第9章光纖傳感器

第九章光纖傳感器

1第一節(jié)光纖傳感器基礎

第二節(jié)光調制與解調技術第三節(jié)光纖傳感器實例(穿插在第二節(jié)中)1、光纖的結構和傳光原理

2、光纖的分類

4、光纖傳感器的分類3、光纖的特性1、強度調制與解調（重點）2、偏振調制與解調3、相位調制與解調（重點）4、頻率調制與解調（重點）2

液體檢測光纖傳感器埋入式光纖應變傳感器開關式光纖傳感器幾種光纖傳感器實物圖3（一）、光纖的結構和傳光原理1、光纖的結構纖芯包層保護套一、光纖傳感器基礎

42、光纖的傳光原理—全反射原理

包層n2n1纖芯折射光θ2θ1θ1入射光反射光根據(jù)光的折射定律：臨界角包層n2n1纖芯折射光θ2θc入射光5（二）、光纖的分類1、按折射率分布分類──階躍光纖與漸變光纖1）階躍光纖其折射率分布的表達式為：6光在階躍光纖中的傳播光在階躍光纖中的傳播軌跡，即按“之”字形傳播及沿纖芯與包層的分界面掠過，如圖所示?？諝獾恼凵渎蕁0θ07光在空氣的折射率n0=1，應用多次光的折射定律可得：全反射要求θ1=θc，且8NA的物理意義：能使光在光纖內以全反射形式進行傳播的接收角θc之正弦值。說明：a、NA表示光纖的集光能力。b、光纖一般不給出折射率n，只給數(shù)值孔徑NA。92）漸變光纖10112、按傳播模式分類──多模光纖與單模光纖光纖模式的概念式中：a1為纖芯半徑；常用麥克斯韋方程導出的歸一化頻率ν作為光纖傳輸模數(shù)的參數(shù)：12要實現(xiàn)單模傳輸，必須使光纖的諸參量滿足一定的條件，即其歸一化頻率ν

≤2.4048。例，對于NA=0.12的光纖要在λ=1.3微米以上實現(xiàn)單模傳輸時，光纖纖芯的半徑應為13理論分析可得，光纖傳輸模的總數(shù)：(階躍型)或（漸變型）1）多模光纖ν≥2.41，光纖傳輸?shù)哪?shù)多，稱為多模光纖。2）單模光纖ν<2.41，只能傳輸基模，稱為單模光纖。14多模光纖與單模光纖的比較多模好比多輛不同速度的汽車，到達的時間有差異單模好比是一輛高速火車，運載量大15

多模光纖與單模光纖的比較163、按工作波長分類──短波長光纖與長波長光纖1）短波長光纖光波波長在0.6～0.9μm

范圍內（典型值為0.85μm），習慣上把在此波長范圍內呈現(xiàn)低衰耗的光纖稱作短波長光纖。2）長波長光纖在波長1.31μm和1.55μm附近，石英光纖的衰耗急劇下降如圖所示習慣上把工作在1.0～2.0μm波長范圍的光纖稱之為長波長光纖。17光纖主要工作波長光纖的衰減圖OH-衰減(dB/km)654321OH-OH-第一窗口第二窗口第三窗口水峰值0.70.80.91.01.11.21.31.41.51.6λμm

654321184、按套塑類型分類──緊套光纖與松套光纖1）緊套光纖所謂緊套光纖是指二次、三次涂敷層與予涂敷層及光纖的纖芯，包層等緊密地結合在一起的光纖。2）松套光纖所謂松套光纖是指，經過予涂敷后的光纖松散地放置在一塑料管之內，不再進行二次、三次涂敷。191、損耗系數(shù)定義為：每公里光纖對光功率信號的衰減值，表達式為：單位（dB/km）

光纖的損耗機理（三）、光纖的特性

202、光纖的色散光纖的色散就是輸入脈沖在光纖傳輸過程中，由于光波的群速度不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象。光纖的色散可以分為三部分即模式色散（多模光纖以此為主）材料色散波導色散

（單模光纖以此為主）21模色散：不同方向的光路徑不同，到達的時間不同22光纖傳感器和傳統(tǒng)傳感器的比較（a）傳統(tǒng)傳感器

信號處理電源信號接收敏感元件導線光纖信號處理光接收器敏感元件光發(fā)送器（b）光纖傳感器（四）光纖傳感器的分類23光纖傳感器類型: 1、功能型光纖傳感器：把光纖作為敏感元件，又稱傳感型光纖傳感器。2、非功能型光纖傳感器：光纖僅作為光的傳輸介質，又稱傳光型光纖傳感器。24光纖傳感器原理示意圖入射光波的特征參量：振幅、相位、偏振態(tài)、頻率等入射光波出射光波光纖——光波傳輸?shù)拿嘿|外界因素：溫度、壓力、電場、位移等25（一）、強度調制與解調（二）、偏振調制與解調二、光調制與解調技術（三）、相位調制與解調（四）、頻率調制與解調26調制：將一攜帶信息的信號疊加到載波光波上。完成這一過程的器件叫做調制器。解調：在光纖傳感器中，光的解調過程通常是將載波光攜帶的信號轉換成光的強度變化，然后由光電探測器進行檢測。27光波參數(shù):光強、偏振態(tài)、相位、頻率、波長等相應的有：1)、強度調制光纖傳感器2)、偏振調制光纖傳感器3)、相位調制光纖傳感器4)、頻率調制光纖傳感器光纖傳感器根據(jù)光進行調制的方式不同分為：28

利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。（一）、強度調制與解調29使光波的強度發(fā)生變化：（1）兩光纖橫向或者縱向運動；（2）光纖彎曲；（3）折射率的改變；（4）光纖對被測信號的吸收；（5）倏逝波的耦合。30應用1、光纖微彎位移和壓力傳感器光纖微彎位移（壓力）傳感器原理光纖微彎對傳播光的影響光纖芯透射光強度與外力的關系31能測量10℃～50℃的溫度。檢測精度約為0.5℃。缺點是輸出光強受殼體振動的影響，且響應時間較長，一般需幾分鐘。

熱雙金屬式光纖溫度開關光源接收121遮光板2雙金屬片應用2、光纖溫度傳感器熱雙金屬式光纖溫度開關32應用3、反射式光纖位移傳感器

傳光型光纖傳感器。反射式光纖位移傳感器原理圖33光纖分布方式：反射光強與位移的關系接收光照面積與距離的關系教材P219習題與思考題9-434是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的傳感器。（二）、偏振調制與解調1、普克耳效應（電光效應）2、法拉弟旋轉效應（磁光效應）3、光彈性效應教材P209圖9-10教材P210圖9-1135應用：偏振態(tài)調制型光纖傳感器教材P217偏振態(tài)調制型光纖電流傳感器測試原理圖基于法拉弟旋轉效應（磁光效應）工作36通過被測能量場的作用，使能量場中的一段敏感單模光纖內傳播的光波發(fā)生相位變化，利用干涉測量技術把相位變化變換為振幅變化，再通過光電探測器進行檢測。（三）、相位調制與解調一）相位調制的原理37基于幾個物理效應

1、應力應變效應1)光纖的長度變化——應變效應2)光纖芯的直徑變化——泊松效應3)光纖芯的折射率變化——光彈效應

2、熱脹冷縮效應38當光纖受到外界物理量作用時，光波的相位角變化為：39二）實現(xiàn)干涉測量的儀器1、Michelson干涉儀2、Mach-Zehnder干涉儀3、Sagnac干涉儀4、Fabry-Perot干涉儀401、光纖Michelson干涉儀

Laser

DPZTdriverM1M2PZTFDCLl1l241光纖Michelson干涉儀的工作原理422、光纖Mach-Zehnder干涉儀

433、光纖Sagnac干涉儀

激光器光探測器a結構b原理b光束a光束444、光纖Fabry-Perot干涉儀激光器部分透射反射鏡光探測器45應用1、光纖壓力和溫度傳感器用馬赫-澤德干涉儀測量壓力或溫度的相位調制型光纖傳感器原理圖46三種基本結構形式光纖磁場傳感器基本結構應用2、光磁場傳感器--磁致伸縮效應47應用3：：光纖陀螺用集成光學芯片

（光纖Sagnac干涉儀）Y波導調制器48產品實物圖

49應用4：光通信用集成光學強度調制器

（光纖Mach-Zehnder干涉儀）

偏置電極信號電極光纖M－Z干涉型光波導50（四）、頻率調制與解調是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進行監(jiān)測的傳感器。多普勒效應：如