《光纤传感器》PPT课件.ppt

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1、光纤传感优点光纤传感优点：灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。容性。应用：应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量

2、。液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。上一页下一页返 回光导纤维的结构和导光原理光导纤维的结构和导光原理光导纤维的主要参数光导纤维的主要参数光纤传感器结构原理光纤传感器结构原理光纤传感器的分类光纤传感器的分类光纤传感器的特点光纤传感器的特点光纤传感器的应用光纤传感器的应用上一页下一页返 回l圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率大于包层的折射率 上一页下一页返 回当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射 （a）折射角大于入射角：）折射角大于入射角：（b）临界状态：）临界状态： （c）全反射

3、）全反射 ：rinnsinsin21)/arcsin(120nni0ii上一页下一页返 回jinnsinsin10rknnsinsin21上一页下一页返 回kj 90kkkinnnnnn2010101sin1cos)90sin()/(sinjinnsin)/(sin01rrisinnnn)sinnn(nnsin2222102120111n0为入射光线为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n01rinn22221sinsin上一页下一页返 回22210sinnni当当r =90的临界状态时，的临界状态时， Sin i定义为定义为“数值孔径数值孔径”N

4、A（Numerical Aperture） 2sin10ni121/ )(nnn 相对折射率差相对折射率差 arcsinNA是一个临界角，是一个临界角，i arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；i arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。，光线才可以进入光纤被全反射传播。上一页下一页返 回lwhere the effect of total internal reflection (TIR) is used. The angle of a total internal reflection is a function of t

5、he refractive index:lWhenlight enters the fiber, it is important to determine the maximum angle of entry which will result in total internal reflections). If we take that minimum angle of an internal reflection, then the maximum angle can be found from Snells lawl1. 数值孔径（数值孔径（NA）l2. 光纤模式光纤模式l3. 传播损耗

6、传播损耗上一页下一页返 回上一页下一页返 回l反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。l意义：意义：无论光源发射功率有多大，只有无论光源发射功率有多大，只有2i张角张角之内的光功率能被光纤接受传播。之内的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。2221sinnnNAi上一页下一页返 回lthe value is called the numerical aperture of the fiberlIn practice, t

7、he numerical aperture is defined as the angle at which light intensity drops by some arbitrary numberl光波沿光导纤维传播的途径和方式光波沿光导纤维传播的途径和方式在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利的，导致合成信号的畸变，因此我们希望模利的，导致合成信号的畸变，因此我们希望模式数量越少越好。式数量越少越好。 阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为 。/)(212221nndV希望希望V小：小：d不能太大，不能太

8、大，n2与与n1之差很小之差很小 上一页下一页返 回l损耗原因：损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响光纤弯曲处的辐射损耗等的影响 IIgalA0101传播损耗（单位为传播损耗（单位为dB） 式中式中, I光纤长度；光纤长度； a单位长度的衰减；单位长度的衰减； I0光导纤维输入端光强；光导纤维输入端光强； I光导纤维输出端光强。光导纤维输出端光强。上一页下一页返 回l把被测量的状态转变为可测的光信号的装置把被测量的状态转变为可测的光信号的装置 上一页下一页返 回光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，光受到被测量的调制，已调光经光纤

9、耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。 l光就是一种电磁波，光就是一种电磁波， 光的电矢量光的电矢量E)sin(tBE被测量调制：被测量调制：光的强度、偏振态（矢量光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位的方向）、频率和相位解调：解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制上一页下一页返 回lThe basic idea for use of fiber optics in sensing is to modulate one or several characteristi

10、cs of light in a fiber and, subsequently, to optically demodulate the information by conventional methods.lA stimulus may act on a fiber either directly or it can be applied to a component attached to the fibers outer surface or the polished end to produce an optically detectable signal上一页下一页返 回传感器传

11、感器光学现象光学现象被测量被测量光纤光纤分类分类干干涉涉型型光纤传感器相位调制光纤传感器相位调制干涉（磁致伸缩）干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应效应光弹效应光弹效应干涉干涉电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压角速度角速度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移温度温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非非干干涉涉型型光纤传感器强度调制光纤传感器强度调制遮光板断光路遮光板断光路半导体透射率的变化半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射振动膜或液晶的反射气体分子吸收气体分

12、子吸收光纤漏泄模光纤漏泄模温度、振动、压力、加速度、位移温度、振动、压力、加速度、位移温度温度温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移振动、压力、位移气体浓度气体浓度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纤传感器偏振调制光纤传感器偏振调制法拉第效应法拉第效应泡克尔斯效应泡克尔斯效应双折射变化双折射变化光弹效应光弹效应电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纤传感器频率调制光纤传感器频率调制多普勒效应多普勒效应受激喇曼散射受激喇曼散射光致发光光致发光速度、流速、振动

13、、加速度速度、流速、振动、加速度气体浓度气体浓度温度温度MMMMMMCbb注：注：MM多模光纤；多模光纤；SM单模光纤；单模光纤；PM偏振保持光纤偏振保持光纤 l光纤在传感器中的作用光纤在传感器中的作用l光受被测量调制的形式光受被测量调制的形式l光纤传感器中对光信号的检测方法不同光纤传感器中对光信号的检测方法不同 上一页下一页返 回功能型功能型非功能型非功能型拾光型拾光型 上一页下一页返 回l光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：优点：结构紧凑、灵敏度高。结构紧凑、灵敏度高。缺点：缺点：须用

14、特殊光纤，成本高，须用特殊光纤，成本高，典型例子典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。：光纤陀螺、光纤水听器等。 上一页下一页返 回l光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。元件上受被测量调制。优点：优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，无需特殊光纤及其他特殊技术， 比较容易实现，成本低。比较容易实现，成本低。缺点：缺点：灵敏度较低。灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。上一页下一页返 回 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。光或被其反射

15、、散射的光。 典型例子：典型例子：光纤激光多普勒速度计光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器辐射式光纤温度传感器上一页下一页返 回(a) 强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器(b) 偏振调制光纤传感器偏振调制光纤传感器(c) 频率调制光纤传感器频率调制光纤传感器(d) 相位调制传感器相位调制传感器上一页下一页返 回 利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。应用：应用：压力、振动、位移、气体压力、振动、位移、气体优点优点: 结构简单、容易实现、成本低。结构简单、容易实

16、现、成本低。缺点缺点: 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响易受光源波动和连接器损耗变化等的影响上一页下一页返 回l利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息l应用：应用： 电流、磁场传感器：法拉第效应；电流、磁场传感器：法拉第效应； 电场、电压传感器：泡尔效应；电场、电压传感器：泡尔效应； 压力、振动或声传感器：光弹效应；压力、振动或声传感器：光弹效应； 温度、压力、振动传感器：双折射性温度、压力、振动传感器：双折射性l优点：优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。上一页下一页返 回l被测对象引起的光频率的变化来进行监测

17、被测对象引起的光频率的变化来进行监测l利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的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；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；气体浓度或监测大气污染的气体传感器；利用光致发光的温度传感器等。利用光致发光的温度传感器等。上一页下一页返 回被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。种相位变化而得到被测对象的信息。利用光弹效应的声

18、、压力或振动传感器；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、电压传感器利用电致伸缩的电场、电压传感器 利用利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）优点：优点：灵敏度很高，灵敏度很高，缺点：缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。特殊光纤及高精度检测系统，成本高。上一页下一页返 回（1）电绝缘。）电绝缘。（2）抗电磁干扰。）抗电磁干扰。（3）非侵入性。）非侵入性。（4）高灵敏度。）高灵敏度。（5）容易实现对被测信号的远距离监控。）容易实现对被测信号的远距离监控。 上

19、一页下一页返 回强度调制型：强度调制型：基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；相位调制型：相位调制型：利用光纤本身作为敏感元件；利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型：偏振调制型：主要是利用晶体的光弹性效应。主要是利用晶体的光弹性效应。上一页下一页返 回光纤压力传感器光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片的中心挠度膜片的中心挠度 34216)1 (3EtRy若利用若利用Y形光纤束位移特性的线性区，形光纤束位移特性的线性区，则传感器的

20、输出光功率亦与待测压力呈线性关系则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。1 Y形光纤形光纤2 壳体壳体 3 膜片膜片与所加的压力呈线性关系与所加的压力呈线性关系上一页下一页返 回传感器的固有频率可表示为传感器的固有频率可表示为 pgERtfr)1 (356. 222式中式中, 膜片材料的密度；膜片材料的密度； g重力加速度。重力加速度。 结构简单、体积小、使用方便，结构简单、体积小、使用方便，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影响。其精度就要受到影响。 上一页下一页返 回lThe most commonly used

21、type of fiber-optic sensor is an intensity sensor, where light intensity is modulated by an external stimulus1输出光纤输出光纤 2输入光纤输入光纤 3输出光纤输出光纤 4胶胶 5膜片膜片 ApApII1112两束输出光的光强之比两束输出光的光强之比 A常数；常数；p待测量压力待测量压力 输出光强比输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关与膜片的反射率、光源强度等因素均无关 上一页下一页返 回将上式两边取对数，在满足将上式两边取对数，在满足(Ap)21时，得到时，得到 A

22、pII2ln12表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。若将若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器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。即可得到线性的输出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。上一页下一页返 回l光弹性效应：光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。从而呈现双折射现象。1 光源光源 2、8 起偏器起偏器 3、9 1/4波长板波长板 4、10 光弹性元件光弹性元件 5、11 检偏器检偏器 6 光

23、纤光纤 7 自聚焦透镜自聚焦透镜上一页下一页返 回在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度 上一页下一页返 回l基于光纤的基于光纤的微弯效应微弯效应，即由压力引起变形器产，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。生位移，使光纤弯曲而调制光强度。 1 聚碳酸酯薄膜聚碳酸酯薄膜 2 可动变形板可动变形板 3 固定变形板固定变形板 4、5 光纤光纤 微弯式光纤水听器探头微弯式光纤水听器探头 上一页返 回lThe so-called microbend strain gauge can be designed with an

24、optical fiber which is squeezed between two deformerslOptical fibers may be used in two modes. In the first mode, the same fiber is used to transmit the excitation signal and to collect and conduct an optical response back to the processing device.lIn the second mode, two or more fibers are employed where excitation (illumination) function and collection function are carried out by separate fibers