光纤传感器讲稿.ppt
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1、第一页,讲稿共三十页哦第二页,讲稿共三十页哦 发光二极管发光二极管产生多种颜产生多种颜色的光线,色的光线,通过光导纤通过光导纤维传导到东维传导到东方明珠球体方明珠球体的表面。在的表面。在计算机控制计算机控制下,可产生下,可产生动态图案。动态图案。第三页,讲稿共三十页哦一、光导纤维导光的基本原理一、光导纤维导光的基本原理 光是一种电磁波光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原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缓慢的空间,可以用可以用“光线光线”即即几何光学几何光学的方法
2、来分析光波的的方法来分析光波的传播现象传播现象,这对于光纤中的这对于光纤中的多模光纤多模光纤是完全适用的。为此是完全适用的。为此,采采用几何光学的方法来分析。用几何光学的方法来分析。1 1、斯乃尔定理、斯乃尔定理(Snells LawSnells Law)当光由光密物质当光由光密物质(折射率大折射率大)入射至光疏物质时发生折射,如图,入射至光疏物质时发生折射,如图,其折射角大于入射角,即其折射角大于入射角,即n n1 1n n2 2时,时,r ri i。n1n2ri光的折射示意图 可见,入射角可见,入射角i增大时,折射角增大时,折射角r也也随之增大,且始终随之增大,且始终ri。n1、n2、r、
3、i之间的数学关系为之间的数学关系为 n1sini=n2sinr 第四页,讲稿共三十页哦当当ii0并继续增大时,并继续增大时,r90,这时便发生全反射现象,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。如图,其出射光不再折射而全部反射回来。式中:式中:i0临界角临界角i0=arcsin(n2/n1)sini0=n2/n1 sinrsin90 1n1n2ri 光全反射示意图n1n2ri 临界状态示意图 当当r=90 时,时,i仍仍90,此时,出,此时,出射光线沿界面传播如图,称为临界射光线沿界面传播如图,称为临界状态。这时有状态。这时有第五页,讲稿共三十页哦 2 2、光纤结构、光纤结
4、构光纤呈圆柱形,它由玻璃纤维芯光纤呈圆柱形,它由玻璃纤维芯(纤芯纤芯)和玻璃包皮和玻璃包皮(包层包层)两个同心圆柱的双层结构以及护套组成。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。纤心纤芯位于光纤的中心部位,光主要在这里传输。纤心折射率折射率n1比包层折射率比包层折射率n2稍大些两层之间形成良好的光学界面,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。光线在这个界面上反射传播。光纤结构光纤结构第六页,讲稿共三十页哦光纤的分类: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
5、纤、被覆光纤、光谱光纤、图像传输光纤、保偏光纤。第七页,讲稿共三十页哦 3 3、光纤导光原理及数值孔径、光纤导光原理及数值孔径NANA入射光线入射光线AB与纤维轴线与纤维轴线OO相交角为相交角为i,入射后折射,入射后折射(折射角折射角为为j)至纤芯与包层界面至纤芯与包层界面C点,与点,与C点界面法线点界面法线DE成成k角,并角,并由界面折射至包层,由界面折射至包层,CK与与DE夹角为夹角为r。则。则n0sini=n1sinj n1sink=n2sinr sini=(n1/n0)sinj sink=(n2/n1)sinr 因因j=90 k 所以所以 jikrABCDEFGKOOn0n2n1光纤导
6、光示意图光纤导光示意图KKkinnnnnn2010101sin1cos)90sin(sinrrinnnnnnn22221021201sin1sin1sinn0为入射光线为入射光线AB所在空所在空间的折射率,一般为空气,间的折射率,一般为空气,故故n1,nl为纤芯折射为纤芯折射率,率,n2为包层折射率。当为包层折射率。当n=1时时第八页,讲稿共三十页哦上式上式sini0为为“数值孔径数值孔径”NA(NumericalAperture)。由于。由于n1与与n2相差较小,即相差较小,即n1+n22n1,故又可因式分解为故又可因式分解为 rinn22221sinsin22210sinnni2sin10
7、ni=(n1-n2)/n1称为相对折射率差称为相对折射率差 当当r=90的临界状态时,的临界状态时,i=i0当当rNA,iarcsin NA,光线消失。,光线消失。结论:结论:arcsinNA是一临界角是一临界角,凡入射角凡入射角iarcsinNA的光线进入的光线进入光纤都不能传播而在包层消失;相反光纤都不能传播而在包层消失;相反,只有入射角只有入射角iarcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播的光线才可进入光纤被全反射传播。当当r=90时时当当r90时,光线发生全反射,则时,光线发生全反射,则sini0=NA i0=arcsin NAii0=arcsin NA第九页,讲稿共三十页哦(1
8、1)传播损耗)传播损耗 光纤纤芯材料和包层物质的吸收、散射、畸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变,以及光纤弯曲处的辐射损耗等,它表示光强它表示光强度相对衰减与光纤长度的关系。度相对衰减与光纤长度的关系。0lg10pplAi单位:每千米分贝(单位:每千米分贝(dB/km)第十页,讲稿共三十页哦(2 2)光纤模式:是光波沿光纤传播的途径和方式。)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:阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量可简单的表示为:(3 3)色散:在光纤中产生的脉冲展宽现象)色散:在光纤中产生的脉冲展宽现象表征光纤
9、传输特性的一个重要参数,在光纤通讯中反映传输带宽,影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。响通讯信息的容量和质量。光纤色散的种类:光纤色散的种类:多模色散多模色散 材料色散和波导结构色散材料色散和波导结构色散 (4 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)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。使用期间得到的保护程度。0212221/)(nndV单模光纤:单模光纤:传输性能
10、好,制成的传感器线性好、灵敏度高多模光纤: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页,讲稿共三十页哦二、光纤传感器结构原理及分类二、光纤传感器结构原理及分类 1 1、光纤传感器结构原理、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。见图图(b)。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
11、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(a)传统传感器)传统传感器 导线导线可见可见,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。传统传感器是以有本质的差别。传统传感器是以机机电测量电测量为基础,而光纤传感为基础,而光纤传感器则以器则以光学测量光学测量为基础。为基础。第十二页,讲稿共三十页哦 光是一种电磁波,其波长从极远红外的光是一种电磁波,其波长从极远红外的lmm到极远紫外线到极远紫外线的的10nm。它的。它的物理作用物理作用和和生物化学作用生物化学作用主要因其中的电场而引主要因其中的电场而引起
12、。因此,讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量起。因此,讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动,即的振动,即A电场电场E的振幅矢量;的振幅矢量;光波的振动频率;光波的振动频率;光相位;光相位;t光的传播时间。光的传播时间。可见,只要使光的可见,只要使光的强度强度、偏振态偏振态(矢量矢量A的方向的方向)、频率频率和和相相位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,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,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。获得所需要的被
13、测量的信息。tAEsin第十三页,讲稿共三十页哦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、PMaaaaa 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
14、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 2、光纤传感器的分类、光纤传感器的分类第十四页,讲稿共三十页哦 (1 1)按光纤在传感器中的作用)按光纤在传感器中的作用 光纤传感器分为光纤传感器分为功能型功能型、非功能型非功能型和和拾光型拾光型三大类。三大类。1 1)功能型(全光纤型)光纤传感器)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利用对
15、外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤或特殊光纤)作作传感元件,将传感元件,将“传传”和和“感感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用,而且还利用光纤在外界因素用,而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变弯曲、相变)的作用下,其光学特性的作用下,其光学特性(光强、相位、偏振态等光强、相位、偏振态等)的变化来实现的变化来实现“传传”和和“感感”的功能。因此,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。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页,讲稿共三十页哦 2
16、 2)非功能型(或称传光型)光纤传感器)非功能型(或称传光型)光纤传感器 光纤仅起导光作用,只光纤仅起导光作用,只“传传”不不“感感”,对外界信息的,对外界信息的“感觉感觉”功功能依靠其他物理性质的功能元件完成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,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。用于对灵敏度要求不太高的场合。信号处理信号处理光受信器光受信器敏感元件敏感元件光发送器光发送器光纤光纤 3 3)拾光型光纤传感器)拾光型光纤传
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