光纤式传感器精.ppt
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1、光纤式传感器第1页,本讲稿共39页 8 光纤传感器敏感元件:光纤参数变化过程:非电量光信号光纤光调制电信号工作原理:光强度调制、光波长调制、光频率调制、光相位调制、光振态调制、时分调制测量参数:温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等优点:受电磁干扰,体积小,重量轻,可绕曲,灵敏度高,耐腐蚀,高绝缘强度,防爆性好,集传感与传输于一体,能与数字通信系统兼容等第2页,本讲稿共39页 10 光纤传感器10.1 光纤传感器的技术基础10.2 光纤传感器的机构原理与分类10.3 光纤传感器的应用第3页,本讲稿共39页10.1 光纤传感器的技术基础 1.光纤结构 纤芯:中心的圆柱体,石英
2、玻璃制成 包层:围绕着纤芯的圆形外层,石英玻璃制成 保护套:多为尼龙材料,以增加机械强度第4页,本讲稿共39页 10.1 光纤传感器的技术基础 2.光纤传光原理斯涅耳(Snell)光的折射定律:若要在纤芯和包层的界面上发生全反射,即 c=90第5页,本讲稿共39页10.1 光纤传感器的技术基础 3.数值孔径(NA)光纤的 NA 越大,表明它的集光能力越强,一般希望有大的数值孔径,这有利于提高耦合效率;但数值孔径过大,会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值,如石英光纤数值孔径一般为0.20.4。第6页,本讲稿共39页 10.1.1 光纤基本特征 1.光纤折射率分类:阶跃折射率光纤、梯度折
3、射率光纤第7页,本讲稿共39页 10.1.1 光纤基本特征 2.按光纤传输模式分类:指光波传播的途径和方式。可分为单模光纤、多模光纤。一般纤芯直径为212m,只能传输一种模式称为单模光纤。这类光纤的传输性能好,信号畸变小,信息容量大,线性好,灵敏度高,但由于纤芯尺寸小,制造、连接和耦合都比较困难。纤芯直径较大(50100m),传输模式较多称为多模光纤。这类光纤的性能较差,输出波形有较大的差异,但由于纤芯截面积大,故容易制造,连接和耦合比较方便。第8页,本讲稿共39页 10.1.1 光纤基本特征 3.按光纤材料分类:(1)高纯度石英(SiO2)玻璃光纤,其特点是光传输的损耗低;(2)多组分玻璃光
4、纤,其特点是纤芯-包层折射率可以在较大的范围内变化,因而有利于制造出大数值孔径的光纤,但材料的损耗大;(3)聚合物光纤,其特点是成本低,缺点是损耗大,温度性能差;(4)光子晶体光纤,又称多孔光纤或微结构光纤,这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成,通过这些微小空气孔对光的约束,实现光的传导。光子晶体光纤以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。(5)液芯光纤,其特点是纤芯为液体,可以满足特殊要求。第9页,本讲稿共39页 10.1.1 光纤基本特征 4.按光纤用途分类:通信光纤、非通信光纤 (1)通信光纤用于光通信系统,实际使用中大多使用光缆(多根光纤组成的线缆),是
5、光通信的主要传光介质。(2)非通信光纤是用于通信以外的光纤,是以纤维光学为基础,为满足工农业生产、国防科技、科学研究、交通运输、医疗、环境保护等行业对传光、传像、传感的要求,结合材料科学和现代制造技术而逐渐发展起来的一种光纤,它作用距离较短,使用长度长者不足千米,短者仅有数厘米,甚至数毫米。第10页,本讲稿共39页 10.1.2 光纤的损耗 3.光纤传输损耗:吸收损耗:本征吸收损耗、杂质离子吸收损耗、原子缺陷吸收损耗。散射损耗:材料密度及浓度不均匀引起的光的散射。光波导弯曲损耗:光波导弯曲会引起传输模式的转换,激发高阶模进入包层产生损耗第11页,本讲稿共39页 10.1.3 光纤的色散光纤的色
6、散:光脉冲受到折射率分布、色散特性、模式分布以及光源的光谱宽度等因素决定的延迟畸变,使该脉冲波形在通过光纤后发生展宽。因为在光纤中传输的光信号的不同频率成份或不同的模式分量如果以不同的速度传播,经过一定距离到达出射面时产生信号失真。(1)多模色散:模式群速度不同,到达端面时刻不同 (2)波导色散:群速度对于光的频率不是常数 (3)材料色散:光纤材料的折射率随入射光频率变化 (4)偏振色散:光纤轴的不对称性,两正交模有不同的群延迟第12页,本讲稿共39页 10.1.4 光纤的耦合与连接光纤的耦合主要包括光纤与光源、光纤与接收器、光纤与光纤之间直接或间接(通过各种类型的连接器,如透镜、耦合器等)的
7、相互连接。(1)光纤和光源的耦合 (2)光纤和光纤的直接耦合第13页,本讲稿共39页 10.1.4 光纤的耦合与连接 (1)光纤和光源的耦合光纤和光源连接时,为了获得最佳耦合效率,主要应考虑两者的特征参量相互匹配的问题。包括:纤芯直径、数值孔径、截止波长、偏振特性以及光源面积、发光分布、光谱特性、输出功率等。a.直接耦合:把端面已处理的光纤直接对向激光器的发光面。影响耦合效率的主要因素是光源的发光面积与光纤纤芯总面积的匹配及光源发散角和光纤数值孔径角的匹配。b.透镜耦合:通过透镜将激光器发出的光耦合进光纤中,是一种间接耦合方式。由于透镜耦合可以大大提高耦合效率,因此得到了广泛的采用。第14页,
8、本讲稿共39页 10.1.4 光纤的耦合与连接 (2)光纤和光纤的耦合 光纤与光纤的直接耦合有固定连接和活动连接两种方式。a.固定连接:即光纤熔接,是采用光纤熔接机实现,其优点是插入损耗小,稳定性好,缺点是不灵活和不方便调试。b.活动连接:即利用光纤连接器和法兰盘实现光纤与光纤的直接耦合。在一定程度上,光纤连接器也影响了光传输系统的可靠性和各项性能。第15页,本讲稿共39页 10.2 光纤传感器的机构原理与分类 10.2.1 光纤传感器的机构原理 10.2.2 光纤传感器的分类第16页,本讲稿共39页10.2.1 光纤传感器的机构原理 1.光纤传感器的机构原理 光波在光纤中传播时,表征光波的特
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