光纤传感器讲稿

1、关于光纤传感器第一张，PPT共三十页，创作于2022年6月各种装饰性光导纤维 第二张，PPT共三十页，创作于2022年6月 发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。上海东方明珠第三张，PPT共三十页，创作于2022年6月一、光导纤维导光的基本原理 光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此, 采用几何光学的方法来分析。 1、斯乃尔定理（Snells Law）当光由光密物质

2、(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图，其折射角大于入射角，即n1n2时，ri。 n1n2ri光的折射示意图 可见，入射角i增大时，折射角r也随之增大，且始终ri。n1、n2、r、i之间的数学关系为 n1sini=n2sinr 第四张，PPT共三十页，创作于2022年6月当ii0并继续增大时，r90，这时便发生全反射现象，如图，其出射光不再折射而全部反射回来。式中：i0临界角i0=arcsin(n2/n1) sini0=n2/n1 sinrsin901n1n2ri 光全反射示意图n1n2ri 临界状态示意图 当r=90时，i仍90，此时，出射光线沿界面传播如图，称为临界状态。这时有第五张，

3、PPT共三十页，创作于2022年6月 2、光纤结构光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包皮(包层)两个同心圆柱的双层结构以及护套组成。 纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤心折射率n1比包层折射率n2稍大些两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。 光纤结构第六张，PPT共三十页，创作于2022年6月光纤的分类：（1）按折射率变化分：阶跃型光纤、渐变型光纤（2）按传播模式分：单模光纤、多模光纤（3）按传播用途分：闪烁光纤、被覆光纤、光谱光纤、图像传输光纤、保偏光纤。第七张，PPT共三十页，创作于2022年6月 3、光纤导光原理及数值孔径NA入射光线AB与纤维轴线OO相

4、交角为i，入射后折射(折射角为j)至纤芯与包层界面C点，与C点界面法线DE成k角，并由界面折射至包层，CK与DE夹角为r。则n0sini=n1sinj n1sink=n2sinr sini=(n1/n0)sinj sink=(n2/n1)sinr 因j=90k 所以 jikrABCDEFGKOOn0n2n1光纤导光示意图n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般为空气，故n1，nl为纤芯折射率，n2为包层折射率。当n=1时第八张，PPT共三十页，创作于2022年6月上式sini0为“数值孔径” NA(NumericalAperture)。由于n1与n2相差较小，即n1+n22n1,故又可因式分解

5、为 =(n1-n2)/n1称为相对折射率差 当r=90的临界状态时，i=i0当rNA，iarcsin NA，光线消失。结论：arcsinNA是一临界角,凡入射角iarcsinNA的光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反,只有入射角iarcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播。当r=90时当r90时，光线发生全反射，则sini0=NA i0=arcsin NAii0=arcsin NA第九张，PPT共三十页，创作于2022年6月4、光纤的主要参数（1）传播损耗 光纤纤芯材料和包层物质的吸收、散射、畸变，以及光纤弯曲处的辐射损耗等, 它表示光强度相对衰减与光纤长度的关系。单位：每千米分贝（d

6、B/km）第十张，PPT共三十页，创作于2022年6月（2）光纤模式：是光波沿光纤传播的途径和方式。阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量可简单的表示为： （3）色散：在光纤中产生的脉冲展宽现象表征光纤传输特性的一个重要参数，在光纤通讯中反映传输带宽，影响通讯信息的容量和质量。光纤色散的种类：多模色散 材料色散和波导结构色散 （4）光纤强度：主要取决于材料纯度、结构状态、光纤包层被拉制后外套表面的擦伤和其他缺陷的程度，以及包层表面在缠绕、成缆和使用期间得到的保护程度。 单模光纤：传输性能好，制成的传感器线性好、灵敏度高多模光纤：光纤性能差，带宽较窄，制造容易，连接耦合方便第十一张，PPT共三十页，创

7、作于2022年6月二、光纤传感器结构原理及分类 1、光纤传感器结构原理以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。见图(a)。光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。见图(b)。光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器信号处理电 源信号接收敏感元件（a）传统传感器 导线可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。第十二张，PPT共三十页，创作于2022年6月 光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因

8、其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即A电场E的振幅矢量；光波的振动频率；光相位；t光的传播时间。 可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。 第十三张，PPT共三十页，创作于2022年6月传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光线传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaa

9、aaa非干涉型强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调制光纤温度传感器法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制光纤温度传感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、加速度气体浓度温度MMMMMMcbb注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型 2、光纤传

10、感器的分类第十四张，PPT共三十页，创作于2022年6月 （1）按光纤在传感器中的作用 光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。 1）功能型（全光纤型）光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器第十五张，PPT共三十页，创作于2022年6月 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器 光

11、纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成,光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤 3）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。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。 信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象第十六张，PPT共三十页，创作于2022年6月 （2）根据光受被测对象的调制形式 形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。 1）强度调制型光纤传感器 是一种利

12、用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。 优点：结构简单、容易实现，成本低。 缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。第十七张，PPT共三十页，创作于2022年6月 2）偏振调制光纤传感器 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电

13、场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。 3）频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有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；以及利用光致发光的温度传感器等。 第十八张，PPT共三十页，创作于2022年6月 4）相位调制传感器 其基本原理是利用被测对象对敏感元

14、件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、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、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。 第十九张，PPT共三十页，创作于2022年6月 三、光纤传感器的应用 （一）温度的检测 光纤温度传感器有功能型和传光型两种。 1、遮光式光纤温度计 下图为一种简单利用水

15、银柱升降温度的光纤温度开关。用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。 1234水银柱式光纤温度开关1 浸液 2 自聚焦透镜 3 光纤 4 水银第二十张，PPT共三十页，创作于2022年6月 下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤温度计能测量1050的温度。检测精度约为0.5。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。 光源接收热双金属式光纤温度开关121 遮光板 2 双金属片第二十一张，PPT共三十页，创作于2022年6月 2、透射型半导体光纤温度传感器 当一束白

16、光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长g的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的,g称为半导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时,电子吸收光能从价带跃迁入导带,显然,要发生本征吸收,光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即因c/v，则产生本征吸收条件h 普朗克常数；v 光频率因此，对于波长大于g的光，能透过半导体，而波长小于g的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料具有不同的本征吸收波长，图为在室温(20)时,120m厚的GaAs材料的透射率曲线。 第二十二张，PPT共三十页，创作于2022年6月

17、由图看出，GaAs在室温时的本征吸收波长约为880nm左右，半导体的吸收光谱与Eg有关，而半导体材料的Eg随温度的不同而不同，Eg与温度t的关系可表示为式中：Eg（0）绝对零度时半导体的禁带宽度； 经验常数(eVK)；经验常数(K)。 8508009009501000010203040t=20波长/nmGaAs的光谱透射率曲线透射率(%)对于GaAs材料，由实验得到 =5.810-4eV/K =300K第二十三张，PPT共三十页，创作于2022年6月 由此可见，半导体材料的Eg随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长g随温度上升而增大。反映在半导体的透光特性上，即当温度升高时，其透射率曲线将向长波

18、方向移动。若采用发射光谱与半导体的g(t)相匹配的发光二极管作为光源，如图，则透射光强度将随着温度的升高而减小。LED发光光谱半导体透射率T1T20P=0P0(a)传感器结构 (b)探头截面结构 (c)测量原理PI2I1I02(外圈)1 (内圈)I1I0I2I1I0I2I1I0I23 (输入)第二十七张，PPT共三十页，创作于2022年6月 可见，输出光强比I2Il与膜片的反射率、光源强度等因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。 将上式两边取对数且满足(Ap)21时,等式右边展开后取第一项，得到这表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。因此，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。 若选用的光纤束中每根光纤的芯径为70m,包层厚度为3.5m,纤芯和包层折射率分别为1.52和1.62,则该传感器可获得115dB的动态范围,线性度为0.25。采用不同的尺寸、材料的膜片,即可获得不同的测量范围。 两束输出光的光强之比为A与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；p待测量压力。第二十八张，PPT共三十页，创作于2022年6月 2、光弹性式光纤压力传感器 晶体在受压后其折射率发生变化，呈现双折射的现象称为光弹性效应。利用光弹性效应测量压力的原理