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1、,光纤传感器,上一页,下一页,返 回,教学目标：熟悉了解光导纤维传光基本原理，光纤的结构形式及其相关参数。掌握光纤传感器结构原理分类，组成单元中光纤的作用以及相关的应用。,光纤传感器,光纤传感优点： 灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可桡性、可实现不带电的全光型探头； 频带宽动态范围大； 可构成传感不同物理量的传感器； 便于与计算机和光纤传输系统相连,易于实现系统的遥测和控制 可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境； 结构简单、体积小、重量轻、耗能少 应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。,上一页,下一页,返 回,光纤传感器始于197
2、7年，经过几十年，目前已进入研究与应用并重阶段。,第6章 光纤传感器,6.1 光纤的传光原理与特性 6.2 传输光的调制技术 6.3 强度调制光纤传感器 6.4 相位调制光纤传感器,上一页,下一页,返 回,6.1 光纤的传光原理与特性,6.1.1 光纤的结构 6.1.2 光纤的分类 6.1.3 光纤的传光原理 6.1.4 光纤的传光特性,上一页,下一页,返 回,6.1.1 光纤的结构,上一页,下一页,返 回,光导纤维简称光纤，它是用直径为微米级的石英级的石英玻璃制成的。每根光纤由一个圆柱形的内芯和包层组成，内芯的折射率略大于包层的折射率。,上一页,下一页,返 回,多层介质结构：1.纤芯：石英玻
3、璃，直径575um，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素2.包层：直径100200um，折射率略低于纤芯3.涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光4.护套：尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤,6.1.2 光纤的分类,上一页,下一页,返 回,1.按折射率变化类型分类,按纤芯到包层折射率变化：,阶跃折射率光纤：纤芯与包层之间的折射率是突变的，纤芯折射率保持不变。 渐变折射率光纤：在横截面中心处折射率最大，由中心向外折射率逐渐变小，到内芯边界处变为包层折射率。通常折射率变化为抛物线形式，又称为梯度型。,上一页,下一页,返 回,2.按传播模式种类来分,单模光纤多模光纤,纤芯直径小 只能传送一种模式 传输
4、性能好 制造、连接、耦合困难,纤芯直径较大 传播模式较多 性能较差，带宽较窄 制造容易，耦合容易,传播模式也叫传输模式，即光沿着光纤传播的途径和方式。,上一页,下一页,返 回,3.按材料分类,高纯度石英玻璃纤维： 光损耗比较小多组分玻璃光纤： 用常规玻璃制成，损耗也很低塑料光纤： 用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但重量轻，成本低，柔软性好,上一页,下一页,返 回,结论：,传导模：在纤芯中传输的光 辐射模：进入包层的光 要求：进入光纤中的光要能在纤芯中传输， 而不要溢出纤芯。 即：传导模尽可能大，辐射模尽可能小，从而获得最小的传输损耗。 利用石英玻璃等高透射率电介质材料制作的光纤，是可见光至
5、近红外光最理想 的传输媒体。,6.1.3 光纤的传光原理,1. 光的折射与反射,上一页,下一页,返 回,光由光密介质入射到光疏介质时发生折射，如图(a)，其折射角大于入射角，即 n1n2时， ri。 n1、n2、r、i间的数学关系为：,根据光学原理我们知道，光在空间是直线传播的。而在光纤中，光的传输却能限制在光纤之中，并随着光纤的弯曲而走弯曲的路线，能够传递到很远的距离，如同导线中电流能在导线上传输一样的性能。,上一页,下一页,返 回,当r=90时，i仍90，此时，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态。 临界角i0为：,上一页,下一页,返 回,当ii0并继续增大时，r90，这时便发生全反
6、射现象，如图 (c) ，其出射光不再折射 而全部反射回来。,2. 光在光纤中的传输,上一页,下一页,返 回,能在光纤中传输的光线满足全反射条件的光线，大于其临界入射角m时，进入纤芯的光就可以全反射的方式沿纤芯的釉向传的。 i c ，为确保 m，必须i im。 这种以全反射方式在纤芯中传输的光线主要有子午光线和斜光线，子午光线是指与纤芯轴线相交的反射线，包含子午光线的平面叫子午面，圆柱体光纤中包含纤芯轴线的平 面都是子午面。,斜光线,上一页,下一页,返 回,在阶跃光纤中传输的光线，能满足全反射条件的除了子午光线之外，还有一 种斜光线。斜光线在纤芯中传的时并不保持在同一平面内，且不与纤芯轴线相 交
7、。光线由x点入射至纤芯后，在纤芯内是以同折射角的斜线XYYZ传输的，斜光线XYZ在纤芯横截面上的投影折线 XMN组成一个内接正多边形。斜光线传输到界面处都要产生全反射，每次 反射后形成的轴向角相等，相应地投影折线角保持不变。,梯度光纤的光传输,上一页,下一页,返 回,梯度光纤中满足全反射的光线也有子午光线和斜光线。所有满足全反射的子午光线，都按相同空间周期的正弦曲线传输。不同入射角i的光线，其正弦曲线的振幅Rm不同；但各种入射角的子午光线都能定期地自动会聚到一点，因而梯度光纤又称之为自聚焦光纤。Rm随i减小，在纤芯轴线处入射且入射角为0的光线将沿纤芯轴线传输，其振幅为0。,6.1.4 光纤的传
8、光特性,1. 数值孔径（NA） 2. 传播损耗 3. 色散,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,1. 数值孔径（NA）,反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。 意义：无论光源发射功率有多大，只有2i张角之内的光功率能被光纤接受传播。如入射角过大， 光线便从包层逸出而产生漏光。光纤的NA越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率； 但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.20.4。,上一页,下一页,返 回,数值孔径（NA）定义为,2. 传播损耗,上一页,下一页,返 回,为损耗率，表示光由光纤的一端传
9、递到另一端时产生损耗的速率，通常用每km引起光功率损耗的分贝数表示：,(dB/km),式中光线损耗 L光纤长度Pi、Po分别为光纤输入输出功率,由于光纤纤芯材料吸收、散射、以及光纤弯曲处的辐射损耗影响，光信号在光纤中的传输不可避免的要发生损耗（如同电流在导线中传输）。,如图所示，假设从纤芯左端输入一个光脉冲，峰值强度为Po，通过光纤时，其强度通常按指数下降，即光纤中任一点处光强P为：,光纤传播损耗分类,上一页,下一页,返 回,吸收损耗： 与组成光纤的材料的电子受激跃迁和分子共振有关。 散射损耗： 由于材料密度的微观变化，成分起伏，以及在制造光纤过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起的。 辐射损
10、耗： 当光纤受到具有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射损耗。,大部分光纤传感器所用光纤一般不足4m，短者只有数毫米，因此传感器用光纤，尤其是敏感元件用特殊光纤可放宽传输损耗要求，一般传输损耗10dB/Km的光纤均可采用，可降低成本。,3. 色散,上一页,下一页,返 回,复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。 材料色散：材料的折射率随光波长度的变化而变化，使光信号中各波长分量的光的传播速度不同而引起的色散。 波导色散：由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数随着信号角频率变化而引起色散。 多模色散： 在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同、群速度不同而产生的色散。,6.
11、2 传输光的调制技术,传输光的调制是指将被测量加载于光波之上，对传输光的某些性能参数产生影响，这一技术是光纤传感器的物理基础和关键技术。,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,根据光受被测对象的调制形式,(a) 强度调制 (b) 偏振调制 (c) 相位调制 (d) 频率调制,上一页,下一页,返 回,6.2 传输光的调制技术,6.2.1 光纤传感器结构原理 6.2.2 光强度调制 6.2.3 光相位调制 6.2.4 偏振调制 6.2.5 频率调制,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,6.2.1 光纤传感器结构原理,把被测量的状态转变为可测的光信号的装置,上一页,下一页,返
12、回,光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器， 使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。,光发送器：光源，一般为发光二极管或钨丝灯泡等。 敏感元件：可以是光纤，也可以是非光纤。 光受信器：某种光电器件。,光纤传感器光学测量的基本原理,光就是一种电磁波,光的电矢量E,被测量调制： 光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位 解调： 光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制,上一页,下一页,返 回,电磁波的物理作用及生物化学作用主要是由其中电场而引起，讨论光的敏感测量时，考虑光的电矢量E的振动。,B：电场E的振幅； ：光波的振动频率 ：光相位； t：光的传播时间,光纤在传感器中的作
13、用,功能型非功能型拾光型,上一页,下一页,返 回,(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器,光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。即利用外界物理因素改变光纤中的光强度、相位、振幅和波长（频率），从而对外界物理量进行检测和数据传输。 优点：结构紧凑、灵敏度高。 缺点：须用特殊光纤，成本高， 典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。,上一页,下一页,返 回,(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器,光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。即利用其它敏感元件感受被测物理量，而后用光纤进行信息传输。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵
14、敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。,上一页,下一页,返 回,(c) 拾光型光纤传感器,用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。典型例子：光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器,上一页,下一页,返 回,6.2.2. 光强度调制,上一页,下一页,返 回,内调制： 发生在光纤内部，是通过光纤本身特性改变来实现光强度的调制；即光纤既是光的传导媒质，又是光的敏感元件，内调制光纤传感器称之为功能型光纤传感器 外调制： 调制过程发生在光纤之外的环节，此时光纤只作传光媒质，外调制光纤传感器又称为非功能型光纤传感器或传光型光纤传感器。 调制方式： 微弯调制 反射调制 透射调制,
15、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，导致光强度变化来实现检测的传感器。,1. 微弯调制,上一页,下一页,返 回,当光纤发生弯曲时，将引起界面入射角发生变化，若当 m时，入射到界面的光将发生折射而形成辐射模，引起纤芯中传导模强度减小。当光纤受微弯板作用产生弯曲时，使原沿纤芯轴线传输的传导模中的一部分泄漏到包层中，成为辐射棋，使纤芯中的传导模减 少。作用力越大，光纤微弯程度增加，纤芯的传导模损耗越大，从而实现对传导光波强度的调制。,2. 透射调制,上一页,下一页,返 回,在发射光纤和接受光纤之间插入被测对象，当发射光强度一定时，被测对象的变化将引起接收光强度的变化，因而被测对象起到了光强度透射调制的作用。被测对象一般为光吸收物质，被测对象的规律变化，将引起接收光强度的规律变化。通过遮光盘的上下移动来调制透射到接收光纤中的光强度。,3. 反射调制,上一页,下一页,返 回,接收光纤接收到的光强度，将直接受被测物端面对光的反射 特性调制。通常被测物表面涂有反光物而形成反光面，当发射光强度一定时，接收光强度的大小将由反光面到光纤端面的距离x来调制。,
