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1、1 同学们好同学们好！ 2 光纤：光导纤维，70年代发展新兴光电材料 光电子学领域 光纤传感技术：受外界环境因素影响 光纤传感器 外界因素光纤传输光波量 外界因素：压力、温度、电场、磁场 光波量：光强、相位、频率、偏振态 Optical fiber sensor 3 特点：灵敏度高、结构简单、体积小、抗电磁干扰、 耐腐蚀、绝缘性好、光路可弯曲、遥测 可测量70多个物理量 多学科性：纤维光学、光电技术、弹性 力学、电磁学、电子技术、微机应用 传感器技术第九章 主要内容 第一节 光纤传感器基础 第二节 光纤传感器的调制技术 第三节 光纤传感器应用举例 4 9-1 光纤传感器基础 一、光纤的结构 涂
2、敷层：硅铜、丙烯酸盐 增加机械强度 塑料套管：保护、不同颜色 区分 多层介质结构 的对称圆柱体 传感器技术第九章 纤芯： 、掺杂（ ） 提高光折射率、 直径 5 75 um 包层： 、掺杂（ ） 降低光折射率、100 200um 5 二、光纤波导原理 传感器技术第九章 临界角 全反射 6 三、光纤的特性 1、数值孔径NA 传感器技术第九章 光纤接收光的范围 NA 光纤集光性能参数，石英光纤 0.2 0.4 光线由 的空气介质射入纤芯实现全反射： 7 2、损耗 吸收损耗：光能热能，对不同波长光的吸收率不同 散射损耗：光纤材料不均匀、几何尺寸缺陷引起 瑞利散射、光纤弯曲 3、色散 光纤内传输的光脉
3、冲，由于光波的群速度不同而出现 光脉冲展宽现象。 信号脉冲畸形，限制了光纤的传输带宽 材料色散、波导色散、多模色散 传感器技术第九章 8 四、光纤分类 1、阶跃型 折射率分布 中心光线：轴线传播 通过轴线的子午光线： 锯齿形轨迹 2、梯度型 折射率分布 聚焦作用 传播轨迹：类似 正弦波 自聚焦光纤 传感器技术第九章 五、光纤传感器基本原理及类型 组成：光纤、光源、光探测器 传光型：非功能型 / 多模光纤（传输更多光量） 传感型：功能型 / 单模光纤（被测对象调制光纤特性） 1、传光型光纤传感器 调制器 光 纤：传输光波、多模光纤、不连续（入射、出射光纤 ） 调制器：敏感元件、被测量作用下光路遮
4、断、光穿透率变化 传感器技术第九章 10 光纤：“传” 传输光波 “感” 外界作用下光学特性变化 光纤连续 2、传感型光纤传感器 特点：（1）传光性好、损耗小 （2）频带宽、超高速测量 （3）灵敏度、线性好 （4）非接触、非破坏性、远距测量 （5）体积小、重量轻 传感器技术第九章 11 9-2 光纤传感器的调制技术 调制技术：将一携带信息的信号叠加到载波光波上 光在调制区与外界被测量的相互作用 光纤对外界参数有一定效应 光纤传感器的核心：光被外界参数的调制原理 机理 强度调制 相位调制 频率调制 偏振调制 波长调制 调制器 Modulation technique 传感器技术第九章 一、强度调
5、制被测对象引起载波光强变化 强度调制 特点：技术简单、可靠、价格低、商品化 1、小的线（角）位移外调制 传感器技术第九章 发射光纤：不动 接收光纤：横向、纵向位移或转动 传光、2 3mm 13 传感器技术第九章 入射、出射光纤：相同的单模光纤 功率耦合系数 径向位移 光纤中的光斑尺寸 测量范围：10 内位移m m 14 反射式： 测量反射光强度，确定 物体位置变化 光纤束 遮光式： 光闸 2、微弯损耗光强调制 模态理论：垂直于光纤轴线的应力使光纤弯曲时，传输 光部分折射到光纤包层中，不产生全反射， 纤芯中光强发生变化。 测量外界力：重力、应力、加速度等 传感器技术第九章 15 微弯光纤压力传感
6、器 两块波形板：变形器 微扰：光纤周期微弯 散射损耗、光强调制 光从纤芯（传输模） 耦合到包层（辐射模） 传感器技术第九章 16 0.5 1.0 1.5 2.0 0.5 1.0 1.5 2.0 100 100 80 80 60 60 40 40 20 20 0 0 纤芯透射光强度与外力的关系 传感器技术第九章 3、吸收特性的强度调制 射线辐射引起光纤材料吸收损耗增加 辐射量传感器：不同光纤对不同射线的敏感 程度不同，鉴别不同射线 例如：铅玻璃光纤对 、中子射线灵敏度高 二、频率调制与解调 利用被测量改变光的频率，检测光频率变化测量被测量 10 10-2 -2 10 10-1 -1 10 100
7、 0 10 101 1 10 102 2 10 103 3 10 10 4 4 10105 5 10104 4 10103 3 10102 2 10101 1 10100 0 1010-1 -1 传感器技术第九章 光学Doppler效应： 18 激光多普勒光纤流速测量系统 激光器 混频器 信号处理 声光调制器 探测器 传感器技术第九章 19 三、波长调制 利用被测量改变光的波长，检测光波长变化测量被测量 特点：（1）解调技术较复杂：分光仪 光学滤波、双波长检测 （2）对引起光纤或连接器损耗增加的器件 不稳定因素不敏感 例：利用热色物质进行波长调制测量温度 400 600 700 800 400
8、 600 700 800 100 100 80 80 60 60 40 40 20 20 0 0 传感器技术第九章 9-3 光纤传感器应用举例 1、光纤温度传感器 辐射式温度计 半导体吸收式温度计 荧光温度计 偏振干涉温度计 相位干涉温度计 分布式温度计 相干型 非相干型 基本原理：被动式测温、黑体辐射定律 传感器技术第九章 理想黑体： 发射的光谱辐射能量 辐射常数 光谱辐射波长 黑体辐射温度（K） 21 2 4 6 8 10 12 14 2 4 6 8 10 12 14 0.80.8 0.70.7 0.60.6 0.50.5 0.40.4 0.30.3 0.20.2 0.10.1 0 0 温
9、度 500K，出现暗红色辐射 T，亮度， 单波长测量原理 前置放大前置放大 线性化线性化峰值峰值/ /瞬时值瞬时值V/IV/I A/DA/D显示显示探测器探测器恒温控制恒温控制 优点： （1）非接触 （2）响应快、瞬时温度 （3）测高温：冶金 传感器技术第九章 美国 Land 仪器公司 部分产品 2、光纤图像传感器 传像束：光纤规则排列、每条光纤传送一个像元信息 （1）工业用内窥镜 系统外部观察、 监视系统内部情况 CCD 器件 传感器技术第九章 23 （2）医用内窥镜 通过手柄控制光纤偏转，传输图像失真小， 诊断人体各部位疾病、进行外科手术的重要仪器。 传感器技术第九章 24 3、反射式光纤位移传感器 光电转换光电转换 放大器放大器 A/DA/D 单片机单片机 显显 示示 传感器技术第九章 近程位移测量曲线 远程位移测量曲线 25 光电转换及放大电路 传感器技术第九章 4、光纤风速计 检测电路检测电路 空气流动 风轮 转动 齿轮传动 凸轮转动遮光 光脉冲电信号 风速 避免受雷电干扰 孙圣和,光纤测量与传感技术,哈尔滨工业大学出版社，2000年 传感器技术第九章
