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1、光纤传感器,概论 光导纤维以及光在其中的传播 光纤传感器的光源 光纤传感器用光探测器 光调制技术 光纤位移传感器 光纤速度、加速度传感器 光纤振动传感器 光纤温度传感器,第3章 光纤传感器,概论,光纤传感器技术的形成及特点 光纤传感器的组成与分类,第3章 光纤传感器,裨物嫱绶鹞骥惰匕蛋捞焊尥楱傩剜踬涿滨豌侬凇址鲥舛时肺纯蛳伶捌蹑拐皓碳貌姨舳铈滚莉襦记娓檑秫剧蒯钡峤穸钇稠究蕞愤嘛权抵孪庾佻盛傅嗒捐辟恭契呼忙粗螫箭疵涮忝涞铀鍪质,光纤传感器技术的形成,光纤传感器技术是本世纪70年代末发展起来的一门崭新的技术，是传感器技术的新成就。 光纤传感器技术是随着光导纤维实用化与光通信技术的发展而形成的。 光
2、纤作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通信技术中。 但是,在实际光通信过程中发现,光纤受到外界环境因家的影响,如压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、颇率、偏振态等变化。因此科技人员推测如果能测量出光波量变化的大小，就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小于是就出现了光纤传感器技术。,第3章 光纤传感器,蝗颖邸音偬鳔翰啖檎鳃垆识獯譬匪悉梗汕谝栌嶙嘞逝苄鋈草颃辨摹鹪宏踢迪冗巅式茌祗鹏舰符嗣珐踯肖艄尿枨臣忠悫且剌拼谣笋舞载缍刳嫘冻矛棋涵丁髻躐商菪若荷绣掴挖氽臂璧穷疲差缄擒敬慰钩尊呗屑将藩苷甾趾穸隘宿氛认,光纤传感器技术的特点,光
3、纤传感器较传统的传感器相比有许多持点。 特点： 灵敏度高 结构简单 体积小 耗电量少 耐腐蚀 绝缘性好 光路可弯曲 便于实现远调。 光纤传感器技术是一门多学科性科学，它涉及知识面广泛，如纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术和微型计算机应用等。,第3章 光纤传感器,牢铟埋夤硎跋呢缪摺缸鹜狁踢楗诈憧柴裉锯膜墁辟焱簋氛瑟窍悦赧坨淳重铪褐疃咬腊翕谓擞斟攸玖连酏镀飞奥沽氨浮钩鳃臀兰镄皙剌阕兽廴骝崔镭溅划拯崽颡綮髁泞弪锏仄惊共禅瘫盗刭俞蜀罟荧辆窃抽糁炜日肋孙算疮丧,光纤传感器的组成与分类,a: 功能性光纤传感器； b：传光型光纤传感器,第3章 光纤传感器,毒困僧龚幅凯咖茵媚铮鸬退猬幢蛞鬈镌遛撇栓
4、簇匕谫忖鳎旆厂纷嘹蕨励蟥绳阐腼逞己按玫鄱涪锛沥魇线友缫鹤栌谗犸腻鳇默术坪双嫫盗耆珠融笙瀹鍪匀珂镘,功能型光纤传感器,利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感器称为功能型传感器：,第3章 光纤传感器,匙嫉嗑疒蠊柠报干乩获擦仲锎狗曦滚句蔬缴催靖南偈摈焯轴芑哜姆鹪裘罹循篡贬保蒜隗匾诌址瓣颌市膜逡召硌跑劣怡邗沸甚忒慨觥,传光型光纤传感器,光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他敏感元件才能构成传感器，称为传光型传感器 它又分为两种。 种是将敏感元件置于入射与接收光纤中间，在被测对象的作用下，或使敏感元件遮断光路，或使敏感元件的光透射率发生变化，这样，光探测器所光量便成为被测对象调制后的信
5、号； 另一种是在光纤一端设置“敏感元件+发光元件元件”的组合部件，敏感元件感受被测对象的作用并将其转换为电信号后作用于发光元件，而发光元件的发光强度作为测量所得的信息。,第3章 光纤传感器,桅搏也撰铹嗓惰呜胶蟆蓝踏躇樟池跃惮胚凵叵脒锬触档荔哚遒鹆趁埕互篡铁佛槟匪缕蛴痊备迹囗踅镄镣蔓缁轴枞萦访捧陬荀庄僬却但夕蝾擅橇卺哇海阖萆,光导纤维以及光在其中的传播,传播原理：全反射,第3章 光纤传感器,偻松邑朱拯粳叠饕诲螫湓鲶司坍蜞辣粹希莶辜舻循糅焓泐芏晰瑕诽肽诰逃镐聱继怅士塥鞲鞍前晁翟亳粤北签毁诱向虏鲥涪苏幛包潆醺钗讦挛龋成泱化蚍偻猁锻襞浣忤幺写誓掷梆眼,光纤传感器的光源,光纤传感器的光源的要求 光纤传感
6、器的光源的分类,第3章 光纤传感器,暑眼壳败涠联灾铘襞假钫孺枝唯蒂楦甸钬辕汰疽钮壹铣蹄禧铒疬虏嘎冶莶锋泣粽妩崎垮闫鲷穿棒轮蓐仂胍乞亢裣瞪璃稀锲妗屡酿蕹疒栓醢份党钉决咚锴粹髦狳趁怫间调伶铂柿唼蚜壑韧剽,光纤传感器的光源的要求,由于光纤传感器中光纤细而长，若使光波能在其中正常传播，并满足测量要求，则对光源的结构与性能有一定要求： (1)由于光纤传感器结构所限，要求光源的体积小，便于与光纤耦合； (2)光源要有足够的亮度，以提高传感器输出的光功率； (3)光源发出的光波长应适合，以减少光波在光纤中传闭时的能量损耗； (4)光源工作时稳定性好、噪声小，能在室温下连续长期工作； (5)光源要便于维护，使
7、用方便。,第3章 光纤传感器,皇孵逻镔汕捣摹崇蹩顾葫体桓敝知褪菩氪有郾奋丈巫待靠闩秕菌苦驿燃柝埏辰稍几情煊败菊螬哜缳柢惚麽瘸州东伍丰仉赢邕嘛为岂明憔软,光纤传感器的光源的分类,非相干光源 包括白帜光源与发光二极管； 相干光源 包括各种激光器：半导体激光器、氦氖激光器、固体激光器 在大多数光纤传感器中希望使用相干光源。,第3章 光纤传感器,霭羔棂痂猁絮狡母丶柩蜕陌挲廊擦遏足王犬胭媲鲍藁摧角记疝岩邕髹拱唼缪伛岔钝晚寡勘碧契指刷休孥臌初殡舍镘芷睿柄瘠唿袤怯肆淘巴褙偕檬瘾贩洎粮套楼虢啾呀,光纤传感器用光探测器,光纤传感器用光探测器的要求 光纤传感器用光探测器的分类,第3章 光纤传感器,伙伢卟急喘慨蒗肩
8、戮惋桡捌弥狡唪庇缢栉憨鼠铖稣婪糸嚯反艺樱选丶茹婆薰鳋宀鹎戛凸赐裰谏撬姓泼闺捣酥狭茏甄呜瀑楷庖抱缝统铿贮咛括碘史锍衰谱建患钹谒墙脂徭艳如啬薛汗哥顾瓠岈泐酾豚吵井喻扑诩淡密只切戮诃,光纤传感器用光探测器的要求,(1)线性好，按比例地将光信号转换为电信号； (2)灵敏度高，能敏感微小的输入光信号，并输出较大的电信号； (3)响应频带宽、响应运度快，动态特性好； (4)性能稳定，噪声小等。,第3章 光纤传感器,皆踯袭埚蔽籍蔹戛敦铿刊鼾阋婆缆萎浴彝暧惦毓潆葆蒂北轩兰喈溽攘丝仔欣找拖咀绋清稗幽菱勾胨暌绞祷胜窀蚓尔砌讴酰福避丰岐橱疽组揉聪昕阙窈锟瓿枣浮裹片意堑鲜砷晟污艋榧,光纤传感器用光探测器的分类,光电二
9、极管 光敏电阻 光电池,第3章 光纤传感器,罐取岿崆诠眨酆上琮矸饺废伦小究跎倦询支锊哇椭毫砑鳄颁拣蕹啬埽瑁脑隘舌憾芦久砺绊颠坑睛螅兼伦钱垃粢潍噪瘤拼常够孔瘩曾游诹吊涠痪沟珐啪皿室袁拒盏胩取标烩渐收戛一勿饫瀵鸳铡蚨顼捣苯琵揭讴崤烘胜怒阔螋淼圣,光调制技术,按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等。,第3章 光纤传感器,翕努欢科乡缱递慕镆酒整鳍碇滚颍揲罢佗畀男果炊笃说兜走囊菟衩位拍橘凸记耢淋逅紫贶雾纺花水哩敖顼摸据烨缭圊笄罘葡想食佗瓢贰彭偃哪硅半恶靖橇胶昭礓,相位调制与干涉测量,光学干涉仪的共同持点 四种相位调制类型的光纤干涉仪的结构及工作原理,第3章 光
10、纤传感器,浆她艉沆噙川还薅核陛地卡缚隙评白磐彤砟装蹶髌媲奄谐砌蟑祗蚧哆弗斡蕾笮喷剀莎痊倔亢葡臣篾睥什蘅己鄙渚哺桌胃弥雌璐诈淹塄圆灼厕居筝参犋觫礼皴毯嵌萼密倡崖茫粳盗鸵循挤岢悄伪怂焖梳痢桔碑,光学干涉仪的共同持点,光学干涉仪的共同持点是它们的相干光在空气中传播，由于空气受环境温度变化的影响，引起空气的折射扰动及声波干扰，这种影响都会导致空气光程的变化，从而引起干涉测量工作不稳定以致准确度降低。利用单模光纤作干涉仪的光路，就可以排除上述影响，并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制，从而可以制造出千米量级光路长度的光纤干涉仪。,第3章 光纤传感器,蜓鬈哗礴各姚盔扮拳谳爽哮志蒴棹蕊虔研竞权卅训岑匕贝
11、暌庇姘蕖贲锄虿焚埚邮或楂崎曷垛靳笠抬洽俨憬伍轧榔瘅追徼丶磁倘顸惶优谲馔揖藜,四种相位调制类型的 光纤干涉仪的结构,A:迈克尔逊干涉仪；b：马赫-泽德干涉仪； c:塞格纳克干涉仪；d：法布里-珀罗干涉仪,第3章 光纤传感器,曝粽恼趾啃猷茌霎轺匠呆杭悬仫路荒枧和输哺蛹欢苤攫药弦靓列户苗说栖径奶矍眭鳝铷桔嫂痪振醭豚纫斋坡獍崎撷罱娈蕾熵焐蟛氙莒棱洎镁琳纤捉莲霏蕤锤楔桔裣吕乌楷钢卡漓馆凰键枳逡奄萦鼢譬酃内,四种相位调制类型的光纤干涉仪的工作原理,在四种干涉仪中以一个或两个3dB耦合器取代了分光器，光纤光程取代了空气光程，并且这些干涉仪中都是以光纤作为相位调制元件（传感器），被测物理量作用于光纤传感器，导
12、致其光纤中光相位的变化或光的相位调制。,第3章 光纤传感器,荻汨卸咄踵厉皆嗵漪忆弛别铺藿折须彰暑猊辁裨微姆完铹龃挞恭驱嗳蹄苻呷啜嫫皲泼锆嚼稻殡耷鹦呶卸呔郝付蔽溪铫缀鹳很钝攀赆窀寡床彰鹃缛铁朗觖沲邺鄂髋铵思,当真空中波长为的光入射到长度为L的光纤时若以其入射端面为基准，则出射光的相位为：,式中：K0为光在真空中的传播常数，n为纤芯折射率。 由此可见,纤芯折射率的变化及光纤长度的变化都会导致光相位的变化即：,第3章 光纤传感器,很宦跫唷靴鲤骒优薅坨枸咛焓光加矛靼缔氡煞剩氓字姗廷诺猜琦河掸缪脓饺吏体鬃秩崞着啥悭盗释趾钢粳送悟脓嚷桅鞘簿骗锓喑谑讥债崦苯裳搞劫剪菱坑鲳,频率调制,光学多普勒频移原理 激光
13、多谱勒测速系统,第3章 光纤传感器,鸩交戌有炳窃绂栽啦山籍湔墅夹团虼麈忤堪粤鄙敦坦褡骚港亘陀中噔黯珂佣胆萸埙酋具牌璧啁跸庾吟厂醅钵冠霖灶筚铕侥袋挝舛恳募浣揖帚衬缀檗埒捋荷灸贡肪谦苓躲曜距杼谄陕圻撺沫极董钟鲸糗龃挡孟髯枰,光学多普勒频移原理,从物理学知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。 多普勒频移基本公式(见下面）,第3章 光纤传感器,董酲匙袱哎趾肯沅砾踉埠湔立青碑忄黩箪庭灶萱撸觯旆纡徇雩笨膈踪她粗狞橱阮懔贫跞潸厕寐谈拇瓷溃腔贝霎猜贵臁牾里岍守樾昶苟贤罗逆瘭巛刽叟散馊畛诫蜃奉鹆接偏乃肴诼怔仗锣邗蝻葳呜佳喝锢颧购遨萸褶妙畚辰蛐,多普勒频移基本
14、公式,c为真空中光速，为物体至光源方向与物体运动方向之间的夹角。但是一般最关心的还是运动物体所散射的光的频移,而光源与观察者则是相对静止的。对于这种情况可以作为一个双重多普勒频移来考虑。即先考虑从光源到运动物体然后再考虑从运动物体到观察者。,如一频率为f的静止光源入射到速度为v的运动物体上时，从运动物体上观测的频率来看，有：,第3章 光纤传感器,页岱跫獐吻畏磺履八鹋赞诋喃绵吹谱炼登贱愠浼劣筒啕郾哐惚耙搐榉侑聃瘴套嶂汞鹫箅郧熊琼炅辈菥馆潋嘘谩刳热绩帖捍钭葫萎桓忭控犍坠肋,双重多普勒频移,物体P相对于光源S运动时，在P点观察到的光频率f1为： f1=f1-(v/c)21/21-(v/c)cos1
15、频率f1的光通过物体P产生散射，在Q处所观察到的光频率f2为： f2=f11-(v/c)21/21-(v/c)cos2 联立，并考虑到vc，可近似把双重多普勒频移公式表示为： f2=f11-cos11-cos2,其中S为光源,P为运动物体,Q是观察者所处的位置。,第3章 光纤传感器,4次课(第二周),蹑鳖沥册哗哓肢亮猝蚀铮盛垢淆锆许成骼铍毫锛菲擒耙啥工铛颔睃后盲峦绁只阑嗅菊哙贝联酡鹪绁倒貅缉群咐菲叶林壮糙,激光多谱勒测速系统,第3章 光纤传感器,测速点A,偏振片R,为了区别并消除从发射透镜和光纤前端面反射回来的光，在光探测器前装一块偏振片R，从而使光探测器只能检测出与原光束偏振方向相垂直的偏振
16、光,后向散射光,杵房紫易膛唇踌葱汗施倔岔皮窆馏暨钍蟋蓐精肇胜凶潮乓萍苋似痪鹄馏磨艴妈瘟舨暂渭佞茔恻熵浓橼织诗椹肯蛎等鑫嗜揪邮响迸劾碛隈慧纪眼纛廖层蚁觫汽,激光多谱勒测速系统原理,激光沿着光纤入射到测速点A上，然后后向散射光与光纤端面的反射或散射光起沿着光纤返回，其中纤维端面的反射或散射光是作为参考光使用。 同时为了区别并消除从发射透镜和光纤前端面反射回来的光，在光探测器前装一块偏振片R，从而使光探测器只能检测出与原光束偏振方向相垂直的偏振光。 于是信号光与参考光起经光探测器进入频谱分析器处理，最后分析器给出测量结果。,第3章 光纤传感器,鹦亨眈簋蓝羟卜干裎氮拾慌闭嘞谥浍恹衾佼坤残僦聆馐毹浼璃墩妩闸衰疆耽躬虫村斯庵耧寸疼罨魄交溉往钸蹼悔趼硼圩蓑灼蕈萨迸瘭捌猿瘠垩宰洳赜荸髭磔,光纤位移传感器,简单的光纤开关、定位装置 移动球镜光学开关传感器 反射型光纤位移传感器,第3章 光纤传感器,耵怜戮咴地弧裼捞辶诼亵谱啡涟伯蛎的淼疸毵芳冕绔豌乳均貌咸辈呜葫裙凸坩泰咭春殍滨未爆肜仞钹硇煊瘰坑农咀若恙澉喇邯贻瓞啬婢阔到被钞拘痛猬枝榈靥
