光纤传感器课件

,光纤传感器 optical fiber sensor,光纤传感优点： 灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。 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。,上一页,下一页,返 回,光纤传感器,光导纤维的结构和导光原理 光导纤维的主要参数 光纤传感器结构原理 光纤传感器的分类 光纤传感器的特点 光纤传感器的应用,上一页,下一页,返 回,光导纤维的结构和导光原理,圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率,上一页,下一页,返 回,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）折射角大于入射角： （b）临界状态： （c）全反射 ：,上一页,下一页,返 回,光纤导光,上一页,下一页,返 回,n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n01,上一页,下一页,返 回,当r =90的临界状态时，,Sin i定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture）,相对折射率差,arcsinNA是一个临界角， i arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失； i arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。,上一页,下一页,返 回,where the effect of total internal reflection (TIR) is used. The angle of a total internal reflection is a function of the refractive index:,Whenlight 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,光导纤维的主要参数,1. 数值孔径（NA） 2. 光纤模式 3. 传播损耗,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,1. 数值孔径（NA）,反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。 意义：无论光源发射功率有多大，只有2i张角之内的光功率能被光纤接受传播。 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。,上一页,下一页,返 回,the value is called the numerical aperture of the fiber In practice, the numerical aperture is defined as the angle at which light intensity drops by some arbitrary number,2. 光纤模式,光波沿光导纤维传播的途径和方式 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越少越好。 阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为,希望V小：d不能太大，n2与n1之差很小,上一页,下一页,返 回,3. 传播损耗,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,传播损耗（单位为dB）,式中, I光纤长度； a单位长度的衰减； I0光导纤维输入端光强； I光导纤维输出端光强。,上一页,下一页,返 回,光纤传感器结构原理,把被测量的状态转变为可测的光信号的装置,上一页,下一页,返 回,光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器， 使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。,光纤传感器光学测量的基本原理,光就是一种电磁波，,光的电矢量E,被测量调制： 光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位 解调： 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,The basic idea for use of fiber optics in sensing is to modulate one or several characteristics of light in a fiber and, subsequently, to optically demodulate the information by conventional methods. A 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 produce an optically detectable signal,光纤传感器的分类,上一页,下一页,返 回,注：MM多模光纤；SM单模光纤；PM偏振保持光纤,光纤传感器的分类,光纤在传感器中的作用 光受被测量调制的形式 光纤传感器中对光信号的检测方法不同,上一页,下一页,返 回,(1) 光纤的传感器中的作用,功能型 非功能型 拾光型,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,(2) 根据光受被测对象的调制形式,(a) 强度调制型光纤传感器 (b) 偏振调制光纤传感器 (c) 频率调制光纤传感器 (d) 相位调制传感器,上一页,下一页,返 回,(a)强度调制型光纤传感器,利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。 应用：压力、振动、位移、气体 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,（b）偏振调制光纤传感器,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,（c）频率调制光纤传感器,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； 利用光致发光的温度传感器等。,上一页,下一页,返 回,（d）相位调制传感器,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,光纤传感器的特点,（1）电绝缘。 （2）抗电磁干扰。 （3）非侵入性。 （4）高灵敏度。 （5）容易实现对被测信号的远距离监控。,上一页,下一页,返 回,光纤传感器的应用,强度调制型： 基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术； 相位调制型： 利用光纤本身作为敏感元件； 偏振调制型： 主要是利用晶体的光弹性效应。,上一页,下一页,返 回,光纤压力传感器,（1）采用弹性元件的光纤压力传感器,膜片反射式光纤压力传感器示意图,膜片的中心挠度,若利用Y形光纤束位移特性的线性区， 则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。,1 Y形光纤 2 壳体 3 膜片,与所加的压力呈线性关系,上一页,下一页,返 回,传感器的固有频率可表示为,式中, 膜片材料的密度； g重力加速度。,结构简单、体积小、使用方便， 光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降， 其精度就要受到影响。,上一页,下一页,返 回,The most commonly used type of fiber-optic sensor is an intensity sensor, where light intensity is modulated by an external stimulus,差动式膜片反射型光纤压力传感器,1输出光纤 2输入光纤 3输出光纤 4胶 5膜片,两束输出光的光强之比,A常数； p待测量压力,输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关,上一页,下一页,返 回,将上式两边取对数，在满足(Ap)21时，得到,表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。 若将I1、I2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。 采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。,上一页,下一页,返 回,（b）光弹性式光纤压力传感器,光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。,1 光源 2、8 起偏器 3、9 1/4波长板 4、10 光弹性元件 5、11 检偏器 6 光纤 7 自聚焦透镜,上一页,下一页,返 回,光弹性式光纤压力传感器 2,在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度,上一页,下一页,返 回,（c）微弯式光纤压力传感,基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。,1 聚碳酸酯薄膜 2 可动变形板 3 固定变形板 4、5 光纤,微弯式光纤水听器探头,上一页,返 回,The so-called microbend strain gauge can be designed with an optical fiber which is squeezed between two deformers,Optical fibers may be used in two modes. In the first mode, the same fiber is used to transmit the excitatio