传感器光纤传感器精选课件.ppt

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1、关于传感器光纤传感器第一页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用光纤传感器的特点：光纤传感器的特点：优点：优点：l不受电磁干扰，可绕曲，耐腐蚀，不受电磁干扰，可绕曲，耐腐蚀，高绝缘高绝缘强度，防爆性好

2、，强度，防爆性好，l灵敏度高，能与数字通信系统兼容等。灵敏度高，能与数字通信系统兼容等。被测量范围广：被测量范围广：l温度、压力、应变、位移、速度、加速度、温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、磁、电、声和声和PH值等值等70多个物理量；多个物理量；应用领域：应用领域：自动控制、自动控制、在线检测、在线检测、故障诊断、安全报警等故障诊断、安全报警等方面方面第二页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器

3、光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用一、一、光纤光纤1、基本原理基本原理1）几何光学的基本定义和定律）几何光学的基本定义和定律l光在光在均匀介质均匀介质中：中：直线直线传播传播l在两介质在两介质1和和2的的界面界面上发生：上发生：反射角入射角反射角入射角1折射角折射角2反射反射折射折射第三页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射

4、定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用2）斯乃尔定律（）斯乃尔定律（Snells Law)折射定律折射定律l折射定律折射定律：折射光线位于入射光线和法线所决定的：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，l且满足：且满足：n1sin 1=n2sin 2光折射

5、示意图光折射示意图 n1、n2 分别为介质分别为介质1、2的折射率的折射率第四页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用3）光的全内反射原理）光的全内反射原理（1）当光由）当光由光密介质光密介质（大折射

6、率（大折射率n1）射向光疏介质射向光疏介质（小（小折射率折射率n2）时，）时，2 1（3）全反射：）全反射：当当 1 c，2 90，在界面上发生全反射，在界面上发生全反射（2）折射的临界状态：）折射的临界状态：使使 2 90的入的入射角射角 1 称为临界角称为临界角 c光折射示意图光折射示意图临界状态示意图临界状态示意图光全反射示意图光全反射示意图第五页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分

7、类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用2、光导纤维、光导纤维光纤光纤纤芯：纤芯：玻璃纤维，玻璃纤维，折射率折射率n1包层：包层：与纤芯同质，与纤芯同质，折射率折射率n2 90，则，则0c=arc sin NAl当当 2 c=arcsin NA，光线消失。，光线消失。l数值孔径的意义是：数值孔径的意义是：无论光源发射功率有多大，无论光源发射功率有多大，只有只有2c 张角之张角之内内的的光光功率功率被被光纤接受光纤接受传播传播。l数值孔径是反映

8、纤芯集光性能的主要参数。数值孔径是反映纤芯集光性能的主要参数。c=arc sin NA 为为“数值孔径数值孔径”NA(NumericalAperture)。光线刚好不发生折射，光线刚好不发生折射，即：即：2=90 则临界入射角：则临界入射角：第八页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例

9、应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用数值孔径的大小由纤芯和包层材料性质决定数值孔径的大小由纤芯和包层材料性质决定v数值孔径数值孔径NA对光传输的影响：对光传输的影响：大大的数值孔径，有的数值孔径，有利于利于耦合效率耦合效率的提的提高高。但数值孔径大，但数值孔径大，光信号将产生大的光信号将产生大的“模色散模色散”会使会使信号信号发生严重发生严重畸变畸变典型的光纤典型的光纤10（sin 10 0.175）石英光纤的石英光纤的NA0.20.4第九页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定

10、理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用3）光纤的类型）光纤的类型（1）按折射率变化分类）按折射率变化分类a)阶跃型阶跃型（stepped）l纤芯与包层之间的折射率是突变的，纤芯与包层之间的折射率是突变的，b)渐变型渐变型（graded）l在纤芯横截面中心处折射率最大其值在纤芯横截面中心处折射率最大其值为

11、为n1，由中心向外逐渐变小到与包，由中心向外逐渐变小到与包层交界处折射率层交界处折射率n2，l通常折射率变化为抛物线型式，又称为通常折射率变化为抛物线型式，又称为梯度型。梯度型。第十页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工

12、作原理工作原理应用应用（2）光纤按传输模式分类）光纤按传输模式分类a）多模光纤多模光纤纤芯直径在纤芯直径在50200m，光信号在光纤中可多光线传输，光信号在光纤中可多光线传输，以多个模式同时传输，由于模间色散较大，限制了传以多个模式同时传输，由于模间色散较大，限制了传输数字信号的频率和传输距离。可使用输数字信号的频率和传输距离。可使用LED光源光源 b）单模光纤单模光纤l纤芯直径很小（纤芯直径很小（810m)，只能传输基模，只能传输基模(最低阶模最低阶模)，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。需要用激光源。这

13、对于高码速传输是非常重要的。需要用激光源。现在实用的石英光纤通常有以下三种：现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。第十一页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型

14、Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用3、光纤的特性指标光纤的特性指标评价信号通过光纤的评价信号通过光纤的损耗损耗和和色散色散1）损耗特性损耗特性评价指标：评价指标：光强的衰减系数光强的衰减系数aPi、Po入射端和出射端光功率，入射端和出射端光功率，L光纤长度（光纤长度（km）一般光纤传感器中的光纤一般光纤传感器中的光纤L4m，a10dB/km的光纤均可选的光纤均可选用用实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在光纤在1.55m波长区的损耗可低到波长区的损耗可低到0.18dB/km第十二页，本课件共有45页传感器技术及应用传

15、感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用2）色散）色散l特别在特别在光纤通讯光纤通讯中，色散使中，色散使传输的信号脉冲发生畸变，传输的信号脉冲发生畸变，从而从而限制限制了光纤的传输了光纤的传输带宽带宽第十三页，本课件共有45页传感器技术及

16、应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用3）光纤的分布类型）光纤的分布类型影响光纤传感器灵敏度的有：影响光纤传感器灵敏度的有：光纤束的数量、尺寸和分布光纤束的数量、尺寸和分布,以及每根光以及每根光纤的数值孔径纤的数值孔径(a)随机分

17、布随机分布(b)半球形对开分布半球形对开分布(c)共轴内发射分布共轴内发射分布(d)共轴外发射分布共轴外发射分布第十四页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用l塑料光纤l玻璃光纤第十五页，本课件共有4

18、5页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用常规光纤与纱芯光纤常规光纤与纱芯光纤217纱芯光纤直径纱芯光纤直径66 m613纱芯光纤直径纱芯光纤直径42 m第十六页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基

19、础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用二、光纤传感器二、光纤传感器1、光纤传感器分类及其工作原理光纤传感器分类及其工作原理A）功能型（）功能型（元件型元件型）光纤传感器）光纤传感器l光纤为敏感元件，光在光纤内受被测光纤为敏感元件，光在光纤内受被测量调制。量

20、调制。l此类传感器要求高、成本也高。此类传感器要求高、成本也高。光发光发送器送器光受光受信器信器光纤敏感光纤敏感元件元件被测物理量被测物理量调制光调制光第十七页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用B

21、）非功能型（）非功能型（传光型传光型）光纤传感器）光纤传感器l利用其他敏感元件感受被测量的变化，利用其他敏感元件感受被测量的变化，l光纤仅作为光传输介质，又称为光纤仅作为光传输介质，又称为传光型传光型光纤光纤传感器传感器光发光发送器送器光受光受信器信器传输传输光纤光纤被测物理量被测物理量调调制制光光敏感元敏感元件件第十八页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传

22、光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用2、光调制解调技术光调制解调技术光的调制：光的调制：将信号叠加到光波上。将信号叠加到光波上。调制原理：调制原理：外界信号可引起光的外界信号可引起光的强度强度、波长或波长或频率频率、相位相位、偏振态偏振态等等光学性质光学性质的变化，从而形成不同的调制：的变化，从而形成不同的调制：分类分类：强度调制型、频率调制型、强度调制型、频率调制型、相位调制型、偏振调制型相位调制型、偏振调制型第十九页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用

23、光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用3、几种常用的光强调制技术、几种常用的光强调制技术1）微弯调制微弯调制光纤的弯曲光纤的弯曲能够使能够使光光从纤芯射入包层而产从纤芯射入包层而产生生损耗损耗。l微弯光纤传感器微弯光纤传感器l敏感元件敏感元件变形器。

24、变形器。l变变形形器器如如一一对对错错开开的的带带锯锯齿齿槽槽的的平平行行板板,能引起光纤产生微弯能引起光纤产生微弯第二十页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用2）光强度的外调制）光强度的外调制v调

25、制环节在外部，光纤只起传光作用。调制环节在外部，光纤只起传光作用。分为：分为：反射型反射型和和透光型透光型第二十一页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用应用应用1：反射式光纤位移传感器反射式光纤位移

26、传感器v工作原理：工作原理：根据被测目标表面光反根据被测目标表面光反射至接收光纤束的光强射至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表度的变化来测量被测表面距离的变化。面距离的变化。第二十二页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器

27、工作原理工作原理应用应用输入输出特性输入输出特性:1)位移为零位移为零光纤探头端部紧贴被测件表面光纤探头端部紧贴被测件表面l发射光锥和接收光锥无重合面积发射光锥和接收光锥无重合面积,l接收光纤中无光信号接收光纤中无光信号;2)随着被测表面随着被测表面逐渐远离逐渐远离光纤探头光纤探头l发射光锥和接收光锥重合面积发射光锥和接收光锥重合面积B1增大增大,l接收光纤端面上被照亮的接收光纤端面上被照亮的B2区也增大区也增大,l有一个有一个线性增长线性增长的输出信号的输出信号;3)当接收光纤端面被全部照亮当接收光纤端面被全部照亮,输出信号输出信号达到达到了位移了位移-输出信号曲线上的输出信号曲线上的“光光

28、峰点峰点”第二十三页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用4)当被测表面继续远离当被测表面继续远离l反射光面积反射光面积B2大于接收光大于接收光纤端面积纤端面积C,l光纤探头更加远离被测表面光纤探头更

29、加远离被测表面l使使接收接收到的到的光强逐渐减小光强逐渐减小,l光敏输出器的光敏输出器的输出信号逐渐输出信号逐渐减弱减弱,进入曲线的进入曲线的后坡区后坡区,第二十四页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用

30、应用位移位移-输出特性曲线输出特性曲线2)后坡区后坡区,l信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比平方成反比,可用于距离较远而灵敏度、线性可用于距离较远而灵敏度、线性度和度和精度要求不高的测量精度要求不高的测量。3)光峰区光峰区,信号达到最大值信号达到最大值,其大小取决于被测表面的状态。其大小取决于被测表面的状态。所以这个区域可用于对所以这个区域可用于对表面状态表面状态进行光学进行光学测测量量。1)前坡区前坡区输出信号的强度增加得非常快输出信号的强度增加得非常快,这一区域可以用来进行这一区域可以用来进行微米级微米级的的位移测量位移测量。第二十五页，

31、本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用反射型光纤位移传感器的一个典型例子反射型光纤位移传感器的一个典型例子l发发射射、接接收收各各300根根光光纤纤组组成成一一根根0.762mm的的光缆光缆。l光光纤纤

32、内内芯芯是是折折射射率率为为1.62的的火火石石玻玻璃璃，包包层层是折射率为是折射率为1.52的玻璃。的玻璃。l光光缆缆的的后后部部被被分分成成两两支支，一一支支用用于于发发射射光，一支用于接收光。光，一支用于接收光。l光光源源是是2.5V的的白白炽炽灯灯泡泡，而而接接收收光光信信号号的的敏敏感感元件元件是是光电池光电池。l光光敏敏检检测测器器输输出出与与接接收收到到的的光光强强成成正正比比的的电电信信号号。对对于于每每0.25m位位移移产产生生1V的的电电压压输出输出,分辨率是分辨率是0.025m。第二十六页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基

33、本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用l在在压压力力的的作作用用下下，膜膜片片产产生生挠挠曲曲引引起起膜膜片片位位移移的的微小变化微小变化l光光通通量量是是膜膜片片的的形形状状尺尺寸寸以以及及探探头头到到膜膜片片的的平平均均距距离离的的函数函数。构成：构成：反射型光纤传感器的探头前面

34、加上一个反射型光纤传感器的探头前面加上一个膜片膜片应用应用2：光纤测压传感器：光纤测压传感器第二十七页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用应用应用3：光纤麦克风（光纤声音传感器）光纤麦克风（光纤声音

35、传感器）FOM1lFOM 基于独特的光学感应器技术。基于独特的光学感应器技术。一个一个光束通过光纤被传送到光束通过光纤被传送到MEMS 薄膜上。薄膜上。声音信号引起薄膜振动调整被反射的光的声音信号引起薄膜振动调整被反射的光的强度强度,然后被转换为电信号。然后被转换为电信号。第二十八页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用

36、的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用光纤加速度传感器l一个光束通过光纤被传送到硅膜上。加速度或振动信号一个光束通过光纤被传送到硅膜上。加速度或振动信号引起硅膜的位置改变或振动，从而反射光的强度发生改引起硅膜的位置改变或振动，从而反射光的强度发生改变，通过检测反射光强的变化，可以检测出外界的加速变，通过检测反射光强的变化，可以检测出外界的加速度或振动信号。最后这些信号被转换为电压信号输出。度或振动信号。最后这些信号被转换为电压信号输出。第二十九页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤

37、基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用立体声光纤声音监听器立体声光纤声音监听器l立体声光纤监听器应立体声光纤监听器应用在穿过墙壁进行用在穿过墙壁进行声音监听等智能战声音监听等智能战术应用领域。专为术应用领域。专为特种部队执行监测特种部队执行监测声音特殊的军事任声音特

38、殊的军事任务设计务设计第三十页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用透光型：透光型：应用应用1：遮光式光强度调制器遮光式光强度调制器光强度位移变化曲线光强度位移变化曲线a）动光闸式）动光闸式b）动光纤

39、式）动光纤式第三十一页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用应用应用2：移动光栅光纤传感器移动光栅光纤传感器l间间隙隙中中放放置置一一对对光光栅栅,光光栅栅由由等等宽宽的的全全透透射射和和全全反反射射

40、(不不透透光光的的)平平行行线线无无交交替替形形成成的的栅栅格构成。格构成。移动光栅光纤传感器原理图移动光栅光纤传感器原理图当这当这两个光栅两个光栅发生发生相对移动相对移动时时,光的透光的透射强度就随之发生射强度就随之发生变化。变化。两根光纤的端面间相隔一微小间隙两根光纤的端面间相隔一微小间隙第三十二页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常

41、用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用l由由左左侧侧输输入入光光纤纤的的光光束束,经经一一小小段段渐渐变变折折射射率率自自聚聚焦焦透透镜镜准准直直后后,一一部部分分成成为为通通过过两两个个光光栅栅传传输输的的平平行行(准准直直)光光束束,再再经经第第二二个个自自聚聚焦焦透透镜镜,把把它它们们聚聚焦焦到到输输出光纤中。出光纤中。应用应用3：在水听器方面应用在水听器方面应用它的两光栅中有一个安装在外壳的刚性底板上它的两光栅中有一个安装在外壳的刚性底板上,而而另一个光栅则与一块另一个光栅则与一块弹

42、性膜片弹性膜片相连。相连。第三十三页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用三、光纤光栅传感器三、光纤光栅传感器Brag光栅传感器光栅传感器lOFBGOFBGOptical fiber brag gra

43、ting Optical fiber brag grating l光纤光栅：光纤光栅：一段光纤，其纤芯具有一段光纤，其纤芯具有周期性变化周期性变化的的折射率折射率：l其中：其中：光纤光栅的周期（栅距），光纤光栅的周期（栅距），n 纤芯的平均折射率纤芯的平均折射率lBragBrag波长：波长：b=2nl特性：特性：入射光中入射光中光光波長波長与与光光纤纤光柵的布拉格波長光柵的布拉格波長b相同相同的的分量分量会会被被光光纤纤光柵光柵反射反射第三十四页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光

44、导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用l光纤光栅特性光纤光栅特性第三十五页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传

45、光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用检测原理检测原理l当当光纤光纤受到受到轴伸长轴伸长时（受应力、温度）时（受应力、温度）l栅距栅距 0lb=2n（0）b0l其灵敏度：其灵敏度：1.2pm/l测测量反射光的波量反射光的波长长第三十六页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工

46、作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用检测原理l用用一一对对光耦合器接上波長光耦合器接上波長检测检测器來量測器來量測，可获得布拉格波长的变化，可获得布拉格波长的变化l利用光纤光栅布拉格波长随温度、应变变化特性，可进行温度、应变、应利用光纤光栅布拉格波长随温度、应变变化特性，可进行温度、应变、应力、压力等的变化。力、压力等的变化。第三十七页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折

47、射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用应用应用1：分布式光纤光栅多点测量分布式光纤光栅多点测量第三十八页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的

48、特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用参数规格第三十九页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调

49、制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用应用应用2：光纤光栅应变传感器光纤光栅应变传感器l为便于保护，传感器被封装于图示的盒子里，光纤从盒子的为便于保护，传感器被封装于图示的盒子里，光纤从盒子的两侧的小孔引出。两侧的小孔引出。l在图中，铜片上贴有光纤在图中，铜片上贴有光纤Bragg光栅的平面面向盒内，以光栅的平面面向盒内，以便保护光纤光栅和光纤引线；而另一面则背向盒子，以便保护光纤光栅和光纤引线；而另一面则背向盒子，以便粘贴于被测物的表面。为防止潮湿对光纤的侵蚀和破便粘贴于被测物的表面。为防止潮湿对光纤的侵蚀和破坏，盒子内可注入柔性硅胶

50、。坏，盒子内可注入柔性硅胶。第四十页，本课件共有45页传感器技术及应用传感器技术及应用光纤基础知识光纤基础知识基本原理基本原理折射定理折射定理光的全内反射定理光的全内反射定理 光导纤维光导纤维结构结构数值孔径数值孔径分类分类 光纤的特性指标光纤的特性指标光纤传感器光纤传感器工作分类及原理工作分类及原理元件型、传光型元件型、传光型常用的光强调制技术常用的光强调制技术外调制外调制 应用举例应用举例 反射型反射型透光型透光型Brag光栅传感器光栅传感器工作原理工作原理应用应用应用应用3：光纤光栅温度传感器光纤光栅温度传感器l封装基本原理：将光纤封装基本原理：将光纤Bragg光栅与应变隔绝，光栅与应变