传感器技术-第九篇-光纤传感器.ppt

第九章 光纤传感器 9.1 光纤传感器基础 光纤波导简称光纤，是用透光率高的电介质(石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。 由圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率n1略大于包层的折射率n2。 通常直径为几微米到几百微米 斯乃尔定理 光纤导光: 数值孔径（NA） NA反映纤芯接收光量的多少，标志光纤集光性能。 意义：无论光源发射功率有多大，只有2θi0张角之内的光功率能被光纤接受传播。 大的数值孔径：光纤的集光性能强。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。 光纤模式 光纤模式:光波沿光导纤维传播的途径和方式。 以不同角度入射的光线在(n1和n2)界面上的反射次数是不同的。 光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。后者在纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在横向往返一次的相位变化为2π的整数倍时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为模。 在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利的，导致合成信号的畸变，因此我们希望模式数量较少为好。 9.1.2 光纤的特性 损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响。 a类：功能型FF b类：非功能型NF C类：拾光型NF (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。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。 (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，光照在非光纤型敏感元件上受被测量调制。 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：灵敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。 (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 9.2 光调制与解调技术 光就是一种横波， 9.2.1 强度调制与解调 利用被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检测， 优点: 结构简单、容易实现、成本低。 缺点: 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响 9.2.2 偏振调制与解调 利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息 应用： 电流、磁场传感器：法拉第效应； 电场、电压传感器：泡尔效应； 压力、振动或声传感器：光弹效应； 温度、压力、振动传感器：双折射性 优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。 9.2.3 相位调制与解调 被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。 利用光弹效应的声、压力或振动传感器； 利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器； 利用电致伸缩的电场、电压传感器 利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺） 优点：灵敏度很高， 缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。 9.2.4 频率调制与解调 利用被测对象引起光频率的变化来进行监测。 利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器； 利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器等。 光纤传感器的特点 光缆的外形 光纤的类型 阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。 梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。 单孔型光纤 单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于被传输光波的波长，光以电磁场“模”的原理在纤芯中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输。 与光纤耦合的电光与光电转换器件 实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极管。 激光二极管的外形 激光二极管与发光二极管的带宽及效率的比较 单模光纤必须采用能发射单一光谱的激光二极管，它在传导过程中的发散损耗较小，稳定性较高。 光纤的损耗 光纤在传输信号的过程中损耗应尽量小且稳定。在某些波长上，光纤的损耗非常小。可选择适当波长的电光转换元件与之匹配。 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。 光纤液位传感器 光纤式光电开关应用 光纤式光电开关应用 光纤式光电开关应用 光纤的其他应用 军用光纤陀螺： 将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可以测得出射光的相位发生变