传感器课件9 光纤传感器

第九章光纤传感器上一页下一页返回9.1光纤传感器基础9.2光调制与解调技术9.3光纤传感器实例各种装饰性光导纤维光纤传感器外形9.1光纤传感器基础光纤波导简称光纤，是用透光率高的电介质(石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。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n2。通常直径为几微米到几百微米9.1.1光纤波导原理光纤的结构纤芯包层涂覆层护套光的反射、折射当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到与介质2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。斯乃尔定理当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射（a）折射角θr大于入射角θi：（b）临界状态入射角θi0：（c）全反射：rinnsinsin21)/arcsin(120nni0ii上一页下一页返回光纤导光jinnsinsin10rknnsinsin21上一页下一页返回kj90kkkinnnnnn2010101sin1cos)90sin()/(sinjinnsin)/(sin01rrisinnnn)sinnn(nnsin2222102120111n0为入射光AB所在空间的折射率，一般为空气n0≈1，则：rinn22221sinsin上一页下一页返回22210sinnni当θr=90°的临界状态时，对应的入射角为：Sinθi0定义为“数值孔径”NA（NumericalAperture）NAnNAiiarcsin2sin001121/)(nnn相对折射率差arcsinNA是一个临界角，θiarcsinNA时，光线进入光纤后在包层消失；θiarcsinNA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：光在光纤中的全反射光的全反射实验数值孔径（NA）NA反映纤芯接收光量的多少，标志光纤集光性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2θi0张角之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。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。22210sinnnNAi上一页下一页返回光纤按折射率变化类型分类按纤芯到包层折射率变化：阶跃折射率光纤渐变折射率光纤光纤模式光纤模式:光波沿光导纤维传播的途径和方式。以不同角度入射的光线在(n1和n2)界面上的反射次数是不同的。光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。后者在纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在横向往返一次的相位变化为2π的整数倍时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为模。在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利的，导致合成信号的畸变，因此我们希望模式数量较少为好。上一页下一页返回单模光纤：V2.405普通单模光纤：n1-n2/n1~310-3r=2~4m多模光纤：r=25~60m包层半径b125m光纤传输模的总数:渐变型阶跃型4222NN/2NArr为光纤半径，λ为光波波长。希望ν小则r不能太大，且n2与n1之差要小光纤内光传播的模式数量用归一化频率ν表示为9.1.2光纤的特性损耗原因：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。0lg10PPLai传播损耗（单位为dB/km）式中,L——光纤长度(km)；P0——光纤输出端光强；Pi——光纤输入端光强。上一页下一页返回1.损耗2.色散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脉冲展宽现象。它使信号脉冲畸变。限制了光纤的传输带宽。(1)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的色散；(2)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，也称结构色散(3)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，群速度不同而产生的色散。传输距离越长，色散现象越严重。022n传播常数：9.1.3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，使传输光的强度、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制的光信号进行检测，从而得出相应被测量的传感器。光纤传感器一般可分为两大类：功能型FF和非功能型NF功能型FF:利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件。所以也称传感型光纤传感器，或全光纤传感器。非功能型：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。所以也称为传光型传感器．或混合型传感器。a类：功能型FFb类：非功能型NFC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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。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：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光纤在其中仅起导光作用，光照在非光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。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)拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。典型例子：光纤激光多普勒速度计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就是一种横波，光的电矢量E)sin(tBE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、频率调制或相位调制上一页下一页返回9.2.1强度调制与解调利用被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检测，优点:结构简单、容易实现、成本低。缺点: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基于微弯损耗机理的强度调制型传感器的结构如图所示。由光纤中光功率的数值可得到诸如压力、位移等被测量的大小。光输入光输出变形器光纤LΛ微弯损耗光纤传感器原理时，微弯效应最明显当取2∆β=β1-β2，其中β1和β2分别为纤芯传输模的传输常数和包层辐射模的传输常数。渐变型光纤中：阶跃型光纤中：r2r22.光强度的外调制遮断型发送光纤接收光纤反射型接收光纤发送光纤光纤探头发射光纤与接收光纤的四种分布9.2.2偏振调制与解调利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息应用：电流、磁场传感器：法拉第效应；电场、电压传感器：泡尔效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；温度、压力、振动传感器：双折射性优点：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相位调制与解调被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这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Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）优点：灵敏度很高，缺点：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：两相干光的光程差光在空气中的传播常数lKlK2:2002.马赫－泽德尔干涉仪3.塞格纳克干涉仪为真空中光波长为真空中光速；为光路围成的面积；为旋转率；0082cAcA4.法布里-泊罗干涉仪为相邻光束间的相位差为反射镜的反射率；RRRII2sin1412209.2.4频率调制与解调被测对象引起的光频率的变化来进行监测利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、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构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器等。上一页下一页返回2112coscos1cvff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、可实现不带电的全光型探头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便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和控制可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境结构简单、体积小、重量轻、耗能少应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。光缆的外形光纤的类型阶跃型：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“模”的原理在纤芯中传导，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实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极管。激光二极管的外形激光二极管芯片激光二极管与发光二极管的带宽及效率的比较单模光纤必须采用能发射单一光谱的激光二极管，它在传导过程中的发散损耗较小，稳定性较高。光纤的损耗光纤在传输信号的过程中损耗应尽量小且稳定。在某些波长上，光纤的损耗非常小。可选择适当波长的电光转换元件与之匹配。专用的光纤连接头及光纤插座光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。光纤液位传感器光纤式光电开关应用标志孔电路板标志检测当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。光纤耦合器传输光纤出射光纤光纤式光电开关应用遮断型光纤光电开关出射光纤接收光纤光纤式光电开关应用采用遮断型光纤光电开关对IC芯片引脚进行检测光纤的其他应用军用光纤陀螺：将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可以测得出射光的相位发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，无机械磨擦力。光纤内窥镜