來實現(xiàn)?？梢酝ㄟ^光纖本身來實現(xiàn)。以此區(qū)分功能型和非功能以此區(qū)分功能型和非功能型光纖傳感器。型光纖傳感器。& 光纖既

14、是電光材料又是磁光材料，所以可以利用克爾電光光纖既是電光材料又是磁光材料，所以可以利用克爾電光效應(yīng)、法拉第磁光效應(yīng)等，制成可以測量強電流、高電壓效應(yīng)、法拉第磁光效應(yīng)等，制成可以測量強電流、高電壓等的傳感器。等的傳感器。 光纖位移傳感器光纖位移傳感器1. 光纖溫度傳感器：利用光纖的傳光特性可制成多種類型的光纖溫度傳感器：利用光纖的傳光特性可制成多種類型的傳光型光纖溫度傳感器傳光型光纖溫度傳感器。 光纖角速度傳感器光纖角速度傳感器(光纖陀螺光纖陀螺) 光纖電流傳感器光纖電流傳感器 光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器 光纖液位傳感器光纖液位傳感器 保護管內(nèi)為保護管內(nèi)為高溫光纖高溫光纖低溫光纖低溫光纖光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 光纖式光電開關(guān)光纖式光電開關(guān)反射型反射型遮斷型遮斷型反射鏡反射型反射鏡反射型思考題思考題1、