光纖式傳感器

1、光纖式傳感器第1頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 8 光纖傳感器敏感元件：光纖參數(shù)變化過(guò)程：非電量光信號(hào)光纖光調(diào)制電信號(hào)工作原理：光強(qiáng)度調(diào)制、光波長(zhǎng)調(diào)制、光頻率調(diào)制、光相位調(diào)制、光振態(tài)調(diào)制、時(shí)分調(diào)制測(cè)量參數(shù)：溫度、壓力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、磁、電、 聲和PH值等優(yōu)點(diǎn)：受電磁干擾，體積小，重量輕，可繞曲，靈敏度高，耐腐蝕， 高絕緣強(qiáng)度，防爆性好，集傳感與傳輸于一體，能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等第2頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 10 光纖傳感器10.1 光纖傳感器的技術(shù)基礎(chǔ)10.2 光纖傳感器的機(jī)構(gòu)原理與分類10.3 光纖傳感器的應(yīng)用第3頁(yè)，共3

2、9頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一10.1 光纖傳感器的技術(shù)基礎(chǔ) 1. 光纖結(jié)構(gòu) 纖芯：中心的圓柱體，石英玻璃制成 包層：圍繞著纖芯的圓形外層，石英玻璃制成 保護(hù)套：多為尼龍材料，以增加機(jī)械強(qiáng)度第4頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 10.1 光纖傳感器的技術(shù)基礎(chǔ) 2. 光纖傳光原理斯涅耳（Snell）光的折射定律：若要在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射， 即 c=90第5頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一10.1 光纖傳感器的技術(shù)基礎(chǔ) 3.數(shù)值孔徑（NA）光纖的 NA 越大，表明它的集光能力越強(qiáng)，一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于提高耦合效

3、率； 但數(shù)值孔徑過(guò)大，會(huì)造成光信號(hào)畸變。所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值，如石英光纖數(shù)值孔徑一般為0.20.4。 第6頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 10.1.1 光纖基本特征 1.光纖折射率分類：階躍折射率光纖、梯度折射率光纖第7頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 10.1.1 光纖基本特征 2.按光纖傳輸模式分類：指光波傳播的途徑和方式?？煞譃閱文９饫w、多模光纖。一般纖芯直徑為212m，只能傳輸一種模式稱為單模光纖。這類光纖的傳輸性能好，信號(hào)畸變小，信息容量大，線性好， 靈敏度高， 但由于纖芯尺寸小，制造、連接和耦合都比較困難。 纖芯直徑較大（5

4、0100m），傳輸模式較多稱為多模光纖。 這類光纖的性能較差，輸出波形有較大的差異，但由于纖芯截面積大，故容易制造，連接和耦合比較方便。第8頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 10.1.1 光纖基本特征 3.按光纖材料分類： （1）高純度石英(SiO2)玻璃光纖，其特點(diǎn)是光傳輸?shù)膿p耗低； （2）多組分玻璃光纖，其特點(diǎn)是纖芯-包層折射率可以在較大的范圍內(nèi)變化，因而有利于制造出大數(shù)值孔徑的光纖，但材料的損耗大； （3）聚合物光纖，其特點(diǎn)是成本低，缺點(diǎn)是損耗大，溫度性能差； （4）光子晶體光纖，又稱多孔光纖或微結(jié)構(gòu)光纖，這類光纖是由在纖芯周圍沿著軸向規(guī)則排列微小空氣孔構(gòu)成，通過(guò)

5、這些微小空氣孔對(duì)光的約束，實(shí)現(xiàn)光的傳導(dǎo)。光子晶體光纖以其獨(dú)特的光學(xué)特性和靈活的設(shè)計(jì)成為近年來(lái)的熱門研究課題。 （5）液芯光纖，其特點(diǎn)是纖芯為液體，可以滿足特殊要求。 第9頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 10.1.1 光纖基本特征 4.按光纖用途分類：通信光纖、非通信光纖 （1）通信光纖用于光通信系統(tǒng)，實(shí)際使用中大多使用光纜（多根光纖組成的線纜），是光通信的主要傳光介質(zhì)。 （2）非通信光纖是用于通信以外的光纖，是以纖維光學(xué)為基礎(chǔ)，為滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防科技、科學(xué)研究、交通運(yùn)輸、醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)等行業(yè)對(duì)傳光、傳像、傳感的要求，結(jié)合材料科學(xué)和現(xiàn)代制造技術(shù)而逐漸發(fā)展起來(lái)的一種光

6、纖，它作用距離較短，使用長(zhǎng)度長(zhǎng)者不足千米，短者僅有數(shù)厘米，甚至數(shù)毫米。 第10頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 10.1.2 光纖的損耗 3.光纖傳輸損耗：吸收損耗：本征吸收損耗、雜質(zhì)離子吸收損耗、原子缺陷吸收損耗。散射損耗：材料密度及濃度不均勻引起的光的散射。光波導(dǎo)彎曲損耗：光波導(dǎo)彎曲會(huì)引起傳輸模式的轉(zhuǎn)換，激發(fā)高階模進(jìn)入包層產(chǎn)生損耗第11頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 10.1.3 光纖的色散光纖的色散：光脈沖受到折射率分布、色散特性、模式分布以及光源的光譜寬度等因素決定的延遲畸變，使該脈沖波形在通過(guò)光纖后發(fā)生展寬。因?yàn)樵诠饫w中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的

7、不同頻率成份或不同的模式分量如果以不同的速度傳播，經(jīng)過(guò)一定距離到達(dá)出射面時(shí)產(chǎn)生信號(hào)失真。 （1）多模色散：模式群速度不同，到達(dá)端面時(shí)刻不同 （2）波導(dǎo)色散：群速度對(duì)于光的頻率不是常數(shù) （3）材料色散：光纖材料的折射率隨入射光頻率變化 （4）偏振色散：光纖軸的不對(duì)稱性，兩正交模有不同的群延遲第12頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 10.1.4 光纖的耦合與連接光纖的耦合主要包括光纖與光源、光纖與接收器、光纖與光纖之間直接或間接（通過(guò)各種類型的連接器，如透鏡、耦合器等）的相互連接。 （1）光纖和光源的耦合 （2）光纖和光纖的直接耦合第13頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日

8、，4點(diǎn)52分，星期一 10.1.4 光纖的耦合與連接 （1）光纖和光源的耦合光纖和光源連接時(shí)，為了獲得最佳耦合效率，主要應(yīng)考慮兩者的特征參量相互匹配的問(wèn)題。包括：纖芯直徑、數(shù)值孔徑、截止波長(zhǎng)、偏振特性以及光源面積、發(fā)光分布、光譜特性、輸出功率等。 a. 直接耦合：把端面已處理的光纖直接對(duì)向激光器的發(fā)光面。影響耦合效率的主要因素是光源的發(fā)光面積與光纖纖芯總面積的匹配及光源發(fā)散角和光纖數(shù)值孔徑角的匹配。 b. 透鏡耦合：通過(guò)透鏡將激光器發(fā)出的光耦合進(jìn)光纖中，是一種間接耦合方式。由于透鏡耦合可以大大提高耦合效率，因此得到了廣泛的采用。 第14頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一

9、10.1.4 光纖的耦合與連接 （2）光纖和光纖的耦合 光纖與光纖的直接耦合有固定連接和活動(dòng)連接兩種方式。 a. 固定連接：即光纖熔接，是采用光纖熔接機(jī)實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是插入損耗小，穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是不靈活和不方便調(diào)試。 b. 活動(dòng)連接：即利用光纖連接器和法蘭盤實(shí)現(xiàn)光纖與光纖的直接耦合。在一定程度上，光纖連接器也影響了光傳輸系統(tǒng)的可靠性和各項(xiàng)性能。 第15頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 10.2 光纖傳感器的機(jī)構(gòu)原理與分類 10.2.1 光纖傳感器的機(jī)構(gòu)原理 10.2.2 光纖傳感器的分類第16頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一10.2.1 光纖傳感器

10、的機(jī)構(gòu)原理 1.光纖傳感器的機(jī)構(gòu)原理 光波在光纖中傳播時(shí)，表征光波的特征參量（振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等）因外界因素（溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、位移、轉(zhuǎn)動(dòng)等）作用而間接或直接地發(fā)生變化，據(jù)此測(cè)量引起變化的物理量。 第17頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 10.2.1 光纖傳感器的機(jī)構(gòu)原理 2.光纖傳感器的特點(diǎn)抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，本質(zhì)安全。用于大型機(jī)電、石油化工、冶金高壓、強(qiáng)電磁干擾、易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕環(huán)境。靈敏度高。光波干涉技術(shù)使光纖傳感器靈敏度優(yōu)于一般傳感器。重量輕，體積小，可變形。航空、航天以及狹窄空間的應(yīng)用。測(cè)量對(duì)象廣泛。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量溫度、壓力、位移、速度、加速

11、度、液面、流量、振動(dòng)、水聲、電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電壓、雜質(zhì)含量、液體濃度、核輻射等各種物理量、化學(xué)量。對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，這對(duì)于醫(yī)藥生物領(lǐng)域的應(yīng)用極為有利。便于復(fù)用，便于成網(wǎng)。有利于與現(xiàn)有光通信技術(shù)組成遙測(cè)網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。成本低。有些種類的光纖傳感器的成本大大低同類傳感器。 第18頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一10.2.1 光纖傳感器的機(jī)構(gòu)原理光纖傳感器的組成： （1）光源 （2）敏感元件（光纖） （3）光探測(cè)器 （4）信號(hào)處理系統(tǒng) 第19頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一10.2.2 光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類：傳感型、傳光型 1.光強(qiáng)調(diào)制

12、傳感型 2.相位調(diào)制傳感型 3.偏振調(diào)制傳感型 4.波長(zhǎng)調(diào)制傳感型 5.傳光型光纖傳感器第20頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 10.2.2 光纖傳感器的分類 （1）功能型傳感器（傳感型傳感器）：利用光纖本身的某種敏感特性或功能 第21頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一10.2.2 光纖傳感器的分類 （2）非功能型傳感器（傳光型傳感器）：光纖僅僅起傳輸光的作用，它在光纖端面或中間加裝其它敏感元件感受被測(cè)量的變化。 第22頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一1.光強(qiáng)調(diào)制傳感型 光強(qiáng)調(diào)制：利用外界因素引起光纖折射率、吸收率、反射率等

13、參數(shù)變化，導(dǎo)致光纖中光的強(qiáng)度，測(cè)量光強(qiáng)的變化來(lái)測(cè)量外界物理量。a、光纖微彎傳感器 b、光纖受抑全內(nèi)反射傳感器第23頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 1.光強(qiáng)調(diào)制傳感型 c、光纖輻射傳感器 d、折射率強(qiáng)度調(diào)制第24頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 2.相位調(diào)制傳感型相位調(diào)制：利用外界因素改變光纖中光波的相位，通過(guò)檢測(cè)相位變化來(lái)測(cè)量物理量。大多數(shù)采用光的干涉技術(shù)來(lái)檢測(cè)光的相位變化。（1）靈敏度高：光學(xué)中的干涉法是已知最靈敏的探測(cè)技術(shù)之一。（2）靈活多樣：探頭的幾何形狀可按使用要求而設(shè)計(jì)成不同形式。（3）對(duì)象廣泛：只要對(duì)干涉儀中的光程產(chǎn)生影響，就可用于

14、傳感。（4）特殊需要的光纖：應(yīng)使同一模式光疊加，大多采用單模光纖。干涉檢測(cè)技術(shù)的光纖傳感器（1）邁克爾遜（Michelson）型；（2）馬赫-曾德（Mach-Zehnder）型；（3）法布里-泊羅（Fabry-Perot）型；（4）環(huán)形干涉型（Sagnac型）。第25頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 2.相位調(diào)制傳感型（1）邁克爾遜光纖干涉儀和馬赫-曾德光纖干涉儀 第26頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 2.相位調(diào)制傳感型（2）環(huán)形光纖干涉儀（光纖陀螺） 第27頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 2.相位調(diào)制傳感型（3）法布

15、里-泊羅干涉儀 第28頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 3.偏振態(tài)調(diào)制傳感型偏振態(tài)調(diào)制：利用光在傳播過(guò)程中偏振態(tài)的變化對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)的光纖傳感器。改變光波的偏振態(tài)的方法常見的有：（1）利用光在處于磁場(chǎng)中的媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)；（2）利用光在電場(chǎng)中的壓電晶體內(nèi)傳播的電光效應(yīng)；（3）利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)；（4）利用光纖的雙折射特性等。 第29頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 3.偏振態(tài)調(diào)制傳感型偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器最典型的例子就是利用光在磁場(chǎng)中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)制作的高壓傳輸線用光纖電流傳感器。處于磁場(chǎng)中的光纖會(huì)使在光纖中傳播的偏振光發(fā)生偏

16、振面的旋轉(zhuǎn)，這就是光纖材料的法拉第（Faraday）效應(yīng)（熔石英的磁光效應(yīng)）。其旋轉(zhuǎn)角度與菲耳德常數(shù)V、磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁場(chǎng)中光纖的長(zhǎng)度L成正比：第30頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 4.波長(zhǎng)調(diào)制傳感型波長(zhǎng)調(diào)制：外界參量影響光纖器件的特征波長(zhǎng)，引起特征波長(zhǎng)的變化。通過(guò)測(cè)量這個(gè)變化從而間接測(cè)量引起變化的外界參量，這就是波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。 （1）光纖布喇格光柵傳感器 當(dāng)光波通過(guò)光柵區(qū)域時(shí)，滿足布喇格條件的光波將被反射回來(lái)，觀測(cè)反射譜或透射譜，可測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變、溫度。 第31頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 4.波長(zhǎng)調(diào)制傳感型 頻率調(diào)制：利用外界因素

17、改變光的頻率，通過(guò)檢測(cè)光的頻率變化來(lái)測(cè)量外界物理量的原理。光源和觀測(cè)者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)接受到的光的頻率產(chǎn)生的影響如果頻率為 f 的光入射到相對(duì)于探測(cè)器速度為v則起動(dòng)物體上。則從運(yùn)功物體反射的光頻率 fs 為： 第32頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 5.傳光型傳感型光纖只是傳光元件，不是敏感元件，是一種廣義的光纖傳感器。 （1）光強(qiáng)調(diào)制傳光型光纖傳感器 調(diào)制光強(qiáng)的辦法有調(diào)制透射光強(qiáng)、反射光強(qiáng)以及全內(nèi)反射光強(qiáng)等。 a.調(diào)制反射光強(qiáng)第33頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 5.傳光型傳感型反射強(qiáng)度調(diào)制第34頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52

18、分，星期一5.傳光型傳感型位移強(qiáng)度調(diào)制光閘強(qiáng)度調(diào)制第35頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 5.傳光型傳感型（2）相位調(diào)制傳光型光纖傳感器 與功能型光纖傳感器一樣也是利用干涉技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感功能的。邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的傳光型光纖傳感器原理圖 第36頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 10.3 光纖傳感器的應(yīng)用（1）光纖加速度傳感器 當(dāng)傳感器感受加速度時(shí)，由于質(zhì)量塊 M 對(duì)光纖的作用，從而使光纖被拉伸，引起光程差的改變。 相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會(huì)合產(chǎn)生干涉效應(yīng)。 激光干涉儀干涉條紋的移動(dòng)可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路處理后便可以正確地測(cè)出加速度值。第37頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期一 10.3 光纖傳感器的應(yīng)用 （2） 光纖