光纤传感技术光学工程,李子忠ppt课件

1、光纤传感技术姓名：李子忠 专业：光学工程 学号：6121203010目录 一、概述 二、光纤的传光原理及特性 三、传输光的调制技术 四、强度调制光纤传感器 五、相位调制光纤传感器 六、偏振态调制光纤传感器 七、频率调制光纤传感器 八、分布式光纤传感器一、 概述 光纤传感器始于1977年，经过20多年，目前已进入研讨与运用并重阶段。 优点：灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可绕性、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根底构成传感不同 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、腐蚀等恶劣环境构造简单、体积小、分量轻、

2、耗能少二、光纤的传光原理及特性 1、光纤的构造 2、光在光纤中的传播 3、光纤的重要参数 4、光纤的分类1、光纤的构造 多层介质构造： 1.纤芯：石英玻璃，直径575um，资料以二氧化硅为主，掺杂微量元素 2.包层：直径100200um，折射率略低于纤芯,使光的传输性能相对稳定 3.涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光 4.护套：尼龙或其他有机资料，提高机械强度，维护光纤2、光在光纤中的传播1.斯涅尔定理(Snells law)光由光密介质入射到光疏介质时发生折射，如图(a)，其折射角大于入射角，即n1n2时， ri。n1、n2、r、i间的数学关系为：n1sini=n2sinr当r=90时，i仍9

3、0，此时，出射光线沿界面传播如图b，称为临界形状。临界角i0为：i0=arcsin(n2/n1)当ii0并继续增大时，r90，这时便发生全反射景象，如图(c) ，其出射光不再折射而全部反射回来。光在光纤中的传输3、光纤的重要参数1.数值孔径 式中,n1为纤芯折射率,n2为包层折射率, 为纤芯和包层的相对折射率2. 传播方式根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程,思索到光纤圆柱波导和纤芯-包层界面处的几何边境条件时,那么只存在动摇方程的特定(离散)的解。不同的允许存在的解代表许多离散的沿波导轴传播的波。每一个允许传播的波称为方式。每个波具有不同的离散的振幅和速度。采用“V值表述光在阶跃型折射率光纤中的

4、传播特性:式中,a为纤芯半径,0为入射光在真空中的波长(真空中的光波长近似等于光在空气中的波长)。光纤V值越大,那么光纤所能拥有的,即允许传输的方式(不同的离散波)数越多。当V值低于2.404时,只允许一个波或方式在光纤中传输。即圆柱波导的“单模条件是：在光导纤维中传播方式很多对信息传输是不利的。由于同一光信号采取很多方式传播,就会使这一光信号分为不同时间到达接纳端的多个小信号,从而导致合成信号的畸变。在信息传输中普通希望方式数量越少越好。希望V小,纤芯直径d=2a不能太大,普通为几个微米,不能超越几十微米。另外,n1与n2之差很小(例如,普通纤芯折射率n1能够是1.46,而包层折射率n2能够

5、是1.44)。普通要求n2与n1之差不大于1.4%6.2%。3. 传播损耗光从光纤一端射入，从光纤另一端射出，光强发生衰减，单位长度传输线的损耗即损耗系数定义为:式中L光线长度Pi、Po分别为光纤输入输出功率光纤传播损耗分类：吸收损耗： 与组成光纤的资料的电子受激跃迁和分子共振有关。散射损耗： 由于资料密度的微观变化，成分起伏，以及在制造光纤过程中产生的构造上的不均匀性或缺陷引起的。辐射损耗： 当光纤遭到具有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射损耗。4.色散资料色散：资料的折射率随光波长的变化而变化，使光信号中各波长分量的光的群速度不同而引起的色散。波导色散：由于波导构造不同，某一波导方式的传播

6、常数随着信号角频率变化而引起色散。多模色散： 在多模光纤中，由于各个方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。4、光纤的分类1.按折射率变化类型分类三、传输光的调制技术 强度调制 相位调制 偏振态调制 频率解调四、强度调制光纤传感器 利用外界要素改动光纤中光的强度，经过丈量光强的变化来检测外界物理量的传感器。 光纤微弯传感器 反射式光纤位移传感器 反射式光纤压力传感器 半导体吸收式光纤温度传感器 折射率调制光纤传感器1、光纤微弯传感器：能引起光纤产生微弯的变形器 光纤微弯传感器是利用光纤的微弯损耗来检测外界物理量的变化。 一根多模光纤从一对机械变形器中间经过，如上图所示。当变形

7、器遭到压力作用时，光纤沿轴线产生周期性微弯曲。光纤的弯曲会引起光纤中的传导模与辐射模之间产生耦合，从而使一部分导模走漏到包层中去。经过检测纤芯中的传导光功率，就能丈量出与之成一定关系的压力的大小2、反射式光纤位移传感器光纤位移传感器的构造和任务原理反射式光纤是一种传输型光纤传感器。光纤采用型构造，两束光纤一端合并在一同组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接纳光纤。光从光源耦合到光源光纤，经过光纤传输，射向反射片，再被反射到接纳光纤，最后由光电转换器接纳，转换器接遭到的光源与反射体外表性质、反射体到光纤探头间隔有关。当反射外表位置确定后，接纳到的反射光光强随光纤探头到反射体的间隔的变

8、化而变化。 显然，当光纤探头紧贴反射片时，接纳器接纳到的光强为零。随着光纤探头离反射面间隔的添加，接纳到的光强逐渐添加，到达最大值点后又随两者的间隔添加而减小。反射式光纤的输出特性曲线，利用这条特性曲线可以经过对光强的检测得到位移量。反射式光纤位移传感器是一种非接触式丈量，具有探头小，呼应速度快，丈量线性化等优点，可在小位移范围内进展高速位移检测。一个典型位移输出曲线如以下图所示。在位移-输出曲线的前坡区,输出信号的强度添加得非常快,这一区域可以用来进展微米级的位移丈量。在后坡区,信号的减弱约与探头和被测外表之间的间隔平方成反比,可用于间隔较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的丈量。位移-输出信

9、号曲线利用反射式光纤传感器丈量微小位移的原理,经过丈量输出电压与位移的关系确定任务点,测得外表柤糙程度不同的真假钞的输出信号,从而实现对纸币的真假识别.3、反射式光纤压力传感器这种传感器是在前面引见的光纤位移传感器的探头前面加上一个膜片构成的，其构造如上图所示。光源发出的光经发射光纤传输并投射到膜片的内外表上,反射光由接纳光纤接纳并传回光敏元件。 光纤测压传感器4、半导体吸收式光纤温度传感器原理：利用半导体资料的光吸收与温度的关系，构造表示图如下。 5、折射率调制光纤传感器 利用折射率的不同进展强度调制。 原理 ：利用被测物理量引起传感资料折射率发生变化 利用折射率不同的介质之间的折射和反射

10、典型运用：用于温度报警系统的温 度传感器、光纤液位传感器等。五、相位调制光纤传感器马赫泽德干涉仪 马赫泽德尔干涉仪的典型构造如上图所示，下方的分束器把激光器的输出光束分成两束。它们经上、下光路的传输之后又重新合路,使它们在光检测器处相互发生干涉。 优点：只需少量的或者没有光直接前往激光器,这就防止了反响光使激光器不稳定和产生噪声。 详细运用： 光纤压力传感器 光纤力传感器 光纤加速度传感器 光纤磁传感器法布里珀罗干涉仪 法布里 珀罗干涉仪原理如上图所示。它是由两块平行的部分透射平面镜组成的。这两块平面镜的反射率(反射系数)通常是非常大的,普通大于或等于95%。假定反射率为95%,那么在任何情况

11、下,激光器输出光的95%将朝着激光器反射回来,余下的5%的光将透过平面镜而进入干涉仪的谐振腔内。 主要特点：精细度高；光谱分辨率高；调整精度要求低。迈克尔逊干涉仪 迈克尔逊干涉仪的根本原理如上图所示。用一块部分反射、部分透射的平面镜作分束器。分束器使激光器输出的一部分光向上反射到固定平面镜。这些光被固定平面镜反射回分束器,于是一部分光透射到光检测器,另一部分光被反射回激光器。激光器输出的另一部分光透过该分束器,被活动平面镜反射回分束器,一部分光被该分束器反射到光检测器。萨格奈克干涉仪上图为萨格奈克干涉仪的构造。激光器输出的两束光沿着一条由一个分束器和三个平面镜构成的闭合光路反方向传输,它们重新

12、合路后再入射到光检测器,同时一部分光又前往到激光器。可以求得,顺、反两光束之间的光程差为其中,A为光路系统围成的面积,c为光速,为光路系统旋转的角速度。它是目前许多惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计根底。六、偏振态调制光纤传感器 原理：利用外界要素改动光的偏振特性，经过检测光的偏振态的变化来检测各种物理量。 检测原理： 法拉第效应 普克尔效应(电光效应) 光弹效应偏振调制型光纤电流传感器，其根本原理是前述引见的法拉第效应磁光效应。当平面偏振光在强度为H 的磁场作用下，线偏振光在物质中经过的间隔L时电矢量E旋转角为：。假设这个磁场是由长直载流导线产生的，根据安培环路定律：式中：I 载

13、流导线中的电流强度；r 导线外任一观测点到导线的垂直间隔。由此可见，只需根据磁光效应，利用光纤传感器丈量出导线外任一点r的磁场强度H，即可得到导线中的电流I。七、频率调制光纤传感器原理：利用外界要素改动光的频率，经过检测光的频率变化来丈量外界物理量。频率调制是基于光学多普勒效应。假设一束频率为f 的光入射到相对于探测器速度为v 的运动物体上，那么从运动物体上反射的光频率为fs ，根据多普勒效应，得到 其中，c是光在介质中的传播速度八、分布式光纤传感器 随着光纤传感技术的开展和运用的日益广泛，仅仅依托单点式丈量，已难以满足需求，并且不能充分发扬光纤传感器的技术优势。分布式光纤传感器普通是指：具有一个公共数据通道并能与控制中心实施通讯联络的传感器网络。 分布式光纤传感器丈量是运用光纤的一维特性进展丈量的技术，它可同时获得被丈量的空间分布形状和随时间变化的信息。它可以在整个光纤上对沿光纤分布的环境参数进展延续丈量。在实际上，它可以把被丈量作为光纤位置长度的函数，能得到恣意大