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傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用傳感器技術及應用

機械092011～2012第二學期

2012年3月光線傳感器與以電為基礎的傳感器有本質區(qū)別

。傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用第9章光纖傳感器信息載體

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光傳遞媒質

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光纖兼具光纖及光學測量的特點。光纖傳感器的特點:優(yōu)點:不受電磁干擾，可繞曲，耐腐蝕，高絕緣強度，防爆性好，靈敏度高，能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等。被測量范圍廣:溫度、壓力、應變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和PH值等70多個物理量；應用領域:自動控制、在線檢測、故障診斷、安全報警等方面?zhèn)鞲衅骷夹g及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用一、光纖1、基本原理1）幾何光學的基本定義和定律光在均勻介質中:直線傳播在兩介質1和2的界面上發(fā)生:射射射射折折反反反射角

＝入射角θ1折射角θ2傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用2）斯乃爾定律（Snell‘sLaw)——折射定律折射定律:折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內，折射光線和入射光線位于法線的兩側，且滿足:n1sin1=n2sin2光折射示意圖

n

1

、n2分別為介質1

、2的折射率3）光的全內反射原理（1）當光由光密介質（大折射率n1）射向光疏介質（小折射率n2）時，2>1（2）折射的臨界狀態(tài):使2＝90的入射角1稱為臨界角c（3）全反射:當1>c，2>90，在界面上發(fā)生全反射傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用光折射示意圖光全反射示意圖臨界狀態(tài)示意圖光線①:非全反射，能量迅速衰減，消失光線②:在纖芯-包層界面上全反射，不衰減光纖導光原理:光線在纖芯中全反射傳播纖芯:玻璃纖維，折射率n1包層:與纖芯同質，折射率n2<n1護套:塑料，2.1）構成光導纖維

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光纖傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用2）

數(shù)值孔徑NA

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光纖集光性能參數(shù)光纖端面入射角θ0與包層中折射角

2之間關系n0s

inθ0=n1s

inθ1n1s

in

1=n2s

in

2s

inθ0=(n1/n0)s

inθ1

s

in1

=

(n2/n1)s

in2sinθc=NA定義為“數(shù)值孔徑”NA(NumericalAperture)。當光線發(fā)生全反射時，2>90o,則θ0<θc=arcsinNA當2<90o時，θ0>θc=arcsinNA，光線消失。數(shù)值孔徑的意義是:無論光源發(fā)射功率有多大，只有2θc張角之內的光功率被光纖接受傳播。數(shù)值孔徑是反映纖芯集光性能的主要參數(shù)。傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用光

即則線剛好不發(fā)生折射，:2=90o臨界入射角:數(shù)值孔徑的大小由纖芯和包層材料性質決定·數(shù)值孔徑NA對光傳輸?shù)挠绊?大的數(shù)值孔徑，有利于耦合效率的提高。但數(shù)值孔徑大，光信號將產生大的“模色散”會使信號發(fā)生嚴重畸變?典型的光纖θ≈10°（sin10°=0.175）?石英光纖的NA＝0.2～0.4傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用3）光纖的類型（1）按折射率變化分類a)階躍型（stepped）纖芯與包層之間的折射率是突變的,b)漸變型（graded）在纖芯橫截面中心處折射率最大其值為n1,由中心向外逐漸變小到與包層交界處折射率n2,通常折射率變化為拋物線型式,又稱為梯度型。傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用（2）光纖按傳輸模式分類a）多模光纖纖芯直徑在50～200μm，光信號在光纖中可多光線傳輸，以多個模式同時傳輸，由于模間色散較大，限制了傳輸數(shù)字信號的頻率和傳輸距離?？墒褂肔ED光源b）單模光纖纖芯直徑很小（8～10μm)，只能傳輸基模(最低階模)，不存在模間時延差，具有比多模光纖大得多的帶寬，這對于高碼速傳輸是非常重要的。需要用激光源?，F(xiàn)在實用的石英光纖通常有以下三種:階躍型多模光纖、漸變型多模光纖和階躍型單模光纖。傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用Pi、Po－入射端和出射端光功率,L－光纖長度（km）一般光纖傳感器中的光纖L<4m,a<10dB/km的光纖均可選用實用的光纖通信系統(tǒng)使用的光纖多為石英光纖,此類光纖在1.55μm波長區(qū)的損耗可低到0.18dB/km3、光纖的特性指標評價信號通過光纖的損耗和色散1）損耗特性評價指標:光強的衰減系數(shù)a2）色散色散:由于光波在傳輸過程中的群速度不同，輸入脈沖經過傳輸后出現(xiàn)脈沖展寬現(xiàn)象。特別在光纖通訊中，色散使傳輸?shù)男盘柮}沖發(fā)生畸變，從而限制了光纖的傳輸帶寬傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用影響光纖傳感器靈敏度的有:光纖束的數(shù)量、尺寸和分布,以及每根光纖的數(shù)值孔徑(d)共軸外發(fā)射分布3）

光纖的分布類型(a)隨機分布

(b)半球形對開分布

(c)共軸內發(fā)射分布傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用塑料光纖玻璃光纖傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用常規(guī)光纖與紗芯光纖217

－紗芯光纖直徑66

m613

－紗芯光纖直徑42

m二、光纖傳感器1、光纖傳感器分類及其工作原理A）功能型（元件型）光纖傳感器光纖為敏感元件,光在光纖內受被測量調制。此類傳感器要求高、成本也高。傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用調制光

光受

信器光纖敏感

元件被測物理量光發(fā)

送器傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用被測物理量利用其他敏感元件感受被測量的變化,光纖僅作為光傳輸介質,又稱為傳光型光纖傳感器B）

非功能型（傳光型）

光纖傳感器調制光

傳輸

光纖光發(fā)

送器光受

信器敏感

元件2、光調制解調技術光的調制:將信號疊加到光波上。調制原理:外界信號可引起光的強度、波長或頻率、相位、偏振態(tài)等光學性質的變化，從而形成不同的調制:分類:強度調制型、頻率調制型、相位調制型、偏振調制型傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用3

、幾種常用的光強調制技術1）

微彎調制光纖的彎曲能夠使光從纖芯射入包

層而產生損耗

。微彎光纖傳感器敏感元件

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變形器

。變形器如一對錯開的帶鋸齒槽的

平行板,

能引起光纖產生微彎傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用2）光強度的外調制·調制環(huán)節(jié)在外部，光纖只起傳光作用。分為:反射型和透光型傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理·工作原理:根據被測目標表面光射至接收光纖束的光度的變化來測量被測面距離的變化。應用1:反射式光纖位移傳感器反強

表傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型輸入輸出特性

:1)位移為零光纖探頭端部緊貼被測件表面發(fā)射光錐和接收光錐無重合面積,接收光纖中無光信號

;2)隨著被測表面逐漸遠離光纖探頭發(fā)射光錐和接收光錐重合面積B1增大接收光纖端面上被照亮的B2區(qū)也增大

有一個線性增長的輸出信號

;3)當接收光纖端面被全部照亮,輸出信號達到了位移-輸出信號曲線上的“光峰點

”常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用4)當被測表面繼續(xù)遠離反射光面積B2大于接收光纖端面積C,光纖探頭更加遠離被測表面使接收到的光強逐漸減小,光敏輸出器的輸出信號逐漸減弱,進入曲線的后坡區(qū),位移-輸出特性曲線1)

前坡區(qū)輸出信號的強度增加得非?？?這一

區(qū)域可以用來進行微米級的位移測量。2)

后坡區(qū),信號的減弱約與探頭和被測表面之間的距離平方成反比,可用于距離較遠而靈敏度

、線性度和精度要求不高的測量。3)

光峰區(qū),信號達到最大值,其大小取決于被測表面的狀

態(tài)

。所以這個區(qū)域可用于對表面狀態(tài)進行光學

測量。傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用在壓力的作用下,膜片產生撓曲引起膜片位移的微小變化光通量是膜片的形狀尺寸以及探頭到膜片的平均距離的函數(shù)。構成:反射型光纖傳感器的探頭前面加上一個膜片應用2:光纖測壓傳感器應用3:光纖麥克風（光纖聲音傳感器）FOM1FOM基于獨特的光學感應器技術。一個光束通過光纖被傳送到MEMS薄膜上。聲音信號引起薄膜振動調整被反射的光的強度,然后被轉換為電信號。傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用一個光束通過光纖被傳送到硅膜上。加速度或振動信號引起硅膜的位置改變或振動,從而反射光的強度發(fā)生改變,通過檢測反射光強的變化,可以檢測出外界的加速度或振動信號。最后這些信號被轉換為電壓信號輸出。傳感器技術及應用基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構光纖基加礎速知度識傳感器傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用立體聲光纖監(jiān)聽器應用在穿過墻壁進行聲音監(jiān)聽等智能戰(zhàn)術應用領域

。專為特種部隊執(zhí)行監(jiān)測聲音特殊的軍事任務設計立體聲光纖聲音監(jiān)聽器反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型透光型:應用1:遮光式光強度調制器常用的光強調制技術外調制應用舉例b）

動光纖式a

）動光閘式光強度

－位移變化曲線傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用應用2:移動光柵光纖傳感器兩根光纖的端面間相隔一微小間隙間隙中放置一對光柵,光柵由等寬的全透射和全反射(不透光的)平行線無交替形成的柵格構成。當這兩個光柵發(fā)生

相對移動時,光的透射強度就隨之發(fā)

生變化。移動光柵光纖傳感器原理圖應用3:在水聽器方面應用它的兩光柵中有一個安裝在外殼的剛性底板上,而另一個光柵則與一塊彈性膜片相連。由左側輸入光纖的光束,經一小段漸變折射率自聚焦透鏡準直后,一部分成為通過兩個光柵傳輸?shù)钠叫?準直)光束,再經第二個自聚焦透鏡,把它們聚焦到輸出光纖中。傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用三、光纖光柵傳感器——Brag光柵傳感器OFBG－Opticalfiberbraggrating光纖光柵:一段光纖，其纖芯具有周期性變化的折射率:其中:^——光纖光柵的周期（柵距），n——纖芯的平均折射率Brag波長:λb=2n^特性:入射光中光波長與光纖光柵的布拉格波長λb相同的分量會被光纖光柵反射光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖光柵特性檢測原理當光纖受到軸伸長時（受應力、溫度）柵距Λ=Λ0+δλb=2n(Λ0+δ)=λb0+λδ其靈敏度:1.2pm/με測量反射光的波長傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器用一對光耦合器接上波長檢測器來量測,可獲得布拉格波長的變化利用光纖光柵布拉格波長隨溫度、應變變化特性,可進行溫度應變、應力、壓力等的變化。檢測原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理應用1:分布式光纖光柵多點測量傳感器技術及應用光纖基礎知識基本參原數(shù)理規(guī)格折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用為便于保護,傳感器被封裝于圖示的盒子里,光纖從盒子的兩側的小孔引出。在圖中,銅片上貼有光纖Bragg光柵的平面面向盒內,以便保護光纖光柵和光纖引線；而另一面則背向盒子,以便粘貼于被測物的表面。為防止潮濕對光纖的侵蝕和破壞,盒子內可注入柔性硅膠。傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光導纖維結構數(shù)值孔徑分類光纖的特性指標光纖傳感器工作分類及原理元件型

、傳光型常用的光強調制技術外調制應用舉例反射型透光型Brag光柵傳感器工作原理應用應用2:光纖光柵應變傳感器傳感器技術及應用光纖基礎知識基本原理折射定理光的全內反射定理光