光纤传感器课件.ppt

,光纤传感器,上一页,下一页,返回,一、光纤传感器基础二、光调制与解调技术三、光纤传感器实例,各种装饰性光导纤维,光纤传感器外形,一、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,光的反射、折射,当一束光线以一定的入射角1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。,光纤导光,上一页,下一页,返回,光在光纤中的全反射,光的全反射实验,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2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/n1310-3r=24m多模光纤：r=2560m包层半径b125m,光纤传输模的总数:,r为光纤半径，为光波波长。希望小则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表示为,2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,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,3.光强度的外调制,光纤探头,二、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,三、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,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