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1、2020/10/25,1,第十章 光纤传感器,2020/10/25,2,光纤-信息时代的神经,光纤之父-2009诺贝尔奖获得者高锟,光纤通讯系统,光 纤,2020/10/25,3,医学应用,2020/10/25,4,动 态 图 案,艺术应用,2020/10/25,5,光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。,光纤传感技术就是将温度、压力、电场、磁场等环境因素的变化转化为光波量的变化的技术。 光纤传感器通过光纤把输入变量转换成调制的光信号。,光纤传感,2020/10/25,6,一、 光纤传感器基础,1.光纤的结构 光纤是用光透射率高的
2、电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。光纤的结构如图所示:,2020/10/25,7,光纤的拉制,2020/10/25,8,2.传光原理 光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。,2020/10/25,9,光在两介质界面上的折射和反射,2020/10/25,10,NA定义为“数值孔径”。它是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有20张角内的光，才能被光纤接收、传播(全反射)；NA愈大，光纤的集光能力愈强。产品光纤通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的NA=0.2-0.4。,2020/10/25,11,2020/10/25,12,a、按材料分类 1) 高纯度石英
3、(SiO2)玻璃纤维 2) 多组分玻璃光纤 3) 塑料光纤 4）复合光纤 5）掺氟光纤 6）氟氯化物光纤 ,3.光纤的种类,2020/10/25,13,b、按折射率分类 阶跃折射率光纤：在纤芯和包层的界面上，纤芯的折射率不随半径而变,但在纤芯与包层界面处折射率有突变。 渐变（梯度）折射率光纤：光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致。,2020/10/25,14,c、按光纤的传播模式分类,实际中常用归一化频率作为确定光纤传输模数的参数。的值可以由纤芯半径r、传输光波波长及光纤的数值孔径NA确定，即:,值小于2.41的光纤，纤芯很细(5m-10m)，仅能传输基模
4、(截止波长最长的模式)，故称为单模光纤。值大的光纤传输的模数多，称为多模光纤，通常纤芯直径较粗(几十m以上)，能传输几百个以上的模。,2020/10/25,15,单模光纤:阶跃型,常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性度；但因芯小，难以制造和耦合。,2020/10/25,16,多模光纤:允许多个模数的光在光纤中同时传播，模分散最严重。这限制了多模光纤的带宽和传输距离。,2020/10/25,17,渐变折射率多模光纤:光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形，又称为自聚焦光纤。因此渐变折射率多模光纤的模分散比阶跃型小得多。,2020/
5、10/25,18,4.光纤传感器的基本组成,构成光纤传感器除光导纤维之外，还必须有光源和光探测器，另外还有一些光无源器件。,例：遮光式光纤温度计,2020/10/25,19,发光二极管,激光二极管,光 源,2020/10/25,20,专用的光纤连接头及光纤插座,光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。,2020/10/25,21,光电转换器件,2020/10/25,22,二、 光纤传感器的工作原理,2020/10/25,23,2020/10/25,24,1、 光纤传感器分类,a功能型光纤传感器,将“传”和“感”合为一体的传感器。 由于光纤连续
6、，增加其长度，可提高灵敏度。这类传感器主要使用单模光纤。,2020/10/25,25,b非功能型(传光型)光纤传感器,光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成，光纤在系统中是不连续的。 无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低；但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。,2020/10/25,26,传感器,光学现象,被测量,光纤,分类,干涉型,相位调制光纤传感器,干涉（磁致伸缩） 干涉（电致伸缩） Sagnac效应 光弹效应 干涉,电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度,SM、PM SM、PM SM、PM S
7、M、PM SM、PM,a a a a a,非 干 涉 型,强度调制光纤温度传感器,遮光板遮断光路 半导体透射率的变化 荧光辐射、黑体辐射 光纤微弯损耗 振动膜或液晶的反射 气体分子吸收 光纤漏泄膜,温度、振动、压力、加速度、位移 温度 温度 振动、压力、加速度、位移 振动、压力、位移 气体浓度 液位,MM MM MM SM MM MM MM,b b b b b b b,偏振调制光纤温度传感器,法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 光弹效应,电流、磁场 电场、电压、 温度 振动、压力、加速度、位移,SM MM SM MM,b,a b b b,频率调制光纤温度传感器,多普勒效应 受激喇曼散射 光致
8、发光,速度、流速、振动、加速度 气体浓度 温度,MM MM MM,c b b,注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型,光纤传感器的分类,2020/10/25,27,2 光调制和解调,光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频率和波长等方式。 光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。 在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行检测。,*,28,膜片反射式光纤压力传感器,当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。,1）强度调制型,*,29,微
9、弯光纤压力传感器,在微弯处一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移等物理量。,2020/10/25,30,种类：有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。 优点：结构简单、容易实现，成本低。 缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。,强度调制型光纤传
10、感器,一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。,2020/10/25,31,基本原理：是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播系数发生变化，而导致光的相位变化，然后用干涉仪把相位变化变换为振幅变化，从而还原所检测的物理量。因此，相位调制与干涉测量技术并用，构成相位调制的干涉型光纤传感器。,常用的干涉仪主要有4种：迈克尔逊干涉仪、赛格纳克干涉仪、马赫-泽德干涉仪和法布里-珀罗干涉仪，如图所示。,2）相位调制与干涉测量,2020/10/25,32,(a) 迈克尔逊干涉仪,(b) 赛格纳克干涉仪,(c) 马赫泽-德干
11、涉仪,(d) 法布里-珀罗干涉仪,2020/10/25,33,常见相位调制方法：,1）机械应变及光弹性效应 机械应变引起光纤的机械尺寸变化；某些物体内部存在应力时，会产生折射率在不同方向有不同变化的现象；,2）温度效应 温度变化引起光纤的尺寸及折射率变化：,3）磁致伸缩、电致伸缩效应 将单模光纤表面镀上磁致伸缩、电致伸缩材料，则当磁场、电场作用于光纤时，使光纤长度变化，从而相位变化；,2020/10/25,34,工作原理：利用由被测对象引起的光频率的变化来进行监测的传感器。 如：通常有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的速度、流速、振动、压力、加速度光纤传感器； 利用物质受强光照射时的拉曼
12、散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器。,1) 光学多普勒频移原理 光学中的多普勒现象是指由于观察者和目标的相对运动，使观察者接收到的光波频率产生变化的现象。,3） 频率调制,2020/10/25,35,双重多普勒频移方程表示为:,式中， f2为在Q处所观察到的光频率； f为从光源S发出的光频率。,2) 光纤多普勒技术 根据多普勒频移原理，利用光纤传光功能组成测量系统，可用于普通光学多普勒测量装置不能安装的一些特殊场合，如密封容器中流速的测量和生物体中流体的研究。,2020/10/25,36,光纤传感器的特点:,电绝缘性能好。 抗电磁干扰能力强。 非侵入性。 高灵敏度。 容易实现对被
13、测信号的远距离监控。,位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。,光纤传感器的应用:,三、 光纤传感器的应用,2020/10/25,37,1）光纤液位传感器,2020/10/25,38,光纤液位传感器,2020/10/25,39,2）光纤式光电开关,反射型,遮断型,反射镜反射型,2020/10/25,40,光纤开关与定尺寸检测装置,标志孔,电路板标志检测,当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。,光纤 耦合器,传输光纤,出射光纤,2020/10/25,
14、41,定位 条形码检测,2020/10/25,42,遮断型光纤光电开关,出射光纤,接收光纤,2020/10/25,43,光纤温度开关,水银柱式光纤温度开关 1 浸液；2 自聚焦透镜；3 光纤；4 水银,2020/10/25,44,采用遮断型光纤光电开关对IC 芯片引脚进行检测,2020/10/25,45,3） 医用光纤传感器,a.医用内窥镜 由于光纤柔软、自由度大、传输图像失真小，引入医用内窥镜后，可以方便的检查人体的许多部位。左图为腹腔镜的剖视图。图像导管直径约3.4 mm。,2020/10/25,46,b.光纤体压计 可用来检测人体各部位的体压，如膀胱、直肠、颅内和心血管等，测量范围通常为
15、0-40 kPa。 图所为一种医用体压计探针的结构示意图，在探针端部的开孔上安装有对压力敏感的防水薄膜。膜片通过悬臂梁与反射镜相连。,2020/10/25,47,保护管内为高温光纤,低温光纤,4）光纤温度传感器,2020/10/25,48,利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式探头结构如图。光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。,2020/10/25,49,5） 光纤纳米生物传感器,目前最新的生物检测技术多采用纳米传感器。其中一类是运用纳米纤维技术的光学生物传感器。纳米尺度的光纤尖端的制作是光纤纳米传感器的基础，左图为熔接熔拉腐蚀法实验结果。右图为纳米光纤用于细胞检测。,2020/10/25,50,小 结,一、 光纤传感器基础,三、 光纤传感器的应用,二、 光纤传感器的工作原理,2020/10/25,51,作业,调研光纤传感器的应用实例（最好与生物医学工程相关） 要求：每人PPT讲解5-8分钟 成员：郭佳慧、张敏、文星曌、郑长坤、黎东升,
