第九章 光纤传感器

1同学们好！2第九章光纤传感器光纤：光导纤维，70年代发展新兴光电材料

——光电子学领域光纤传感技术：受外界环境因素影响光纤传感器外界因素光纤传输光波量外界因素：压力、温度、电场、磁场光波量：光强、相位、频率、偏振态Opticalfibersensor3特点：灵敏度高、结构简单、体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀、绝缘性好、光路可弯曲、遥测

——可测量70多个物理量

——多学科性：纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术、微机应用传感器技术——第九章

主要内容第一节光纤传感器基础第二节光纤传感器的调制技术第三节光纤传感器应用举例4§9-1光纤传感器基础一、光纤的结构涂敷层：硅铜、丙烯酸盐——增加机械强度塑料套管：保护、不同颜色——区分多层介质结构的对称圆柱体传感器技术——第九章纤芯：、掺杂（）

——提高光折射率、直径5~75um包层：、掺杂（）

——降低光折射率、100~200um5二、光纤波导原理传感器技术——第九章临界角全反射6三、光纤的特性1、数值孔径NA传感器技术——第九章——光纤接收光的范围NA——光纤集光性能参数，石英光纤0.2~0.4光线由的空气介质射入纤芯实现全反射：72、损耗吸收损耗：光能→热能，对不同波长光的吸收率不同散射损耗：光纤材料不均匀、几何尺寸缺陷引起瑞利散射、光纤弯曲3、色散光纤内传输的光脉冲，由于光波的群速度不同而出现光脉冲展宽现象。——信号脉冲畸形，限制了光纤的传输带宽——材料色散、波导色散、多模色散传感器技术——第九章8四、光纤分类1、阶跃型折射率分布中心光线：轴线传播通过轴线的子午光线：锯齿形轨迹2、梯度型折射率分布聚焦作用传播轨迹：类似正弦波——自聚焦光纤传感器技术——第九章五、光纤传感器基本原理及类型组成：光纤、光源、光探测器传光型：非功能型/多模光纤（传输更多光量）传感型：功能型/单模光纤（被测对象调制光纤特性）1、传光型光纤传感器调制器光纤：传输光波、多模光纤、不连续（入射、出射光纤）调制器：敏感元件、被测量作用下光路遮断、光穿透率变化传感器技术——第九章10光纤：“传”——传输光波“感”——外界作用下光学特性变化光纤连续2、传感型光纤传感器特点：（1）传光性好、损耗小（2）频带宽、超高速测量（3）灵敏度、线性好（4）非接触、非破坏性、远距测量（5）体积小、重量轻传感器技术——第九章11§9-2光纤传感器的调制技术调制技术：将一携带信息的信号叠加到载波光波上

——光在调制区与外界被测量的相互作用

——光纤对外界参数有一定效应光纤传感器的核心：光被外界参数的调制原理——机理强度调制相位调制频率调制偏振调制波长调制

调制器Modulationtechnique传感器技术——第九章一、强度调制——被测对象引起载波光强变化强度调制特点：技术简单、可靠、价格低、商品化1、小的线（角）位移外调制传感器技术——第九章发射光纤：不动接收光纤：横向、纵向位移或转动传光、2~3mm13传感器技术——第九章入射、出射光纤：相同的单模光纤功率耦合系数——径向位移——光纤中的光斑尺寸测量范围：10内位移mm14反射式：测量反射光强度，确定物体位置变化光纤束遮光式：光闸2、微弯损耗光强调制模态理论：垂直于光纤轴线的应力使光纤弯曲时，传输光部分折射到光纤包层中，不产生全反射，纤芯中光强发生变化。测量外界力：重力、应力、加速度等传感器技术——第九章15微弯光纤压力传感器两块波形板：变形器微扰：光纤周期微弯散射损耗、光强调制光从纤芯（传输模）耦合到包层（辐射模）传感器技术——第九章160.51.01.52.0100806040200纤芯透射光强度与外力的关系传感器技术——第九章3、吸收特性的强度调制射线辐射引起光纤材料吸收损耗增加——辐射量传感器：不同光纤对不同射线的敏感程度不同，鉴别不同射线例如：铅玻璃光纤对、中子射线灵敏度高二、频率调制与解调利用被测量改变光的频率，检测光频率变化测量被测量10-210-110010110210310410510410310210110010-1传感器技术——第九章光学Doppler效应：18激光多普勒光纤流速测量系统激光器混频器信号处理声光调制器探测器传感器技术——第九章19三、波长调制利用被测量改变光的波长，检测光波长变化测量被测量特点：（1）解调技术较复杂：分光仪

——光学滤波、双波长检测（2）对引起光纤或连接器损耗增加的器件不稳定因素不敏感例：利用热色物质进行波长调制——测量温度400600700800100806040200传感器技术——第九章§9-3光纤传感器应用举例1、光纤温度传感器辐射式温度计半导体吸收式温度计荧光温度计偏振干涉温度计相位干涉温度计分布式温度计相干型非相干型基本原理：被动式测温、黑体辐射定律传感器技术——第九章理想黑体：——发射的光谱辐射能量——辐射常数——光谱辐射波长——黑体辐射温度（K）2124681012140.80.70.60.50.40.30.20.10温度>500K，出现暗红色辐射

T↑，亮度↑，

——单波长测量原理前置放大线性化峰值/瞬时值V/IA/D显示探测器恒温控制优点：（1）非接触（2）响应快、瞬时温度（3）测高温：冶金传感器技术——第九章美国Land仪器公司部分产品2、光纤图像传感器传像束：光纤规则排列、每条光纤传送一个像元信息（1）工业用内窥镜系统外部观察、监视系统内部情况CCD器件传感器技术——第九章23（2）医用内窥镜通过手柄控制光纤偏转，传输图像失真小，诊断人体各部位疾病、进行外科手术的重要仪器。传感器技术——第九章243、反射式光纤位移传感器光电转换放大器