第11章 光纤传感测量

1、2021年7月9日星期五 光电检测技术及应用 第11章 光纤传感测量 任课教师：徐熙平 目 录 11.1光导纤维的基本知识 光纤传光原理、光纤分类、光纤的基本特性 11.2光纤传感器原理及应用 光纤传感器分类与特点、光纤传感器、光变 换器与光纤兼容 第1111章 光纤传感测量 一、光导纤维的一、光导纤维的 基本知识基本知识 1、光纤传光原理 光 纤 传 光 原 理 c 2 1 sin() 2 n 0 2sin90 n 10 sinsinnn 0sin n 11 2222 2 22 1112 1 (1 cos)1 () n nnnn n 第1111章 光纤传感测量 一、光导纤维的一、光导纤维的

2、基本知识基本知识 2、光纤的分类 a）多模阶跃折射率光纤 b）多模梯度折射率光纤 c）单模小芯光纤 芯皮型光纤结构 光纤按结构分，大体上有 芯皮型光纤和自聚焦型光纤。 芯皮型光纤又分为阶跃折射率 光纤和梯度折射率光纤。阶跃 折射率光纤是指径向折射率分 布从折射率高的纤芯直接变到 折射率低的包层，即芯和包层 的界面分明。梯度型光纤，其 断面径向的折射率分布是从中 心的高折射率逐渐变到包层的 低折射率，光纤外面的包层既 作为光学绝缘介质，又起到内 芯的保护层的作用。 第1111章 光纤传感测量 一、光导纤维的一、光导纤维的 基本知识基本知识 a）多模阶跃折射率光纤 b）多模梯度折射 率光纤 c）单

3、模小芯光纤 三类主要光纤的几何形状 光纤按其传输模式分有 单模和多模之分。单模光纤细 ，芯径一般小于10m，其断 面结构芯细、包层厚。多模光 纤心径大于50m，断面结构 芯粗、包层薄，在光传输时有 多种空间电磁场模式存在。相 比之下单模光纤波形失真小， 损耗小，近年来更加受到重视 。 在传输光信息时，多采 用光缆。光缆是将若干根光纤 单丝集聚一束，然后再包覆一 层尼龙或聚乙烯塑料，最外层 为包层。 a） b） c） 第1111章 光纤传感测量 一、光导纤维的一、光导纤维的 基本知识基本知识 3、光纤的基本特性 衰减 光在光纤传输时其衰 减主要由吸收损耗和散射 损耗造成。吸收损耗有玻 璃材料的本

4、征吸收和杂质 吸收，散射损耗主要有本 征散射和结构不完善引起 的散射。 高硅氧（GeO2-P2O5-SiO2）光纤的损耗曲线 第1111章 光纤传感测量 一、光导纤维的一、光导纤维的 基本知识基本知识 带宽 脉冲光在光纤传输时，导致脉冲展宽的三个主要原因是模 式色散、颜色（或材料）色散和波导（或结构）色散。色散是 指折射率及其他物理参数随光的波长变化而变化的现象，光纤 的传输带宽又受这些参数的限制，为方便起见，采用色散一词 来描述这些参数的变化。 (1)不同的脉冲模式的激光在光纤传输时，它们将以不同的时 间传输到光纤的另一端，其结果是使激光脉冲加宽。 (2)光纤玻璃材料的折射率随入射光的波长的

5、改变而导致“颜 色”或“材料”的色散。 (3)与光纤结构的波导效应相联系的色散称为波导色散。 第1111章 光纤传感测量 一、光导纤维的一、光导纤维的 基本知识基本知识 光纤作为传输介质的优缺点 1）现代光纤具有极低的传输损耗，低的为 0.2dB/km。 2）具有较大的频带宽度。 3）抗电磁干扰和避免接地回路问题，防止光纤间串扰，并 可增大电磁的安全性。 4）可利用丰富的硅、磷、锗、硼等物质来制造。 5）光纤是高强度抗断裂材料，具有体积小、重量轻及韧性 好等优点。 缺点是应变的效果还不很清楚；核辐射可使传输损耗增 加，这将使有关的防御系统受到损害；小尺寸的光纤在加工 和相互连接方面也增加了机械

6、加工的难度。 第1111章 光纤传感测量 二、光纤传感器二、光纤传感器 原理及应用原理及应用 1、分类与特点 光纤本身是传感介质，被检测的物理参数影响光纤， 而使其传输特性产生适当的变化； 光纤作为光导介质，利用光纤把光引导到变换器或从其 中引出，该变换器能使物理参数改变两种长度纤维之间的耦 合特性，或物理参数可引起光发射，发射的光由光纤收集并 引向远距离探测器。 抗电磁干扰、安全性高、高电气绝缘、无电源工作、 可以用于各种高温场合。具有低损耗的特点，可使用很长的 分布式传感器。在已经出现的基本光学数据传输的地方，光 学纤维兼容传感器可产生许多附加的光学/电气接口。 第1111章 光纤传感测量

7、 二、光纤传感器二、光纤传感器 原理及应用原理及应用 2、光纤传感器 相位调制传感器 光纤中传输的相干光与 直接从光源来的光或通过隔 离光纤传导的光合成便产生 干涉，构成了一个灵敏的光 学干涉仪，干涉信号再用现 代化的光电线路处理就能检 测温度、压力及旋转速率等 参量。 光纤陀螺仪的原理示意图 第1111章 光纤传感测量 二、光纤传感器二、光纤传感器 原理及应用原理及应用 激光由分光器分为两路光束：一路光束经驱动频率为 的布拉格盒使激光产生分频移 ；另一路光束输入光纤声 光纤外差水听器原理图 传感器被声波相 位调制，两路光 束在复合器进行 外差，得频率为 的声信息相 位调制信号。相 位调制信号

8、由光 敏二极管探测， 再由电子学处理 得到声信息。 y y y 第1111章 光纤传感测量 二、光纤传感器二、光纤传感器 原理及应用原理及应用 振幅调制传感器 振幅调制传感器是基于光纤传输的光功率被物理量所调 制的原理。 微弯调制光纤传感器示意图 如果变形是由被检测的 压力、振动、位移及声等参 量引起的，那么对于微小变 形来说，在芯或包层内的光 强波动将与信号成正比。可 通过检测纤芯或包层的光强 度大小来确定被测量。 第1111章 光纤传感测量 二、光纤传感器二、光纤传感器 原理及应用原理及应用 抽头纤芯直接与源纤维包层耦合。将强度为 的光引进 变形器，使源纤芯的光强减小了 ，变形器后面的源纤

9、芯内 所剩下的光强为 ，离开源纤芯的光强变量 被引入纤维 包层。利用包层一纤维抽头将包层的部分光由源纤维包层通 微弯调制光纤传感器示意图 0 I I 0 II 入纤维探测器内，通 过监视源纤维射出的 光（亮场）或探测器 纤维射出的光（暗场 ）即可检测信号。在 探测器纤维芯中的光 强大小是 。K I 第1111章 光纤传感测量 二、光纤传感器二、光纤传感器 原理及应用原理及应用 3、光变换器与光纤兼容 光纤传感器是光学变换器与光纤组合而成。这类传感器 分为两种类型：一种是物理效应导致光发射，另一种是光变 换器对两纤维间耦合的光进行调制。 聚光纤维传感器 光能级传感器检测原理 入射能量 对材料激励而 引起荧光或磷 光材料的再发 射，其发射的 光谱成分与被 检材料的温度 或浓度有关。 第1111章 光纤传感测量 二、光纤传感器二、光纤传感器 原理及应用原理及应用 光束调制传感器 这种传感器用两纤维间耦合的部分