第9章光纤传感器

1、1 第九章第九章 光纤传感器光纤传感器 2 第一节第一节 光纤传感器基础光纤传感器基础 第二节第二节 光调制与解调技术光调制与解调技术 第三节第三节 光纤传感器实例光纤传感器实例(穿插在第二节中穿插在第二节中) 1、光纤的结构和传光原理、光纤的结构和传光原理 2、光纤的分类、光纤的分类 4、光纤传感器的分类、光纤传感器的分类3、光纤的特性、光纤的特性 1、强度调制与解调、强度调制与解调（重点）（重点）2、偏振调制与解调、偏振调制与解调 3、相位调制与解调、相位调制与解调（重点）（重点）4、频率调制与解调、频率调制与解调 （重点）（重点） 3 液体检测光纤传感器液体检测光纤传感器 埋入式光纤应变

2、传感器埋入式光纤应变传感器 开关式光纤传感器开关式光纤传感器 几种光纤传感器实物图几种光纤传感器实物图 4 （一）、 光纤的结构和传光原理 1、光纤的结构、光纤的结构 纤芯纤芯 包层包层保护套保护套 一、光纤传感器基础一、光纤传感器基础 5 2、光纤的传光原理、光纤的传光原理全反射原理 包层 n2 n1 纤芯 折射光 2 11 入射光 反射光 根据光的折射定律： 2211 sinsinnn 临界角 1 2 1 sin n n c 包层 n2 n1 纤芯 折射光 2 c 入射光 6 （二）、 光纤的分类 1、按折射率分布分类阶跃光纤与渐变光纤 1）阶跃光纤 其折射率分布的表达式为： 212 11

3、 , , aran arn rn 7 光在阶跃光纤中的传播 光在阶跃光纤中的传播轨迹，即按“之”字形传播及沿 纤芯与包层的分界面掠过，如图所示。 空气的折射率n0 0 8 113100 90sinsinsin nnn 1 2 sin n n c NAnn n n n nn cc 2 2 2 1 2 1 2 1 110 1 cos90sinsin 光在空气的折射率n0=1，应用多次光的折射定律可得： 全反射要求1=c，且 9 NA的物理意义：能使光在光纤内以全反射形式进 行传播的接收角c之正弦值。 说明： a、NA表示光纤的集光能力。 b、光纤一般不给出折射率n，只给数值孔径NA。 10 2）渐

4、变光纤 11 12 2、按传播模式分类多模光纤与单模光纤 光纤模式的概念 式中：a1为纤芯半径； 1 2 a NA 常用麦克斯韦方程导出的归一化频率作为光纤 传输模数的参数： 13 NA a 1 2 NA a 2024. 1 1 要实现单模传输，必须使光纤的诸参量满足一定的条件， 即其归一化频率 2.4048。 例，对于NA=0.12 的光纤要在=1.3微米以上实现单 模传输时，光纤纤芯的半径应为 微米2 . 4 12. 0 3 . 12024. 1 1 a 14 理论分析可得，光纤传输模的总数： 2 2 N4 2 N (阶跃型)或 （渐变型） 1）多模光纤 2.41，光纤传输的模数多，称为多

5、模光纤。 2）单模光纤 2.41，只能传输基模，称为单模光纤。 15 多模光纤与单模光纤的比较多模光纤与单模光纤的比较 多模好比多辆不同速度的汽车，到达的时间有差异多模好比多辆不同速度的汽车，到达的时间有差异 单模好比是一辆高速火车，运载量大单模好比是一辆高速火车，运载量大 16 多模光纤与单模光纤的比较多模光纤与单模光纤的比较 17 3、按工作波长分类短波长光纤与长波长光纤 1）短波长光纤 光波波长在0.60.9m 范围内（典型值为0.85m）， 习惯上把在此波长范围内呈现低衰耗的光纤称作短波长 光纤。 2）长波长光纤 在波长1.31 m和1.55 m附近，石 英光纤的衰耗急剧下降如图所示

6、习惯上把工作在1.02.0 m波长范 围的光纤称之为长波长光纤。 18 光纤主要工作波长光纤主要工作波长 光纤的衰减图光纤的衰减图 OH- 衰减(dB/km) 6 5 4 3 2 1 OH- OH- 第一窗口 第二窗口 第三窗口 水峰值 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 m 6 5 4 3 2 1 19 4、按套塑类型分类紧套光纤与松套光纤 1）紧套光纤 所谓紧套光纤是指二次、三次涂敷层与予涂敷层及光 纤的纤芯，包层等紧密地结合在一起的光纤。 2）松套光纤 所谓松套光纤是指，经过予涂敷后的光纤松散地放 置在一塑料管之内，不再进行二次、三次涂敷。 2

7、0 1、损耗系数 定义为：每公里光纤对光功率信号的衰减值，表达式为： o i P P L lg 10 单位（dB/km） 光纤的损耗机理 （三）、光纤的特性（三）、光纤的特性 21 2、光纤的色散 光纤的色散就是输入脉冲在光纤传输过程中，由 于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。 光纤的色散可以分为三部分即 模式色散模式色散 （多模光纤以此为主）（多模光纤以此为主） 材料色散材料色散 波导色散波导色散 （单模光纤以此为主）（单模光纤以此为主） 22 模色散：不同方向的光路径不同，到达的时间不同模色散：不同方向的光路径不同，到达的时间不同 23 光纤传感器和传统传感器的比较光纤传感器和传统传感

8、器的比较 （a）传统传感器传统传感器 信号处理信号处理 电电 源源 信号接收信号接收 敏感元件敏感元件导线导线 光纤光纤 信号处理信号处理 光接收器光接收器 敏感元件敏感元件 光发送器光发送器 （b）光纤传感器光纤传感器 （四）光纤传感器的分类（四）光纤传感器的分类 24 光纤传感器类型光纤传感器类型: 1、功能型光纤传感器：、功能型光纤传感器：把光纤作为敏感元把光纤作为敏感元 件件， 又称传感型光纤传感器。又称传感型光纤传感器。 2、非功能型光纤传感器：、非功能型光纤传感器：光纤仅作为光的传输光纤仅作为光的传输 介质介质，又称传光型光纤传感器。，又称传光型光纤传感器。 25 光纤传感器原理示

9、意图光纤传感器原理示意图 入射光波的特征参量： 振幅、相位、偏振态、频率等 入射光波 出射光波 光纤光波传输的煤质 外界因素： 温度、压力、电场、 位移等 26 （一）、强度调制与解调 （二）、偏振调制与解调 二、光调制与解调技术二、光调制与解调技术 （三）、相位调制与解调 （四）、频率调制与解调 27 调制：调制：将一携带信息的信号叠加到载波光波上。将一携带信息的信号叠加到载波光波上。 完成这一过程的器件叫做完成这一过程的器件叫做调制器调制器。 解调：解调：在光纤传感器中，光的解调过程通常是在光纤传感器中，光的解调过程通常是 将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然将载波光携带的信号转换成光

10、的强度变化，然 后由光电探测器进行检测。后由光电探测器进行检测。 28 光波参数: 光强、偏振态、相位、频率、波长等 相应的有： 1)、强度调制光纤传感器 2)、偏振调制光纤传感器 3)、相位调制光纤传感器 4)、频率调制光纤传感器 光纤传感器根据光进行调制的方式不同分为： 29 利用被测对象的变化引起敏感元件的利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，而导折射率、吸收或反射等参数的变化，而导 致致光强度光强度变化来实现敏感测量的传感器。变化来实现敏感测量的传感器。 （一）、强度调制与解调（一）、强度调制与解调 30 使光波的强度发生变化：使光波的强度发生变化： （1）

11、两光纤横向或者纵向运动；）两光纤横向或者纵向运动； （2）光纤弯曲；）光纤弯曲； （3）折射率的改变；）折射率的改变； （4）光纤对被测信号的吸收；）光纤对被测信号的吸收； （5）倏逝波倏逝波的耦合。的耦合。 31 光纤微弯位移（压力）传感器原理光纤微弯位移（压力）传感器原理光纤微弯对传播光的影响光纤微弯对传播光的影响 光纤芯透射光强度与外力的关系光纤芯透射光强度与外力的关系 32 能测量能测量1050的温度。检测精度约为的温度。检测精度约为0.5。 缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间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。较长，一般需几分钟。 热双金属式光纤温

12、度开关热双金属式光纤温度开关 光源 接收 12 1 遮光板遮光板 2 双金属片双金属片 应用应用2、光纤温度传感器、光纤温度传感器 热双金属式光纤温度开关热双金属式光纤温度开关 33 应用应用3、反射式光纤位移传感器、反射式光纤位移传感器 传光型光纤传感器。传光型光纤传感器。 反射式光纤位移传感器原理图反射式光纤位移传感器原理图 34 光纤分布方式：光纤分布方式： 反射光强与位移的关系反射光强与位移的关系 接收光照面积与距离的关系接收光照面积与距离的关系 教材教材P219习题与思考题习题与思考题9-4 35 是一种利用是一种利用光偏振态光偏振态变化来传递被测对象信息变化来传递被测对象信息 的传

13、感器。的传感器。 （二）、偏振调制与解调（二）、偏振调制与解调 1、普克耳效应（电光效应）、普克耳效应（电光效应） 2、法拉弟旋转效应（磁光效应）、法拉弟旋转效应（磁光效应） 3、光弹性效应、光弹性效应 教材教材P209P209图图9-109-10 教材教材P210P210图图9-119-11 36 应用：偏振态调制型光纤传感器应用：偏振态调制型光纤传感器 教材教材P217 偏振态调制型光纤电流传感器测试原理图偏振态调制型光纤电流传感器测试原理图 基于法拉弟旋转效应（磁光效应）工作基于法拉弟旋转效应（磁光效应）工作 37 通过被测能量场的作用，使能量场中的一段敏通过被测能量场的作用，使能量场中

14、的一段敏 感单模光纤内传播的光波发生相位变化，利用感单模光纤内传播的光波发生相位变化，利用 干涉测量技术干涉测量技术把相位变化变换为振幅变化，再把相位变化变换为振幅变化，再 通过光电探测器进行检测。通过光电探测器进行检测。 Ln 1 2 （三）、相位调制与解调（三）、相位调制与解调 一）相位调制的原理一）相位调制的原理 38 基于几个物理效应基于几个物理效应 1、应力应变效应、应力应变效应 1) 光纤的长度变化光纤的长度变化应变效应应变效应 2) 光纤芯的直径变化光纤芯的直径变化泊松效应泊松效应 3) 光纤芯的折射率变化光纤芯的折射率变化光弹效应光弹效应 2 2、热胀冷缩效应、热胀冷缩效应 3

15、9 当光纤受到外界物理量作用时，光波的相位角变化为：当光纤受到外界物理量作用时，光波的相位角变化为： L L nn L nLLn L L )( 2 )( 2 1111 40 二）实现干涉测量的仪器二）实现干涉测量的仪器 1、Michelson干涉仪干涉仪 2、Mach-Zehnder干涉仪干涉仪 3、Sagnac干涉仪干涉仪 4、Fabry-Perot干涉仪干涉仪 41 1、光纤、光纤Michelson干涉仪干涉仪 Laser D PZT driver M1 M2 PZT FDC L l1 l2 42 光纤光纤Michelson干涉仪的工作原理干涉仪的工作原理 0 0 iti aetE 10

16、2 11 liiti eiaktrtE 20 2 22 liiti eiaktrtE xllBEExI2cos1)(B2cos1)( 0210 2 21 43 2、光纤、光纤Mach-Zehnder干涉仪干涉仪 44 3、光纤、光纤Sagnac干涉仪干涉仪 激光器 光探测器 a结构b原理 b光束 a光束 45 4、光纤、光纤Fabry-Perot干涉仪干涉仪 激光器 部分透射反射镜 光探测器 46 应用应用1、光纤压力和温度传感器、光纤压力和温度传感器 用马赫用马赫-泽德干涉仪测量压力或温度的泽德干涉仪测量压力或温度的 相位调制型光纤传感器原理图相位调制型光纤传感器原理图 47 三种基本结构形

17、式三种基本结构形式 光纤磁场传感器基本结构光纤磁场传感器基本结构 应用应用2、光磁场传感器、光磁场传感器-磁致伸缩效应磁致伸缩效应 48 应用应用3：光纤陀螺用集成光学芯片：光纤陀螺用集成光学芯片 （光纤（光纤Sagnac干涉仪）干涉仪） Y波导调制器波导调制器 49 产品实物图产品实物图 50 应用应用4：光通信用集成光学强度调制器：光通信用集成光学强度调制器 （光纤光纤Mach-Zehnder干涉仪）干涉仪） 51 （四）、频率调制与解调（四）、频率调制与解调 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率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。发生变化来进行监测的传感器。 )cos(cos1 210 c v ff s 多普勒效应多普勒效应：如果一束频率为：如果一束频率为f0的光入射到相对于传感的光入射到相对于传感 器