传感器6_9章光纤传感器

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1、传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用传感器技术及应用机械0920112012第二学期 2012年3月传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用第9章 光纤传感器信息载体光传递媒质

2、光纤兼具光纤及光学测量的特点。光线传感器与以电为基础的传感器有本质区别。传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用光纤传感器的特点：优点：l不受电磁干扰，可绕曲，耐腐蚀， 高绝 缘强度，防爆性好，l灵敏度高，能与数字通信系统兼容等。被测量范围广：l温度、压力、应变、位移、速度、加速 度、磁、电、 声和PH值等70多个物理 量；应用领域：自动控制、 在线检测、 故障诊断、安全 报警等方面传感

3、器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用一、 光纤1、 基本原理1）几何光学的基本定义和定律l光在均匀介质中：直线传播l在两介质1和2的界面上发生：反射角入射角1折射角2反射折射传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型

4、Brag光栅传感器 工作原理 应用2）斯乃尔定律（Snells Law)折射定律l折射定律 ：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，l且满足：n1sin1=n2sin 2光折射示意图 n1、 n2 分别为介质1、2的折射率传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用3）光的全内反射原理（1）当光由光密介质（大折射率n1）射向光疏介 质（小折射率n2）时，

5、2 1（3）全反射： 当1 c， 2 90，在界面上发生全反射（2）折射的临界状态：使2 90 的入射角1 称为临界角c光折射示意图临界状态示意图 光全反射示意图传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用2、光导纤维光纤纤芯：玻璃纤维，折射率 n1 包层：与纤芯同质，折射率n2 90，则0c=arcsin NA，光线消失。l数值孔径的意义是：无论光源发射功率有多大，只有 2c 张角之内的光

6、功率被光纤接受传播。l数值孔径是反映纤芯集光性能的主要参数。sin c =NA定义为“数值孔径”NA(Numerical Aperture)。光线刚好不发生折射， 即： 2 =90 则临界入射角：传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用数值孔径的大小由纤芯和包层材料性质决定v数值孔径NA对光传输的影响：l大的数值孔径，有利于耦合效率的提高。l但数值孔径大， 光信号将产生大的“模色 散”会

7、使信号发生严重畸变典型的光纤10（sin 10 0.175）石英光纤的NA0.20.4传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用3）光纤的类型（1）按折射率变化分类a) 阶跃型（stepped）l纤芯与包层之间的折射率是突变 的，b) 渐变型（graded）l在纤芯横截面中心处折射率最大 其值为n1 ，由中心向外逐渐变 小到与包层交界处折射率n2 ，l通常折射率变化为抛物线型式， 又称为梯

8、度型。传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用（2）光纤按传输模式分类a） 多模光纤纤芯直径在50200m，光信号在光纤中可多光线传输，以多个模式同时传输，由于模间色散较大 ，限制了传输数字信号的频率和传输距离。可使 用LED光源 b） 单模光纤l纤芯直径很小（810m)，只能传输基模(最低阶 模)，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。需要 用激光

9、源。现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤 。 传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用3、 光纤的特性指标评价信号通过光纤的 损耗和色散1） 损耗特性评价指标：光强的衰减系数aPi、Po入射端和出射端光功率， L光纤长度（km）一般光纤传感器中的光纤L4m，a10dB/km的光纤均可选用实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类 光纤在1.

10、55m波长区的损耗可低到0.18dB/km传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用2）色散l色散：由于光波在传输过程中的群速度不同，输入脉冲经过传输后出现脉冲展宽现象。l特别在光纤通讯中，色散使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元

11、件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用3）光纤的分布类型影响光纤传感器灵敏度的有：光纤束的数量、尺寸和分布,以及每根光纤的数值孔径(a)随机分布(b)半球形对开分布(c)共轴内发射分布(d)共轴外发射分布传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用l塑料光纤l玻璃光纤传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反

12、射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用常规光纤与纱芯光纤217纱芯光纤 直径66 m613纱芯光纤 直径42m传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用二、光纤传感器1、 光纤传感器分类及其工作原理A）功能型（元件型）光纤传感器l光纤为敏感元

13、件，光在光纤内受被 测量调制。l此类传感器要求高、成本也高。光发 送器光受 信器光纤敏感 元件被测物理量调制光传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用B）非功能型（传光型）光纤传感器l利用其他敏感元件感受被测量的变化 ，l光纤仅作为光传输介质，又称为传光 型光纤传感器光发 送器光受 信器传输 光纤被测物理量调 制 光敏感元 件传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反

14、射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用2、 光调制解调技术光的调制：将信号叠加到光波上。调制原理：外界信号可引起光的强度 、 波长或频率、相位、偏振态等光 学性质的变化，从而形成不同的调 制：分类 ：强度调制型、频率调制型、相位调制型、偏振调制型传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射

15、型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用3、几种常用的光强调制技术1） 微弯调制光纤的弯曲能够使光从纤芯射入包 层而产生损耗。l微弯光纤传感器l敏感元件变形器。l变形器如一对错开的带锯齿槽的 平行板, 能引起光纤产生微弯传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用2）光强度的外调制v调制环节在外部，光纤只起传光作用 。分为：反射型和透光型传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定

16、理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用应用1： 反射式光纤位移传感器v工作原理： 根据被测目标表面光反 射至接收光纤束的光强 度的变化来测量被测表 面距离的变化。传感器技术及应用 光纤基础知识 基本原理 折射定理 光的全内反射定理 光导纤维 结构 数值孔径 分类 光纤的特性指标 光纤传感器 工作分类及原理 元件型、传光型 常用的光强调制技术 外调制 应用举例 反射型 透光型 Brag光栅传感器 工作原理 应用输入输出特性:1)位移为零光纤探头端部紧贴被测件表面l发射光锥和接收光锥无重合面积,l接收光纤中无光信号