第10章光纤式传感器.ppt

传感器原理及工程应用第10章 光电式传感器 JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 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JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 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JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI10.1 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，以增加机械强度纤 芯n1包 层n2保 护 层JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 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=902ciin0n2n1纤 芯包 层sinsinsinsin2110nnnnii2221arcsinnnciJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI10.1 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。222101sinnnnNAcJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 10.1.1 光纤基本特征 1.光纤折射率分类：阶跃折射率光纤、梯度折射率光纤JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 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。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 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。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 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。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 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OiPPlg10oiLPPLLlg10JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 10.1.3 光纤的色散光纤的色散：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JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 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）的相互连接。（1）光纤和光源的耦合 （2）光纤和光纤的直接耦合JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 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。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 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。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 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JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI10.2.1 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，表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（温度、压力、磁场、电场、位移、转动等）作用而间接或直接地发生变化，据此测量引起变化的物理量。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 10.2.1 光纤传感器的机构原理 2.光纤传感器的特点抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全。用于大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境。灵敏度高。光波干涉技术使光纤传感器灵敏度优于一般传感器。重量轻，体积小，可变形。航空、航天以及狭窄空间的应用。测量对象广泛。现场测量温度、压力、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量。对被测介质影响小，这对于医药生物领域的应用极为有利。便于复用，便于成网。有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络。成本低。有些种类的光纤传感器的成本大大低同类传感器。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI10.2.1 光纤传感器的机构原理光纤传感器的组成：（1）光源 （2）敏感元件（光纤）（3）光探测器 （4）信号处理系统 JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI10.2.2 光纤传感器的分类光纤传感器的分类：传感型、传光型 1.光强调制传感型 2.相位调制传感型 3.偏振调制传感型 4.波长调制传感型 5.传光型光纤传感器JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 10.2.2 光纤传感器的分类 （1）功能型传感器（传感型传感器）：利用光纤本身的某种敏感特性或功能 JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI10.2.2 光纤传感器的分类 （2）非功能型传感器（传光型传感器）：光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI1.光强调制传感型 光强调制：利用外界因素引起光纤折射率、吸收率、反射率等参数变化，导致光纤中光的强度，测量光强的变化来测量外界物理量。a、光纤微弯传感器 b、光纤受抑全内反射传感器JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 1.光强调制传感型 c、光纤辐射传感器 d、折射率强度调制JIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 2.相位调制传感型相位调制：利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过检测