传感器与检测技术第九章光纤传感器PPT讲稿.ppt

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1、传感器与检测技术传感器与检测技术第九章光纤传感器第九章光纤传感器第1页，共110页，编辑于2022年，星期四1光导纤维的结构和导光原理光导纤维的结构和导光原理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 纤芯材料的主体是二氧化硅塑料，制成很细的圆纤芯材料的主体是二氧化硅塑料，制成很细的圆柱体，其直径在柱体，其直径在575um内。有时在主体材料中掺入极内。有时在主体材料中掺入极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等，以

2、便提高光微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高光的折射率。围绕纤芯的是一层圆柱形套层（包层），包层的折射率。围绕纤芯的是一层圆柱形套层（包层），包层可以是单层，也可以是多层结构，层数取决于光纤的应用可以是单层，也可以是多层结构，层数取决于光纤的应用场所，但总直径控制在场所，但总直径控制在100200范围内。包层材料也为二范围内。包层材料也为二氧化硅，掺入极微量的三氧化二硼或四氧化硅，但包层氧化硅，掺入极微量的三氧化二硼或四氧化硅，但包层掺杂的目的却是为了降低其对光的折射率。包层外面还掺杂的目的却是为了降低其对光的折射率。包层外面还要涂上如硅铜或丙烯酸盐等涂料，其作用是保护光纤不要涂上

3、如硅铜或丙烯酸盐等涂料，其作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。光纤最外层是一受外来的损害，增加光纤的机械强度。光纤最外层是一层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中各种不同的光纤。层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中各种不同的光纤。光缆是由多根光纤组成，并在光纤间填入阻水油膏以此光缆是由多根光纤组成，并在光纤间填入阻水油膏以此保证光缆传光性能。光缆主要用于光纤通信。保证光缆传光性能。光缆主要用于光纤通信。第2页，共110页，编辑于2022年，星期四斯乃尔定理斯乃尔定理斯乃尔定理斯乃尔定理 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

4、角：）折射角大于入射角：（b）临界状态：）临界状态：（c）全反射）全反射：上一页下一页返 回第3页，共110页，编辑于2022年，星期四光纤导光光纤导光 第4页，共110页，编辑于2022年，星期四n0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n01第5页，共110页，编辑于2022年，星期四当当r=90的临界状态时，的临界状态时，Sini定义为定义为“数值孔径数值孔径”NA（NumericalAperture）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，iarcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；，光线进

5、入光纤后都不能传播而在包层消失；iarcsinNA，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 回第6页，共110页，编辑于2022年，星期四2光导纤维的主要参数光导纤维的主要参数1.数值孔径（数值孔径（NA）2.光纤模式光纤模式3.传播损耗传播损耗上一页下一页返 回上一页下一页返 回第7页，共110页，编辑于2022年，星期四1.数值孔径（NA）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。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。意意意意义义义义：无无无无论论论论光光光光源

6、源源源发发发发射射射射功功功功率率率率有有有有多多多多大大大大，只只只只有有有有2 2ii张张张张角角角角之之之之内内内内的的的的光光光光功功功功率率率率能能能能被光纤接受传播。被光纤接受传播。被光纤接受传播。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。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。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。第8页，共110页，编辑于2022年，星期四2.2.光纤模式：光纤模式：光波沿光导纤维

7、传播的途径和方式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光波沿光导纤维传播的途径和方式 单模光纤：只能传一种模式的光 多模光纤：允许不同光束在一条电缆上传输 根据传输点模数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。所谓“模”是指以一定 角度进入光纤的一束光。多模光纤允许多束光在光纤中同时传播，从而形成模分散(因为每一个“模”光进入光纤的角度不同它们到达另一端点的时间也不同，这种特征称为模分散。)单模光纤采用固体激光器做光源；多模光纤则采用发光二极管做光源。第9页，共110页，编辑于2022年，星期四 在在在在光光光光导导导导纤纤纤纤维维维维中中中中传传传传播播播播模模模模式式式

8、式很很很很多多多多对对对对信信信信息息息息的的的的传传传传输输输输是是是是不不不不利利利利的的的的，导导导导致致致致合合合合成成成成信信信信号的畸变，因此我们希望模式数量越少越好。号的畸变，因此我们希望模式数量越少越好。号的畸变，因此我们希望模式数量越少越好。号的畸变，因此我们希望模式数量越少越好。希望希望V小：小：d不能太大，不能太大，n2与与n1之差很小之差很小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 第10页，共110页，编辑于2022年，星期四3.传播损耗（单位为（单位为dB

9、）式中式中,L光纤长度；光纤长度；A能耗能耗P1光导纤维入射端光强（功率）光导纤维入射端光强（功率）P2光导纤维出射端光强（功率）光导纤维出射端光强（功率）A=10/Llg(P1P2)第11页，共110页，编辑于2022年，星期四2.2.微弯损耗：光纤微微弯曲时，纤芯与包层界面上某些微弯损耗：光纤微微弯曲时，纤芯与包层界面上某些微弯损耗：光纤微微弯曲时，纤芯与包层界面上某些微弯损耗：光纤微微弯曲时，纤芯与包层界面上某些地方光线不满足全反射而进入包层。地方光线不满足全反射而进入包层。地方光线不满足全反射而进入包层。地方光线不满足全反射而进入包层。3.3.散射损耗：因纤芯材料折射率而产生散射，在其

10、它方散射损耗：因纤芯材料折射率而产生散射，在其它方散射损耗：因纤芯材料折射率而产生散射，在其它方散射损耗：因纤芯材料折射率而产生散射，在其它方向上可看到微弱的光信号。向上可看到微弱的光信号。向上可看到微弱的光信号。向上可看到微弱的光信号。损耗原因：损耗原因：损耗原因：损耗原因：1.1.吸收损耗：光纤纤芯材料的吸收光能量和纤芯层里氢氧吸收损耗：光纤纤芯材料的吸收光能量和纤芯层里氢氧吸收损耗：光纤纤芯材料的吸收光能量和纤芯层里氢氧吸收损耗：光纤纤芯材料的吸收光能量和纤芯层里氢氧离子振动的能量吸收。离子振动的能量吸收。离子振动的能量吸收。离子振动的能量吸收。第12页，共110页，编辑于2022年，星

11、期四3光纤传感器结构原理光纤传感器结构原理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 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。第13页，共110页，编辑于2022年，星期四光纤传感器工作原理：光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位和偏振

12、态等）发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。根据工作原理，光纤传感器可以分为传感型和传光型两大类。v(还有一类：探光型)第14页，共110页，编辑于2022年，星期四光纤传感器光学测量的基本原理光纤传感器光学测量的基本原理光纤传感器光学测量的基本原理光纤传感器光学测量的基本原理 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：光的强度解调、偏振解调、频率解调或相位解调光的强度解调、偏振解调、频率解调或相位解调上一页下一

13、页返 回 光纤对许多外界参数有一定的效应，如电流、温度、速度和射线等。光纤传感器原光纤对许多外界参数有一定的效应，如电流、温度、速度和射线等。光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应，实现对外界被测参数的理的核心是如何利用光纤的各种效应，实现对外界被测参数的“传传”和和“感感”的功的功能。光纤传感器的核心就是光被外界参数的调制原理，调制的原理就能代表光纤传能。光纤传感器的核心就是光被外界参数的调制原理，调制的原理就能代表光纤传感器的机理。研究光纤传感器的调制器就是研究光在调制区与外界被测参数的相互感器的机理。研究光纤传感器的调制器就是研究光在调制区与外界被测参数的相互作用，外界信号可能引起

14、光的特性（强度、波长、频率、相位、偏振态等）变化，作用，外界信号可能引起光的特性（强度、波长、频率、相位、偏振态等）变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态调制原理。从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态调制原理。第15页，共110页，编辑于2022年，星期四4光纤传感器的分类光纤传感器的分类传感器传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

15、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

16、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、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第16页，共110页，编辑于2022年，星期四光纤传感器的分类光纤传感器的分类光纤在传感器中的作用光纤在传感器中的作用光受被测量调制的形式

17、光受被测量调制的形式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第17页，共110页，编辑于2022年，星期四(1)光纤在传感器中的作用光纤在传感器中的作用功能型功能型（传感型）（传感型）非功能型非功能型（传光型）（传光型）探光型探光型第18页，共110页，编辑于2022年，星期四(a)(a)功能型（全光纤型）光纤传感器功能型（全光纤型）光纤传感器光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏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。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：须用特殊光纤，成本高，须用

18、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 回利用外界因素改变光纤的特征参量，从而对外界因素进行利用外界因素改变光纤的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的，称为传感型光纤传感器，它具有传、计量和数据传输的，称为传感型光纤传感器，它具有传、感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。第19页，共110页，编辑于2022年，星期四(b)(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器非功能型（或称传光型）光纤传感器光光光光纤纤纤纤在在在在其其其其中中中中仅仅仅仅起起起起导导导导光光光光作作作作用用用用，

19、光光光光照照照照在在在在光光光光纤纤纤纤型型型型敏敏敏敏感感感感元元元元件件件件上上上上受受受受被被被被测测测测量量量量调调调调制。制。制。制。优点：优点：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，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。比较容易实现，成本低。比较容易实现，成本低。缺点：缺点：缺点：缺点：灵敏度较低。灵敏度较低。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。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

20、回传光型光纤传感器是指利用其他敏感元件测得的特征量，由光纤进行数据传输，它的特点是充分利用现有的传感器，便于推广应用。第20页，共110页，编辑于2022年，星期四(c)(c)拾光型光纤传感器拾光型光纤传感器用用光光纤纤作作为为探探头头，接接收收由由被被测测对对象象辐辐射射的的光光或或被被其反射、散射的光。其反射、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见见P92图图4.63第21页，共110页，编辑于2022年，星期四(2)(2)根据光受被测对象的调制形式根据光受被测对象的调制形式 (a)强度调制型光纤传感器强度调制型光纤

21、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 回第22页，共110页，编辑于2022年，星期四(a)(a)强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器 利利利利用用用用被被被被测测测测对对对对象象象象的的的的变变变变化化化化引引引引起起起起敏敏敏敏感感感感元元元元件件件件参参参参数数数数的的的的变变变变化化化化，而而而而导导导导致致致致光光光光强强强强度度度度变变变变化化化化来来来来实现敏感测量的传感器。实现敏感测量的传感器。实现敏感测量的传感器。实现敏感测量的传感

22、器。应用：应用：应用：应用：压力、振动、位移、气体压力、振动、位移、气体压力、振动、位移、气体压力、振动、位移、气体优点优点优点优点:结构简单、容易实现、成本低。结构简单、容易实现、成本低。结构简单、容易实现、成本低。结构简单、容易实现、成本低。缺点缺点缺点缺点: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其其其其调调调调制方式有制方式有制方式有制方式有1 1、微弯、微弯、微弯、微弯调调调调制制制制 属于功能型光属于功能型光属于功能型光属于功能型光纤调纤调纤调纤调制制制制2 2、透射、透射、透射

23、、透射调调调调制制制制 属于非功能型光属于非功能型光属于非功能型光属于非功能型光纤调纤调纤调纤调制制制制3 3、反射、反射、反射、反射调调调调制制制制 属于非功能型光属于非功能型光属于非功能型光属于非功能型光纤调纤调纤调纤调制制制制上一页下一页返 回第23页，共110页，编辑于2022年，星期四3 3种强度调制原理示意图种强度调制原理示意图种强度调制原理示意图种强度调制原理示意图第24页，共110页，编辑于2022年，星期四（b b）偏振调制光纤传感器）偏振调制光纤传感器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利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息利用光的偏

24、振态的变化来传递被测对象信息原理原理原理原理：在外界因素作用下，使光的某一方向振动比其它方向占优势：在外界因素作用下，使光的某一方向振动比其它方向占优势：在外界因素作用下，使光的某一方向振动比其它方向占优势：在外界因素作用下，使光的某一方向振动比其它方向占优势应用：应用：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；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；压力、振动或声传感器

25、：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：双折射性优点：优点：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。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。第25页，共110页，编辑于2022年，星期四（c c）频率调制光纤传感器）频率调制光纤传感器被测对象引起的光频率的变化来进行监测被测对象引起的光频率的变化来进行监测被测对象引起的光频率的变化来进行监测被测对象引起的光频率的变化来进行监测原原原原理理理理：单单

26、单单色色色色光光光光照照照照射射射射到到到到运运运运动动动动物物物物体体体体上上上上后后后后，反反反反射射射射回回回回来来来来时时时时，其其其其频频频频移移移移后后后后的的的的频频频频率率率率为为为为f移后移后移后移后f0/(1-v/c)f0(1+v/c)式中：式中：式中：式中：f f为单色光频率；为单色光频率；为单色光频率；为单色光频率；c c为光束；为光束；为光束；为光束；v v为运动物体的速度。为运动物体的速度。为运动物体的速度。为运动物体的速度。将将将将此此此此频频频频率率率率的的的的光光光光与与与与参参参参考考考考光光光光共共共共同同同同作作作作用用用用于于于于光光光光探探探探测测测

27、测器器器器上上上上，并并并并产产产产生生生生差差差差拍拍拍拍，经经经经频频频频谱谱谱谱分析器处理求出频率变化，可推知速度。分析器处理求出频率变化，可推知速度。分析器处理求出频率变化，可推知速度。分析器处理求出频率变化，可推知速度。第26页，共110页，编辑于2022年，星期四利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速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；度、流速、振动、压力、加速度传感；度、流速、振动、压力、加速度传感；度、流速、振动、压力、加速度传感；利用

28、物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或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；监测大气污染的气体传感器；监测大气污染的气体传感器；监测大气污染的气体传感器；利用温度致发光的温度传感器等。利用温度致发光的温度传感器等。利用温度致发光的温度传感器等。利用温度致发光的温度传感器等。第27页，共110页，编辑于2022年，星期四（d d）相位调制传感器）相位调制传感器 被被被被测测测测对对对对象象象象导导导导致致致致光光光光的的的的相相相相位位位位变变变变化化

29、化化，然然然然后后后后用用用用干干干干涉涉涉涉仪仪仪仪来来来来检检检检测测测测这这这这种种种种相相相相位位位位变变变变化化化化而而而而得到被测对象的信息。得到被测对象的信息。得到被测对象的信息。得到被测对象的信息。相位调制原理示意图相位调制原理示意图第28页，共110页，编辑于2022年，星期四利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用光弹效应的声、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

30、场、电压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、电压传感器利用电致伸缩的电场、电压传感器利用利用利用利用SagnacSagnac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）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：优点：优点：灵敏度很高，灵敏度很高，灵敏度很高，灵敏度很高，缺点：缺点：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。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。第29页，共110页，编辑于2022年，星期四5光纤传感器的特点光纤传感器的特点（1 1

31、）电绝缘。）电绝缘。）电绝缘。）电绝缘。（2 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）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30页，共110页，编辑于2022年，星期四6光纤传感器的应用光纤传感器的应用强度调制型：强度调制型：强度调制型：强度调制型：基基基基于于于于弹弹弹弹性性性性元元元元件件件件受受受受压压压压变变变变形形形形，将将将将压压压压力力力力信信信

32、信号号号号转转转转换换换换成成成成位位位位移移移移信信信信号号号号来来来来检检检检测测测测，故常用于位移的光纤检测技术；故常用于位移的光纤检测技术；故常用于位移的光纤检测技术；故常用于位移的光纤检测技术；相位调制型：相位调制型：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；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：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。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。光光纤纤压压力力传传感感器器第31页，共110页，编辑于2022年，星期四 （1 1

33、）采用弹性元件的光纤压力传感器）采用弹性元件的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。1Y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第32页，共110页，编辑于2022年，星期四传感器的固有频率可表示为传感器的固有频率可表示为式中式中,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，

34、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 回第33页，共110页，编辑于2022年，星期四差动式膜片反射型光纤压力传感器差动式膜片反射型光纤压力传感器 1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 回第34页，共110页，编辑于2022年，星期四将上式两边取对数，在满足将上式

35、两边取对数，在满足(Ap)21时，得到时，得到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 回第35页，共110页，编辑于2022年，星期四第36页，共110页，编辑于2022年，星期四（b b）光弹性式光纤压力传感器）光弹性式光纤压力传感器 光弹性效应：光弹性效应：光弹性效应：光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生

36、变化，从而呈现双折射晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。现象。现象。现象。1光源光源2、8起偏器起偏器3、91/4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光纤光纤7自聚焦透镜自聚焦透镜第37页，共110页，编辑于2022年，星期四光弹性式光纤压力传感器光弹性式光纤压力传感器光弹性式光纤压力传感器光弹性式光纤压力传感器 2 2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、加速度第38页，共110页，编辑于2022年，星期四

37、 （c c）微弯式光纤压力传感）微弯式光纤压力传感基于光纤的基于光纤的基于光纤的基于光纤的微弯效应微弯效应微弯效应微弯效应，即由压力引起变形器产生位移，使，即由压力引起变形器产生位移，使，即由压力引起变形器产生位移，使，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。光纤弯曲而调制光强度。光纤弯曲而调制光强度。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光纤光纤微微弯弯式式光光纤纤水水听听器器探探头头第39页，共110页，编辑于2022年，星期四例例3 透射型半导体光纤温度传感器透射型半导体光纤温度传感器半导体的吸收光谱与材料的半导体的

38、吸收光谱与材料的Eg有关，而有关，而Eg却却随温度的不同而不同。随温度的不同而不同。Eg与温度与温度t的关系可表的关系可表示为：示为：半导体材料的半导体材料的Eg随温度的上升而减小，亦即随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波长其本征吸收波长g随温度的上升而增大随温度的上升而增大。第40页，共110页，编辑于2022年，星期四这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当温这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的用发射光谱与半导体的g（t）相匹配的发光二极管）相匹配的发光二极管作为光源，则透

39、射光强度将随作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而着温度的升高而减小，即通过检减小，即通过检测透射光的强度测透射光的强度或透射率，即可或透射率，即可检测温度变化。检测温度变化。相相相相对对对对发发发发光光光光强强强强度度度度透透透透射射射射率率率率LEDLED发光光谱发光光谱发光光谱发光光谱半导体透射率半导体透射率半导体透射率半导体透射率T T1 1TT2 2TT3 3T T3 3T T1 1T T2 2波长波长波长波长图图9-12半导体透射测量原理半导体透射测量原理第41页，共110页，编辑于2022年，星期四第一节第一节传感器的静态特性传感器的静态特性静态特性：传感器在被测量的各个值处于

40、静态特性：传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输入量与输出量之间的关系。稳定状态时，输入量与输出量之间的关系。一般要求传感器的静态特性为线性或近似一般要求传感器的静态特性为线性或近似为线性。为线性。静态量：稳定状态的信号或变化极其缓慢的信号（准静态）。静态量：稳定状态的信号或变化极其缓慢的信号（准静态）。动态量：周期信号、瞬变信号或随机信号。动态量：周期信号、瞬变信号或随机信号。第一章第一章 传感器的一般特性传感器的一般特性第42页，共110页，编辑于2022年，星期四第一节第一节 传感器的静态特性传感器的静态特性传感器的静态特性可以用下面的方程描述传感器的静态特性可以用下面的方程描述由上式

41、可见：如果由上式可见：如果由上式可见：如果由上式可见：如果a a0 0=0=0，则静特性通过原点，此时，则静特性通过原点，此时，则静特性通过原点，此时，则静特性通过原点，此时静态特性由线性项和非线性项迭加而成，一般可分为静态特性由线性项和非线性项迭加而成，一般可分为静态特性由线性项和非线性项迭加而成，一般可分为静态特性由线性项和非线性项迭加而成，一般可分为下面四种情况：下面四种情况：下面四种情况：下面四种情况：第43页，共110页，编辑于2022年，星期四第一节第一节 传感器的静态特性传感器的静态特性(1).理想线性理想线性(3).(3).具有具有具有具有X X偶次阶项的非线性偶次阶项的非线性

42、偶次阶项的非线性偶次阶项的非线性(2).(2).具有具有具有具有X X奇次阶项的非线性奇次阶项的非线性奇次阶项的非线性奇次阶项的非线性(4).(4).一般非线性一般非线性一般非线性一般非线性第44页，共110页，编辑于2022年，星期四传感器的四种典型静态特征传感器的四种典型静态特征第45页，共110页，编辑于2022年，星期四结论结论1.1.（1 1）图为理想线性关系，标度简单，测量方便，输入）图为理想线性关系，标度简单，测量方便，输入）图为理想线性关系，标度简单，测量方便，输入）图为理想线性关系，标度简单，测量方便，输入-输出为线输出为线输出为线输出为线性关系，不需要补偿电路。性关系，不需

43、要补偿电路。性关系，不需要补偿电路。性关系，不需要补偿电路。2.2.其它图均为非线性关系，其中（其它图均为非线性关系，其中（其它图均为非线性关系，其中（其它图均为非线性关系，其中（2 2）在原点附近一定范围内近似）在原点附近一定范围内近似）在原点附近一定范围内近似）在原点附近一定范围内近似为线性关系，特性曲线以坐标原点为对称，可获得较大的线为线性关系，特性曲线以坐标原点为对称，可获得较大的线为线性关系，特性曲线以坐标原点为对称，可获得较大的线为线性关系，特性曲线以坐标原点为对称，可获得较大的线性范围。各种差动传感器具有这样的特性，因为当其一边输性范围。各种差动传感器具有这样的特性，因为当其一边

44、输性范围。各种差动传感器具有这样的特性，因为当其一边输性范围。各种差动传感器具有这样的特性，因为当其一边输出为出为出为出为另一端输出为另一端输出为差动传感器输出为差动传感器输出为 第46页，共110页，编辑于2022年，星期四 只剩下奇次阶项，偶次项消掉了，并且输出提高只剩下奇次阶项，偶次项消掉了，并且输出提高一倍，线性度一倍，线性度，灵敏度，灵敏度，结构型的传感器采，结构型的传感器采用差动式传感器。用差动式传感器。3.3.3.3.图（图（图（图（3 3 3 3）除非线性项外非线性项只是偶次项，在这种情况下，）除非线性项外非线性项只是偶次项，在这种情况下，）除非线性项外非线性项只是偶次项，在这

45、种情况下，）除非线性项外非线性项只是偶次项，在这种情况下，特性曲线没有对称性，可取的线性范围很小，传感器设计特性曲线没有对称性，可取的线性范围很小，传感器设计特性曲线没有对称性，可取的线性范围很小，传感器设计特性曲线没有对称性，可取的线性范围很小，传感器设计应尽量避免出现这种特性应尽量避免出现这种特性应尽量避免出现这种特性应尽量避免出现这种特性 。4.4.4.4.由上可知，传感器的输出不可能丝毫不差地反映被测量的变化，总存由上可知，传感器的输出不可能丝毫不差地反映被测量的变化，总存由上可知，传感器的输出不可能丝毫不差地反映被测量的变化，总存由上可知，传感器的输出不可能丝毫不差地反映被测量的变化

46、，总存在这一定的误差。在这一定的误差。在这一定的误差。在这一定的误差。差动传感器输出为差动传感器输出为差动传感器输出为差动传感器输出为 第47页，共110页，编辑于2022年，星期四传感器静态特性的线性化：传感器静态特性的线性化：当非线性项的影响较小时，我们可以在输入量变当非线性项的影响较小时，我们可以在输入量变化不大的一个范围内，用切线或割线等直线来代替化不大的一个范围内，用切线或割线等直线来代替实际的静态曲线的一段，使传感器的静态特性近于实际的静态曲线的一段，使传感器的静态特性近于线性，这一过程称为传感器静态特性的线性化。线性，这一过程称为传感器静态特性的线性化。线性化的直线称为拟合直线（

47、线性化的直线称为拟合直线（Fitedstraight）。）。静静态态校准曲校准曲线线(static adjusted curve)(static adjusted curve)在在静态静态标标准工作状准工作状态态下，利用一定等下，利用一定等级级的校准的校准设设备备，对传对传感器感器进进行反复循行反复循环测试环测试，得到的，得到的输输出出-输输入入数据一般用表格列出或画成曲数据一般用表格列出或画成曲线线，这这种曲种曲线线称称为为静静态态校准曲校准曲线线。第48页，共110页，编辑于2022年，星期四1.线性度（非线性误差）线性度（非线性误差）线性度：在规定条件下，线性度：在规定条件下，线性度：在

48、规定条件下，线性度：在规定条件下，传感器校准曲线与拟合传感器校准曲线与拟合传感器校准曲线与拟合传感器校准曲线与拟合曲线间最大偏差与满量曲线间最大偏差与满量曲线间最大偏差与满量曲线间最大偏差与满量程输出值的百分比。用程输出值的百分比。用程输出值的百分比。用程输出值的百分比。用代表线性度，则代表线性度，则代表线性度，则代表线性度，则第49页，共110页，编辑于2022年，星期四第一节第一节 传感器的静态特性传感器的静态特性非线性误差是以一定的拟合直线为基准的。非线性误差是以一定的拟合直线为基准的。拟合基准直线的方法有：拟合基准直线的方法有：(1).端基法端基法基准直线的方程为基准直线的方程为优点：

49、简单直观优点：简单直观缺点：拟合精度较低缺点：拟合精度较低用途：特性曲线非线性用途：特性曲线非线性度较小时使用度较小时使用第50页，共110页，编辑于2022年，星期四为了寻找较理想的拟合直线为了寻找较理想的拟合直线为了寻找较理想的拟合直线为了寻找较理想的拟合直线可将测量得到的可将测量得到的可将测量得到的可将测量得到的n n个检测点分个检测点分个检测点分个检测点分成数目相等的两组：前半部成数目相等的两组：前半部成数目相等的两组：前半部成数目相等的两组：前半部n/2n/2个检测点为一组；后半部个检测点为一组；后半部个检测点为一组；后半部个检测点为一组；后半部n/2n/2个检测点为另一组。两组个检

50、测点为另一组。两组个检测点为另一组。两组个检测点为另一组。两组检测点各自具有检测点各自具有检测点各自具有检测点各自具有“点系中心点系中心点系中心点系中心”。检测点都分布在各自的。检测点都分布在各自的。检测点都分布在各自的。检测点都分布在各自的点系中心周围，通过这两个点系中心周围，通过这两个点系中心周围，通过这两个点系中心周围，通过这两个“点系中心点系中心点系中心点系中心”的直线就是所的直线就是所的直线就是所的直线就是所要的拟合直线。其斜率和截要的拟合直线。其斜率和截要的拟合直线。其斜率和截要的拟合直线。其斜率和截距可以分别求得。距可以分别求得。距可以分别求得。距可以分别求得。（2）平均选点法）