传感器第九章光导纤维式传感器PPT讲稿.ppt
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1、传感器第九章光导纤维式传感器第1页,共50页,编辑于2022年,星期三 光纤式传感器使用光作为敏感信息的载体,用光纤作光纤式传感器使用光作为敏感信息的载体,用光纤作光纤式传感器使用光作为敏感信息的载体,用光纤作光纤式传感器使用光作为敏感信息的载体,用光纤作为传递敏感信息的媒质。光纤传感器的主要特点有:为传递敏感信息的媒质。光纤传感器的主要特点有:为传递敏感信息的媒质。光纤传感器的主要特点有:为传递敏感信息的媒质。光纤传感器的主要特点有:(1)(1)电绝缘;电绝缘;电绝缘;电绝缘;(2)抗电磁干扰;抗电磁干扰;抗电磁干扰;抗电磁干扰;(3)(3)非侵入性;非侵入性;非侵入性;非侵入性;(4)(4
2、)高灵敏度;高灵敏度;高灵敏度;高灵敏度;(5)(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。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。第2页,共50页,编辑于2022年,星期三一、斯乃尔定理一、斯乃尔定理一、斯乃尔定理一、斯乃尔定理 当光有光密物质进入光疏物质,发生折射时入射角当光有光密物质进入光疏物质,发生折射时入射角 小于折射角小于折射角 。如图。根据斯乃尔定理有。如图。根据斯乃尔定理有9.1 9.1 光导纤维导光的基本原理光导纤维导光的基本原理第3页,共50页,编辑于2022年,星期三有上式可知,当入射角有上式可知,当入射角 增大时,折射角
3、增大时,折射角 也增大,也增大,且始终且始终 。当。当 时,此时出射光线沿界面时,此时出射光线沿界面传播,称为临界状态。此时传播,称为临界状态。此时当当 时,时,这时便发生全反射现象,其,这时便发生全反射现象,其出射光不再折射而全部反射回来。出射光不再折射而全部反射回来。二、光纤结构二、光纤结构二、光纤结构二、光纤结构 光纤通常由圆柱形的玻璃纤维芯和玻璃包层两个同光纤通常由圆柱形的玻璃纤维芯和玻璃包层两个同光纤通常由圆柱形的玻璃纤维芯和玻璃包层两个同光纤通常由圆柱形的玻璃纤维芯和玻璃包层两个同心圆柱的双层结构。参见图。纤芯位于心圆柱的双层结构。参见图。纤芯位于心圆柱的双层结构。参见图。纤芯位于
4、心圆柱的双层结构。参见图。纤芯位于光纤中心部位光纤中心部位光纤中心部位光纤中心部位,纤纤纤纤芯的折射率比包层的折射率大芯的折射率比包层的折射率大芯的折射率比包层的折射率大芯的折射率比包层的折射率大。第4页,共50页,编辑于2022年,星期三三、光纤导光几何光学原理及数值孔径三、光纤导光几何光学原理及数值孔径NA 光纤导光原理,参见图。由图中可知光纤导光原理,参见图。由图中可知光纤导光原理,参见图。由图中可知光纤导光原理,参见图。由图中可知由上式得由上式得由上式得由上式得第5页,共50页,编辑于2022年,星期三由图知,由图知,由图知,由图知,所以所以所以所以综合上面公式得综合上面公式得综合上面
5、公式得综合上面公式得第6页,共50页,编辑于2022年,星期三考虑空气的折射率约等于考虑空气的折射率约等于1 1,上式简化为,上式简化为,上式简化为,上式简化为当当当当 时,时,时,时,考虑考虑考虑考虑上式中上式中上式中上式中 称为称为称为称为相对折射率差相对折射率差相对折射率差相对折射率差。定义定义 为光纤的为光纤的数字孔径数字孔径数字孔径数字孔径NANA。由以上分析只有由以上分析只有 的入射光线才能在光的入射光线才能在光纤界面上发生全反射,从而被光线传输。纤界面上发生全反射,从而被光线传输。第7页,共50页,编辑于2022年,星期三四、光纤导光波动光学解释与几何光学解释的关系四、光纤导光波
6、动光学解释与几何光学解释的关系 几何光学几何光学几何光学几何光学把光源看成把光源看成把光源看成把光源看成射线源射线源射线源射线源,光的传播问题就是,光的传播问题就是,光的传播问题就是,光的传播问题就是射线射线射线射线的轨迹的轨迹的轨迹的轨迹问题,完全问题,完全问题,完全问题,完全不涉及波动不涉及波动不涉及波动不涉及波动的概念,随之也就不再涉及的概念,随之也就不再涉及的概念,随之也就不再涉及的概念,随之也就不再涉及波长或波数等。波长或波数等。波长或波数等。波长或波数等。在波长与所讨论系统的在波长与所讨论系统的在波长与所讨论系统的在波长与所讨论系统的空间尺寸空间尺寸空间尺寸空间尺寸比较起来可比较起
7、来可比较起来可比较起来可忽略忽略不计不计不计不计时,用几何光学或射线分析来研究光学现象时,用几何光学或射线分析来研究光学现象时,用几何光学或射线分析来研究光学现象时,用几何光学或射线分析来研究光学现象有形象鲜明有形象鲜明、数学处理简单数学处理简单、能达到工程上满意精度能达到工程上满意精度能达到工程上满意精度能达到工程上满意精度的优点。射线分析的优点。射线分析的优点。射线分析的优点。射线分析的的的的误差随着波长与系统线度比的增大而增大误差随着波长与系统线度比的增大而增大误差随着波长与系统线度比的增大而增大误差随着波长与系统线度比的增大而增大,所以几何光学,所以几何光学是波动光学在是波动光学在波长
8、趋于零时的极限波长趋于零时的极限波长趋于零时的极限波长趋于零时的极限。参考书:参考书:参考书:参考书:光纤理论与技术光纤理论与技术光纤理论与技术光纤理论与技术,曾甫泉,曾甫泉,曾甫泉,曾甫泉 编著,西安交通编著,西安交通编著,西安交通编著,西安交通大学出版社,大学出版社,大学出版社,大学出版社,1990年年10月第月第月第月第1 1版;版;版;版;第8页,共50页,编辑于2022年,星期三一、光纤传感器的结构原理一、光纤传感器的结构原理一、光纤传感器的结构原理一、光纤传感器的结构原理 传统传感器是将其它物理量转化为电量,其信号传输和处传统传感器是将其它物理量转化为电量,其信号传输和处传统传感器
9、是将其它物理量转化为电量,其信号传输和处传统传感器是将其它物理量转化为电量,其信号传输和处理均由金属导线连接。光纤传感器将被测物理量转换为光信号,理均由金属导线连接。光纤传感器将被测物理量转换为光信号,理均由金属导线连接。光纤传感器将被测物理量转换为光信号,理均由金属导线连接。光纤传感器将被测物理量转换为光信号,信号的传输采用光纤完成。信号的传输采用光纤完成。信号的传输采用光纤完成。信号的传输采用光纤完成。9.2 9.2 光纤传感器结构原理及分类光纤传感器结构原理及分类第9页,共50页,编辑于2022年,星期三从本质上讲,光是一种从本质上讲,光是一种从本质上讲,光是一种从本质上讲,光是一种电磁
10、波电磁波电磁波电磁波,在讨论光的敏感测量时,在讨论光的敏感测量时,必须考虑光的电矢量必须考虑光的电矢量 的振动。通常电矢量可表示为的振动。通常电矢量可表示为 有上式知,只要使光的有上式知,只要使光的有上式知,只要使光的有上式知,只要使光的强度强度、偏振态偏振态(矢量(矢量 的方向)、的方向)、频率频率频率频率和和和和相位相位相位相位等参量之一随被测量状态变化而变化,即可等参量之一随被测量状态变化而变化,即可完成测量过程。完成测量过程。二、光纤传感器的分类二、光纤传感器的分类二、光纤传感器的分类二、光纤传感器的分类(一)根据光纤在传感器中的作用(一)根据光纤在传感器中的作用(一)根据光纤在传感器
11、中的作用(一)根据光纤在传感器中的作用 分为功能型、非功能型和拾光型三大类。分为功能型、非功能型和拾光型三大类。1.1.功能型(全光纤型)光纤传感器功能型(全光纤型)光纤传感器功能型(全光纤型)光纤传感器功能型(全光纤型)光纤传感器第10页,共50页,编辑于2022年,星期三 光纤在其中不仅是光纤在其中不仅是光纤在其中不仅是光纤在其中不仅是导光媒质导光媒质导光媒质导光媒质,而且也是,而且也是,而且也是,而且也是敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件,光在,光在,光在,光在光纤内受被测量调制。光纤内受被测量调制。光纤内受被测量调制。光纤内受被测量调制。2.2.非功能型(传光型)光纤传感器非功能型(传光
12、型)光纤传感器非功能型(传光型)光纤传感器非功能型(传光型)光纤传感器 光纤在其中仅起导光作用,光照在非光线型敏感元件光纤在其中仅起导光作用,光照在非光线型敏感元件光纤在其中仅起导光作用,光照在非光线型敏感元件光纤在其中仅起导光作用,光照在非光线型敏感元件上受被测量调制。上受被测量调制。上受被测量调制。上受被测量调制。3.3.拾光型光纤传感器拾光型光纤传感器拾光型光纤传感器拾光型光纤传感器 光纤作为探头,接收由被测对象辐射的光或被其反光纤作为探头,接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。射、散射的光。(二)根据光受被测对象的调制形式(二)根据光受被测对象的调制形式 分为:分为:分为:分为:
13、强度调制强度调制强度调制强度调制型光纤传感器、型光纤传感器、型光纤传感器、型光纤传感器、偏振调制偏振调制偏振调制偏振调制光纤传感器、光纤传感器、光纤传感器、光纤传感器、频率调制频率调制频率调制频率调制型光纤传感器、型光纤传感器、型光纤传感器、型光纤传感器、相位调制相位调制型传感器。型传感器。型传感器。型传感器。第11页,共50页,编辑于2022年,星期三第12页,共50页,编辑于2022年,星期三一、光纤一、光纤一、光纤一、光纤 常见光纤有阶跃型和梯度型多模及单模光纤。它们的结构常见光纤有阶跃型和梯度型多模及单模光纤。它们的结构常见光纤有阶跃型和梯度型多模及单模光纤。它们的结构常见光纤有阶跃型
14、和梯度型多模及单模光纤。它们的结构参见下图。参见下图。参见下图。参见下图。9.3 9.3 光纤传感器的主要元件光纤传感器的主要元件第13页,共50页,编辑于2022年,星期三(一)(一)(一)(一)光纤的数值孔径光纤的数值孔径光纤的数值孔径光纤的数值孔径NANA NA是衡量是衡量是衡量是衡量光纤聚光能力光纤聚光能力光纤聚光能力光纤聚光能力的参量。从提高光源与光纤之间的参量。从提高光源与光纤之间的参量。从提高光源与光纤之间的参量。从提高光源与光纤之间耦合效率的角度看,要求采用耦合效率的角度看,要求采用耦合效率的角度看,要求采用耦合效率的角度看,要求采用NA大的光纤。但大的光纤。但大的光纤。但大的
15、光纤。但NANA越大,光越大,光越大,光越大,光纤的模色散越严重,传输信息的容量就越小。对大多数光纤传纤的模色散越严重,传输信息的容量就越小。对大多数光纤传纤的模色散越严重,传输信息的容量就越小。对大多数光纤传纤的模色散越严重,传输信息的容量就越小。对大多数光纤传感器应用来说,不存在信息容量的问题。因此,传感器所用光感器应用来说,不存在信息容量的问题。因此,传感器所用光感器应用来说,不存在信息容量的问题。因此,传感器所用光感器应用来说,不存在信息容量的问题。因此,传感器所用光纤纤纤纤具有最大数字孔径为宜具有最大数字孔径为宜。一般要求:。一般要求:。一般要求:。一般要求:(二)光纤传输损耗(二)
16、光纤传输损耗(二)光纤传输损耗(二)光纤传输损耗 由于作为传感器的光纤其由于作为传感器的光纤其由于作为传感器的光纤其由于作为传感器的光纤其长度都很短长度都很短长度都很短长度都很短,最多数米长,最多数米长,最多数米长,最多数米长,因此对光纤传输损耗要求很低,一般传输损耗因此对光纤传输损耗要求很低,一般传输损耗因此对光纤传输损耗要求很低,一般传输损耗因此对光纤传输损耗要求很低,一般传输损耗10dB/km2006.11.27JC204-第22页,共50页,编辑于2022年,星期三 对于波长大于对于波长大于对于波长大于对于波长大于 的光能透过半导体,而波长小于的光能透过半导体,而波长小于的光能透过半导
17、体,而波长小于的光能透过半导体,而波长小于 的光的光的光的光将被半导体强烈吸收。将被半导体强烈吸收。将被半导体强烈吸收。将被半导体强烈吸收。由上可知,半导体由上可知,半导体由上可知,半导体由上可知,半导体吸收光谱与禁带宽度有关吸收光谱与禁带宽度有关吸收光谱与禁带宽度有关吸收光谱与禁带宽度有关,而半导,而半导,而半导,而半导体材料的体材料的体材料的体材料的禁带宽度随温度变化而变化禁带宽度随温度变化而变化,即,即,即,即对于对于对于对于GaAsGaAsGaAsGaAs材料,由实验得到材料,由实验得到由此可知,半导体的由此可知,半导体的由此可知,半导体的由此可知,半导体的本征吸收波长随温度升高而增大
18、本征吸收波长随温度升高而增大本征吸收波长随温度升高而增大本征吸收波长随温度升高而增大。即。即。即。即透透射率曲线向长波方向移动射率曲线向长波方向移动。第23页,共50页,编辑于2022年,星期三若采用发射光谱与半导体的若采用发射光谱与半导体的若采用发射光谱与半导体的若采用发射光谱与半导体的 相匹配相匹配相匹配相匹配的发光二极管作的发光二极管作为光源,则为光源,则透射光强将随温度的升高而减小透射光强将随温度的升高而减小。参见下图。参见下图。参见下图。参见下图。第24页,共50页,编辑于2022年,星期三 利用半导体吸收的光纤温度传感器其结构如下图。利用半导体吸收的光纤温度传感器其结构如下图。利用
19、半导体吸收的光纤温度传感器其结构如下图。利用半导体吸收的光纤温度传感器其结构如下图。2007.11.15JGLX303-2007.11.15JGLX303-第25页,共50页,编辑于2022年,星期三 上面简单结构的半导体光纤温度传感器,由于受到上面简单结构的半导体光纤温度传感器,由于受到光源功率的波动、损耗变化等因素的影响,其精度受到光源功率的波动、损耗变化等因素的影响,其精度受到限制。下图为带补偿的光纤温度传感器机构框图。限制。下图为带补偿的光纤温度传感器机构框图。第26页,共50页,编辑于2022年,星期三 图中图中图中图中LED1LED1LED1LED1为信号光源为信号光源为信号光源为
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